کشف تاریخی کوانتوم: دانشمندان برای اولین بار شکل واقعی الکترون را دیدند

اگر به الکترون، یکی از بنیادی‌ترین اجزای ماده، فکر کنیم، می‌بینیم که قرن‌ها است درباره‌اش می‌نویسیم، مدل‌سازی می‌کنیم، با آن مدار می‌سازیم، اما هنوز نمی‌دانیم «واقعاً» چه شکلی است. آیا الکترون یک ذره است؟ یک موج؟ یک پدیده‌ی آماری؟ یا چیزی فراتر از درک شهودی ما؟

در قلب یکی از هیجان‌انگیزترین پژوهش‌های فیزیک مدرن، دانشمندان سرانجام موفق شده‌اند برای نخستین‌بار و به‌کمک تکنیکی فوق‌العاده پیشرفته، شکل واقعی الکترون‌های در حال حرکت، آن هم در دل ماده، را اندازه‌گیری و ثبت شده است؛ انگار که از یک مفهوم ریاضی، عکس گرفته باشند!

ساخته‌شده با هوش مصنوعی

آنچه تا دیروز فقط در معادلات کوانتومی و مدل‌های ریاضی بود، حالا تصویری واقعی دارد، و این فقط آغاز ماجرا است.

الکترون، در نگاه اول، یکی از ساده‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده‌ی جهان به‌نظر می‌رسد. در ظاهر، چیزی جز یک ذره‌ی کوچک با بار منفی نیست، نه ساختار درونی دارد و نه از ذرات کوچک‌تری ساخته شده است؛ اما وقتی بخواهیم واقعاً ببینیم که یک الکترون چیست، ماجرا پیچیده می‌شود.

الکترون‌ها فقط ذراتی ریز با بار منفی نیستند؛ در مقیاس کوانتومی، الکترون‌ها همزمان می‌توانند رفتار ذره‌ای و موجی داشته باشند، ویژگی‌ای که به آن دوگانگی موج-ذره می‌گوییم. این یعنی در برخی آزمایش‌ها، الکترون مانند ذره‌ای نقطه‌ای عمل می‌کند. اما در شرایط دیگر، درست مثل موج روی آب با الگوهای پراکندگی و تداخل پیچیده، گسترده می‌شود.

به‌دلیل این رفتار دوگانه، به‌سادگی نمی‌توانیم بگوییم الکترون کجاست یا چه شکلی دارد. به‌جای مکان دقیق، باید از تابع موج استفاده کنیم؛ مدلی ریاضی که فقط احتمال حضور الکترون در فضا را نشان می‌دهد، نه جای دقیقش را. به همین دلیل، دانشمندان برای دهه‌ها فقط می‌توانستند شکل احتمالی الکترون‌ها را حدس بزنند، نه اینکه واقعاً آن را ببینند.

فرض کنید یک میکروسکوپ ایدئال در اختیار داریم؛ آنقدر قدرتمند که بتوانیم تا اعماق دنیای زیراتمی زوم و مستقیماً به الکترون نگاه کنیم. در نگاه اول، به‌نظر می‌رسد که هرچه بزرگ‌نمایی بیشتر باشد، باید بتوانیم تصویر دقیق‌تری از الکترون به‌دست بیاوریم. با افزایش دقت در تعیین مکان، تابع موج الکترون فشرده‌تر می‌شود و الکترون بیشتر مانند یک ذره‌ی نقطه‌ای ظاهر می‌شود، گویی به‌تدریج از رفتار موج‌مانند فاصله می‌گیرد و به شکل یک ذره‌ی مشخص نزدیک می‌شود؛ اما این فقط ظاهر ماجراست.

اصل عدم‌ قطعیت هایزنبرگ وارد می‌شود و همه‌چیز را به‌هم می‌ریزد. این اصل می‌گوید که هرچه مکان یک ذره را با دقت بیشتری اندازه بگیریم، عدم‌ قطعیت در اندازه‌گیری کمیت‌های دیگر مانند تکانه (حرکت) یا انرژی بیشتر می‌شود. یعنی اگر جای الکترون را با دقت بالا تعیین کنیم، دیگر نمی‌توانیم با همان دقت بگوییم با چه سرعتی حرکت می‌کند یا چه انرژی‌ای دارد.

نتیجه این است که با افزایش دقت، نه‌تنها الکترون برای ما شفاف‌تر نمی‌شود، بلکه رفتار آن آشفته‌تر و ناپایدارتر جلوه می‌کند. در مقیاس‌های بسیار ریز، به‌جای اینکه الکترون را به‌وضوح ببینیم، با ابری از نوسانات و اغتشاشات کوانتومی روبه‌رو می‌شویم. اینجا است که درک شهودی ما از دیدن و شکل داشتن کاملاً فرو می‌پاشد، چون در دنیای کوانتوم، بیشتر با احتمال سروکار داریم نه با قطعیت.

بیایید برای لحظه‌ای جهان را از دیدگاه فیزیک کلاسیک ببینیم. تصور کنید می‌خواهیم با انباشت مقدار مشخصی بار الکتریکی، یک الکترون کلاسیک بسازیم، مدلی که در آن بار به‌صورت یکنواخت درون یک کره‌ی کوچک، توزیع شده است. براساس قانون کولن، هرچه این بارها را بیشتر به یکدیگر نزدیک کنیم، نیروی دافعه‌ی میان آن‌ها بیشتر و در نتیجه انرژی لازم برای فشرده‌سازی نیز بیشتر خواهد بود.

با استفاده از رابطه‌ی مشهور اینشتین، E=mc²، می‌توان انرژی الکترواستاتیکی را به جرم معادل تبدیل کرد. اگر این محاسبه را انجام دهیم و بپرسیم «چقدر باید بار را فشرده کنیم تا انرژی میدان الکتریکی آن برابر با جرم واقعی الکترون شود؟»، به عددی که به آن شعاع کلاسیک الکترون گفته می‌شود، می‌رسیم، مقداری در حدود (15-)^10×2.8 متر. اما این فقط یک مدل نظری است.

آزمایش‌های تجربی نشان داده‌اند که الکترون یا بسیار کوچک‌تر از این مقدار است یا اصلاً اندازه‌ی کلاسیکی به معنای معمول ندارد. در چارچوب فیزیک مدرن، به‌ویژه در نظریه میدان‌های کوانتومی، الکترون نه به‌عنوان یک کره‌ یا ذره‌ با ساختار فضایی مشخص، بلکه به‌عنوان برانگیختگی یک میدان کوانتومی شناخته می‌شود، مفهومی که تصویر اندازه‌ی فیزیکی را به چالش می‌کشد.

تمام آنچه تاکنون درباره‌ی الکترون گفته شد، از رفتار دوگانه‌اش تا مدل‌های نظری و ناپایداری در مقیاس‌های کوانتومی، همگی به یک پرسش بنیادین ختم می‌شوند: آیا می‌توان شکل واقعی یک الکترون را، آنگونه که در دل ماده در حال حرکت است، به‌طور مستقیم مشاهده کرد؟

سال‌ها این پرسش در حد فرضیه و معادلات باقی ماند؛ چرا که فناوری‌های موجود، اجازه‌ی دیدن یا اندازه‌گیری مستقیم چنین ساختارهای ظریف و زودگذر کوانتومی را نمی‌دادند؛ اما امروز، این مرز دیرینه‌ی تئوری و تجربه شکسته شده است و تیمی از پژوهشگران موفق شده‌اند شکل واقعی الکترون‌ها را در حال حرکت درون یک ماده‌ی جامد ثبت و اندازه‌گیری کنند. این یعنی تصویری عینی از چیزی داریم که تا دیروز فقط روی کاغذ وجود داشت.

مریم صفدری

الکترون از چه چیزی تشکیل شده است؟

مطالعه '3

این دستاورد تاریخی توسط تیمی از فیزیکدانان به رهبری ریکاردو کومین از مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست (MIT) به‌دست آمده و نتایج آن در مجله‌ی معتبر Nature Physics منتشر شده است. پژوهشی که با وجود محدودیت‌های ناشی از همه‌گیری کرونا، به‌صورت جهانی و از راه دور پیش رفت و محققانی از MIT، دانشگاه کرنل و دیگر مراکز علمی در آن نقش داشتند.

آن‌ها از تکنیکی پیشرفته به‌نام طیف‌سنجی فوتوالکترون با تفکیک زاویه (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy یا ARPES) استفاده کرده‌اند. در این روش، نور (معمولاً فرابنفش یا ایکس) به سطح ماده تابیده می‌شود و الکترون‌هایی که از سطح بیرون می‌پرند، با دقت بالا بررسی می‌شوند. با تحلیل زاویه و انرژی الکترون‌های خارج‌شده، می‌توان به ساختار کوانتومی ماده و شکل تابع موجی الکترون‌ها پی برد.

ما درواقع یک نقشه‌ی جدید برای به‌دست آوردن اطلاعاتی که پیش از این هیچ راهی برای دسترسی به آن‌ها وجود نداشت، طراحی کرده‌ایم.

- ریکاردو کومین

اهمیت این کشف فقط در زیبایی فنی آن نیست؛ بلکه می‌تواند درک ما از ماده را از پایه دگرگون کند. تا پیش از این، دانشمندان بیشتر به انرژی، سرعت و مکان الکترون‌ها توجه داشتند، اما حالا، شکل هندسی آن‌ها نیز وارد معادله شده است و این یعنی دنیای تازه‌ای برای فناوری‌هایی چون محاسبات کوانتومی و الکترونیک پیشرفته گشوده خواهد شد.

شاید این فقط یک تصویر باشد، اما پشت آن، افقی گسترده از پرسش‌ها و تحقیقات جدید پنهان شده است. از حالا به بعد، فیزیکدانان در کنار نمودارهای انرژی، باید شکل را هم در نظر بگیرند.

یکی از نکات برجسته‌ی این پژوهش، نه‌فقط پیشرفت فنی چشمگیر آن، بلکه شیوه‌ی همکاری میان فیزیکدانان نظری و تجربی بود. دکتر کنگ، فیزیکدان تجربی از دانشگاه ملی سئول، تأکید می‌کند که دستیابی به این سطح از دقت در اندازه‌گیری هندسه‌ی کوانتومی مواد، تنها در سایه‌ی همکاری تنگاتنگ و مستمر میان نظریه‌پردازان و آزمایشگران ممکن شده است، تعادلی که در بسیاری از پروژه‌های علمی، به‌سختی شکل می‌گیرد و به‌ندرت پایدار می‌ماند.

همه‌گیری کووید-۱۹ نیز نقش غیرمنتظره‌ای در شکل‌گیری این همکاری ایفا کرد. دکتر کنگ، که در زمان همه‌گیری در کره‌ی جنوبی مستقر بود، از این موقعیت برای ایجاد ارتباط علمی عمیق‌تری با نظریه‌پردازان هموطن خود استفاده کرد. این پیوند محلی، به شکل‌گیری بخش مهمی از ستون نظری تحقیق انجامید و دامنه‌ی بررسی‌ها را گسترش داد.

در نتیجه، کومین ناچار شد بسیاری از مراحل حساس آزمایش را به‌تنهایی اجرا کند. او در مصاحبه‌ای با لبخند می‌گوید:

معمولاً پروژه‌ها را رهبری می‌کنم و اجرای عملی به‌عهده‌ی دانشجویان و پست‌داک‌ها است، اما این بار خودم به پشت دستگاه برگشتم و احتمالاً این آخرین باری بود که به‌طور مستقیم در اجرای آزمایش مشارکت داشتم.

- ریکاردو کومین، MIT

این پژوهش حاصل همکاری بین‌المللی گسترده‌ای بود که پژوهشگرانی از مؤسسات علمی گوناگون را گرد هم آورد: از دانشگاه ملی سئول، MIT، دانشگاه استنفورد، دانشگاه تریسته، دانشگاه ونیز، گوگل دیپ‌مایند، مؤسسه‌ی ماکس پلانک و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی.

تأمین مالی این پروژه نیز به‌اندازه‌ی گستره‌ی جغرافیایی آن چشمگیر بود. از میان نهادهای پشتیبان می‌توان به بنیاد علمی نیروی هوایی ایالات متحده، بنیاد ملی علوم آمریکا، بنیاد گوردون و بتی مور، بنیاد علوم و فناوری سامسونگ، بنیاد تحقیقاتی کره‌جنوبی، وزارت انرژی آمریکا، برنامه‌ی پژوهشی هایزینگ-سایمونز، مؤسسه‌ی کَولی در کورنل و چندین نهاد اروپایی اشاره کرد.

تمام این کشف بزرگ مدیون طیف‌سنجی ARPES است. این تکنیک دقیق و هوشمند، اساساً با نور کار می‌کند، اما نه مثل یک چراغ‌قوه، بلکه به‌عنوان یک پروب کوانتومی.

در این روش، پرتوهایی از نور (معمولاً فرابنفش یا ایکس) به سطح ماده تابیده می‌شوند. فوتون‌های تابیده‌شده با انتقال انرژی لازم به برخی الکترون‌های داخل ماده، آن‌ها را به بیرون پرتاب می‌کنند. دانشمندان با اندازه‌گیری زاویه، انرژی و اسپین این الکترون‌های خارج‌شده، می‌توانند نقشه‌ای دقیق از ساختار درونی کوانتومی ماده رسم کنند.

ARPES فقط یک روش تصویربرداری نیست. برخلاف تکنیک‌های معمول که فقط اطلاعات کلی درباره‌ی ترکیب مواد یا رسانایی آن‌ها می‌دهند، ARPES می‌تواند حرکت، جهت‌گیری و حتی هندسه‌ی موجی الکترون‌ها را با دقت بالا مشخص کند.

داده‌های به‌دست‌آمده از این ابزار، فقط یک تصویر زیبا از دنیای کوانتومی نیست. آنچه پژوهشگران به‌دست آوردند، نقشه‌ای کوانتومی از نحوه‌ی حرکت الکترون‌ها درون ماده بود، نقشه‌ای که می‌تواند کلید فهم پدیده‌هایی عجیب مانند ابررسانایی باشد.

امیرحسین دباغی

ابررسانا؛ ماده‌ اسرارآمیزی که می‌تواند تکنولوژی آینده را متحول کند

مطالعه '8

در دل این پژوهش انقلابی، تیم دکتر کومین تمرکز خود را روی گروه خاصی از مواد به‌نام فلزات کاگومه (Kagome metals) گذاشت، موادی که ساختار اتمی آن‌ها از شبکه‌هایی با مثلث‌های درهم‌تنیده تشکیل شده است. این ساختار هندسی نه‌تنها زیبا و منظم است، بلکه تأثیر مستقیمی بر رفتار الکترون‌ها دارد و باعث بروز پدیده‌های کوانتومی خارق‌العاده‌ای می‌شود؛ مثل ابررسانایی پیشرفته و هم‌نوسانی الکترون‌ها در الگوهای هم‌زمان.

در فیزیک کوانتوم، نحوه‌ی حرکت و تعامل الکترون‌ها نه فقط به نوع ماده، بلکه به شکل هندسی شبکه‌ی اتمی آن هم وابسته است. فلزات کاگومه با طراحی خاصشان، محیطی پیچیده و منحصربه‌فرد برای الکترون‌ها ایجاد می‌کنند، محیطی که در آن تابع موجی الکترون‌ها (یعنی همان توصیف کوانتومی آن‌ها) به شکل‌هایی پیچیده و چندبعدی در‌می‌آید.

با استفاده از تکنیک پیشرفته‌ی ARPES، پژوهشگران MIT توانستند برای نخستین‌بار تأثیر مستقیم این هندسه‌ی پیچیده را روی شکل و رفتار تابع موجی الکترون‌ها اندازه‌گیری کنند. این یعنی آنچه تا پیش از این فقط در مدل‌های ریاضی وجود داشت، حالا به‌طور تجربی تأیید شده است.

مطالعه‌ی فلزات کاگومه نه‌تنها یکی از چالش‌برانگیزترین مباحث فیزیک ماده‌ی چگال است، بلکه دروازه‌ای است به سوی آینده‌ای که در آن، فناوری بر پایه‌ی طراحی کوانتومی پیش می‌رود، نه فقط مهندسی کلاسیک.

شاید هیجان‌انگیزترین بخش این کشف، کاربردهای بالقوه‌ی آن باشد. حالا که دانشمندان توانسته‌اند به شکلِ واقعی الکترون‌ها و هندسه‌ی کوانتومی آن‌ها دست پیدا کنند، مهندسان می‌توانند این اطلاعات را به ابزاری عملی تبدیل کنند: ساخت موادی که در سطح اتمی بهینه‌سازی شده‌اند.

تصور کنید بتوانیم مواد را طوری طراحی کنیم که دقیقاً همان رفتاری را داشته باشند که می‌خواهیم، چه در یک تراشه‌ی کامپیوتری، چه در یک پنل خورشیدی یا حتی در یک پردازنده‌ی کوانتومی. با شناخت بهتر، دنیای کوانتوم، دیگر نیازی به آزمون و خطای کورکورانه نیست؛ بلکه می‌توان با دقت بالا، از پایه و از درون اتم‌ها شروع به طراحی کرد.

این نقشه می‌تواند پایه‌گذار نسلی نو از نوآوری باشد، جایی که قوانین نامرئی مکانیک کوانتوم، به ابزاری واقعی برای ساخت فناوری‌های آینده تبدیل می‌شوند. دنیایی را تصور کنید که در آن دانش هندسه‌ی الکترون‌ها، طراحی گوشی‌های هوشمند، باتری‌ها و کامپیوترها فوق‌پیشرفته را دگرگون می‌کند.

کشف شکل واقعی الکترون، پایان ماجرا نیست، بلکه نقطه‌ی شروع یک مسیر تازه است. پژوهشگران قصد دارند فناوری ARPES را باز هم پیشرفته‌تر کنند، تا بتوانند مواد جدیدتری را بررسی و هندسه‌ی کوانتومی را با دقتی حتی بیشتر تحلیل کنند. با هر گام رو به جلو، درک ما از رفتار الکترون‌ها عمیق‌تر می‌شود و این یعنی شاید به‌زودی بتوانیم ویژگی‌های الکترونیکی مواد را با دقتی بی‌سابقه کنترل و طراحی کنیم.

آنچه چند سال پیش بیشتر شبیه داستان‌های علمی‌تخیلی بود، امروز تبدیل به واقعیت علمی شده است. حالا، با این دستاورد، یک گام بزرگ به آینده‌ای نزدیک‌تر شده‌ایم که در آن، فیزیک کوانتوم نه فقط در آزمایشگاه‌ها، بلکه در زندگی روزمره‌ی ما حضور خواهد داشت، از کامپیوترها و داروها تا انرژی و ارتباطات. آینده‌ای که تازه داریم تصورش را یاد می‌گیریم، اما احتمالاً خیلی زود واقعاً در آن زندگی کنیم.