پروفسور هیوگو دیل، فیزیکدان اکول پلیتکنیک فدرال لوزان میگوید: «هزاران سال است که مفهوم زمان فیلسوفها و فیزیکدانان را دچار سردرگمی کرده است. پیدایش مکانیک کوانتومی نیز کمکی به سادهتر کردن این مسئله نکرده. مشکل اصلی، بازۀ زمانی مربوط به گذار کوانتومی و نقش کلی زمان در مکانیک کوانتومی است.»
در کوچکترین مقیاسها، فرآیندهای فیزیکی با سرعت بسیار بالایی رخ میدهند. وقایعی مانند تونلزنی یا جابهجایی الکترون به سطح انرژی جدید پس از جذب نور، سرعت بسیار زیادی دارند. این وقایع تنها چند ده اتوثانیه (۱۸-۱۰ ثانیه) بیشتر طول نمیکشند. این زمان به قدری کوتاه است که حتی نور با سرعت خارقالعادهاش نمیتواند عرض ویروسی کوچک را در طی آن بپیماید.
دلیل دشوار بودن اندازهگیری زمان کوانتومی
ردیابی چنین برشهای زمانی کوچکی برای دانشمندان بسیار چالشبرانگیز است. هرگونه ابزار زمانسنج ممکن است در فرآیند ظریف کوانتومیِ موردمطالعه مداخله کرده و رفتار این فرآیند را تغییر دهد. دیل میگوید: «هرچند جایزه نوبل فیزیک 2023 نشان میدهد که ما توانستهایم توانایی دسترسی به این بازههای زمانی کوتاه را بهدست آوریم، استفاده از زمانسنجهای خارجی خطر ایجاد آثار جانبی را به همراه دارد. این مشکل را میتوان با استفاده از روشهای مداخلۀ کوانتومی حل کرد. این روشها بر اساس پیوند بین فاز و زمان انباشتهشده کار میکنند.»
راهی جدید برای اندازهگیری زمان بدون ساعت
دیل و تیمش توانستند روشی را توسعه دهند که در آن نیاز به استفاده از ساعت و زمانسنجهای خارجی به کل از بین رفته است. زمانی که الکترونها فوتونی را جذب کرده و از ماده گسیل میشوند، اطلاعاتی با خود حمل میکنند. این اطلاعات در اسپین (چرخش) آنها رمزگذاری شده است. تغییر این اسپین به نحوۀ رخ دادن گذار کوانتومی بستگی دارد. با بررسی دقیق این تغییرات، محققین توانستند مدت زمان هر گذار را تعیین کنند.
فِی گو، نویسندۀ اول این مطالعه توضیح میدهد: «این آزمایشها به ساعت یا مرجع خارجی نیاز ندارند و مقیاس زمانی لازم برای تکامل تابع موج الکترون از حالت اولیه به حالت نهایی با انرژی بالاتر پس از جذب فوتون را ارائه میدهند.»
چگونگی آشکار شدن مدتزمان توسط تداخل کوانتومی
وقتی نور یک الکترون را تحریک میکند، فرآیند آن از مسیری واحد پیروی نمیکند. راههای کوانتومی متفاوتی بهطور همزمان وجود دارند که با یکدیگر تداخل دارند. این مداخله اثری واضح در اسپین الکترون گسیلشده به جا میگذارد. با بررسی تغییر الگوی این اسپینها با تفاوت انرژی الکترون، تیم تحقیقاتی توانستند مدت زمان گذار را حساب کنند.
برای انجام این اندازهگیریها، محققان از روشی به نام «طیفسنجی فوتوگسیلی با تفکیک اسپین و زاویه» (SARPES) استفاده کردند. در این روش، نور شدید سینگروترون به مادهای برخورد میکند، انرژی الکترونهایش را بالا برده و آنها را وادار به خروج از ساختار ماده میکند. سپس دانشمندان انرژی، جهت و اسپین الکترونهای گسیلشده را اندازه میگیرند.
چگونگی تاثیر ساختار اتمی بر زمان و گذار کوانتومی
تیم تحقیقاتی موادی با آرایشهای اتمی بسیار متفاوتی را آزمایش کردند. بعضی از آنها، مثل مس معمولی، کاملاً سه بعدی بودند. بقیه، مثل تیتانیوم دیسلنید (TiSe2) و تیتانیوم دیتلورید (TiTe2) از لایههایی با اتصال ضعیف تشکیل شدهاند که رفتاری شبیه به ورقههای تخت دارند. ساختار اتمی زنجیرمانند مس تلورید (CuTe) سادهتر است. وجود این تضادها باعث شده این مواد برای مطالعۀ چگونگی تاثیر هندسه بر زمانبندی، ایدهآل باشند.
نتایج الگویی متداوم را نشان دادند. هرچه ساختار اتمی ماده ساده و کاهشیافتهتر باشد، مدت زمان گذار کوانتومی بیشتر است. گذارِ مس سهبعدی به شدت سریع بود و تنها حدود 26 اتوثانیه طول کشید.
سرعت گذار در مواد لایهای تیتانیوم دیسلنید و تیتانیوم دیتلورید بین 140 تا 175 اتوثانیه بود. در مس تلورید با ساختار زنجیرهایاش، گذار از 200 اتوثانیه هم گذشت. این یافتهها نشان میدهد که شکل اتمی ماده، تاثیر بزرگی بر سرعت رخدادهای کوانتومی آن دارد و هرچه قرینگی ساختار کمتر باشد، زمان گذار طولانیتر میشود.
معنای این موضوع برای درک زمان کوانتومی
دیل توضیح میدهد: «جدا از دسترسی به اطلاعاتی بنیادی برای درک اینکه چه چیزی تاخیر زمانی در فوتوگسیل را تعیین میکند، نتایج تجربی ما بینش بیشتری درباره عوامل موثر بر زمان در سطح کوانتومی و اینکه گذارهای کوانتومی تا چه حد میتوانند آنی در نظر گرفته شوند نیز ارائه میدهند و ممکن است بالاخره راه را برای درک نقش زمان در مکانیک کوانتوم هموار کنند.»
علاوه بر تعمیق درک ما از زمان در فیزیک کوانتومی، این کار ابزار جدیدی برای مطالعه رفتار الکترونها در مواد پیچیده ارائه میدهد. دانستن مدت زمان گذارهای کوانتومی میتواند به دانشمندان در طراحی موادی با ویژگیهای کوانتومی سفارشیشده کمک کند و از تکنولوژیهای آینده که بر کنترل دقیق حالتهای کوانتومی وابستهاند، پشتیبانی نماید.
