فیزیکدانان برای نخستین‌بار اثر نیرویی کوانتومی را روی الماسی بزرگ مشاهده کردند
آزمایشی تازه روی الماسی به وزن ۱۲۸ میلی‌گرم نشان داد که اثر کوانتومی چگونه می‌تواند بر حرکت اجسامی در مقیاس سانتی‌متر تأثیر بگذارد.
گربه شرودینگر هنوز در دنیای واقعی دیده نشده است؛ اما پژوهشگران مؤسسه فناوری اوکیناوا (OIST) در ژاپن توانسته‌اند اثر یک پدیده‌ی کوانتومی را بر حرکت الماسی به قطر یک سانتی‌متر نشان دهند.
در آزمایش مورد بحث، تغییر وضعیت کوانتومی نقص‌های اتمی الماس باعث شد میزان حرکت الماس تا حدود ۱۰۰ نانومتر افزایش پیدا کند. این نتیجه به‌خودی‌خود به معنای مشاهده‌ی رفتار کوانتومی در مقیاس جسمی بزرگ نیست، اما می‌تواند به طراحی آزمایش‌های خلاقانه برای بررسی مرز میان فیزیک کوانتومی و کلاسیک کمک کند.
فیزیک کلاسیک رفتار اجسام بزرگ و گرانش را خیلی خوب و دقیق توضیح می‌دهد؛ فیزیک کوانتوم نیز برای توصیف جهان اتم‌ها و ذرات زیراتمی به کار می‌رود. دشواری از جایی شروع می‌شود که بخواهیم این دو چارچوب را با هم سازگار کنیم. بیش از یک قرن از شکل‌گیری مکانیک کوانتومی گذشته است، اما هنوز نمی‌دانیم گرانش هم از قوانین کوانتومی پیروی می‌کند یا نه.
یکی از مشکلات موجود، این است که گرانش در مقیاس ذرات بسیار ضعیف عمل می‌کند. در مقابل، بررسی اثرات کوانتومی در اجسام بزرگ‌تر نیز اصلاً آسان نیست؛ زیرا گرما، ارتعاش و دیگر عوامل محیطی می‌توانند حالت‌های کوانتومی شکننده را از بین ببرند.
به‌گزارش آی‌اف‌ال‌ساینس، آنشومان نایاک، دانشجوی دکتری واحد ماشین‌های کوانتومی مؤسسه فناوری اوکیناوا و نویسنده‌ی اول پژوهش، در بیانیه‌ای اعلام کرد: «برای آزمودن ماهیت کوانتومی گرانش، در نهایت باید اجسامی با جرم کافی را در برهم‌نهی کوانتومی قرار دهیم. همچنین، این اجسام باید در خلأ معلق نگه داشته شوند تا تأثیر نویزهای محیطی به حداقل برسد.»
الماس ناخالص چه نقشی در آزمایش داشت؟
برهم‌نهی کوانتومی حالتی است که در آن یک سامانه کوانتومی پیش از اندازه‌گیری می‌تواند در ترکیبی از چند حالت ممکن قرار داشته باشد. ایجاد و حفظ چنین حالتی در اجسام بزرگ‌مقیاس، به‌ویژه در شرایطی که گرانش اهمیت پیدا می‌کند، همچنان دشوار است.
پژوهشگران معمولاً از اجسام بسیار کوچک شروع می‌کنند و به‌تدریج جرم آن‌ها را افزایش می‌دهند. بااینحال، معلق نگه‌داشتن اجسام بزرگ با روش‌هایی مانند تله‌های نوری چالش‌برانگیز است. گروه اوکیناوا راه دیگری را انتخاب کرده است: شروع با جسمی بزرگ و بررسی اثرات کوانتومی در این جسم.
با تغییر سهم اثر اسپین کوانتومی، جابه‌جایی الماس می‌تواند تا حدود ۱۰۰ نانومتر افزایش پیدا کند
پژوهشگران در آزمایش از الماسی با جرم ۱۲۸ میلی‌گرم استفاده کردند که میلیاردها مرکز نقص نیتروژن تهی‌جایی یا یه اختصار، ان‌وی (NV) داشت. در این نقص‌ها یک اتم نیتروژن جای یکی از اتم‌های کربن الماس را می‌گیرد و در کنار آن، جای خالی یک اتم کربن باقی می‌ماند.
نقص‌های اتمی برای آزمایش‌های کوانتومی مفید هستند. مرکز ان‌وی در حالت دارای بار منفی، حالت پایه الکترونی با اسپین یک دارد؛ وضعیتی که می‌توان آن را با روش‌های نوری و مایکروویوی کنترل و اندازه‌گیری کرد. به زبان ساده، این مراکز مانند آهن‌رباهای بسیار کوچکی هستند که می‌توان وضعیتشان را تغییر داد و اثر تغییر را سنجید.
گروه پژوهشی با استفاده از الماس، گرافیت و آهن‌ربا، حرکت الماس یک‌سانتی‌متری را اندازه گرفتند. تیم آزمایش را هم با لیزر روشن و هم با لیزر خاموش انجام دادند و تغییرات حرکت الماس را با دقتی بالا ثبت کردند. نتایج نشان داد که با تغییر سهم اثر اسپین کوانتومی، جابه‌جایی الماس می‌تواند تا حدود ۱۰۰ نانومتر افزایش پیدا کند.
جیسون تواملی، استاد واحد ماشین‌های کوانتومی در مؤسسه‌ی فناوری اوکیناوا، درباره‌ی اهمیت یافته‌ها می‌گوید: «تلاش‌های زیادی برای بررسی اعتبار مکانیک کوانتومی در اجسامی بزرگ‌تر از چند ده نانومتر انجام شده، اما تاکنون موفقیتی حاصل نشده بود. اکنون، ما واکنشی مکانیکی در مقیاس کلاسیک را در واکنش به یک نیروی کوانتومی مشاهده کرده‌ایم؛ آن هم در جسمی که جرمش ۸ تا ۹ مرتبه بزرگی بیشتر از نمونه‌های پیشرفته‌ی فعلی در آزمایش‌های اسپین مکانیکی است.»
- 29 تیر 03مطالعه '16
- 09 اردیبهشت 04مطالعه '19
- 29 مرداد 05مطالعه '4
بااینحال، گربه‌ی شرودینگر هنوز هم زنده نیست. پژوهشگران تأکید می‌کنند که آزمایش را نباید با بازسازی گربه شرودینگر اشتباه گرفت. در آزمایش فکری معروف اروین شرودینگر، سرنوشت گربه به نتیجه‌ی یک رویداد کوانتومی وابسته است؛ به‌طوری‌که پیش از مشخص‌شدن نتیجه، سامانه در توصیف کوانتومی ترکیبی از حالت‌های زنده و مرده را در بر می‌گیرد.
اما پژوهشگران اوکیناوا برهم‌نهی مشابهی را در الماس نشان نداده‌اند. هرآنچه که مشاهده کرده‌اند، تغییر در واکنش مکانیکی جسمی بزرگ‌مقیاس در اثر یک نیروی کوانتومی است.
تواملی می‌گوید اکنون مسئله‌ی اصلی، بهبود شرایط آزمایش برای دستیابی به برهم‌نهی کوانتومی در محدوده‌ای است که نسبیت عام اینشتین نیز در آن اهمیت پیدا می‌کند. او همچنین معتقد است این پژوهش می‌تواند به ساخت نسل تازه‌ای از حسگرهای بسیار دقیق کمک کند.
به گفته‌ی تواملی، تیم پژوهشگران اکنون در تلاش هستند تا اثرات کوانتومی را در اجسامی بزرگ‌تر از نمونه‌های فعلی بررسی کنند و سپس، آزمایش‌ها را از مقیاس نانومتر به مقیاس سانتی‌متر گسترش دهند. او امیدوار است با افزایش ده‌برابری این توانایی، بتوان روزی پدیده‌ای شبیه گربه‌ی شرودینگر را در دنیای واقعی مشاهده کرد.
نتایج پژوهش در نشریه‌ی Science Advances منتشر شده است.
