اقرأ في هذا المقال
- كيف تكون آلية التأرجح الكمي في فيزياء الكم
- التراكب الكمي في آلية التأرجح الكمي
- التأرجح الكمي للنوى الذرية
يتم تحفيز التذبذبات ثنائية الكم للذرات في بلورة أشباه الموصلات بواسطة نبضات تيراهيرتز فائقة القُصر، حيث يتم تحليل موجات تيراهيرتز المنبعثة من الذرات المتحركة بطريقة جديدة لحل الوقت وإظهار الطابع غير الكلاسيكي للحركات الذرية ذات السعة الكبيرة.
كيف تكون آلية التأرجح الكمي في فيزياء الكم
تأرجح البندول الكلاسيكي للساعة للأمام والخلف باستطالة وسرعة محددين جيدًا في أي لحظة في الوقت المناسب، وخلال هذه الحركة تكون الطاقة الكلية ثابتة وتعتمد على الاستطالة الأولية التي يمكن اختيارها بشكل تعسفي، حيث تتصرف المذبذبات في العالم الكمومي للذرات والجزيئات بشكل مختلف تمامًا.
إن طاقتها لها قيم منفصلة تتوافق مع حالات كمومية مختلفة، ويتم وصف موقع الذرة في حالة كمومية واحدة للمذبذب بواسطة دالة موجية مستقلة عن الوقت مما يعني أنه لا توجد اهتزازات.
التراكب الكمي في آلية التأرجح الكمي
تتطلب التذبذبات في العالم الكمي تراكبًا لحالات كمومية مختلفة وهو ما يسمى التماسك أو الحزمة الموجية حيث ينتج عن تراكب حالتين كميتين وهما تماسك الفونون الواحد حركة ذرية قريبة من البندول الكلاسيكي، إن الأكثر إثارة للاهتمام هو تماسك ثنائي الفونون وهو إثارة غير كلاسيكية حقًا تكون الذرة في موضعين مختلفين في وقت واحد.
تكون سرعتها غير كلاسيكية، مما يعني أن الذرة تتحرك في نفس الوقت إلى اليمين واليسار كما هو موضح في الفيلم، إذ توجد مثل هذه الحركات لأوقات قصيرة جدًا فقط، حيث يتحلل التراكب المحدد جيدًا للحالات الكمية عن طريق ما يسمى بفك الترابط في غضون بضع بيكو ثانية ويعد التماسك ثنائي الفونون وثيق الصلة بمجال البحث الجديد الخاص بالصوتيات الكمومية، حيث يتم فحص الحركات الذرية المصممة مثل الفونونات المضغوطة و أو المتشابكة.
في عدد حديث من رسائل المراجعة الفيزيائية قام باحثون من معهد ماكس بورن في برلين بتطبيق طريقة جديدة للتحليل الطيفي ثنائي الأبعاد تيراهيرتز (2D-THz) لتوليد وتحليل تماسكات ثنائية الفونون غير الكلاسيكية ذات السعات المكانية الضخمة، ففي تجاربهم تتفاعل سلسلة من ثلاث نبضات THz مقفلة الطور مع بلورة بسمك 70 ميكرومتر من أشباه الموصلات (InSb)، ويعمل المجال الكهربائي المشع بواسطة الذرات المتحركة كمسبار لرسم خرائط الفونونات في الوقت الفعلي.
عمليات المسح ثنائية الأبعاد التي يتنوع فيها التأخير الزمني بين النبضات الثلاث (THz) تعرض إشارات قوية ثنائية الفونون وتكشف عن توقيعها الزمني، إن التفاعلات غير الخطية المتعددة لنبضات (THz) الثلاثة مع بلورة (InSb) تولد إثارة قوية ثنائية الفونون، يمهد هذا النوع الجديد من التحليل الطيفي ثنائي الأبعاد (THz) الطريق نحو توليد وتحليل والتلاعب بالإثارة الأخرى منخفضة الطاقة في المواد الصلبة مثل المغنونات والانتقالات بين الأرض والحالات المثارة من الإكسيتونات والشوائب مع تسلسل النبضات المتعددة.
التأرجح الكمي للنوى الذرية
يستخدم العلماء ضوء الليزر بشكل روتيني للتحكم في كيفية انتقال إلكترونات الذرة من حالة إلكترونية إلى أخرى، لكن التحكم في الحالة النووية للذرة يعد أكثر صعوبة، لقد استخدم الباحثون في معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية في هايدلبرغ بألمانيا ضوء الأشعة السينية لأول مرة لتحقيق تحكم متماسك في الإثارة النووية، بالإضافة إلى المساهمة في فهم أفضل للمادة الكمومية، حيث يمكن أن يسرع العمل في تطوير تقنيات مثل الساعات والبطاريات النووية فائقة الدقة، والتي يمكنها تخزين كميات هائلة من الطاقة.
النوى الذرية هي أنظمة كمومية يمكن فيها للبروتونات والنيوترونات المكونة أن تقفز ميكانيكيًا الكم من حالة كمومية نووية إلى أخرى عندما تكتسب أو تفقد الطاقة، وغالبًا ما تكون الاختلافات في الطاقة في هذه القفزات النووية أكبر بست مرات من القفزات التي تحدثها الإلكترونات داخل غلاف إلكترون الذرة.
وكما يقول عضو الفريق كريستوف كيتل، ويوضح قائلاً يمكن لقفزة كمية واحدة يقوم بها مكون نووي أن تضخ ما يصل إلى مليون مرة من الطاقة في الحالات أو تخرجها مرة أخرى، حيث أدى هذا إلى ظهور فكرة البطاريات النووية ذات سعة تخزين غير مسبوقة.
يضيف كتيل أن الحالات الكمومية لبعض النوى الذرية محددة بشكل أكثر حدة من الحالات الكمومية الإلكترونية، وهذا يعني أن ترددات القفز هي أيضًا أكثر دقة، وهو أمر يمكن من حيث المبدأ استغلاله لإنشاء ساعات نووية أكثر دقة بكثير من الساعات الذرية المستخدمة في ضبط الوقت والملاحة بدقة اليوم، ويمكن أن تكون هذه الساعات فائقة الدقة مفيدة أيضًا لدراسات الفيزياء الأساسية، مثل التحقيقات فيما إذا كانت الثوابت الفيزيائية المعروفة في الطبيعة ثابتة بالفعل.
معالجة القفزات والتحكم فيها بدقة
قبل أن ترى مثل هذه التطبيقات النور يحتاج الباحثون إلى إيجاد طريقة معينة لمعالجة هذه القفزات والتحكم فيها بدقة، إذ تتضمن إحدى هذه التقنيات التي عمل عليها فريق هايدلبرغ لأكثر من 10 سنوات ضوء الأشعة السينية عالي الطاقة.
في العمل الحالي استخدم الباحثون بقيادة يورج إيفرز نبضات ضوئية من (ID18) لشعاع الرنين النووي في مرفق الإشعاع السنكروتروني الأوروبي (ESRF) في غرونوبل بفرنسا، حيث انقسموا إلى قسمين باستخدام وحدة الانقسام والتحكم حيث أن الغرض من هذه الوحدة هو تأخير إحدى هاتين النبضتين بالنسبة إلى الأخرى.
أرسل إيفرز وزملاؤه النبضة الأولى إلى عينة مستهدفة أي اختبار مصنوعة من رقائق الفولاذ المقاوم للصدأ بسماكة 1 ميكرومتر ويتم تخصيب الفولاذ الموجود في هذه الرقاقة ليحتوي على 95٪ من نظير (Mössbauer) الحديد -57 ( 57 Fe).
والذي له انتقال نووي ثنائي القطب المغناطيسي بطاقة 14.4 كيلو إلكترون فولت، حيث تتبع النبضة الثانية النبضة الأولى بعد تأخير زمني وبعد ذلك تلتقي النبضتان بالعينة الحقيقية، إن هذه العينة مصنوعة أيضًا من الفولاذ المقاوم للصدأ المخصب بـ 57 ذرة حديد لكن سمكها 2 ميكرومتر.
دفع الأرجوحة
أوضح الباحثون أن النبضة الأولى تحتوي على مزيج واسع من الترددات، وهي قصيرة العمر للغاية وتدوم فقط 100 بيكو ثانية (1 ps = 10-12 s)، إذ تحفز هذه النبضة انتقالًا كميًا في نواة ذرة 57 Fe، إن النبضة الثانية أطول عند 141 نانو ثانية وطاقتها مضبوطة بدقة على نفس التحول الكمي.
يمكن تعديل التأخير الزمني بين النبضتين بطريقة يشبهها الباحثون بدفع الشخص في أرجوحة في حين أن الدفعة الأولى تجعل الشخص يتأرجح ذهابًا وإيابًا فإن الدفع الثاني إما يعزز التذبذب أو يبطئه اعتمادًا على وقت حدوثه في مرحلة التذبذب، وبالتالي فإن النبضة الثانية على التوالي إما بناءة أو أكثر تدميراً للحالة الكمومية.
إن تحقيق مثل هذا التغيير المحكوم بإحكام في ديناميكيات الكم لنواة الذرة هو إنجاز تقني استغرق فريق هايدلبرغ سنوات لتحقيقه، ومن بين العوامل الأخرى يتطلب تأخير النبضة الثانية أن تكون مستقرة على نطاق زمني لا يتجاوز بضع (zeptoseconds 1 zs = 10 -21 s) عندها فقط يمكن للنبضتين العمل معًا للتحكم في الاستثارة النووية.
إن التأرجح الكمومي عبارة عن بندول يتأرجح ذهابًا وإيابًا في نفس الوقت، حيث تثير نبضات تيراهيرتز القصيرة للغاية اهتزازات كمومية ثنائية الذرات في بلورة أشباه الموصلات.
