تکنیکی جدید برای مشاهده‌ی دنیای کوانتومی الکترون ها

یک روش جدید بالاخره هویت کوانتومی کامل الکترون ها را آشکار می‌کند و بینش‌هایی ارائه می‌دهد که می‌تواند علم مواد و کاربردهای کوانتومی را متحول کند.

برای اولین بار، دانشمندان با موفقیت حالت کوانتومی الکترون‌ های آزاد شده از اتم‌ها پس از جذب پالس‌های نور پرانرژی را اندازه‌گیری کردند. این پیشرفت توسط یک تکنیک اندازه‌گیری جدید که توسط محققان دانشگاه لوند در سوئد توسعه یافته، امکان‌پذیر شد. یافته‌های آنها بینش‌های عمیق‌تری در مورد چگونگی برهم‌کنش نور با ماده ارائه می‌دهد.

باز کردن اسرار الکترون ها با نور پرانرژی

هنگامی که نور پرانرژی در محدوده فرابنفش شدید یا اشعه ایکس با یک اتم یا مولکول برهم‌کنش می‌کند، می‌تواند الکترونی را در فرآیندی به نام اثر فوتوالکتریک آزاد کند. با اندازه‌گیری الکترون پرتاب شده و انرژی جنبشی آن، دانشمندان می‌توانند اطلاعات ارزشمندی در مورد اتمی که در معرض نور قرار گرفته است، جمع‌آوری کنند. این اصل اساس طیف‌سنجی فوتوالکترون را تشکیل می‌دهد.

الکترون ساطع شده، که فوتوالکترون نامیده می‌شود، اغلب به عنوان یک ذره ساده در نظر گرفته می‌شود. با این حال، در واقع یک جسم کوانتومی است که باید با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی توصیف شود. در چنین مقیاس کوچکی، الکترون ها مانند اشیاء روزمره رفتار نمی‌کنند – آنها هم ویژگی‌های ذره‌ای و هم ویژگی‌های موجی را نشان می‌دهند و برای توصیف کامل رفتارشان به قوانین کوانتومی خاصی نیاز است.

بازسازی حالت کوانتومی الکترون ها

دیوید بوستو، استادیار فیزیک اتمی و یکی از نویسندگان این مطالعه که اکنون در نشریه Nature Photonics منتشر شده است، می‌گوید: «با اندازه‌گیری حالت کوانتومی فوتوالکترون، تکنیک ما می‌تواند دقیقاً به این سؤال که ‘الکترون چقدر کوانتومی است‘ پاسخ دهد. این همان ایده‌ای است که در اسکن‌های CT مورد استفاده در پزشکی برای تصویربرداری از مغز استفاده می‌شود: ما یک جسم پیچیده سه بعدی را با گرفتن چندین تصویر دو بعدی از آن جسم از زوایای مختلف بازسازی می‌کنیم.»

این کار با تولید حالت کوانتومی فوتوالکترون، که معادل جسم سه بعدی است که باید اندازه‌گیری شود، با یونیزه کردن اتم‌ها توسط پالس‌های نور پرانرژی و بسیار کوتاه انجام می‌شود، و سپس با استفاده از یک جفت پالس لیزر با رنگ‌های مختلف، تصاویر دو بعدی گرفته و حالت کوانتومی به صورت لایه به لایه بازسازی می‌شود.

دیوید بوستو می‌گوید: «این تکنیک به ما امکان می‌دهد برای اولین بار حالت کوانتومی الکترون های ساطع شده از اتم‌های هلیوم و آرگون را اندازه‌گیری کنیم و نشان دهیم که حالت کوانتومی فوتوالکترون به نوع ماده‌ای که از آن ساطع می‌شود، بستگی دارد.»

حقایق کلیدی: فوتون، فوتوالکترون و اثر فوتوالکتریک

یک فوتون به معنای “عادی” یک ذره نیست. فوتون که به عنوان یک ذره بنیادی حامل نیرو شناخته می‌شود، کوچکترین کوانتوم انرژی نور و میدان الکترومغناطیسی است.

یک فوتوالکترون، الکترونی است که هنگام برخورد با یک فوتون از، انتشار الکترون‌ها از یک ماده هنگام قرار گرفتن در معرض تابش الکترومغناطیسی (فوتون‌ها) است. توضیح انیشتین در مورد اثر فوتوالکتریک در سال ۱۹۰۵ با دیدگاه کلاسیک فیزیک که انرژی حمل شده توسط موج الکترومغناطیسی باید به طور مساوی در کل ماده تحت تابش توزیع شود، مخالفت کرد. بنابراین، افزایش شدت نور باید منجر به انرژی جنبشی بالاتر الکترون‌های ساطع شده شود. با این حال، شدت نور بر این امر تأثیر نمی‌گذارد. این فرکانس نور است که تعیین می‌کند آیا اثر فوتوالکتریک امکان‌پذیر است یا خیر. برای هر ماده، یک فرکانس قطع تابش وجود داشت که تعیین می‌کرد آیا انتشار الکترون رخ می‌دهد یا خیر.

چرا این یافته‌ها اینقدر هیجان‌انگیز هستند؟

«اثر فوتوالکتریک بیش از یک قرن پیش توسط انیشتین توضیح داده شد و پایه و اساس توسعه مکانیک کوانتومی را بنا نهاد. همین پدیده سپس توسط کای سیگبان برای مطالعه چگونگی آرایش الکترون‌ها در داخل اتم‌ها، مولکول‌ها و جامدات مورد استفاده قرار گرفت.»

این تکنیک صرفاً به اندازه‌گیری خواص کلاسیکی فوتوالکترون، مانند سرعت آن، متکی است. اکنون، بیش از ۴۰ سال پس از اعطای جایزه نوبل به کای سیگبان برای طیف‌سنجی فوتوالکترون در سال ۱۹۸۱، بالاخره روشی وجود دارد که امکان تعیین مشخصات کامل خواص کوانتومی فوتوالکترون‌های ساطع شده را فراهم می‌کند و پتانسیل طیف‌سنجی فوتوالکترون را گسترش می‌دهد. به طور خاص، تکنیک اندازه‌گیری جدید، دسترسی به اطلاعات کوانتومی را فراهم می‌کند که تا الان در دسترس نبود.

چگونه این نتایج می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند؟

«ما تکنیک خود را روی اتم‌های ساده، هلیوم و آرگون، که نسبتاً شناخته شده‌اند، اعمال کردیم. در آینده، می‌توان از آن برای مطالعه گازهای مولکولی، مایعات و جامدات استفاده کرد، جایی که خواص کوانتومی فوتوالکترون‌ها می‌تواند اطلاعات زیادی در مورد چگونگی واکنش هدف یونیزه شده پس از از دست دادن ناگهانی یک الکترون ارائه دهد. درک این فرآیند در سطح بنیادی می‌تواند تأثیر طولانی‌مدتی بر زمینه‌های مختلف تحقیقاتی داشته باشد. به عنوان مثال می‌توان به فوتوشیمی جوی یا مطالعه سیستم‌های برداشت نور اشاره کرد، که سیستم‌هایی هستند که انرژی نور را جمع‌آوری و استفاده می‌کنند، مانند سلول‌های خورشیدی یا فتوسنتز در گیاهان.»

یکی دیگر از جنبه‌های جالب این کار این است که دو حوزه علمی مختلف را به هم متصل می‌کند. علم آتوثانیه و طیف‌سنجی (نوع تحقیقی که آن لوییلیه، برنده جایزه نوبل، در حال انجام آن است) از یک سو، و اطلاعات کوانتومی و فناوری کوانتومی از سوی دیگر.

تصویر بزرگتر: چگونه این مطالعه بر مردم تأثیر می‌گذارد؟

«این کار به انقلاب کوانتومی دوم در حال انجام مرتبط است که هدف آن دستکاری اشیاء کوانتومی منفرد (در این مورد فوتوالکترون‌ها) برای استفاده از پتانسیل کامل خواص کوانتومی آنها برای کاربردهای مختلف است. تکنیک توموگرافی حالت کوانتومی ما منجر به ساخت رایانه‌های کوانتومی جدید نخواهد شد. اما با فراهم کردن دسترسی به دانش در مورد حالت کوانتومی فوتوالکترون‌ها، به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تا به طور کامل از خواص کوانتومی آنها برای کاربردهای آینده بهره ببرند.»

پیشبرد مرزهای تحلیل مواد

«با اندازه‌گیری سرعت و جهت انتشار فوتوالکترون، می‌توانیم چیزهای زیادی در مورد ساختار ماده یاد بگیریم. این امر، برای مثال، برای مطالعه خواص مواد جدید ضروری است. تکنیک ما به ما اجازه می‌دهد با اندازه‌گیری حالت کوانتومی کامل فوتوالکترون، از روش‌های قبلی فراتر برویم. این بدان معناست که می‌توانیم اطلاعات بیشتری در مورد هدف نسبت به آنچه با طیف‌سنجی فوتوالکترون سنتی امکان‌پذیر است، جمع‌آوری کنیم. امید است که تکنیک ما بتواند به کشف فرآیندهایی که پس از پرتاب الکترون در ماده رخ می‌دهند، کمک کند.»

کشف‌های غیرمنتظره در طول مسیر

«غافلگیرکننده‌ترین جنبه این است که تکنیک ما خیلی خوب جواب داد! فیزیکدانان قبلاً سعی کرده بودند حالت کوانتومی فوتوالکترون‌ها را با استفاده از یک روش متفاوت اندازه‌گیری کنند، و آن آزمایش‌ها نشان داد که این کار بسیار دشوار است. همه چیز باید برای مدت طولانی بسیار پایدار باشد، اما ما در نهایت موفق به دستیابی به این شرایط بسیار پایدار شدیم.»

مفاهیم کوانتومی کلیدی

در مقیاس میکروسکوپی، الکترون‌ها، اتم‌ها و مولکول‌ها به صورت کوانتومی توصیف می‌شوند. در حالی که در مقیاس ماکروسکوپی، اشیایی که در زندگی روزمره تجربه می‌کنیم، از قوانین فیزیک کلاسیک پیروی می‌کنند. اتم‌ها و سایر سیستم‌های میکرو مانند اشیاء روزمره رفتار نمی‌کنند. با کمی اغراق می‌توان گفت که آنها به معنای معمول با یک نقطه مشخص و با سرعت مشخص وجود ندارند. تنها چیزی که مشخص است، خروجی ابزارهای آزمایشگاه‌ها است. از آنجا که همه اشیاء ماکروسکوپی از اتم‌ها و مولکول‌هایی ساخته شده‌اند که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند، ممکن است بپرسیم چرا اثرات کوانتومی را در مقیاس ماکروسکوپی نمی‌بینیم.

به طور خلاصه، دلیل آن این است که وقتی تعداد زیادی از اشیاء کوانتومی را در نزدیکی یکدیگر قرار می‌دهیم، آنها شروع به تأثیرگذاری بر یکدیگر به روشی کنترل نشده می‌کنند و عملاً خواص کوانتومی فردی خود را خنثی می‌کنند. این فرآیند، واپایش (decoherence) نامیده می‌شود و یکی از چالش‌های کلیدی است که باید برای توسعه فناوری‌های کوانتومی، مانند رایانه‌های کوانتومی، بر آن غلبه شود.

الکترون‌های ساطع شده در طول اثر فوتوالکتریک حاوی اطلاعات زیادی در مورد ماده تحت تابش هستند. با اندازه‌گیری حالت کوانتومی فوتوالکترون، تکنیک ما می‌تواند دقیقاً به این سؤال که “الکترون چقدر کوانتومی است” پاسخ دهد. در آینده، امیدواریم که تکنیک ما به ما امکان دهد تا نحوه تکامل خواص کوانتومی الکترون‌ها را با گذشت زمان از کوانتومی به کلاسیک دنبال کنیم.

تکنیک اندازه‌گیری تجربی جدید KRAKEN نامیده می‌شود.

پیشنهاد مطالعه: اکسایتون ها و مغناطیس: هم افزایی برای تحقق فناوری کوانتومی مقیاس پذیر

پیشنهاد مطالعه: ثبت حرکت الکترون ها با سرعت‌های غیرقابل تصور

Measuring the quantum state of photoelectrons by Hugo Laurell, Sizuo Luo, Robin Weissenbilder, Mattias Ammitzböll, Shahnawaz Ahmed, Hugo Söderberg, C. Leon. M. Petersson, Vénus Poulain, Chen Guo, Christoph Dittel, Daniel Finkelstein-Shapiro, Richard J. Squibb, Raimund Feifel, Mathieu Gisselbrecht, Cord L. Arnold, Andreas Buchleitner, Eva Lindroth, Anton Frisk Kockum, Anne L’Huillier and David Busto, 29 January 2025, Nature Photonics
DOI: 10.1038/s41566-024-01607-8