یک تیم تحقیقاتی برای اولین بار نظریه‌ی کوانتومی قدیمی تونل‌زنی کلاین را به صورت تجربی اثبات کرده است که براساس این نظریه، ذرات نسبیتی می‌توانند به درون یک سد فیزیکی نفوذ کرده و سپس به طور کامل از آن عبور نمایند.

چینش آزمایش: بلورهای فونونی مصنوعی توسط تیم تحقیقاتی طراحی و ساخته شده‌اند. صوت از آرایه‌ای از بلندگوها از سمت راست انتشار می‌یابد و شبه‌ذره‌ی نسبیتی درون بلورهای فونونی را برانگیخته می‌سازد. میکروفون کوچکی نیز به یک موتور حرکتی سه‌بعدی متصل است که میزان فشار را اسکن می‌کند.

نفوذ موج صوتی در یک مانع فیزیکی و عبور کامل این موج از آن اگر بر پایه‌ی دانش و اطلاعاتی که در اختیار داریم غیر ممکن نباشد، دشوار است. این امر در مورد سایر اشکال انرژی مانند نور و گرما نیز صدق می‌کند.
یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور «شیانگ ژانگ»، رئیس دانشگاه هنگ کنگ (HKU)، هنگامی که در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی (UC)، به عنوان استاد فعالیت می‌کرد، برای اولین بار به طور تجربی نشان داد که ذرات نسبیتی می‌توانند از یک سد فیزیکی عبور کرده و به طور کامل انتقال یابند. او بدین ترتیب توانست نظریه‌ی کوانتومی با عمری در حدود یک قرن را به اثبات برساند. یافته‌های این پژوهش در برترین مجله‌‌ی علمی، یعنی مجله‌ی Science منتشر شده‌است.
پریدن از روی دیواری بلند و عریض بدون انرژی کافی، برای ما مشکل خواهد بود. متقابلا، در جهان کوانتومی پیش‌بینی شده‌است که یک ذره‌ی میکروسکوپی می‌تواند از یک سد فراتر از انرژی خود بدون توجه به ارتفاع یا عرض مانع عبور کند، درست مانند آن که این سد برای ذره «شفاف» باشد.
در اوایل سال 1929، اسکار کلاین، فیزیکدان نظری، پیشنهاد کرد که یک ذره‌ی نسبیتی می‌تواند به طور کامل به یک سد پتانسیل نفوذ کرده و انتقال یابد. دانشمندان این پدیده‌ی عجیب و غیر شهودی را نظریه‌ی “تونل‌زنی کلاین” نامیدند. یک قرن تلاش پژوهشگران برای اثبات تجربی تونل‌زنی کلاین تماماً به شکست انجامید و هنوز شواهدی دال بر تایید تجربی این پدیده در دست نیست.
تیم پروفسور ژانگ این آزمایش را با استفاده از بلورهای فونونی مصنوعی با شبکه‌ی مثلثی انجام دادند. ویژگی‌های پاشندگی خطی شبکه، امکان تقلید از رفتار شبه‌ذره‌ی نسبیتی دیراک را با استفاده از تحریک صوت فراهم می‌کند که منجر به مشاهده‌ی موفقیت‌آمیز تونل‌زنی کلاین می‌شود.
پروفسور ژانگ با هیجان‌انگیز خواندن این کشف، اظهار داشت: «فیزیکدانان کوانتومی برای مشاهده‌ی تونل‌زنی کلاین همواره از ذرات بنیادی در آزمایش‌های خود استفاده کرده‌اند که کار بسیار دشواری است. ما یک بلور فونونی شبیه گرافن طراحی کردیم که می‌تواند شبه‌ذرات نسبیتی را تحریک کند اما بر خلاف نمونۀ طبیعی گرافن، هندسۀ بلور فونونی مصنوعی را می‌توان به‌صورت آزادانه تنظیم نمود تا دقیقاً به شرایط ایده‌آلی که امکان مشاهده‌ی مستقیم تونل‌زنی کلاین را فراهم سازد، دست یافت.»
این دستاورد نه تنها یک موفقیت بزرگ در فیزیک بنیادی است، بلکه بستر جدیدی را برای کاوش در سامانه‌های بزرگ‌مقیاس نوظهور ایجاد می‌کند که می‌تواند در موارد مختلفی مانند دستکاری صوتی در ابزارهای الکترونیکی، پردازش سیگنال آکوستیکی و بهره‌گیری از انرژی صوت مورد استفاده قرارگیرد.
«دکتر ژو جیانگ»، عضو سابق تیم ژانگ و پژوهش‌یار کنونی در گروه مهندسی الکترونیک دانشگاه فودان، درباره‌ی این اکتشاف گفت: «در ارتباطات صوتی فعلی، اتلاف انرژی صوت انتقالی از طریق رابط، امری اجتناب‌‌‌ناپذیر است. اگر بتوان انتقال این انرژی را به درصدی نزدیک به 100 افزایش داد، قطعا بازده ارتباطات صوتی بهبود چشمگیری خواهد یافت که در نتیجه، افق‌های جدیدی پیش روی این ارتباطات گشوده می‌شود. این امر به ویژه هنگامی مهم است که فرآیند تشخیص صوت باید با دقت بالایی انجام گیرد اما سطح یا رابط، از افزایش دقت این تشخیص به دلیل اتلاف صوت جلوگیری می‌کند، مانند اکتشافات در زیر آب. این اندازه‌گیری تجربی همچنین به پیشرفت‌های بعدی در مطالعه‌ی شبه ذرات با خواص توپولوژیکی در بلورهای فونونی منجر می‌شود که انجام این گونه پژوهش‌ها در سایر سامانه‌ها با دشواری‌های احتمالی همراه خواهد بود.
دکتر جیانگ همچنین خاطرنشان کرد که یافته‌های این پژوهش می‌تواند برای دستگاه‌های زیست‌پزشکی نیز مفید باشد؛ به‌گونه‌ای که به افزایش دقت نفوذ امواج فراصوت از طریق موانع و رسیدن به اهداف از پیش طراحی شده مانند بافت‌ها یا اندام‌ها کمک کند که می‌تواند دقت تشخیص بیماری را ارتقا داده و درمان را بهبود ببخشد.
بر اساس این آزمایش‌ها، پژوهشگران قادر خواهند بود با تحریک بلورهای فونونی در فرکانس‌های مختلف، جرم و پاشندگی شبه‌ذره را کنترل کرده و بدین ترتیب به سامانه‌ی آزمایشی با قابلیت تنظیم شرایط دست یابند، به‌نحوی که تونل‌زنی کلاین را بسته به نوع پژوهش خود در طول آزمایش خاموش و یا روشن نمایند. این رویکرد می‌تواند به سایر ساختارهای مصنوعی برای مطالعه‌ی اپتیک و گرما نیز تعمیم یابد و نیز کنترل بی‌نظیر شبه‌ذره یا جبهه‌ی موج را فراهم کرده و به اکتشاف سایر پدیده‌های پیچیده‌ی فیزیک کوانتومی کمک کند.

منبع خبر:

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201223125745.htm

تاریخ انتشار خبر: 23 دسامبر 2020 (3 دی 1399)

مرجع:

Xue Jiang, Chengzhi Shi, Zhenglu Li, Siqi Wang, Yuan Wang, Sui Yang, Steven G. Louie, Xiang Zhang. Direct observation of Klein tunneling in phononic crystals.
Science, 2020 DOI: 10.1126/science.abe2011

اگر نظر یا پیشنهادی درمورد این متن دارید می‌توانید کمی پایین‌تر، در قسمت دیدگاه‌ها، آن را برای ما بنویسید.