انتقال اتم‌ها بین انبرک‌های نوری از طریق تونل‌زنی کوانتومی برای اولین بار
در سال 1986، فیزیکدان آمریکایی آرتور اشکین ابزاری عجیب‌وغریب را توسعه داد که می‌توانست بدون لمس، اجسام میکروسکوپی مانند سلول‌ها و مولکول‌ها را به نرمی بردارد و حرکت دهد. این ابزار که به انبرک‌های نوری معروف است، از یک لیزر متمرکز برای نگه‌داری و دستکاری اجسام استفاده می‌کند.
حتی پس از 48 سال، انبرک‌های نوری همچنان بسیار مرتبط هستند و فیزیکدانان از این نوآوری برای کارهایی از تحقیق نانوذرات تا تغییرات در سطح سلولی استفاده می‌کنند.
اخیراً، محققان دانشکده فیزیک دانشگاه تکنیکال در اسرائیل موفق شدند تا انتقال کنترل‌شده‌ای از اتم‌ها از یک مکان به مکان دیگر از طریق تونل‌زنی کوانتومی بین انبرک‌های نوری انجام دهند.
"این اولین نمایش از این روش انتقال است و ما معتقدیم که می‌تواند یک نقطه عطف مهم در توسعه پلتفرم‌های جدید کوانتومی باشد," تیم تکنون توضیح می‌دهد .
حرکت اتم‌ها در دنیای کوانتوم
وقتی یک ذره از میان یک مانع عبور می‌کند که به طور عادی قادر به عبور از آن نیست، این پدیده به نام تونل‌زنی شناخته می‌شود. این مثل این است که اگر شما در مقابل یک دیوار ایستاده باشید و به جای صرفاً بالا یا اطراف رفتن از آن، به نوعی از میان آن عبور کنید.
اما هیچ راهی وجود ندارد که شما بتوانید از دیوار یا در عبور کنید. این به این دلیل است که "تونل‌زنی پدیده‌ای یکتا در دنیای کوانتوم است، جایی که ذرات شانس عبور از یک مانع پتانسیل دارند که نمی‌توانند به طور کلاسیک از آن عبور کنند," محققان تکنون گفتند.
برای رسیدن به تونل‌زنی اتم‌ها، محققان از سه انبرک نوری استفاده کرده و آنها را در یک سری قرار دادند. سپس اتم‌های فرمیونی فوق سرد (اتم‌هایی که به دماهای مطلق صفر سرد شده‌اند) را در این ترتیب معرفی کردند.
با استفاده از سه انبرک به عنوان تله، محققان توانستند نرخ تونل‌زنی اتم‌ها را با تغییر فاصله بین تله‌ها کنترل کنند. این روش به محققان اجازه داد تا اتم‌ها را به طور موفقیت‌آمیز بین دو انبرک خارجی منتقل کنند.
"ما انتقال صاف و با کارایی بالای اتم‌ها بین دو تله خارجی را مشاهده می‌کنیم، با جمعیت بسیار کمی که در تله مرکزی باقی می‌ماند," محققان در مطالعه خود نوشتند.
هیچ اتمی در انبرک میانی نیست
آزمایش مذکور باعث "حمل یک اتم از انبرک یک به سه بدون اشغال انبرک میانی" شد. اما دقیقاً چه چیزی اتم‌ها را از باقی ماندن در انبرک میانی متوقف کرد؟
برای یافتن پاسخ این سوال، باید فهمید که برای عبور از چیزی از طریق تونل‌زنی، اتم‌ها به شکل بسته‌های موجی رفتار می‌کنند، به این معنی که آنها خواص موج مانند را نشان می‌دهند .
در طول انتقال، بسته‌های موجی اتم‌ها پخش می‌شوند و در تمام انبرک‌ها هم‌پوشانی پیدا می‌کنند، و امواج از بخش‌های مختلف سیستم با یکدیگر تداخل می‌کنند. محققان پیشنهاد می‌دهند که تداخل سازنده امواج پیک‌ها و تروگ‌ها را در انبرک اول و سوم ایجاد می‌کند.
با این حال، در انبرک نوری میانی، پیک‌ها و تروگ‌ها یکدیگر را لغو می‌کنند. این تداخل مخرب باعث می‌شود که احتمال یافتن اتم در انبرک میانی تقریباً صفر باشد، و یک انتقال صاف و کارآمد از اتم‌ها بین تله‌های اول و سوم میسر شود.
این نتایج نشان می‌دهد که آرایه‌های انبرک می‌توانند به عنوان پلتفرمی برای انجام آزمایش‌های جالب‌تر جهت پیشرفت دانش ما از فیزیک کوانتوم استفاده شوند.
مطالعه در ژورنال Science Advances منتشر شده است.
