مشاهده تونل‌زنی شگفت‌انگیز کوانتومی

تصور‌کنید در‌حال راه رفتن هستید و به مانعی مانند یک تپه یا دیوار برخورد می‌کنید. تنها راهی که می‌توانید به‌وسیله‌ی آن به طرف دیگر قدم بگذارید، این است که از دیوار بالا بروید. اما اگر ابر‌قدرتی شبیه به ذرات کوانتومی داشتید چه؟

قوانین شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی گاهی به ذرات اجازه می‌دهند که حتی بدون نیاز به بالا رفتن از چیزی، از موانع سر راهشان عبور‌ کنند. اما هر‌چه مانع بلند‌تر شود، تونل‌زنی نیز چالشی‌تر می‌شود به‌طوری که تعداد ذراتی که می‌توانند از مانع عبور‌کنند، کاهش باید. بااین‌حال، نوع خاصی از تونل‌زنی به‌نام تونل‌زنی کلاین، بازی را تغییر می‌دهد.در این نوع تونل‌زنی، حتی زمانی‌ که مانع، یک دیوار بلند باشد، دروازه‌ها‌یی باز می‌شوند که به ذرات اجازه‌ی عبور می‌دهند.

حدود صد سال پیش، فیزیکدانی سوئدی به‌نام اسکار کلاین، برای اولین‌بار این پدیده را پیش‌بینی کرد. با‌این‌حال، تا همین اواخر، دانشمندان نشانه‌ها‌ی محدودی از این پدیده مشاهده کرده بودند. در پژوهشی که به‌تازگی در مجله‌ی Nature منتشر‌ شد، گروهی از پژوهشگران میان‌رشته‌ای، آثار مستقیمی از پدیده‌ی کلاین را به‌نمایش گذاشتند. 

پژوهش یادشده، اولین مطالعه‌ای نیست که به‌صورت مستقیم تونل‌زنی کلاین را مشاهده می‌کند. دیوید گلدهابر - گوردن، فیزیکدان دانشگاه استنفورد که این پژوهش مشارکتی نداشته، گفت:

اثر تونل‌زنی کلاین به‌خوبی در گرافن (یک ماده‌ی کربنی) دیده می‌شود. 

ایچیرو تاکیوچی، دانشمند علم مواد و مهندس دانشگاه ماریلند و نویسنده‌ی ارشد پژوهش گفت:

قبل از این یافته، مردم درباره‌ی نشانه‌ها‌ی آزمایشگاهی تونل‌زنی کلاین حتی فکر هم نمی‌کردند. 

بوریس نادگورنی، فیزیکدان دانشگاه واین استیت در دیترویت، که در پژوهش اخیر مشارکت داشته، گفت:

نتایج این کار اخیر، حتی مستقیم‌تر از اثرات مشاهده‌شده در گرافن هستند. پژوهشگران همچنین برای این کار یک آرایه با طراحی بسیار ماهرانه استفاده‌ کردند.

تیون کالپویک، دانشمند نانو کوانتوم در مؤسسه‌ی کاولی دانش نانو در دانشگاه تکنولوژی دلف در هلند، که در پژوهش اخیر مشارکت نداشته، گفت:

من به این کار پایه‌ریزی می‌گویم. چرا که این پدیده‌ای است که به‌نظر می‌رسد تنها روی کاغذ اتفاق می‌افتد. اما باید برای نشان‌دادن این پدیده به‌صورت متقاعد‌کننده باید به سراغ سیستم آزمایشگاهی رفت.این آزمایش خاص به‌عنوان یک مورد روشن از یک اکتشاف و تفکر تجربی مستقل است. 

این یافته می‌تواند بسیار جذاب‌تر نیز باشد چرا که پژوهشگران تصمیم‌ نداشتند پدیده‌ی مورد بحث را در‌عمل ببینند. جانپیر پگلیون، فیزیکدان دانشگاه مریلند و نویسنده‌ی همکار این پروژه گفت:

 این پروژه از پژوهش‌ها‌ی ما در مورد نا‌رسانا‌ها‌ی توپولوژیک به‌دست آمد.

نارسانا‌ها‌ی توپولوژیکی مواد عجیبی هستند که داخل آن‌ها عایق و سطح آن‌ها رسانا است. در سال‌ها‌ی پیش، پگلیون و همکارانش ماده‌ای به‌نام ساماریوم هگزابورید را بررسی وتلاش‌ کردند نشان‌ دهند که این ماده یک عایق توپولوژیکی است. آن‌ها در ساماریوم هگزابورید به‌دنبال نشانه‌ها‌ی کوانتومی بودند. داشتن رفتار کوانتومی، جنبه‌ی مهمی از یک ماده است که عایق توپولوژیکی بودن یا نبودن یک ماده را تعیین می‌کند. 

پژوهشگران لایه‌‌ای نازک از ساماریوم هگزابورید را روی ترکیب دیگری قرار دادند که در دما‌ها‌ی پایین به ابر‌رسانا (ماده‌ای که می‌تواند جریان الکتریسیته را بدون مقاومت منتقل‌ کند) تبدیل می‌شود. پژوهشگران دما را تا چند درجه نزدیک صفر مطلق پایین آوردند (۲۷۳.۱۵- درجه سانتی‌گراد) که در آن وضعیت، ماده‌ی دوم ابر‌رسانا شد و به دلیل مجاورت دو ماده، سطح فلزی ساماریوم هگزابورید نیز خاصیت ابر‌رسانایی پیدا کرد. سپس پژوهشگران با استفاده از یک جسم نوک تیز فلزی، سطح ساماریوم هگزابورید را لمس و چگونگی گذر الکترون‌ها به ماده‌ی دوم را بررسی‌کردند.

در هر مرز میان یک فلز و یک ابر‌رسانا، بازتابی به‌نام بازتاب اندریو اتفاق می‌افتد که دلیل آن این است که در ابر‌رسانا‌ها، الکترون‌ها تنها به‌صورت جفت وجود‌ دارند؛ مانند دو نفر که در مسابقه‌ای شرکت‌کرده‌اند که در آن هر‌کدام باید یکی از پاها‌ی خود را به یکی از پا‌ها‌ی دیگری گره بزند. زمانی‌که الکترون بخواهد از فلز به ابر‌رسانا برود، باید یکی دیگر نیز با خود بیاورد. از آنجایی که بار باید در سیستم متوازن باشد، یک حفره (مکانی که باید الکترون در آن حضور داشته‌ باشد اما جا‌ی آن خالی است) با بار مثبت، از ابر‌رسانا به فلز برمی‌گردد. 

پژوهشگران با اندازه‌گیری رسانایی سیستم، حرکت‌ها‌ی الکترون و حفره را بررسی می‌کنند. اگر هر‌کدام از الکترون‌ها بتوانند به ابر‌رسانا وارد‌ شوند، رسانا‌یی دو برابر می‌شود؛ اما در بیشتر موارد این اتفاق نمی‌افتد؛ زیرا بعضی از الکترون‌ها انرژی کافی برای رفتن به ابر‌رسانا را ندارند. الکترون‌ها‌یی که انرژی کمتری دارند از مرز میان ابر‌رسانا و فلز بازتاب می‌شوند و با این بازتاب، رسانایی سیستم بیشتر از ۱۰۰ درصد می‌شود اما این رسانا‌یی همچنان کمتر از دو برابر است.

در آزمایش مربوط به ساماریوم هگزابورید، رسانایی فلز دو برابر‌ شد و همین مسئله پژوهشگران را دچار شوک کرد. این تیم با ویکتور گالیتسکی، فیزیکدان نظری دانشگاه مریلند، در آزمون‌ها‌ی مختلف با نتایج عجیبی مواجه‌ شد. از نظر گالیتسکی تونل‌زنی کلاین به همه‌ی الکترون‌ها اجازه داده است که از مرز فیزیکی بین دو ماده عبور‌ کنند. او در توجیه این رسانا‌یی ایده‌آل دو برابر گفت:

یکی دیگر از قوانین پایستگی که به اسپین الکترون‌ها مربوط است، اجازه نمی‌دهد الکترون‌ها‌یی که انرژی کمی برای گذر از مانع دارند، به‌جا‌ی خود برگردند. بنابر‌این، این الکترون‌ها باید در مانع تونل بزنند. 

نادگورنی گفت:

این نتایج تجربی هیجان‌انگیز ، نشان‌دهنده‌ی بازتاب اندریو کامل در یک نقطه‌ی تماس عادی میان قسمت کوچکی از ابر‌رسانا‌ی قرار‌گرفته در مجاورت ساماریوم هگزابورید و خود فلز ساماریوم هگزابورید است. این پژوهش، نتایج غیر‌منتظره و زیبا‌ی به‌دست‌آمده را به نبود بازتاب عادی الکترون‌ها مربوط می‌کند و این نکته‌ی مهمی در ظهور و بروز تونل‌زنی کلاین است. 

پگلیون گفت:

حالا که پژوهشگران این خاصیت عجیب کوانتومی را به‌نمایش گذاشتند، امیدوار هستند بتوانند از این یافته‌ها برای ارتقای اجزا‌ی کامپیوتر‌های سنتی استفاده‌ کنند یا حتی موادی برای وسایل و ابزار‌ها‌ی کوانتومی آینده بسازند. مسلط شدن بر توانایی تونل‌زنی الکترون‌ها می‌تواند به طراحی ترانزیستور‌ها‌ی ایده‌آل کمک‌کند یا حتی مشکل جفت‌شدگی‌ها را در کامپیوتر‌ها‌ی کوانتومی حل‌کند. 

بااین‌حال کلپویک هشدار می‌دهد که مسیر کار‌بردی کردن این موارد، بسیار پیچیده‌تر از چیزی است که اغلب به‌نظر می‌رسد.