ثبت رکوردی بی سابقه در دقت اندازه گیری پرش های کوانتومی

پرش کوانتومی (quantum jump)‌ زمانی رخ می‌دهد که یک سیستم کوانتومی تغییر حالت ‌دهد. معمولا پرش‌های کوانتومی به‌صورت لحظه‌ای اتفاق می‌افتند. اما اکنون اندازه‌گیری‌های دقیق زمانی به ما این امکان را می‌دهد که سیر زمانی این پرش‌های کوانتومی را بررسی کنیم. ساختار زمانی این فرآیند‌ها تنها در یک تریلیونیم ثانیه قابل مشاهده است. این عدد، دقیق‌ترین سنجش زمانی پرش‌های کوانتومی تا به امروز به شمار می‌رود.

ذرات کوانتومی به‌سرعت حالت خود را تغییر می‌دهند که به این تغییر، پرش کوانتومی گفته می‌شود. برای مثال؛ یک اتم می‌تواند با جذب یک فوتون، سطح انرژی خود را بالاتر ببرد و چنین فرایندی معمولا به‌صورت آنی رخ می‌دهد. با این حال، با روش‌های ابداع‌شده در دانشگاه TU Wien در وین، این امکان به وجود آمده است که ساختار زمانی فرآیند‌هایی با سرعت‌های چنین بالایی نیز مورد مطالعه قرار گیرد. همان‌طور که میکروسکوپ‌های الکترونی این امکان را فراهم کرده‌اند که ساختار ذرات کوچکی را که با چشم غیر‌مسلح دیده نمی‌شوند، بررسی کنیم؛ لیزر‌های با پالس کوتاه نیز به ما اجازه می‌دهند سازه‌های موقتی را مطالعه کنیم. سازه‌هایی که تاکنون به آن‌ها دسترسی نداشته‌ایم.

جنبه‌ی تئوری پروژه‌ای که در این زمینه‌ انجام شده بر عهده‌ی تیم تحقیقاتی پروفسور Joachim Burgdofer از دانشگاه TU Wien بوده است؛ این تیم همچنین ایده‌ی اولیه‌ی آزمایش مرتبط با تئوری خود را نیز توسعه داده‌ است. خود آزمایش در بخش مطالعات اپتیک کوانتومی از انستیتو ماکس پلانک -مستقر در آلمان- انجام یافته است. نتایج این پژوهش در ژورنال Nature Physics به چاپ رسیده‌اند.

اتم هلیوم در حالت خنثی دو الکترون دارد. زمانی که یک پالس لیزری با انرژی زیاد به آن برخورد می‌کند، اتم هلیوم یونیده می‌شود؛ به این معنی که یک الکترون از مکان خود کنده می‌شود و اتم را ترک می‌کند. این فرآیند تنها در یک تریلیونیم ثانیه اتفاق می‌افتد. یک تریلیونیم ثانیه با یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه (معادل با ۱۰ به توان منفی ۱۸) برابر است.

رینت پازورک از دانشگاه TU Wien این‌طور توضیح می‌دهد:

شاید به نظر برسد الکترونی که اتم را ترک نمی‌کند، نقش مهمی در فرآیند ایفا نمی‌کند؛ اما حقیقت امر به شکل دیگری است.

دو الکترون موجود در اتم خنثی با یکدیگر توسط قوانین کوانتوم ارتباط دارند و نمی‌توان آن‌ها را به‌صورت ذرات جدا از هم فرض کرد. همکار رینت، استفان ناگل در این‌ باره می‌گوید:

وقتی که یکی از الکترون‌ها از اتم جدا می‌شود، قسمتی از انرژی لیزر به الکترون دوم منتقل می‌شود؛ این انرژی در اتم یونیده شده باقی می‌ماند و سطح انرژی آن را بالا می‌برد.

پس این امکان وجود دارد که تفاوت بین دو فرآیند یونیزاسیون مشخص شود: در یک فرآیند، الکترون باقی‌مانده در اتم انرژی بیشتری دریافت می‌کند؛ اما در فرآیند دیگر، سطح انرژی آن ثابت می‌ماند. حال از طریق آزمایش‌های پیچیده، مشخص شده است که بازه‌ی زمانی این دو فرآیند با یکدیگر برابر نیستند. استفان ناگل درباره‌ی نابرابری فوق این‌گونه توضیح می‌دهد:

زمانی که الکترون باقی‌مانده به سطح بالاتری از انرژی پرش می‌کند؛ فرآیند یونیزاسیون حدود ۵ تریلیونیم ثانیه سریع‌تر اتفاق می‌افتد.

نکته‌ی جالب این است که نتایج آزمایشگاهی به‌طور کامل با محاسبات تئوریک مطابقت دارند. محاسبات رایانه‌ای این آزمایش، توسط بزرگ‌ترین ابررایانه‌ی اتریش به نام Vienna Scientific Cluster انجام شده است. به گفته‌ی رینت:

دقت این آزمایش کمتر از یک تریلیونیم ثانیه است؛ یعنی بیشترین دقت در سنجش زمان مربوط به فرآیند پرش کوانتومی که تاکنون وجود داشته است.

یکی از دستاوردهای پژوهش اخیر، وارد کردن بازه‌های زمانی فوق کوتاه به دنیای فیزیک است. تا چند دهه‌ی قبل، فرآیندهایی را که در یک بازه‌ی‌ بسیار کوتاه زمانی رخ می‌دادند، به‌صورت فرآیند آنی عنوان می‌کردند؛ اما اکنون می‌توانیم چنین فرآیند‌های موقتی را مطالعه و محاسبه و حتی کنترل کنیم. به این ترتیب نه‌تنها فهم ما از طبیعت بیشتر شده است، بلکه امکان دست‌کاری ماده در ابعاد کوانتومی نیز به وجود آمده است.