اثر بومرنگ کوانتومی چیست؟ (درک عجایب دنیای زیر اتمی به زبانی ساده) - مجله توسعه دهنده

اثر بومرنگ کوانتومی چیست؟

همانند بومرنگ که با پرت کردن آن از هر نقطه ای به محل اولیه خود بر می گردد، فیزیکدانان از بعضی ذرات کوانتومی (ذراتِ موادی خاص) هم انتظار دارند که به طور میانگین از هر نقطه ای که آغاز به حرکت می نمایند، به همان محل بازگردند.

به بیان دقیق تر، ذراتی قابلیت نمایش اثر بومرنگ را دارند که در متریالی با بی نظمی یا اختلالات بالا (به جای موادی بی نقص که معمولا از اتم هایی در آرایش مرتب تشکیل شده اند!) قرار داشته باشند. درواقع آرایش اتمی این دسته از مواد باید دارای عیوب و بی نظمی های بسیاری (همانند آرایش اتم هایی با ساختارِ نامرتب یا در هم پاشیده) باشد.

فیزیکدانان چگونه اثر بومرنگ کوانتومی را برای اولین بار مشاهده کردند؟

در سال 1958، فیزیکدانی به نام فیلیپ اندرسون Philip Anderson متوجه شد که در صورت وجود بی نظمی کافی در یک ماده، الکترون های آن، دچار حالتی موضعی (localized) می شوند. به این معنی که الکترون ها در جای خود گیر می نمایند و این امکان را ندارند تا خیلی دورتر از محلی که قرار دارند، حرکت نمایند! در چنین حالتی، الکترون های پین شده در جای خود، از رسانایی الکتریکی ماده جلوگیری می نماید و در نتیجه ماده فلزی را به عایق تبدیل می نمایند. به همین دلیل، جالب است بدانید که این موضوع در اثر بومرنگ کوانتومی هم حائز اهمیت است.

به منظور درک بهتر این اثر کوانتومی، فرض کنید که حسابی کوچک شده اید و سفری به درون ماده ای بی نظم داشته اید. در چنین موقعیتی اگر بخواهید یک الکترون را از خود دور کنید، الکترون تغییر جهت می دهد و بلافاصله به سمت شما بازمی گردد، سپس متوقف می گردد. اگر بخواهیم صادق باشیم الکترون بیشتر رفتاری شبیه به سگ دارد تا بومرنگ! چراکه اگر بومرنگ را نگیرید، از کنار شما می گذرد، اما سگی که به خوبی آموزش دیده است، زمانی که برگردد، در کنار شما می شیند.

با توجه به همین بحث تئوری که از حدودا 60 سال پیش مطرح است، فیزیکدان دست به طراحی آزمایشی تجربی زدند تا این اثر را برای اولین بار مشاهده نمایند. این فیزیکدانان به منظور نمایش این اثر کوانتومی از اتم های لیتیوم فوق سرد به عنوان جایگزین الکترون ها استفاده کردند. بعلاوه این تیم به جای آنالیز اتم هایی که به موقعیت اولیه خود باز می گردند، شرایطِ تکانه آن ها را مطالعه کردند، چراکه ایجاد چنین شرایطی، در محیط تجربی آزمایشگاه، نسبتاً ساده تر است. در طی این آزمایش، در ابتدا اتم ها ساکن بودند، اما پس از فرود آمدنِ ضربه های لیزری برای انتقال تکانه لحظه ای به آن ها، به طور میانه، اتم ها به حالت سکون اولیه خود بازگشتند؛ در چنین حالتی، دانشمندان شاهد اثر بومرنگ تکانه بودند.

در کنار چنین مشاهده جذابی، فیزیکدان شرایط لازم برای از بین بردن اثر بومرنگ کوانتومی را هم معین کردند. درواقع برای چنین کاری، احتیاج به شکست تقارن معکوسِ زمان (time-reversal symmetry) است! به این معنی که در هنگام جلو رفتن بردار زمان، ذرات کوانتومی باید به همان شکلی رفتار نمایند که در بازگشت به عقب انجام می دهند.

به همین دلیل با تغییر زمانِ اولین ضربه از سمت لیزرها، آن هم به طوری که الگوی ضربه زدن تغییر نکند، محققان توانستند، تقارن معکوسِ زمان را بشنمایند و همانطور که انتظار می رفت، اثر بومرنگ ناپدید شد!

سخن آخر

با اینکه اندرسون بیش از 60 سال پیش اثر موضعی الکترون را کشف کرد، اما اثر بومرنگ کوانتومی را می تواند موضوع تازه ای در فیزیک در نظر گرفت. فیزیکدان این تحقیق بیان می نمایند که ظاهراً هیچ کس به این موضوع فکر نکرده است، چراکه احتمالاً به نظر خیلی از محققان اتفاقی بسیار غیرمعمول به نظر می رسید. این اثر عجیب نتیجه ای از دنیای کوانتومی است؛ چراکه ذرات کوانتومی می توانند همانند امواج عمل نمایند و طی روش هایی پیچیده با هم ترکیب یا یکدیگر را خنثی نمایند. درواقع این امواج این امکان را دارند تا با یکدیگر ترکیب شوند تا مسیری که به مبدأ ذره می رسد را تقویت نمایند و مسیرهایی که ذره را از محل اولیه خود دور می نماید را منحرف و خنثی نمایند. بنابراین می توان این اتفاق را یک اثر کوانتومی خالص در نظر گرفت که در فیزیک کلاسیک هیچ معادلی ندارد.

نتایج و جزئیات بیشتر این مطالعه در مجله Physical Review X قابل دسترس است.

منبع: Science News