ساخت یک سوئیچ مغناطیسی برای فعال یا غیرفعال کردن حالت کوانتومی

پژوهشگران، یک سوئیچ مغناطیسی را برای فعال و غیر فعال کردن یک ویژگی کوانتومی ایجاد کردند.

گویا آی تی – زمانی که یک رقصنده باله، یک دور کامل به دور خود میچرخد، در وضعیت مشابه خود در آغاز رقص قرار می گیرد. اما برای الکترون ها و سایر ذرات زیراتمی، که از قوانین نظریه کوانتوم تبعیت می کنند، لزوما این شرایط ایجاد نمی شود. زمانی که یک الکترون در یک مسیر بسته حرکت کرده و دوباره در نقطه قرار می گیرد که حرکت را آن آغاز کرده است، خصوصیات فیزیکی آن می تواند مشابه زمان آغاز حرکت و یا متفاوت از آن باشد.
اکنون، به کمک تلاش های یک گروه تحقیقاتی بین المللی، که توسط دانشمندان موسسه NIST رهبری می شود، راهی برای کنترل این نتیجه وجود دارد. تیم مورد نظر، برای نخستین بار روشی را طراحی کرده است که این رفتار کوانتومی مرموز را فعال و غیر فعال می کند. این کشف، نوید درک بنیان های نظریه کوانتوم را از جهاتی دیگر به همراه دارد و ممکن است نتیجه ی آن ساخت دستگاه های الکترونیکی کوانتومی جدید باشد.

برای مطالعه این ویژگی کوانتومی، جوزف اِی. استروشیو یکی از فیزیکدانان موسسه NIST، با همکارانش، به مطالعه الکترون هایی پرداخته است که در مدارهای خاصی در یک محدوده با ابعاد نانومتری از گرافن – یک لایه فوق محکم از اتم های کربن، که ضخامت آن، یک اتم کربن است – قرار دارند. مشابه حالتی که الکترون ها حول مرکز اتم می چرخند، الکترون های محصور در این قسمت، حول مرکز گرافن به چرخش در می آیند. الکترون های در حال چرخش، معمولا پس از یک دور کامل در گرافن، خصوصیات فیزیکی خود را کاملا حفظ می کنند. اما زمانی که شدت میدان مغناطیسی اعمال شده به حد بحرانی می رسد، به عنوان یک سوئیچ عمل کرده و شکل مدارها را تغییر می دهد و موجب می شود الکترون ها، پس از اتمام یک دور کامل، خصوصیات فیزیکی متفاوتی داشته باشند.

پژوهشگران یافته های خود را در این رابطه در بیانیه ای علمی در تاریخ ۲۶ می ۲۰۱۷ منتشر کرده اند.
این سوئیچ جدید کوانتومی، به یک ویژگی هندسی به نام فاز Berry اتکا دارد، که بر اساس نام فیزیکدان انگلیسی، سر مایکل بری نام گذاری شده است، فردی که تئوری این پدیده کوانتومی را در سال ۱۹۸۳ عنوان کرد. فاز Berry، مربوط به تابع موج ذرات است که در نظریه کوانتوم، وضعیت فیزیکی یک ذره را توصیف می کند. تابع موج – یک اقیانوس از امواج را در ذهن خود مجسم کنید – دارای یک دامنه (ارتفاع موج) و یک فاز – موقعیت قله یا دره موج نسبت به نقطه اغاز چرخه موج – مشخص است.
متن زیر شکل: این تصاویر، نشان دهنده مسیرهای مدارهای الکترونی است که در یک فضای دایره ای در گرافن محدود شده اند. در حالت کلاسیک مدار (تصویر بالا) الکترونی که در یک مدار کامل می چرخد، پس از رسیدن به نقطه اول، خصوصیات فیزیکی مشابهی با زمان آغاز جرکت خود دارد. اما زمانی که میدان مغناطیسی اعمال شده به حد بحرانی می رسد (تصویر پایینی)، الکترونی که در یک مدار کامل می چرخد، نسبت به زمان آغاز حرکت، خصوصیات فیزیکی متفاوتی دارد. این تغییر، فاز Berry نامیده می شود و میدان مغناطیسی به عنوان یک سوئیچ برای فعال کردن این فاز، عمل می کند. نتیجه آن است که الکترون به سطح بالاتری از انرژی می رسد.

زمانی که یک الکترون، مسیر خود در مدار حلقه بسته را تمام کرده و نقطه آغاز حرکت می رسد، فاز تابع موج آن، می تواند به جای بازگشت به مقدار اولیه، تغییر کرده باشد. این تغییر فاز، یا فاز Berry، نوعی از حافظه حرکات در سیستم کوانتومی است و به زمان بستگی ندارد، بلکه تنها به خود سیستم – یعنی شکل مسیر حرکت بستگی دارد. بعلاوه، این تغییر در طیف وسیعی از سیستم های کوانتومی، پیامدهای قابل ملاحظه ای دارد.
اگرچه فاز Berry، یک پدیده کاملا کوانتومی است، در سیستم های غیرکوانتومی نیز حالت مشابهی دارد. حرکت یک آونگ فوکو را در نظر بگیرید، که در قرن نوزدهم، برای نشان دادن چرخش زمین مورد استفاده قرار می گرفته است. آونگ معلق، در یک صفحه قائم مشخص، تنها به سمت چپ و راست تاب می خورد، اما به نظر می رسد که در هر بار رفت و آمد، قدری نیز چرخش – یعنی نوعی تغییر فاز – دارد که ناشی از چرخش کره زمین است.

از اواسط دهه هشتاد میلادی، آزمایش ها مختلفی نشان داد که انواع مختلفی از سیستم های کوانتومی، فازهای Berry مربوط به خود را دارند. اما تا پیش از انجام مطالعه اخیر، هیچ کس سوئیچی را که بتواند فاز Berry را به صورت دلخواه فعال و غیر فعال کند، نساخته بود. سوئیچی که توسط این تیم ساخته شده است، توسط تغییر بسیار اندک در میدان مغناطیسی اعمال شده کنترل می شود، که موجب افزایش ناگهانی انرژی الکترون خواهد شد.
اعضای متعددی از این تیم تحقیقاتی – که متعلق به موسسه فناوری ماساچوست (MIT) و دانشگاه هاروارد هستند – نظریه ای را برای این سوئیچ فاز Berry ارائه داده اند.
برای مطالعه فاز Berry و ایجاد این سوئیچ، فرشته قهاری، یکی از اعضای تیم NIST ،یک دستگاه گرافنی با کیفیت بالا ساخته است تا با استفاده از آن سطوح انرژی و فاز Berry الکترون های موجود در گرافن را مطالعه کند.

در ابتدا، تیم تحقیقاتی الکترون ها را به حرکت در مسیرها و سطوح انرژی مشخص محدود کرد. برای نگاه داشتن الکترون ها در این سطوح انرژی، یکی از اعضای این تیم، دنیل واکاپ، یک حصار الکتریکی را با استفاده از ناخالصی یونیزه در لایه پوشاننده زیرین گرافن، ایجاد کرد. با این کار، امکان بررسی سطوح انرژی کوانتومی و فاز در Berry مربوط به الکترون های محدود شده، توسط یک میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) در واحد نانوتکنولوژی NIST، که مرکز علوم و فناوری ها در مقیاس نانو است، فرآهم شد.
پس از آن، تیم تحقیقاتی، یک میدان مغناطیسی ضعیف را به لایه گرافن اعمال کرد. برای الکترون هایی که خلاف جهت عقربه ساعت حرکت می کردند، میدان مغناطیسی مدارهای فشرده تر و تنگ تری را ایجاد کرد. اما برای الکترون هایی که در مدارهای هم چهت با عقربه های ساعت حرکت می کردند، میدان تأثیری کاملا معکوس داشت، و الکترون ها را در مسیرهای بازتری قرار داد. میدان معناطیسی، در شدت بحرانی به عنوان یک سوئیچ برای فاز Berry عمل کرد، و موجب شد مدارهای خلاف عقربه ساعت الکترون ها، تغییر کرده و ذرات باردار از مدارهای خلاف عقربه ساعتی که در نزدیکی حصار الکتریکی قرار داشت، خارج شوند.

در حالت عادی، تغییر این مسیرهای چرخش، تأثیرات ناچیزی دارد. اما یکی از اعضای تیم به نام کریستوفر گوتیِرِز می گوید:” الکترون ها در گرافین دارای فاز Berry ویژه ای هستند، که در صورت اعمال این مسیرهای چرخش با القای مغناطیسی، فعال خواهد شد.”
زمانی که فاز Berry فعال شود، الکترون های درحال چرخش، به طور ناگهانی به سطوح بالاتر انرژی منتقل می شوند. استروشیو معتقد است این سوئیچ کوانتومی، یک ابزار قدرتمند علمی است که به دانشمندان کمک خواهد کرد تا از ایده های خود برای ساخت دستگاه های جدید کوانتومی بهره بگیرند، به شکلی که هیچ حالت مشابهی برایآن در سیستم های نیمه رسانا وجود نخواهد داشت.