محدودیت پنهان فضا و زمان می تواند قفل الکترونیک را 100000 برابر سریعتر باز کند

فیزیک کوانتومی محدودیت های اساسی در مورد آنچه دانشمندان می توانند در مورد رفتار ذرات بدانند قرار می دهد. اصل عدم قطعیت معروف ورنر هایزنبرگ بیان می‌کند که ویژگی‌های خاصی مانند موقعیت و تکانه یک ذره، هر دو را نمی‌توان با دقت نامحدود اندازه‌گیری کرد. این محدودیت ناشی از نقص در ابزارهای علمی نیست. در قوانین طبیعت گنجانده شده است.

اما موقعیت و زمان متفاوت است. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ همان محدودیت را بر این مقادیر اعمال نمی کند. اکنون، محققان به صورت تجربی محدودیت اساسی دیگری را نشان داده‌اند: مکان الکترون و رفتار آن در طول زمان هر دو را نمی‌توان با دقت دلخواه تعیین کرد. این رابطه که به تازگی مشاهده شده است، به عنوان «محدودیت فضا-زمان» شناخته می‌شود، می‌تواند پیامدهای مهمی برای آینده فناوری کوانتومی و الکترونیک فوق سریع داشته باشد.

این کشف از یک همکاری بین المللی شامل گروه های تحقیقاتی در مرکز نانوسکوپی فوق سریع رگنسبورگ (RUN) به رهبری پروفسور بدست می آید. جاشا رپ، روپرت هوبر، فرانتس گیسیبل و کلاوس ریشتر به همراه تیمی در موسسه ماکس پلانک در هامبورگ به رهبری آنجل روبیو.

درک چگونگی رفتار ماده در کوچکترین مقیاس برای توسعه نسل بعدی فناوری ضروری است. پیشرفت در انرژی پاک، محاسبات کوانتومی، و الکترونیک قدرتمند برای هوش مصنوعی، همگی به دانستن چگونگی آشکار شدن واکنش های شیمیایی، نحوه تعامل نور با مواد و نحوه حرکت الکترون ها از طریق دستگاه های الکترونیکی بستگی دارد.

با این حال، حتی واضح ترین عکس های میکروسکوپی نیز نمی توانند تصویر کامل را نشان دهند. دانشمندان همچنین باید مشاهده کنند که چگونه این فرآیندها در طول زمان تغییر می کنند و به طور موثر فیلم های آهسته از رویدادهایی که در مقیاس اتمی رخ می دهند ایجاد می کنند.

در RUN، محققان در حال توسعه میکروسکوپ‌های فوق سریع هستند که قادر به ثبت حرکات الکترون‌ها، اتم‌ها و مولکول‌ها با دقت فوق‌العاده در فضا و زمان هستند. حدود ده سال پیش، دانشمندان در رگنسبورگ برای اولین بار از میکروسکوپ تونلی روبشی فوق سریع برای حل حرکت یک مولکول منفرد در فضا و زمان استفاده کردند.

ردیابی تک تک الکترون ها چالش بزرگ تری را ایجاد می کند. در این فواصل میکروسکوپی، الکترون‌ها می‌توانند تقریبا هزار بار سریع‌تر از اتم‌ها و مولکول‌ها حرکت کنند و تغییرات مهمی در عرض چند ثانیه اتفاق می‌افتد.

برای درک اینکه این مقیاس ها چقدر شدید هستند، در نظر بگیرید که یک اتم تقریبا ده میلیون بار کوچکتر از یک میلی متر است. یک آتوثانیه یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه است. تفاوت بین یک آتوثانیه و یک ثانیه با تفاوت بین یک ثانیه و کل سن جهان قابل مقایسه است.

انجام این اندازه گیری ها به ویژه دشوار است زیرا الکترون ها مانند اجسام معمولی رفتار نمی کنند. حرکت آنها به جای قوانین آشنای فیزیک کلاسیک، از قوانین غیرعادی مکانیک کوانتومی پیروی می کند.

برای مشاهده رفتار الکترون در این سرعت‌های خارق‌العاده، محققان یک سیستم لیزری جدید ساختند که وضوح زمانی بسیار دقیق‌تری نسبت به آزمایش‌های قبلی ارائه می‌دهد. این سیستم به آنها اجازه می دهد تا مستقیما حرکت کوانتومی تک تک الکترون ها را کنترل و مطالعه کنند.

در آزمایش‌ها، پالس‌های لیزری با زمان‌بندی دقیق، الکترون‌ها را از یک نوک فلزی بسیار تیز به سمت سطح نقره‌ای هدایت می‌کنند. مسافتی که آنها طی می کنند تنها چند قطر اتمی است.

محققان این حرکت را با اندازه گیری جریان الکتریکی حاصله تشخیص می دهند. برای تعیین دقیق زمان حرکت الکترون‌ها، از دو پالس نور استفاده می‌کنند که با یک بازه دقیق کنترل شده از هم جدا شده‌اند.

سیمون مایر، نویسنده اصلی مقاله، توضیح می‌دهد: «با تغییر فاصله زمانی بین دو پالس لیزر، می‌توانیم مستقیما نحوه واکنش الکترون‌ها را مشاهده کنیم.»

این رویکرد شواهد واضحی از وقوع حرکت الکترون در مقیاس‌های زمانی آتوثانیه را نشان داد. این نشان داد که پالس‌های لیزری می‌توانند الکترون‌ها را در این فواصل کوتاه و باورنکردنی منتقل کنند و در عین حال به دانشمندان این امکان را می‌دهند که روند را همانطور که اتفاق می‌افتد مشاهده کنند.

چیزی که نتیجه را به ویژه قابل توجه می کند نحوه حرکت الکترون ها است. به جای اینکه مانند ذرات معمولی حرکت کنند، مانند امواج کوانتومی رفتار می کنند. این به آن‌ها اجازه می‌دهد از یک سد انرژی عبور کنند که نوک فلز را از سطح نقره جدا می‌کند، حتی اگر فیزیک کلاسیک پیش‌بینی می‌کند که انرژی کافی برای عبور از آن ندارند.

این پدیده که به تونل زنی کوانتومی معروف است، تا حدودی شبیه جسمی است که از یک دیوار جامد بدون شکستن یا آسیب رساندن به آن عبور می کند.

کاترینا گلوکل، دانشجوی دکترا و یکی از نویسندگان این نشریه توضیح می‌دهد: «اندازه‌گیری ما را می‌توان به عنوان یک دوربین پرسرعت برای بسته‌های امواج الکترونی درک کرد، زیرا می‌توانید ببینید که فرآیند تونل‌زنی در چه زمانی انجام می‌شود.

برای درک عمیق‌تر اندازه‌گیری‌ها، محققانی که با پروفسور آنجل روبیو کار می‌کردند، شبیه‌سازی‌های کوانتومی پیچیده‌ای از رفتار الکترون‌ها در نزدیکی «محدودیت فضا-زمان» انجام دادند.

محاسبات آنها به دقت یافته های تجربی را بازتولید کرد و جزئیات قابل توجه دیگری را کشف کرد. الکترون ها فورا به میدان نور پاسخ نمی دهند. در عوض، حرکت آنها تقریبا 500 آتوثانیه از آن عقب ماند.

در چنین مقیاس های شدید، چندین ویژگی اساسی فیزیک کوانتومی به طور همزمان مهم می شوند.

به عنوان مثال، محققان دریافتند که پالس های لیزر را نمی توان به طور کامل با در نظر گرفتن نور به عنوان یک موج یا به طور کامل با در نظر گرفتن آن به عنوان ذرات منفرد به نام فوتون توصیف کرد. اثرات آنها ویژگی های هر دو توصیف را نشان می دهد. این ترکیب برای کاوش رفتار الکترون بسیار نزدیک به "محدودیت فضا-زمان" ضروری بود.

این تیم همچنین کشف کردند که کنترل حرکت الکترون در فواصل بسیار کوتاه، نحوه توزیع الکترون ها در فضا را تغییر می دهد. مکانیک کوانتومی این الکترون ها را با استفاده از بسته های موجی توصیف می کند که نشان دهنده چگونگی گسترش خواص موج آنها در مکان های مختلف است.

رابطه بین زمان حرکت الکترون و گستره فضایی این بسته‌های موجی، محدودیت مرکزی این کشف را آشکار کرد.

Raffael Spachtholz، یکی دیگر از نویسندگان این مطالعه، توضیح می دهد: "هرچه بخواهیم موقعیت الکترون را در زمان دقیق تر مشخص کنیم، انرژی بیشتری برای تامین نیاز داریم. و در نتیجه، بسته موج الکترونی از نظر فضایی بیشتر پخش می شود."

به عبارت دیگر، بهبود دقت زمان‌بندی الکترون هزینه دارد. هرچه محققان دقیق‌تر زمان وقوع حرکت آن را تعریف کنند، بسته موج کوانتومی آن به طور گسترده‌تری در فضا پخش می‌شود.

برای بررسی تجربی این رابطه، تیم یک اتم منفرد را روی سطح قرار داد تا بسته‌های امواج الکترونی را در یک ناحیه بسیار کوچک بلافاصله قبل از رسیدن پالس‌های لیزر محدود کند.

این تنظیم به دانشمندان اجازه داد تا مستقیما ارتباط بین توزیع فضایی الکترون ها و زمان حرکت آنها را اندازه گیری کنند.

نکته مهم، حتی زمانی که الکترون‌ها انرژی قابل توجهی را از پالس‌های لیزر دریافت می‌کردند، بسته‌های موج آنها به اندازه کافی برای میکروسکوپ با وضوح فضایی اتمی و وضوح زمانی آتوثانیه موضعی باقی می‌ماند.

این یافته ها بینش تجربی را در مورد یک محدودیت فضا-زمان بنیادی ارائه می دهد که دانشمندان قبلا فقط به آن مشکوک بودند. آنها همچنین بررسی سیستماتیک چگونگی تأثیر تغییرات در حرکت الکترون در طول زمان بر ساختار فضایی توابع موج کوانتومی را ممکن می‌سازند.

آیا الکترونیک کوانتومی می تواند صدها هزار بار سریعتر شود؟

فراتر از افشای جنبه جدیدی از رفتار کوانتومی، این کشف می تواند دری را به روی فناوری هایی باز کند که در مقیاس های زمانی بسیار فراتر از توانایی های الکترونیک امروزی عمل می کنند.

یکی از احتمالات امیدوارکننده استفاده از بسته‌های موج الکترونی دقیقا کنترل‌شده برای تأثیرگذاری بر واکنش‌های شیمیایی است.

انتقال یک الکترون منفرد به یک مولکول نشان دهنده کوچکترین انتقال ممکن بار الکتریکی است. اما زمانی که آن الکترون در یک منطقه استثنایی کوچک از فضا و زمان متمرکز شود، چگالی جریان محلی اوج می‌تواند به 1 تریلیون آمپر بر سانتی‌متر مربع برسد.

چنین شرایط شدیدی می تواند به دانشمندان راه های جدیدی برای کنترل پیوندهای شیمیایی و مشاهده چگونگی تغییر مولکول ها در طول واکنش ها بدهد.

پروفسور Jascha Repp با اشتیاق توضیح می دهد: "در آینده، ما می خواهیم از چنین بسته های موجی برای ایجاد واکنش های شیمیایی استفاده کنیم و در مقیاس های طول و زمانی مربوطه مشاهده کنیم که چگونه پیوندهای شیمیایی می توانند شکسته یا تغییر شوند."

مفاهیم می تواند فراتر از شیمی باشد. کنترل بیشتر بر حرکت الکترون ممکن است در نهایت به مهندسان کمک کند تا دستگاه‌های الکترونیکی و سیستم‌های اطلاعات کوانتومی را توسعه دهند که با سرعت‌هایی نزدیک به محدودیت‌های اساسی دینامیک الکترون کار می‌کنند.

پروفسور روپرت هوبر می‌افزاید: «در درازمدت، بینش‌های به‌دست‌آمده می‌تواند به عملیات الکترونیکی و پردازش اطلاعات کوانتومی در محدودیت سرعت ذاتی خود الکترون کمک کند - صدها هزار بار سریع‌تر از فناوری غالب CMOS در حال حاضر».

این امکان به‌جای دستاوردی که در آزمایش‌های کنونی نشان داده شده است، به‌عنوان یک هدف بلندمدت فناوری باقی می‌ماند. با این وجود، یافته‌ها پایه جدیدی برای بررسی چگونگی دستکاری الکترون‌ها در کمترین فواصل و کوتاه‌ترین مقیاس‌های زمانی فراهم می‌کنند.

برای Repp و Huber، نتایج نشان می‌دهد که دامنه کاربردهای بالقوه فوق‌العاده وسیع است. آنها بر این باورند که پیشرفت‌های آینده در کنترل الکترون‌ها در محدوده فضا-زمان ممکن است در نهایت بیشتر به خلاقیت انسان بستگی داشته باشد تا محدودیت‌های اعمال شده توسط طبیعت.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه رگنسبورگ. نوشته اصلی توسط کارولین استورمر. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

دانشمندان چیزی غیرمنتظره را در 90 کیلومتری زیر زمین کشف کردند

دانشمندان می گویند شکل سالم تر نمک می تواند از مرگ 3 میلیون نفر در سال جلوگیری کند.

دانشمندان در اعماق دریا فیلم فوق‌العاده 4K از یک ماهی با سر شفاف ضبط کردند

یک ماده پنهان در آب آشامیدنی ممکن است با مشکلات قلبی در کودکان مرتبط باشد