فیزیکدانان «فانوس دریایی الکترونی» ساختند که جریان الکتریکی را با نور هدایت میکند
جریان الکترون ها نیروی محرکه دنیای مدرن است. از لوازم خانگی گرفته تا گوشیهای هوشمند، رایانهها و نمایشگرهایی که هر روز استفاده میکنیم، همه چیز به حرکت هدایتشده الکترونها بستگی دارد.
به گزارش افق میهن و به نقل از sciencealert; اما الکترون ها از قوانین عجیب دنیای کوانتومی پیروی می کنند. قوانینی که رفتارهایی مانند برهم نهی کوانتومی را فعال می کنند. حالتی که در آن ذرات می توانند در چندین حالت همزمان وجود داشته باشند تا زمانی که مشاهده شوند. مفهومی که با آزمایش فکری معروف «گربه شرودینگر» شناخته شد.
در حال حاضر، در یک مطالعه جدید، گروهی از فیزیکدانان از دانشگاه میشیگان دستگاهی به نام “فانوس دریایی الکترون” ساخته اند. سیستمی که می تواند پرتوی از الکترون ها را تنها با استفاده از نور و بدون نیاز به منبع نیرو یا میدان الکتریکی در جهت خاصی هدایت کند.
استیون کندیف، استاد فیزیک و رهبر این تحقیق، میگوید: «به طور معمول، الکترونها در مادهای حرکت میکنند که میدان الکتریکی به آن اعمال شود و در مسیر خود بارها با اتمها برخورد میکنند. اما در این روش، تنها نور میتواند باعث شود که الکترونها مستقیماً در جهت خاصی حرکت کنند، بدون اعمال هیچ میدان الکتریکی».
هدایت الکترون با دو پرتو لیزر
با حمایت بنیاد ملی علوم ایالات متحده، محققان دستگاهی ساخته اند که از دو پرتو لیزر با طول موج های مختلف (در محدوده مادون قرمز و نامرئی طیف الکترومغناطیسی) برای کنترل جریان الکترون ها در یک نیمه هادی استفاده می کند.
به گفته محققان، شگفت انگیزترین بخش آزمایش این بود که جریان تولید شده به اندازه کافی قوی بود که توسط دستگاه اندازه گیری شود.
در این روش «جریان بالستیک» ایجاد می شود. یعنی الکترون ها با سرعت اولیه خود بدون برخوردهای مکرر در یک مسیر مستقیم حرکت می کنند. این در حالی است که در مدارهای الکتریکی معمولی حرکت الکترون ها به دلیل برخورد مداوم با ناخالصی ها و نقص در ماده، پراکنده و نامنظم است.
حل یک چالش بزرگ
این دستگاه در مرکز نانوساخت دانشگاه میشیگان ساخته شده است. محققان مجبور شدند روشی را ابداع کنند که هیچ میدان الکتریکی ناخواسته ای را در طول آزمایش وارد سیستم نکند. زیرا چنین فیلدهایی می توانند نتایج را تغییر دهند.
Yiming Gong، نویسنده اول مقاله می گوید: هیچ راه استانداردی برای این کار وجود نداشت، بنابراین با آزمایش ترکیبات مختلف و تغییر دمای ساخت، فرآیند مناسبی را برای ساخت این دستگاه طراحی کردیم.
نور فقط جریان را روشن نمی کند. آن را هدف قرار می دهد
مطالعات قبلی نشان داده بود که نور می تواند انرژی لازم برای حرکت الکترون ها را تامین کند، اما این تحقیقات یک قدم فراتر رفته است.
کندیف می گوید: «نور دیگر نه تنها جریان را روشن می کند، بلکه جهت آن را نیز تعیین می کند.
برای هدایت این پرتو الکترونی، محققان به جای چرخاندن دستگاه، قطبش نور یا جهت نوسان امواج نور را تغییر می دهند. با تغییر پلاریزاسیون، جهت پرتو الکترونی نیز تغییر می کند.
نقش تداخل کوانتومی
این دستاورد مبتنی بر پدیده ای به نام تداخل کوانتومی است. یکی از ویژگی های اساسی دنیای کوانتومی.
برخلاف ذرات کلاسیک که مسیر مشخصی دارند، ذرات زیراتمی رفتار موج مانندی از خود نشان می دهند. هنگامی که این امواج با یکدیگر تداخل پیدا می کنند، ممکن است یکدیگر را تقویت یا ضعیف کنند. محققان از این ویژگی برای هدایت الکترون ها در جهت مورد نظر استفاده کرده اند.
این فناوری برای چه مواردی استفاده خواهد شد؟
دانشمندان معتقدند که این فناوری می تواند به درک بهتر هندسه کوانتومی مواد کمک کند. خاصیتی که رفتار اساسی مواد را تعیین می کند.
این دستاورد همچنین می تواند راه را برای پیشرفت در فناوری های مختلف هموار کند، از جمله:
* افزایش دقت سنسورهای کوانتومی
* بهبود سیستم های تصویربرداری
* بهبود فناوری های مخابراتی و انتقال داده
* ساخت کامپیوترهای کوانتومی سریعتر و کارآمدتر
در محاسبات کوانتومی، تداخل کوانتومی می تواند احتمال دریافت پاسخ های صحیح را افزایش دهد و احتمال پاسخ های نادرست را کاهش دهد. موضوعی که سرعت محاسبات را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.
به گفته محققان، اگر آینده متعلق به فناوری های کوانتومی باشد، این “فانوس دریایی الکترونی” می تواند راهنمای حرکت در دنیای ناشناخته ذرات زیراتمی و توسعه نسل بعدی تجهیزات الکترونیکی و محاسباتی باشد.
نتایج این تحقیق در Physical Review Letters منتشر شده است.
