کشف «حالت لبه» پنهانی که می‌تواند به انرژی بی‌نهایت منجر شود

مکانیک کوانتومی، فیزیک را در سطح زیراتمی یعنی رفتار و مکانیسم اتم‌ها و اجزای تشکیل‌دهنده آنها توصیف می‌کند. باتوجه‌به اینکه اتم‌ها را ذرات زیراتمی می‌سازند و اتم‌ها نیز اساساً همه چیز را در طبیعت می‌سازند، فیزیک کوانتومی زیربنای رفتار واقعی طبیعت است.

بازسازی اثر کوانتومی هال

در حال حاضر دانشمندان MIT یک مجموعه آزمایشی ترتیب داده‌اند که اثر کوانتومی هال را بازسازی می‌کند؛ اما از ابر فوق سرد اتم‌های سدیم به‌جای الکترون‌ها استفاده می‌کند.

با بر همکنش‌هایی که در طول میلی‌ثانیه (به‌جای فمتوثانیه) رخ می‌دهند، این پایه آزمایشی می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا این راز شگفت‌انگیز دنیای کوانتومی را بیشتر مطالعه کنند.

یکی از سخت‌ترین چیزها در مورد کاوش دنیای کوانتومی این است که بسیاری از پدیده‌های این قلمرو «نامرئی» در مقیاس‌های بسیار کوچکی رخ می‌دهند.

به‌عنوان‌مثال، آنچه را به‌عنوان اثر هال کوانتومی شناخته می‌شود در نظر بگیرید. این اثر اولین‌بار در سال ۱۹۸۰ توسط فیزیکدان آلمانی کلاوس فون کلیتسینگ کشف شد و رفتار الکترون ها (تحت تاثیر میدان مغناطیسی و نزدیک شدن به دمای صفر مطلق) را هنگام عبور از مواد دو بعدی مانند گرافن توصیف می کند.

معمولاً انتظار دارید که الکترون‌ها مقاومت و پراکندگی را تجربه کنند. اما در این شرایط، آنها حالت‌های انرژی بدون تلفات را در امتداد مرز ماده تشکیل می‌دهند.

حالت لبه

به گزارش سایت ساینس کوانتیزاسیون مقاومت الکتریکی که به‌عنوان «حالت لبه» شناخته می‌شود، به‌ویژه در صورتی مفید است که می‌خواهید مواد عجیب‌وغریب و عاری از مقاومت الکتریکی ایجاد کنید. اما فقط یک مشکل وجود دارد.

ریچارد فیچر، استادیار دانشگاه MIT در بیانیه‌ای مطبوعاتی می‌گوید: این حالت‌ها در فمتوثانیه‌ها و در کسری از نانومتر رخ می‌دهند که ثبت آن به‌شدت دشوار است. یک فمتوثانیه یک کوادریلیوم ثانیه است. زیبایی دیدن فیزیک با چشمان خود است که کاملاً باورنکردنی است؛ اما معمولاً در مواد پنهان است و به طور مستقیم قابل‌مشاهده نیست.

ضرورت نبوغ تجربی

برای مطالعه واقعی این بر همکنش کوانتومی در مقیاس معقول‌تری، فلچر به همراه همکارانش در آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک MIT و مرکز MIT هاروارد برای اتم‌های فوق سرد – تصمیم گرفتند روش جدیدی را برای مقیاس‌بندی این پدیده در نظر بگیرند.

به گفته محققان، این موضوع به تیم اجازه داد تا شکل‌گیری این حالت‌های لبه را «بیش از میلی‌ثانیه و میکرون» ببینند که پارامترهای آزمایشی بسیار قابل‌کنترل‌تری هستند. نتایج این مطالعه هفته گذشته در مجله Nature Physics منتشر شد.

برای ایجاد این بر همکنش کوانتومی در مقیاس بزرگ‌تر، نبوغ تجربی زیادی لازم بود. این تیم از یک میلیون اتم سدیم فوق سرد استفاده کردند و اساساً آنها را در مجموعه پیچیده‌ای از لیزرها به دام انداختند. بااین‌حال، برای شبیه‌سازی تجربه زندگی در یک فضای مسطح، محققان آنها را مانند سواران در یک پارک تفریحی Gravitron چرخاندند.

توجه به نیروی سوم

فلچر می‌گوید: «تله تلاش می‌کند اتم‌ها را به سمت داخل بکشد، اما نیروی گریزازمرکز وجود دارد که سعی می‌کند آنها را به بیرون بکشد». این دونیرو یکدیگر را متعادل می‌کنند؛ بنابراین اگر یک اتم هستید و فکر می‌کنید در یک فضای مسطح زندگی می‌کنید، حتی اگر دنیای شما در حال چرخش باشد. نیروی سومی نیز وجود دارد؛ اثر کوریولیس؛ به‌طوری‌که اگر بخواهند در یک خط حرکت کنند، منحرف می‌شوند؛ بنابراین این اتم‌های عظیم اکنون طوری رفتار می‌کنند که انگار الکترون‌هایی هستند که در یک میدان مغناطیسی زندگی می‌کنند.

الکترون‌ها در مقیاس‌های کوانتومی بسیار کوچک

سپس دانشمندان «لبه» این ماده گازی را با معرفی یک لیزر که دیواری را در اطراف اتم‌ها تشکیل می‌داد، تعریف کردند. هنگامی که اتم‌ها با این نور مواجه شدند، فقط در یک‌جهت جریان پیدا کردند، مانند الکترون‌ها در مقیاس‌های کوانتومی بسیار کوچک.

مارتین زویرلین، یکی از نویسندگان این مطالعه در یک مطبوعات گفت: می‌توانید تصور کنید اینها مانند تیله‌هایی هستند که خیلی سریع در یک‌کاسه چرخانده‌اید و فقط به‌دور و اطراف لبه کاسه می‌چرخند. بیانیه «هیچ اصطکاکی وجود ندارد، هیچ کاهشی وجود ندارد، و هیچ اتمی نشت یا پراکنده به بقیه سیستم وجود ندارد. فقط یک جریان زیبا و منسجم وجود دارد.»

آزمایش مقاومت این اتم‌ها

برای آزمایش مقاومت این اتم‌ها، موانعی مانند یک نقطه نورانی را در مسیر آنها قرار دادند و اتم‌ها بدون هیچ مقاومت قابل‌اندازه‌گیری از کنار آن‌ها عبور کردند.

اکنون که دانشمندان جایگاه قابل‌اعتمادی برای این فرآیند کوانتومی دارند، آزمایش‌های آینده می‌توانند این برهم‌کنش‌ها را به «لبه» بکشانند و شروع به کشف مرزهای ناشناخته این قطعه جذاب فیزیک کوانتومی کنند.