شرح دقیقی از ساختاری کوانتومی از کربن

[ßяɪcε]

دیدن لینک ها برای شما امکان پذیر نیست. لطفا ثبت نام کنید یا وارد حساب خود شوید تا بتوانید لینک ها را ببینید.

گروهی از فیزیکدانان در موسسه‌ی اخترفیزیک آزمایشگاهی «JILA» و «IMRA» موفق به اندازه‌گیری صدها نمونه‌ی سطح انرژی کوانتومی در «باکمینسترفولرنس» شده است. باکمینسترفولرنس مولکول کربن ۶۰ اتمی است که به شکل توپ فوتبال دیده می‌شود. باکمینسترفولرنس خیلی پیچیده است. به دلیل اندازه‌ی خیلی بزرگ و ۶۰ اتمیِ آن، راه‌های بسیار متعددی برای ارتعاش دارد. وقتی این مولکول داغ باشد، می‌تواند ۱،۰۲۶ تا ۱،۰۳۰ حالت کوانتوم ارتعاشی داشته باشد.

دکتر «جون یه» گفت: «این مولکول که برای نخستین‌بار در سال ۱۹۸۴ شناسایی گردید، باعث ایجاد هیجانِ علمی قابل‌توجهی شده است. اما در این مورد، طیف‌سنجی باکیفیت که می‌تواند جزئیات ویژگی‌های ارتعاشی و چرخشی مولکول‌ها را برملا کند، در دمای اتاق کارساز واقع نشد، زیرا سیگنال‌ها بیش از اندازه متراکم بودند.» دکتر جون یه و همکارانش از نسخه‌ی به‌روزرسانی شده و جدید طیف‌سنجی و سیستم سرمایش گاز بافر برودتی برای مشاهده‌ی انتقال انرژی در میان حالات ارتعاشی و چرخشی در باکمینسترفولرنس گازی و سرد استفاده کردند. دماهای پایین در حدود تقریباً منهای ۱۳۸ درجه‌ی سلسیوس یا همان منهای ۲۱۶ درجه‌ی فارنهایت، این فرصت را به محققان داد تا مولکول‌ها را در یک حالت کوانتومی ارتعاشی – چرخشی در پایین‌ترین سطح انرژی، مترکز کرده و آن‌ها را با طیف‌سنجی باکیفیت بررسی کنند.

محققان این طور توضیح می‌دهند: «باکمینسترفولرنس متقارن‌ترین مولکول شناخته شده است و شکلی توپ مانند دارد. البته این مولکول به قدری کافی کوچک است تا بتوان با اصول کوانتومیِ پایه درک شود. در عین حال، به قدر کافی بزرگ هم است تا بینش ما را درباره‌ی پیچیدگی بسیار بالای کوانتومی که در سیستم‌های بزرگ نمایان می شود، افزایش بدهد. باکمینسترفولرنس می‌تواند به‌عنوان شبکه‌ی دست نخورده‌ای از ۶۰ اتم عمل کند.»

هسته‌ی هر اتم دربردارنده‌ی ویژگی برابری به‌نام «چرخش یا اسپین هسته‌ای» است که این فرصت را به آن می‌دهد تا با محیطش به‌طور مغناطیسی وارد برهم‌کنش گردد. بنابراین، هر اسپین می‌تواند به‌عنوان بیت کوانتومی عمل کند که به‌صورت مغناطیسی کنترل می‌شود یا در نقش کیوبیت در کامپیوتر کوانتومی ظاهر شود. اگر یک مولکول باکمینسترفولرنس داشتیم که از کربن منفی۱۳ ایزوتوپی خالص ساخته شده بود، هر اتم می‌توانست اسپین هسته‌ای ۱.۲ داشته باشد. هر مولکول باکمینسترفولرنس هم می‌توانست به‌عنوان یک کامپیوتر کوانتومی ۶۰ کیوبیتی عمل کند. البته ما هنوز به چنین قابلیت‌هایی دست پیدا نکرده‌ایم.

در یکی از بخش‌های کلیدی انقلاب کوانتومی جدید، کامپیوتر کوانتومی که از کیوبیت‌ها بهره می‌برد، می‌تواند مسائل مهمی را حل کند. سیگنال‌های باکمینسترفولرنس متعددی از ستاره‌های کربنی دوردست به سمت ما می‌آیند. داده‌های جدید این امکان را به دانشمندان خواهد داد تا جهان را به شکل بهتری متوجه شوند و پرده از حقایق و اسرار بی‌شمارش بردارند. فیزیکدانان پس از اندازه‌گیری میزان انرژی کوانتومی، آمارِ مربوط به اسپین هسته‌ای باکمینسترفولرنس را جمع‌آوری کردند. در نتایج، این مورد تایید شد که همه‌ی ۶۰ اتم غیرقابل تفکیک بودند. اندازه‌گیری دقیق انرژی‌های گذار باکمینسترفولرنس در حالات کوانتومی نمایان کرد که اتم‌های آن برهم‌کنش قدرتمندی با یکدیگر دارند. لذا اطلاعات جدیدی درباره‌ی پیچیدگی‌های ساختار مولکولی آن و نیروهای میان اتم‌ها در اختیار محققان قرار گرفته است.

این مقاله‌ی علمی در مجله‌ی معتبر Science منتشر شده است.