ثبت حرکت الکترون‌ها در مقیاس اتوثانیه ممکن شد

دانشمندان آمریکایی و آلمانی موفق شده‌اند حرکت الکترون‌ها را در مقیاس اتوثانیه (۱۰ به توان منفی ۱۸ ثانیه) ثبت کنند که ابزاری مهم را برای محاسبه‌های کوانتومی ارائه می‌دهد.

کد خبر: ۵۲۲۷۲۰

تاریخ: ۲۱ مهر ۱۴۰۱ - ۱۵:۳۴

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از نیو اطلس، الکترون‌ها در دستگاه‌های الکترونیکی به سرعت حرکت می‌کنند، آن‌قدر سریع که مشاهده آنچه در آنجا می‌گذرد، دشوار است. اکنون مهندسان دانشگاه‌های میشیگان آمریکا و رگنسبورگ آلمان یک «اتوکلاک» (attoclock) ساخته‌اند که می‌تواند عکس‌های فوری از الکترون‌ها را در مقیاسی به کوچکی کوئینتیلیونم ثانیه(۱۰ به توان منفی ۱۸ ثانیه) بگیرد.

در رایانه‌های فعلی، سرعت ساعت در مقیاس نانوثانیه اندازه‌گیری می‌شود که یک میلیاردم ثانیه است. در حالی که این مقیاس برای آنچه ما امروز استفاده می‌کنیم به اندازه کافی سریع است، کامپیوترهای کوانتومی این پتانسیل را دارند که سرعت کارها را به شدت افزایش دهند و در آن صورت ما به ابزارهای مناسب نیاز خواهیم داشت.

ماکیلو کیرا (Mackillo Kira)، نویسنده اصلی این پژوهش می‌گوید: پردازنده رایانه فعلی شما بر حسب گیگاهرتز کار می‌کند که معادل یک میلیاردم ثانیه در هر عملیات است. در محاسبات کوانتومی، این بسیار کند است، زیرا الکترون‌های درون یک تراشه کامپیوتری تریلیون‌ها بار در ثانیه با هم برخورد می‌کنند و هر برخورد، چرخه محاسبات کوانتومی را خاتمه می‌دهد. آنچه ما برای پیشبرد عملکرد به آن نیاز داشتیم، عکس‌های فوری از حرکت الکترون است که میلیاردها برابر سریع‌تر باشد و اکنون آن را داریم.

دستگاه جدید، اندازه‌گیری‌ها را در مقیاس زمانی کاملاً متفاوتی انجام می‌دهد که اتوثانیه‌ (attosecond) نام دارد و معادل یک کوئینتیلیونم ثانیه یا ۱۰ به توان منفی ۱۸ ثانیه است.

اگر بخواهیم بفهمیم که این بازه زمانی چقدر کوتاه است، باید بگوییم که نسبت یک اتوثانیه به یک ثانیه مانند نسبت یک ثانیه است به ۳۱.۷۱ میلیارد سال یا دو برابر عمر جهان.

ناگفته نماند که ثبت زمان در مقیاسی به این کوچکی چالش برانگیز است، اما محققان سیستم جدیدی را توسعه داده‌اند که به آنها این امکان را می‌دهد. این تکنیک شامل دو پالس نوری با انرژی‌هایی است که با الکترون‌ها مطابقت دارند. اولی یک پالس نور فروسرخ است که الکترون‌ها را به حالتی می‌رساند که بتوانند در یک ماده نیمه‌رسانا حرکت کنند. سپس، یک پالس تراهرتز(THz) با انرژی کمتر اعمال می‌شود که الکترون‌ها را به مسیرهایی می‌فرستد تا برخوردهای رودررو را رقم بزنند. این یک جرقه از نور تولید می‌کند و زمان دقیق این جرقه‌ها را می‌توان برای آشکار کردن برهمکنش‌های کوانتومی و جزئیات دیگر تجزیه و تحلیل کرد.

کیرا می‌گوید: ما از دو پالس استفاده کردیم، یکی که از نظر انرژی با حالت الکترون مطابقت دارد و سپس پالس دوم که باعث تغییر حالت می‌شود. ما اساساً با این روش می‌توانیم فیلمبرداری کنیم که چگونه این دو پالس حالت کوانتومی الکترون را تغییر می‌دهند و سپس آن را به عنوان تابعی از زمان بیان می‌کنیم.

این تیم پژوهشی می‌گوید، دستگاه‌هایی مانند این نمونه، نخستین گام به سوی رایانه‌های کوانتومی بهتر با ارتقای درک ما از نحوه حرکت، رفتار و تعامل الکترون‌ها در مواد هستند.

نتایج این پژوهش در مجله Nature منتشر شده است.