نقشه برداری تعامل اتم های منفرد با یک فوتون
آیا تابهحال به این فکر کردهاید که چطور میتوانید جهان اطرافتان را ببینید؟ باید بگوییم این فوتونها هستند که ما را قادر میکنند اطرافمان را ببینیم. فوتونها بستههایی از انرژی هستند که با اتمها و مولکولهای جسمی که به آن نگاه میکنید برهمکنش میکنند. بعضی از فوتونها بعد از برخورد به یک جسم منعکس میشوند و به چشم شما میرسند و برخی دیگر جذب میشوند. عاملی که نقش اساسی در تعیین جذب یا منعکس شدن فوتون ایفا میکند، انرژی فوتون یا همان رنگ آن است.
اما شاید بهتر باشد به لحظهای که فوتون با جسم برخورد میکند نگاه عمیقتری داشته باشیم، چون هنوز هم ممکن است موارد ناشناختهای در مورد آن وجود داشته باشند. دانشمندان مرکز تکنولوژیهای کوانتوم (CQT) در دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) اخیرا نشان دادهاند که شکل یک فوتون نیز در نحوهی جذب آن توسط یک اتم تأثیر دارد.
ما فوتون را بهعنوان چیزی که در زمان و مکان پخش شده باشد تصور نمیکنیم، از اینرو برای آن شکلی قائل نیستیم. اما برخی از فوتونهایی که برای این آزمایش ایجاد شدند، تا ۴ متر طول داشتند. کریستین کورتسیفر که مدیر تحقیقات در CQT است، به همراه تیمش این توانایی را داشتند که با دقت زیادی به فوتونهای نور شکل دهند. برای این تحقیق، که در ۲۹ نوامبر سال جاری در مجلهی Nature Communications منتشر شد، تیم تحقیقاتی از اتمهای روبیدیم و فوتونهای فروسرخ برای پیشبرد آزمایشات خود استفاده میکردند. ویکتور لئونگ، یکی از محققان تیم در مورد آزمایش میگوید:
آزمایشهای ما در مورد بنیادیترین برهمکنشهای بین ماده و نور است.
یک فوتون ۴ متری در عرض ۱۳ نانوثانیه از یک اتم عبور میکند. هر بار که فوتونی بهسوی اتم فرستاده میشود، دانشمندان بررسی میکنند که آیا آن فوتون جذب اتم میشود یا نه و اگر جواب مثبت باشد آنها به دنبال این هستند که بفهمند این اتفاق به چه شکلی رخ میدهد. با پی بردن به زمان برانگیزش اتم و جمعآوری اطلاعات مربوط به آن، محققان میتوانند احتمال جذب فوتون توسط اتم را بهصورت تابعی برحسب زمان بیان کنند.
در این تحقیق دو نوع فوتون مورد آزمایش قرار گرفت: نوعی از فوتون که روشنایی آن در حال افزایش و نوع دیگر فوتونی که روشنایی آن در حال کاهش بود. پس از انجام صدها میلیون آزمایش و اندازهگیری که ۱۵۰۰ ساعت به طول انجامید، محققان درنهایت به این نتیجه رسیدند که احتمال کلی جذب هر نوع فوتون توسط یک اتم روبیدیم، تنها کمی بیشتر از ۴ درصد است. با این حال، زمانی که تیم تحقیقاتی بر مبنای بازههای زمانی نانوثانیه به این فرآیند نگاه کردند، پی بردند احتمال جذب فوتون در هر لحظه به نوع فوتون نیز بستگی دارد.
محققان در ادامه به این نتیجه رسیدند که اگر فوتون رسیده به اتم، از دیدگاه اتم، روشنایی کمشونده داشته باشد، بالاترین احتمال برانگیزش اتم تا ۵۰ درصد بیشتر از زمانی خواهد بود که فوتون دارای روشنایی رو به افزایش و دنبالهای کشیدهتر باشد.
محققان انتظار داشتند که شاید اتم تمایل بیشتری به جذب فوتونهای دارای روشنایی فزاینده داشته باشد. علت چنین انتظاری هم در این است که اتم برانگیختهشده بهطور طبیعی انرژی اضافه خود را از دست میدهد و فوتون روبهزوال را به بیرون پس میدهد. اکنون فرض کنیم که این فرآیند وارونه شود، طبق معادلات باید همان اتفاق رخ دهد. یکی از نویسندگان مقالهی این تحقیق، ماتیاس اشتاینر دراینباره میگوید:
ما با توجه به تقارن زمانی مطروحه در مکانیک کوانتوم، تصمیم گرفتیم این دو نوع فوتون را برای انجام آزمایشهای خود انتخاب کنیم.
این یافتهها میتوانند به توسعهی تکنولوژیهای مربوط به برهمکنش ماده و نور کمک کنند. بسیاری از تکنولوژیهای کوانتومی که در مراحل ابتدایی توسعهی خود قرار دارند نظیر شبکههای مخابراتی، سنسورها و رایانهها؛ مستلزم این هستند که فوتونها با جذب شدن در اتمها بتوانند اطلاعات را ذخیره کنند. برای ساخت تجهیزات کوانتومی قابلاعتماد، دانشمندان باید بتوانند روی برهمکنش بین ماده و نور کنترل داشته باشند. به یاد داشته باشید انسان تنها چیزی را میتواند مهندسی کند که ابتدا آن را بهخوبی درک کرده باشد.
نظرات