به گزارش خبرنگار علمی باشگاه خبرنگاران، وسیله‌ای که این فیزیک‌پیشگان معرفی کرده‌اند با گسترش مرزهای آزمایش‌های کوانتومی قادر است تا ارتعاشات مکانیکی را با تک‌فوتون‌ها و یک اتم ترکیب ‌کند. این تیم از نظریه‌پردازان نتیجهٔ پژوهش‌های خود را در مجلهٔ فیزیکال ریویو لترز گزارش داده و ادعا کرده‌اند که موفق به حل معادلات کوانتومی برای چنین سیستم‌هایی شده‌اند. بر اساس ادعای این پژوهش‌گران ٬ چنین راه حلی به گسترهٔ وسیعی از کاوش‌های کوانتومی منجر خواهد شد. مثلاً می‌توان حرکت مکانیکی را تا سطح یک تک‌فونون (واحد کوانتومی ارتعاش) کاهش داده و تک‌فونون‌ها را به داخل ساختار موردنظر گسیل کرد. یکی از نویسندگان این مقاله قبلاً بر روی ساخت این ابزار کار کرده و این تیم معتقد است که می‌توان با بهره‌بردن از آن به مطالعات رفتار پدیده‌های کوانتومی در مقیاس‌های بزرگ دست یافت.
 
برای مطالعهٔ اثرات متقابل بین یک فوتون و یک اتم پژوهش‌گران می‌توانند دو ذره را در داخل یک کاواک کوچک به تله بیاندازند و اتم را مجبور کنند تا یک فوتون را جذب و یا گسیل کند. به گفتهٔ کریستیانو سیوت (Ciuti Cristiano) از دانشگاه دیدرو (Diderot) پاریس ٬ این زمینهٔ مطالعاتی از الکترودینامیک کوانتومیِ کاواک در طول ۱۵ سال گذشته توسعه یافته است. اخیراً زمینهٔ دیگری بنام اپتومکانیک ظهور کرده که در جستجوی چگونگی اندرکنش نور ٬ نه تنها با اتم‌ها بلکه با اشیا بزرگ‌تر است. به عنوان مثال می‌توان آینهٔ کوچکی را در نظر گرفت که توسط فوتون‌ها تحت بمباران قرار گرفته و ارتعاش می‌کند.
 
ماشین کوانتومی، نمایشی مفهومی از یک وسیله که قادر خواهد بود اندرکنش‌های یک فوتون با یک تک اتم و ارتعاشات مکانیکی را ممکن ‌سازد. محاسبات نشان می‌دهند که ارتعاشات را می‌توان تا اندازه‌ای کاهش داد که به یک توصیف کوانتومی نیازمند باشیم.
 
پرسشی اساسی در این رابطه وجود دارد و آن این‌که رفتار کوانتومی چگونه به اشیای بزرگ (همچون آینه‌ها) تعمیم داده می‌شوند و آیا این کار شدنی است؟ برای پاسخ به این چنین سوالاتی پژوهش‌گران یک ابزار ترکیبی پیشنهاد داده‌اند که الکترودینامیکِ کوانتومیِ کاواک را با اپتومکانیک ترکیب می‌کند. اکنون ایوان فاورو (Ivan Favero) از همکاران دانشگاهی سیوتی در دانشگاه دیدور پاریس به همراه سیوتی و دانشجوی تحصیلات تکمیلی خوان رسترپو (Juan Restrepo) چنین سیستمی را در سطح تک‌حالات کوانتومی و بدون استفاده از آزمایش‌های فیزیک کلاسیکی توصیف کرده‌اند.
 
نظریه‌پردازان بدون اشاره به چگونگی آزمایش خاصی یک میدان الکترومغناطیسی (فوتون‌ها) را که همزمان با یک اتم و یک شی ارتعاش‌کننده جفت شده است را مورد تحلیل قرار داده‌اند. اما ابزاری که بالا‌ترین شانس را به این منظور دارد به اتم مصنوعی موسوم است: یک الکترون که به قطعه‌ای در ابعاد نانوم‌تر از مادهٔ نیم‌رسانا (که نقطهٔ کوانتومی نامیده می‌شود) محدود می‌شود و همچون یک اتم معمولی می‌تواند دو تراز انرژی یا دو حالت کوانتومی داشته باشد. این اتم قادر است تا زمانی‌که گذارهایی بین این دو حالت اتفاق می‌افتند ٬ فوتونی را جذب و یا گسیل کند.
 
قسمت اپتومکانیکیِ این سیستم را می‌توان یک ستون یا صفحه‌ای از مادهٔ نیم‌رسانا درنظر گرفت که چند میکروم‌تر پهنا داشته و در فرکانس ویژه‌ای ارتعاش می‌کند. این صفحه یا ستون توانایی این را دارد تا فوتونی را که با یک ارتعاش جفت شده است ٬ در داخل این بخش به دام بیاندازد. این تشدیدساز اپتومکانیکی در درون خود یک نقطهٔ کوانتومی خواهد داشت.
 
محققان به این نتیجه دست یافته‌اند که چنان سیستمی قادر است تا حرکت ارتعاشی را تا چنان دامنهٔ کوچکی کاهش دهد (یا سرد کند) که نیازمند توصیف کوانتومی به جای توصیف کلاسیکی باشیم. در مورد آزمایش نقطهٔ کوانتومی داخل ستون ٬ این خنک‌سازی با فرکانس ویژه‌ای از نور لیزر آغاز می‌شود. یک فوتونِ لیزری می‌تواند بواسطهٔ این نقطهٔ کوانتومی جذب شده و سپس چندین مرتبه بازگسیل گردد ٬ درحالیکه در داخل ستون به دام افتاده است. در طول این مدت این فوتون انرژی یک یا چند فونونِ (کوانتای ارتعاش) داخل ستون ارتعاش‌کننده را جذب می‌کند ٬ بنابراین موجب کاهش دامنهٔ ارتعاش ساختار می‌شود و نهایتاً از کاواک فرار می‌کند. محاسبات نشان می‌دهند که در یک محیط سرد و پس از چنان چرخه‌های متعدد فوتونی ٬ میزان ارتعاش به سرعت کاهش یافته و به کمترین سطح مجاز به لحاظ کوانتومی می‌رسد؛ که متناظر با انرژی یک تک‌فونون است.
 
تحلیل این تیم همچنین نشان می‌دهد که اگر این وسیله را با فرکانس دیگری در معرض نور لیزر قرار دهیم، تک‌فونون‌ها در بازه‌های منظمی به داخل ساختار پشتیبان خود گسیل می‌شوند. فاورو می‌تواند تصور ‌کند که «ساختارهای هدایت‌گر فونون‌ها» موجب خواهد شد تا مطالعات بیشتری در مورد چنین کوانتاهای ارتعاشی انجام پذیرد. به بیان او مطالعهٔ فونون‌های انفرادی حائز اهمیت است ٬ چون غالباً فرآیند‌هایی همچون شارش گرما در قالب رفتار جمعیِ فونون‌ها قابل درک است. اما به گفتهٔ فاورو: گذارهای مابین فونون‌های انفرادی و رفتار جمعی بزرگ‌مقیاس ناشناخته مانده است. در حال حاضر او به همراه هم‌کارانش بر روی ساخت این وسیله در آزمایشگاه کار می‌کنند.
 
آن‌طور که استیو گیروین (Steve Girvin) از دانشگاه ییل (Yale) می‌گوید: «با این سرعت قابل ملاحظه‌ای که آزمایش‌ها در حال توسعه هستند ٬ امکان دست‌یابی به چنان سیستم‌های سه‌جانبه‌ای در آینده‌ای نزدیک وجود دارد» «ممکن است پنجرهٔ جدیدی به سوی دینامیک کوانتومیِ پیچیده در شُرف باز شدن باشد.»


انتهای پیام/