پیوند سه‌گانه‌ی نور٬ اتم٬ فونون!

[∆ MeRzaD ∆]

نظریه‌پردازان ابزاری را پیشنهاد داده‌اند که قادر است به شکل کوانتومی اندرکنش‌های بین یک ‌فوتون٬ یک اتم و ارتعاشاتِ در مقیاس کوانتومیِ یک شی بزرگ‌مقیاس را بسنجد.

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 نتیجه‌ی پژوهش‌های خود را در مجله‌ی 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 گستره‌ی 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 مطالعه‌ی 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 گفته‌ی کریستیانو سیوت (Ciuti Cristiano) از دانشگاه دیدرو (Diderot) پاریس٬ این زمینه‌ی مطالعاتی از الکترودینامیک کوانتومیِ کاواک در طول ۱۵ سال گذشته توسعه یافته است. اخیراً زمینه‌ی دیگری بنام اپتومکانیک ظهور کرده که در جستجوی چگونگی اندرکنش نور٬ نه تنها با اتم‌ها بلکه با اشیا بزرگ‌تر است. به عنوان مثال می‌توان آینه‌ی کوچکی را در نظر گرفت که توسط فوتون‌ها تحت بمباران قرار گرفته و ارتعاش می‌کند.

دیدن لینک ها برای شما امکان پذیر نیست. لطفا ثبت نام کنید یا وارد حساب خود شوید تا بتوانید لینک ها را ببینید.
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 داده اند. اما ابزاری که بالاترین شانس را به این منظور دارد به اتم مصنوعی موسوم است: یک الکترون که به قطعه‌ای در ابعاد نانومتر از ماده‌ی نیم‌رسانا (که نقطه‌ی کوانتومی نامیده می شود) 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 ماده‌ی 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 نقطه‌ی کوانتومی خواهد داشت.

محققان به این نتیجه دست یافته‌اند که چنان سیستمی قادر است تا حرکت ارتعاشی را تا چنان دامنه‌ی کوچکی کاهش دهد (یا سرد کند) که نیازمند توصیف کوانتومی به جای توصیف کلاسیکی باشیم. در مورد آزمایش نقطه‌ی کوانتومی داخل ستون٬ این خنک‌سازی با فرکانس ویژه‌ای از نور لیزر آغاز می‌شود. یک فوتونِ لیزری می‌تواند بواسطه‌ی این نقطه‌ی 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 دامنه‌ی 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 می تواند تصور ‌کند که «ساختارهای هدایت‌گر فونون‌ها» موجب خواهد شد تا مطالعات بیشتری در مورد چنین کوانتاهای ارتعاشی انجام پذیرد. به بیان او مطالعه‌ی فونون‌های انفرادی حائز اهمیت است٬ چون غالباً فرآیند‌هایی همچون شارش گرما در قالب رفتار جمعیِ فونون‌ها قابل درک است. اما به گفته‌ی 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.

سیوتی امید به کاوش پرسش‌های اساسی دیگری در این زمینه دارد. او می‌پرسد: «آیا توصیف کوانتومی استاندارد که در مورد این سیستم‌ها بکار می‌رود٬ از یک جرم بزرگ‌مقیاس برخوردار است؟ به بیان او این سیستم همچنین می‌تواند به شتاب‌سنج‌های بسیار دقیق و حس‌گرهای نیرو بیانجامد.

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 پنجره‌ی جدیدی به سوی دینامیک کوانتومیِ پیچیده در شُرف باز شدن باشد»