ابتدا، فیزیکدانان یک شبح کوانتومی را می بینند
تابع موج - یک مفهوم انتزاعی که برای پیش بینی رفتار ذرات کوانتومی استفاده می شود - مبنایی است که فیزیکدانان درک خود را از مکانیک کوانتومی بر اساس آن ایجاد کرده اند. اما این پایه به خودی خود چیزی نیست که فیزیکدانان به معنای واقعی یا فلسفی درک کاملی از آن داشته باشند. عملکرد موج چیزی نیست که شخص بتواند آن را در دست بگیرد یا زیر میکروسکوپ بگذارد. و به طرز گیج کننده ای، برخی از خواص آن واقعی به نظر نمی رسند. در واقع، ریاضیدانان آشکارا آنها را به عنوان خیالی تعریف می کنند: به اصطلاح اعداد خیالی - که از شاهکارهای به ظاهر بی معنی مانند گرفتن جذر اعداد صحیح منفی ناشی می شوند - جزء مهمی از قدرت اثبات شده تابع موج برای پیش بینی هستند. آزمایش های دنیای واقعی به طور خلاصه، اگر بتوان گفت که یک تابع موج اصلاً «وجود دارد»، این کار را در چهارراه مبهم بین ریاضیات متافیزیک و واقعیت فیزیکی انجام می‌دهد.
اکنون محققان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، و همکارانشان گام های بزرگی در ارتباط این دو میدان برداشته اند: برای اولین بار، آنها یک تابع موج را با اندازه گیری چگونگی واکنش یک ماده نیمه هادی به یک پالس فوق سریع نور بازسازی کردند. ظاهر در طبیعت در نوامبر، کار تیمی می تواند به وارد کردن مهندسی الکترونیک و طراحی مواد کوانتومی به عصر جدیدی از درک دقیق و نوآوری دقیق کنترل شده کمک کند.
برای کاربردهای دنیای واقعی مانند الکترونیک مدرن، تابع موج تا حدودی مرموز بهترین منبع اطلاعاتی برای فیزیکدانان در مورد آنچه واقعاً درون یک ابزار جدید می‌گذرد است. برای پیش‌بینی سرعت حرکت یک الکترون در داخل یک ماده یا میزان انرژی که می‌تواند حمل کند، آنها باید محاسبات خود را با تابع موج بلوخ آغاز کنند - که به نام فیزیکدان فلیکس بلاک، که آن را در سال 1929 اختراع کرد، نامگذاری شده است. این امر به ویژه صادق است. برای مهندسی مهم است. جو کاستلو، دانشجوی فیزیک در UCSB و یکی از نویسندگان مطالعه اخیر، می گوید دستگاه های کوانتومی. "اگر به فکر ایجاد دستگاهی هستید که از مکانیک کوانتومی بهره می برد، باید بدانید [wave function’s] او تأکید می کند که پارامترها واقعاً خوب هستند.
این شامل فاز تابع موج نامیده می شود، یک پارامتر کاملاً خیالی که با این وجود اغلب برای طراحی کامپیوترهای کوانتومی بسیار مهم است. "آنچه برای مدت طولانی مشخص شده است، انرژی ها است [of the electrons]. ماکیلو کیرا، فیزیکدان دانشگاه میشیگان که پیش نویس قبلی این مطالعه را خوانده بود، اما مستقیماً درگیر آن نبود، گفت: این اساس همه الکترونیک است. اما اکنون، با فناوری اطلاعات کوانتومی، سطح بعدی فراتر رفتن از آن و در نهایت به دست آوردن آنها است [wave function] فاز. "
برای رسیدن به سطح بعدی، تیم از دو لیزر و ماده نیمه هادی گالیم آرسنید استفاده کرد. آزمایش آنها شامل سه مرحله بود: اول، آنها با یک پالس نور لیزر نزدیک به مادون قرمز به الکترون های داخل ماده برخورد کردند. این به این ذرات انرژی اضافی داد تا از طریق نیمه هادی سرعت بگیرند. هنگامی که هر الکترون با بار منفی شروع به مسابقه می کند، به اصطلاح حفره، چیزی شبیه به ذره سایه آن - یکسان با الکترون اما دارای بار مثبت - با آن حرکت می کند. محققان سپس از یک پالس لیزری دیگر برای پاره کردن حفره و الکترون استفاده کردند، سپس به سرعت به آنها اجازه دادند دوباره جمع شوند - چیزی شبیه به نسخه کوانتومی پیتر پن که سایه خود را از دست می دهد و دوباره آن را وصل می کند. هنگامی که سوراخ و الکترون دوباره با هم ترکیب می شوند، انرژی اضافی انباشته شده در حین دویدن به تنهایی به صورت انفجار نور آزاد می شود.
ده سال پیش، تیمی از فیزیکدانان به رهبری مارک شروین از UCSB متوجه چیز عجیبی در مورد این انفجارها شدند: خواص آنها به طور غیرقابل توضیحی نسبت به خواص پالس های لیزری که حرکت ذرات را شروع می کردند حساس بود. شروین و همکارانش متوجه شده‌اند که در مورد نحوه واکنش الکترون‌های نیمه‌رسانا به نور، تفاوت مهم و تا حد زیادی ناشناخته وجود دارد. او به یاد می آورد: «این غیرمنتظره بود. اما ما تصمیم گرفتیم آن را بیشتر مطالعه کنیم و به طور سیستماتیک شروع به بررسی آن کردیم. ثابت کرد که این حساسیت خائنانه چیزی بیش از کنجکاوی است، زیرا می توان از آن برای بازسازی توابع موج بلوخ سوراخ ها در یک نیمه هادی استفاده کرد.
رابطه بین نور لیزر جذب شده و فلاش ساطع شده با اندازه گیری خاصیتی به نام پلاریزاسیون یا جهتی که امواج نور هنگام حرکت در آن نوسان می کنند آشکار می شود. در این آزمایش، پلاریزاسیون نور لیزر بر فازهای توابع موجی الکترون‌های در حال حرکت و شرکای سایه‌شان، حفره‌ها، تأثیر گذاشت. هنگامی که اتحاد مجدد این دو در پایان آزمایش باعث تولید نور می شود، قطبش این فلاش توسط این دو فاز تابع موج مشخص می شود. از آنجایی که چنین فازهایی در معادلات فیزیکدانان معمولاً به‌عنوان اعداد خیالی و نه واقعی نشان داده می‌شوند، ارتباط آنها با قطبش بسیار واقعی و قابل اندازه‌گیری نور، پیشرفتی برای وو و همکارانش بود. Shambhu Gimire، فیزیکدان دانشگاه استنفورد که در این کار شرکت نکرد، دقیقاً بر این ویژگی مطالعه جدید تأکید می کند: از نور برای به دست آوردن اطلاعاتی استفاده می کند که قبلاً صرفاً ریاضی در نظر گرفته می شد. "اینها [light-based] روش‌ها گاهی می‌توانند دشوار یا واقعاً از نظر مفهومی چالش برانگیز باشند، اما بیشتر اوقات آنها دسترسی به این بخش خیالی از اعداد مختلط را فراهم می‌کنند. [wave function] او گفت: «که با روش‌های مرسوم دیگر به آن دسترسی ندارید». علاوه بر این، این تیم توانست تمام توابع موج بلوخ را با استفاده از همین اندازه‌گیری‌های قطبش مهندسی معکوس کند.
Ghimire همچنین اشاره می کند که نوع نور لیزر مورد استفاده توسط محققان UCSB فراتر از قطبش آن مهم است. آنها از پالس های لیزری فوق سریع استفاده کردند و الکترون ها را تنها در یک تریلیونم ثانیه با نور برخورد کردند. الکترون‌های جامد به جای حرکت مداوم، تمایل دارند با اتم‌ها برخورد کنند، بنابراین کنترل آنها با چنین سرعتی برای تیم برای انجام دستکاری پیتر-پن و سایه الکترون و حفره بسیار مهم بود. در غیر این صورت، هر بار که آزمایش انجام می شود، احتمال دارد یکی یا دیگری با برخی از موانع اتمی برخورد کند و از اتحاد مجدد جلوگیری کند. سیموس اوهارا، یکی دیگر از نویسندگان این مطالعه و دکترای علوم. دانشجویی از گروه شروین برخی از این مزیت فنی را به استفاده تیم از امکانات پیشرفته الکترون آزاد UCSB نسبت می دهد.
اما تاثیر کار احتمالا فراتر از تجهیزات تخصصی و نیمه هادی های ساده است. در آرسنید گالیم، مطالعه نظری وو نشان داد که خواص بسیار کمی از نور بازتابیده شده برای بازسازی ریاضی توابع موج بلوخ باید شناخته شود. با این حال، سایر مواد نیمه هادی ممکن است به دانش کامل تری - و شاید دست نیافتنی- نیاز داشته باشند. مت گارد، فیزیکدان دانشگاه ایالتی لوئیزیانا که او نیز در این مطالعه حضور نداشت، می‌گوید: «این کار به‌عنوان نمایشی بسیار اساسی از کاری که می‌توانید انجام دهید، زمانی که پاسخ واقعاً به خوبی تعریف شده باشد، جذاب است. "اما مفهوم این است که شما به طور بالقوه می توانید از این برای یادگیری چیزی در مورد ساختارهای پیچیده تر استفاده کنید."
تیم UCSB در حال حاضر در حال انجام برنامه های بلندپروازانه برای مراحل بعدی است. در آینده، محققان علاقه مند به استفاده از تکنیک خود در موادی خواهند بود که در آن الکترون ها به شدت با یکدیگر برهمکنش می کنند یا در آن نور لیزر ذرات عجیب و غریب تر از الکترون ها و حفره ها را تحریک می کند. "ما به دنبال مواد جدید هستیم. کاستلو، مشتاق فرصت‌های بیشتر برای نگاه کردن بارها به دنیای ناملموس توابع موج، گفت: اگر مردم نیمه‌هادی‌هایی دارند که دوست دارند ببینند، ما برای امتحان کردن هیجان‌زده هستیم.
[ad_2]