جابه‌جایی الماس یک‌سانتی‌متری با استفاده از نیروی کوانتومی الکترون‌ها

پژوهشگران در یک دستاورد علمی بی‌سابقه موفق شدند با بهره‌گیری از نیروی کوانتومی الکترون‌ها، یک جسم ماکروسکوپی شامل یک الماس به عرض یک سانتی‌متر را به حرکت درآورند. این آزمایش که مرز میان فیزیک کلاسیک و کوانتومی را جابه‌جا می‌کند، دریچه‌ای نو به سوی درک ماهیت گرانش و پدیده‌های بنیادین جهان می‌گشاید.

شکاف میان دنیای اتمی و دنیای ماکروسکوپی

در حالی که فناوری‌های مدرنی نظیر رایانه‌های کوانتومی و دستگاه‌های MRI بر پایه مکانیک کوانتومی استوار هستند، اکثر پژوهش‌ها بر ذرات زیراتمی تمرکز دارند. چالش اصلی، اثبات پدیده‌های کوانتومی در اجسامی است که جرم آن‌ها به قدری زیاد است که گرانش بر آن‌ها اثر می‌گذارد. جداسازی این اجسام بزرگ از نویزهای محیطی مانند حرارت و ارتعاش، همواره مانعی بزرگ برای دانشمندان بوده است.

پژوهشگران موسسه علوم و فناوری اوکیناوا (OIST) در ژاپن با استفاده از اسپین کوانتومی الکترون‌ها، توانسته‌اند این سد را بشکنند. آن‌ها نشان دادند که نیروی ناشی از حالت‌های کوانتومی می‌تواند حرکت مکانیکی یک جسم با ابعاد قابل مشاهده را تحت تأثیر قرار دهد.

فناوری الماس و مراکز نیتروژن جای‌خالی

قلب تپنده این آزمایش، استفاده از الماس‌های حاوی میلیاردها مرکز موسوم به نیتروژن جای‌خالی (NV) بود. این مراکز نقص ساختاری در شبکه الماس، الکترون‌های جفت‌نشده‌ای را در خود جای می‌دهند که می‌توان آن‌ها را مانند آهن‌رباهای کوانتومی بسیار کوچک و دقیق کنترل کرد.

فرآیند حرکت از طریق مراحل زیر انجام شد:

• تابش نور لیزر سبز بر روی الماس برای قطبیده‌سازی اسپین الکترون‌ها.
• ایجاد نوسانات مغناطیسی ناشی از تغییر حالت اسپین مراکز NV.
• ایجاد نیروی مکانیکی که منجر به جابه‌جایی الماس در جهت آهن‌ربا شد.

برای ثبت این جابه‌جایی‌های بسیار ناچیز، دانشمندان از یک تداخل‌سنج با دقت پیکومتری (یک تریلیونیم متر) استفاده کردند تا اطمینان حاصل کنند حرکت ناشی از اثرات کوانتومی است.

گامی به سوی مشاهده گربه شرودینگر

این دستاورد فراتر از یک آزمایش آزمایشگاهی ساده است. دانشمندان اکنون مسیری را هموار کرده‌اند که می‌تواند به توسعه حسگرهای بسیار دقیقی منجر شود که در آینده برای شناسایی ماده تاریک و امواج گرانشی به کار خواهند رفت. جیسون تواملی، از پژوهشگران ارشد این پروژه، معتقد است که ما در حال حرکت از مقیاس نانومتر به سمت مقیاس سانتی‌متر هستیم.

"ما نشان داده‌ایم که یک اثر کوانتومی کوچک می‌تواند پاسخ کلاسیکی بزرگی ایجاد کند. هدف بعدی، دستیابی به حالت برهم‌نهی کوانتومی در محدوده‌ای است که نسبیت عام مطرح می‌شود."

اگرچه این آزمایش به معنای مشاهده مستقیم «گربه شرودینگر» نیست، اما گام بسیار مهمی برای پیوند دادن مفاهیم فیزیک کوانتومی با دنیای واقعی و اجسام بزرگ‌تر محسوب می‌شود.

نتیجه‌گیری: موفقیت در جابه‌جایی الماس با استفاده از نیروی کوانتومی، نقطه عطفی در فیزیک مدرن است که امکان مطالعه تعامل گرانش و مکانیک کوانتومی را در ابعاد ماکروسکوپی فراهم می‌کند.