اثر بومرنگ کوانتومی چیست؟

 اگر شما هم چنین سوالاتی را در ذهن دارید، احتمالا وقت بالا و پایین پریدن در لانه ی خرگوش است، پس تا انتهای این مقاله همراه ما باشید تا اطلاعات بیشتری از این دنیای عجیب کوانتومی به دست آوریم!

همچون بومرنگ که با پرت کردن آن از هر نقطه ای به محل اولیه ی خود بر می گردد، فیزیکدانان از برخی ذرات کوانتومی (ذرات موادی خاص) هم انتظار دارند که به طور میانگین از هر نقطه ای که شروع به حرکت می کنند، به همان محل بازگردند.

در اثر بومرنگ کوانتومی، ذرات به طور متوسط پس از یک ضربه ی لیزر به موقعیت اولیه خود باز می گردند. در همین راستا آزمایشی جدید (تصویر) این اثر کوانتومی را با استفاده از اتم های لیتیوم تایید می کند.

به بیان دقیق تر، ذراتی قابلیت نمایش اثر بومرنگ را دارند که در متریالی با بی نظمی یا اختلالات بالا (به جای موادی بی نقص که معمولا از اتم هایی در آرایش مرتب تشکیل شده اند!) قرار داشته باشند. درواقع آرایش اتمی این دسته از مواد باید دارای عیوب و بی نظمی های بسیاری (همچون آرایش اتم هایی با ساختار نامرتب یا در هم پاشیده) باشد.

فیزیکدانان چگونه اثر بومرنگ کوانتومی را برای اولین بار مشاهده کردند؟

در سال ۱۹۵۸، فیزیکدانی به نام فیلیپ اندرسون «Philip Anderson» متوجه شد که در صورت وجود بی نظمی کافی در یک ماده، الکترون های آن، دچار حالتی موضعی (localized) می شوند. به این معنی که الکترون ها در جای خود گیر می کنند و این امکان را ندارند تا خیلی دورتر از محلی که قرار دارند، حرکت کنند! در چنین حالتی، الکترون های پین شده در جای خود، از رسانایی الکتریکی ماده جلوگیری می کند و در نتیجه ماده ی فلزی را به عایق تبدیل می کنند. در همین راستا، جالب است بدانید که این موضوع در اثر بومرنگ کوانتومی هم حائز اهمیت است.

به منظور درک بهتر این اثر کوانتومی، فرض کنید که حسابی کوچک شده اید و سفری به درون ماده ای بی نظم داشته اید. در چنین موقعیتی اگر بخواهید یک الکترون را از خود دور کنید، الکترون تغییر جهت می دهد و بلافاصله به سمت شما بازمی گردد، سپس متوقف می شود. اگر بخواهیم صادق باشیم الکترون بیشتر رفتاری شبیه به سگ دارد تا بومرنگ! چراکه اگر بومرنگ را نگیرید، از کنار شما می گذرد، اما سگی که به خوبی آموزش دیده است، زمانی که برگردد، در کنار شما می شیند.

با توجه به همین بحث تئوری که از حدودا ۶۰ سال پیش مطرح است، فیزیکدان دست به طراحی آزمایشی تجربی زدند تا این اثر را برای اولین بار مشاهده کنند. این فیزیکدانان به منظور نمایش این اثر کوانتومی از اتم های لیتیوم فوق سرد به عنوان جایگزین الکترون ها استفاده کردند. همچنین این تیم به جای بررسی اتم هایی که به موقعیت اولیه ی خود باز می گردند، وضعیت تکانه ی آن ها را مطالعه کردند، چراکه ایجاد چنین شرایطی، در محیط تجربی آزمایشگاه، نسبتا ساده تر است. در طی این آزمایش، در ابتدا اتم ها ساکن بودند، اما پس از فرود آمدن ضربه های لیزری برای انتقال تکانه ی لحظه ای به آن ها، به طور متوسط، اتم ها ​​به حالت سکون اولیه ی خود بازگشتند؛ در چنین حالتی، دانشمندان شاهد اثر بومرنگ تکانه بودند.

در کنار چنین مشاهده ی جذابی، فیزیکدان شرایط لازم برای از بین بردن اثر بومرنگ کوانتومی را هم تعیین کردند. درواقع برای چنین کاری، نیاز به شکست تقارن معکوس زمان (time-reversal symmetry) است! به این معنی که در هنگام جلو رفتن بردار زمان، ذرات کوانتومی باید به همان شکلی رفتار کنند که در بازگشت به عقب انجام می دهند.

تقارن T یا تقارن معکوس زمانی، یک تقارن نظری در فیزیک است که در آن، t (زمان) به t- تبدیل می شود!

در همین راستا با تغییر زمان اولین ضربه از سمت لیزرها، آن هم به طوری که الگوی ضربه زدن تغییر نکند، محققان توانستند، تقارن معکوس زمان را بشکنند و همانطور که انتظار می رفت، اثر بومرنگ ناپدید شد!

با اینکه اندرسون بیش از ۶۰ سال پیش اثر موضعی الکترون را کشف کرد، اما اثر بومرنگ کوانتومی را می تواند موضوع تازه ای در فیزیک در نظر گرفت. فیزیکدان این تحقیق بیان می کنند که ظاهرا هیچ کس به این موضوع فکر نکرده است، چراکه احتمالا به نظر خیلی از محققان اتفاقی بسیار غیرمعمول به نظر می رسید. این اثر عجیب نتیجه ای از دنیای کوانتومی است؛ چراکه ذرات کوانتومی می توانند همچون امواج عمل کنند و طی روش هایی پیچیده با هم ترکیب یا یکدیگر را خنثی کنند. درواقع این امواج این امکان را دارند تا با یکدیگر ترکیب شوند تا مسیری که به مبدا ذره می رسد را تقویت کنند و مسیرهایی که ذره را از محل اولیه ی خود دور می کند را منحرف و خنثی کنند. بنابراین می توان این اتفاق را یک اثر کوانتومی خالص در نظر گرفت که در فیزیک کلاسیک هیچ معادلی ندارد.

نتایج و جزئیات بیشتر این مطالعه در مجله ی «Physical Review X» قابل دسترس است.