پژوهشگران مؤسسه علم و فناوری اوکیناوا در ژاپن برای نخستین بار نشان داده‌اند که نیروی ناشی از اسپین کوانتومی الکترون‌ها می‌تواند در یک سامانه مکانیکی به ابعاد سانتی‌متر، جابه‌جایی قابل‌اندازه‌گیری ایجاد کند. در این آزمایش، مجموعه‌ای با جرم حدود ۱۲۸ میلی‌گرم نزدیک به ۱۰۰ نانومتر حرکت کرد؛ دستاوردی که می‌تواند راه را برای بررسی دقیق‌تر مرز میان فیزیک کوانتومی و فیزیک کلاسیک هموار کند.
اسپین کوانتومی چیست و چرا اهمیت دارد؟
اسپین یکی از ویژگی‌های بنیادی ذراتی مانند الکترون است که به آن‌ها خاصیتی شبیه به یک آهنربای بسیار کوچک می‌دهد. این ویژگی در بسیاری از پدیده‌های فیزیکی نقش دارد و فناوری‌هایی مانند حسگرهای مغناطیسی پیشرفته و برخی سامانه‌های کوانتومی از آن بهره می‌برند.
بااین‌حال، مشاهده اثرهای کوانتومی در اجسام بزرگ‌تر از مقیاس اتمی دشوار است. ذرات بسیار کوچک را می‌توان در شرایط کنترل‌شده بررسی کرد، اما اجسام بزرگ‌تر بیشتر تحت تأثیر عواملی مانند گرما، لرزش محیط و گرانش قرار می‌گیرند.
پژوهش جدید تلاش کرده است این فاصله را کاهش دهد و نشان دهد نیرویی که منشأ آن در ویژگی کوانتومی الکترون‌هاست، می‌تواند حرکت یک سامانه مکانیکی بسیار بزرگ‌تر را تحت تأثیر قرار دهد.
آزمایش چگونه انجام شد؟
پژوهشگران برای انجام آزمایش از یک صفحه گرافیتی با ابعاد حدود یک سانتی‌متر استفاده کردند که با کمک آرایشی از آهنرباها به‌صورت مغناطیسی در حالت شناور قرار داشت.
یک میله کربنی این صفحه را به قطعه‌ای الماس با اندازه حدود سه میلی‌متر متصل می‌کرد. در ساختار الماس، نقص‌های اتمی خاصی به نام مراکز نیتروژن-جای‌خالی (NV) وجود داشتند که الکترون‌های دارای اسپین قابل‌کنترل را در خود جای می‌دهند.
محققان با تاباندن پالس‌های نور لیزر سبز به الماس، وضعیت اسپین این مراکز را تغییر دادند. این تغییر باعث تغییر در گشتاور مغناطیسی الماس شد و نیروی مغناطیسی حاصل، حرکت بسیار کوچکی در مجموعه ایجاد کرد.
برای اندازه‌گیری این جابه‌جایی، پژوهشگران از سامانه تداخل‌سنجی لیزری استفاده کردند؛ روشی که می‌تواند تغییرات فاصله را با دقت بسیار بالا ثبت کند.
جابه‌جایی ۱۰۰ نانومتری در یک سامانه ۱۲۸ میلی‌گرمی
نتایج آزمایش نشان داد که تغییر وضعیت اسپین‌های کوانتومی توانسته است در مجموعه‌ای با جرم تقریبی ۱۲۸ میلی‌گرم جابه‌جایی حدود ۱۰۰ نانومتر ایجاد کند.
برای درک بهتر این اندازه، قطر موی انسان معمولاً چند ده میکرومتر است؛ بنابراین جابه‌جایی ثبت‌شده هزاران برابر کوچک‌تر از ضخامت یک تار موی معمولی است. با وجود این، اندازه حرکت به‌اندازه‌ای بود که پژوهشگران توانستند آن را با تجهیزات دقیق آزمایشگاهی اندازه‌گیری کنند.
اهمیت این نتیجه صرفاً در مقدار جابه‌جایی نیست. نکته اصلی این است که نیروی ایجادکننده حرکت از وضعیت کوانتومی اسپین الکترون‌ها سرچشمه می‌گیرد، در حالی که حرکت ثبت‌شده در مقیاس مکانیکی کلاسیک قابل‌توصیف است.
آیا دانشمندان یک جسم بزرگ را وارد حالت کوانتومی کردند؟
خیر؛ این آزمایش به معنای قرارگرفتن کل جسم در حالت برهم‌نهی کوانتومی نیست.
پژوهشگران نشان دادند که یک اثر کوانتومی می‌تواند حرکت مکانیکی یک سامانه بزرگ‌تر را ایجاد کند. اما خود جابه‌جایی مشاهده‌شده را می‌توان با قوانین مکانیک کلاسیک توصیف کرد.
این تفاوت اهمیت زیادی دارد؛ زیرا یکی از اهداف بلندمدت فیزیک‌دانان آن است که مشخص کنند آیا می‌توان اجسام بزرگ‌تر را نیز در حالت‌هایی مانند برهم‌نهی کوانتومی قرار داد یا خیر. در چنین حالتی، یک سامانه می‌تواند به‌طور هم‌زمان ترکیبی از چند وضعیت کوانتومی را داشته باشد؛ مفهومی که در مثال مشهور گربه شرودینگر مطرح می‌شود.
پژوهش جدید مستقیماً این هدف را محقق نکرده است، اما روشی آزمایشگاهی برای حرکت‌دادن و بررسی سامانه‌های مکانیکی بزرگ‌تر با استفاده از نیروهای کوانتومی ارائه می‌دهد.
ارتباط این کشف با گرانش و فیزیک کوانتومی چیست؟
یکی از پرسش‌های بنیادی فیزیک، چگونگی ارتباط مکانیک کوانتومی با گرانش است. نظریه‌های کوانتومی رفتار ذرات و سامانه‌های بسیار کوچک را توضیح می‌دهند، در حالی که نظریه نسبیت عام اینشتین چارچوب اصلی توصیف گرانش در مقیاس‌های بزرگ محسوب می‌شود.
ترکیب کامل این دو چارچوب همچنان از مسائل حل‌نشده فیزیک است. آزمایش‌هایی که اثرهای کوانتومی را در اجسام بزرگ‌تر بررسی می‌کنند، می‌توانند به دانشمندان کمک کنند شرایط لازم برای آزمودن پیش‌بینی‌های نظری را فراهم کنند.
در آزمایش اوکیناوا، سامانه به‌اندازه‌ای بزرگ بود که گرانش بر آن اثر می‌گذاشت؛ بااین‌حال، پژوهشگران مستقیماً کوانتومی‌بودن گرانش را اثبات نکردند. ارزش آزمایش در ایجاد روشی برای بررسی اثر نیروهای کوانتومی در سامانه‌های مکانیکی بزرگ‌تر است.
کاربردهای احتمالی در حسگرهای بسیار دقیق
پژوهشگران امیدوارند این روش در آینده به توسعه سامانه‌های حساس‌تر برای اندازه‌گیری پدیده‌های فیزیکی کمک کند. از جمله کاربردهای بالقوه می‌توان به حسگرهایی برای جست‌وجوی ماده تاریک و بررسی امواج گرانشی اشاره کرد.
ماده تاریک یکی از معماهای مهم کیهان‌شناسی است؛ ماده‌ای که وجود آن از اثرهای گرانشی‌اش استنباط می‌شود، اما ماهیت دقیق آن هنوز مشخص نیست. امواج گرانشی نیز اختلالاتی در فضا-زمان هستند که بر اثر رویدادهای عظیم کیهانی ایجاد می‌شوند.
بااین‌حال، این کاربردها هنوز در مرحله چشم‌انداز پژوهشی قرار دارند و آزمایش فعلی به‌خودی‌خود ابزار آماده‌ای برای کشف ماده تاریک یا اندازه‌گیری امواج گرانشی معرفی نکرده است.
جمع‌بندی
پژوهشگران ژاپنی با استفاده از مراکز نیتروژن-جای‌خالی در الماس و کنترل اسپین الکترون‌ها، توانستند در یک سامانه مکانیکی به ابعاد سانتی‌متر حرکتی حدود ۱۰۰ نانومتر ایجاد کنند. این سامانه حدود ۱۲۸ میلی‌گرم جرم داشت و جابه‌جایی آن با ابزارهای دقیق لیزری اندازه‌گیری شد.
این آزمایش نشان می‌دهد اثر یک نیروی کوانتومی می‌تواند در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر از اتم‌ها به حرکت مکانیکی قابل‌اندازه‌گیری منجر شود. هرچند پژوهشگران هنوز یک جسم بزرگ را وارد حالت برهم‌نهی کوانتومی نکرده‌اند، این روش می‌تواند زمینه را برای آزمایش‌های آینده درباره ماهیت کوانتومی جهان و رابطه آن با گرانش فراهم کند.
منبع: ScienceAlert
