پژوهشگران ژاپنی برای نخستین‌بار نشان داده‌اند که نیروی ناشی از اسپین کوانتومی الکترون‌ها می‌تواند جسمی با ابعاد سانتی‌متری را به حرکت درآورد. در این آزمایش، جابه‌جایی یک الماس با استفاده از دست‌کاری حالت کوانتومی الکترون‌ها ثبت شد؛ دستاوردی که می‌تواند راه را برای بررسی رفتار کوانتومی اجسام بزرگ‌تر و مطالعه رابطه میان مکانیک کوانتومی و گرانش هموار کند.
به گزارش سیناپرس به نقل از ساینس‌آلرت، این آزمایش به سرپرستی پژوهشگران مؤسسه علم و فناوری اوکیناوا در ژاپن انجام شده و نتایج آن در مجله علمی Science Advances منتشر شده است.
چگونه یک اثر کوانتومی، جسمی بزرگ را حرکت داد؟
اسپین الکترون یکی از ویژگی‌های بنیادی ذرات است که با خاصیت مغناطیسی آن‌ها ارتباط دارد. پژوهشگران در آزمایش‌های پیشین توانسته بودند از نیروهای مرتبط با اسپین برای جابه‌جایی اتم‌های منفرد استفاده کنند؛ اما در مطالعه جدید، این اثر در سامانه‌ای بسیار بزرگ‌تر بررسی شد.
برای انجام آزمایش، محققان صفحه‌ای گرافیتی به ابعاد حدود یک سانتی‌متر را روی آرایه‌ای شطرنجی از آهن‌رباها معلق کردند. سپس الماسی سه‌میلی‌متری را به این صفحه متصل کردند. این الماس دارای نقص‌های اتمی ویژه‌ای موسوم به «مرکز نیتروژن-جای‌خالی» (NV) بود که امکان کنترل اسپین الکترون‌ها را فراهم می‌کنند.
پژوهشگران با استفاده از نور لیزر، اسپین این الکترون‌ها را دست‌کاری کردند و سپس با کمک یک آهن‌ربای دیگر، نیروی حاصل را به حرکت مکانیکی تبدیل کردند.
مجموعه آزمایشی حدود ۱۲۸ میلی‌گرم وزن داشت و در نهایت، جابه‌جایی‌ای در حدود ۱۰۰ نانومتر در آن ثبت شد؛ فاصله‌ای بسیار کوچک که تقریباً یک‌هزارم قطر یک تار موی انسان است.
هرچند این جابه‌جایی از نظر روزمره ناچیز به نظر می‌رسد، اهمیت آزمایش در اندازه حرکت نیست، بلکه در این واقعیت است که یک اثر کوانتومی توانسته است در یک سامانه مکانیکی با ابعاد سانتی‌متری، پاسخ قابل‌اندازه‌گیری ایجاد کند.
چرا این آزمایش برای فیزیک اهمیت دارد؟
یکی از پرسش‌های مهم فیزیک مدرن این است که قوانین مکانیک کوانتومی تا چه اندازه می‌توانند رفتار اجسام بزرگ را توضیح دهند. مکانیک کوانتومی رفتار ذرات در مقیاس‌های بسیار کوچک را توصیف می‌کند، درحالی‌که قوانین فیزیک کلاسیک معمولاً برای توضیح حرکت اجسام در مقیاس روزمره به کار می‌روند.
با افزایش اندازه و جرم یک جسم، مشاهده مستقیم آثار کوانتومی دشوارتر می‌شود. در عین حال، گرانش نیز در توصیف رفتار اجسام بزرگ اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. به همین دلیل، بررسی مرز میان فیزیک کوانتومی و کلاسیک یکی از موضوعات مهم پژوهش‌های بنیادی است.
جیسون توملی، فیزیک‌دان نظری و از پژوهشگران این مطالعه، می‌گوید تاکنون تلاش‌های متعددی برای آزمایش اعتبار مکانیک کوانتومی در مقیاس‌هایی بزرگ‌تر از چند ده نانومتر انجام شده بود، اما این تلاش‌ها به موفقیت مورد انتظار نرسیده بودند.
به گفته او، در آزمایش جدید، پژوهشگران توانسته‌اند پاسخ مکانیکی کلاسیک به یک نیروی کوانتومی را در جسمی مشاهده کنند که جرم آن هشت تا ۹ مرتبه بزرگی بیشتر از نمونه‌های پیشرفته پیشین در آزمایش‌های اسپین-مکانیکی است.
گام بعدی؛ بررسی حالت‌های کوانتومی در اجسام بزرگ‌تر
یکی از ویژگی‌های مهم الماس‌های دارای مراکز نیتروژن-جای‌خالی، امکان کنترل نسبتاً آسان آن‌ها و حفظ همدوسی کوانتومی برای مدت قابل‌توجه است. همدوسی به حفظ روابط کوانتومی میان حالت‌های یک سامانه اشاره دارد و برای مطالعه پدیده‌هایی مانند برهم‌نهی کوانتومی اهمیت دارد.
در حالت برهم‌نهی، یک سامانه کوانتومی می‌تواند در ترکیبی از چند حالت ممکن قرار داشته باشد؛ پدیده‌ای که در مقیاس‌های بزرگ‌تر، آزمایش و مشاهده آن بسیار دشوار است.
پژوهشگران امیدوارند در مراحل بعدی، با بهبود شرایط آزمایش، بتوانند از این روش برای قرار دادن اجسام بزرگ‌تر در حالت‌های کوانتومی استفاده کنند.
آنشومان نایاک، یکی دیگر از پژوهشگران، توضیح می‌دهد که تیم تحقیقاتی به‌جای حرکت از مقیاس‌های کوچک به بزرگ، رویکرد معکوسی را دنبال کرده است: آغاز از یک سامانه بزرگ و بررسی امکان آشکارسازی آثار کوانتومی در آن.
آیا دانشمندان به مشاهده گربه شرودینگر نزدیک شده‌اند؟
«گربه شرودینگر» آزمایش فکری مشهوری در فیزیک کوانتومی است که برای نشان دادن ویژگی‌های عجیب برهم‌نهی کوانتومی در مقیاس‌های بزرگ مطرح شد. در این مثال فرضی، یک گربه به سامانه‌ای کوانتومی وابسته است که می‌تواند در ترکیبی از دو حالت زنده و مرده توصیف شود.
البته آزمایش جدید به معنای ایجاد چنین وضعیتی در یک جسم بزرگ نیست. آنچه پژوهشگران مشاهده کردند، حرکت مکانیکی کلاسیک در پاسخ به نیرویی با منشأ کوانتومی بود؛ نه قرار گرفتن جسم سانتی‌متری در حالت برهم‌نهی کوانتومی.با این حال، این دستاورد می‌تواند زمینه را برای آزمایش‌های دقیق‌تر درباره رفتار کوانتومی اجسام بزرگ و بررسی ارتباط این پدیده‌ها با نظریه نسبیت عام اینشتین فراهم کند.
توملی معتقد است اکنون مسئله اصلی، امکان‌پذیر بودن چنین آزمایش‌هایی نیست، بلکه بهبود شرایط تجربی برای دستیابی به برهم‌نهی کوانتومی در مقیاس‌هایی است که اثر گرانش نیز در آن‌ها اهمیت دارد.
در مجموع، این پژوهش هنوز پاسخی برای چگونگی سازگاری کامل مکانیک کوانتومی و گرانش ارائه نمی‌دهد، اما نشان می‌دهد می‌توان اثر نیروهای کوانتومی را در سامانه‌هایی بسیار بزرگ‌تر از مقیاس اتمی بررسی کرد؛ گامی که ممکن است در آینده به آزمایش‌های تازه‌ای درباره بنیادی‌ترین قوانین جهان منجر شود.
مترجم:امیر بابایی