کشف تاریخی کوانتوم: دانشمندان برای اولین بار شکل واقعی الکترون را دیدند
کشف تاریخی کوانتوم: دانشمندان برای اولین بار شکل واقعی الکترون را دیدند
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.
نخستین نگاه مستقیم به هندسه الکترون
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.
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.
علم در عصر قرنطینه؛ وقتی نظریه و آزمایش از راه دور به هم رسیدند
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.
علم می‌تواند از فواصل دور، به نتایجی بزرگ برسد
در سوی دیگر پروژه، دکتر کومین از MIT، در میانه‌ی محدودیت‌های کرونایی، به ایتالیا سفر کرد تا آزمایش‌های حساس ARPES را در مرکز ملی Elettra در شهر تریسته انجام دهد. این آزمایشگاه در آستانه‌ی بازگشایی قرار داشت، اما درست پیش از شروع عملیات، تست کرونای دکتر کنگ مثبت شد و او نتوانست به کومین ملحق شود.
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.
ARPES؛ تلسکوپی به درون دنیای پنهان الکترون‌ها
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.
منبع : زومیت
