نوبل فیزیک 2023: وقتی ذرات از دیوار عبور میکنند!
جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۳ به سه فیزیکدان تعلق گرفت که توانستند پدیدهای شگفتانگیز در دنیای کوانتوم را کشف و تبیین کنند. این پدیده که به “تونلزنی کوانتومی” مشهور است، به ذرات اجازه میدهد تا از موانعی عبور کنند که در فیزیک کلاسیک غیرممکن به نظر میرسد. اگر میخواهید بدانید این پدیده چگونه کار میکند و چرا اینقدر مهم است، با ما همراه باشید.
برندگان نوبل فیزیک 2023 چه کسانی هستند؟
- پیر آگوستینی (از دانشگاه ایالتی اوهایو)
- فرنک کراووس (از موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک)
- آن ل’هویلیر (از دانشگاه لوند)
این سه دانشمند به پاس “روشهای تجربی که پالسهای نوری آتوثانیهای را برای مطالعه دینامیک الکترون در ماده ایجاد میکند” مفتخر به دریافت جایزه نوبل در فیزیک شدند.
آکادمی سلطنتی علوم سوئد، این جایزه را در ۱۰ اکتبر ۲۰۲۳ اعلام کرد. مبلغ جایزه، ۱۱ میلیون کرون سوئد (حدود ۱ میلیون دلار) است که بین سه برنده تقسیم خواهد شد.
تونلزنی کوانتومی چیست؟
به زبان ساده، تونلزنی کوانتومی به ذرات اجازه میدهد تا از موانعی عبور کنند، حتی اگر انرژی کافی برای غلبه بر آن مانع را نداشته باشند. این پدیده در دنیای فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیست.
قیاس تونل زنی با دنیای واقعی
برای درک بهتر تونلزنی کوانتومی، فرض کنید توپی در حال غلتیدن به سمت یک تپه است. در فیزیک کلاسیک، اگر توپ انرژی کافی برای رسیدن به بالای تپه را نداشته باشد، متوقف شده و به عقب برمیگردد. اما در دنیای کوانتوم، توپ شانس کمی دارد که به طور جادویی از داخل تپه عبور کرده و در طرف دیگر ظاهر شود!
به گفته آکادمی سلطنتی علوم سوئد، کلارک در یک کنفرانس خبری تلفنی گفت:
«به طور خلاصه، این بزرگترین شگفتی زندگیام بود. از نظر طبیعی کاملاً نامفهوم است. هرگز جرات نمیکردم فکر کنم که چنین چیزی میتواند پایه یک جایزه نوبل باشد.»
کلارک توضیح میدهد که کشف او (که زیربنای ریزپردازندههای پیشرفته در بسیاری از تلفنهای هوشمند است) اکنون برای توسعه بیشتر کامپیوترهای کوانتومی مورد استفاده قرار میگیرد.
چگونه تونلزنی کوانتومی کار میکند؟
در سطح کوانتومی، ذرات همواره به عنوان موج توصیف میشوند. امواج دریایی را در نظر بگیرید که چگونه بخشی از انرژی خود را به آن سوی مانع منتقل میکنند. به طور مشابه، امواج موجود در تونلزنی نیز احتمال حضور ذره در یک مکان خاص را توصیف میکنند.
همانطور که امواج دریا هنگام برخورد به سنگی بخشی از انرژی خود را به آن سوی سنگ انتقال میدهند، ذرات نیز احتمال اندکی برای حضور در طرف دیگر مانع دارند. این احتمال بسیار کوچک است، اما هرگز صفر نیست. در واقع، احتمال اینکه موج به شکل ذره در یک مکان مشخص حضور داشته باشد!
به همین دلیل است که الکترونها میتوانند بین لایههای مواد، حتی اگر طبق قوانین فیزیک کلاسیک نفوذناپذیر باشند، جهش کنند.
کاربردهای تونلزنی کوانتومی
کشف تونلزنی کوانتومی کاربردهای متعددی در فیزیک و فناوریهای نوین دارد. این پدیده در:
- توسعه میکروسکوپهای الکترونی
- تولید دیودهای تونلی
- ساخت ترانزیستورها
- بررسی واکنشهای هستهای در ستارگان
- و حتی درک بهتر فرایندهای بیولوژیکی
نقش اساسی دارد.
دستاورد بزرگ برندگان نوبل فیزیک 2023 چه بود؟
آگوستینی، کراووس و ل’هویلیر با انجام آزمایشهای پیشگامانه، توانستند پالسهای بسیار کوتاه نور (در حد آتوثانیه) ایجاد کنند. این پالسها به آنها اجازه داد تا فرایندهای بسیار سریع حرکت الکترونها در داخل اتمها و مولکولها را مشاهده و اندازهگیری کنند.
پژوهشگران با تابانده نور لیزر قوی به داخل یک گاز نجیب، موفق به تولید پالسهای آتوثانیهای شدند که برای ثبت تصاویر واضح در مقیاس اتمی به کار میروند.
برای درک بهتر این موضوع، آن ل’هویلیر توضیح میدهد که برای بررسی پدیدههای بسیار سریع، مانند چگونگی واکنش الکترونها به تغییرات، به نورهای بسیار کوتاه نیاز داریم. درواقع مثل این است که برای ثبت یک جسم متحرک با سرعت بالا، به دوربینی با سرعت شاتر بسیار بالا نیاز داشته باشیم.
“تولید هارمونیکهای بالا” چگونه کار میکند؟
هارمونیکهای بالا از خواص کوانتومی متفاوت نسبت به الکترونهای منفرد نشأت میگیرند. آنها به جای انتقال مستقیم انرژی، مانند ذرات نور (فوتونها) عمل میکنند. نور در بستههای انرژی مجزا، همزمان در یک نقطه وجود دارد.
اگر بهطور خلاصه یک ماده به اندازه کافی جفت کوپر ایجاد کند، آن ماده به ابررسانا تبدیل میشود. این پدیده با عنوان «ماده مصنوعی» شناخته میشود، زیرا بسیاری از آزمایشها و فناوریهای کوانتومی مدرن از این ماده برای پیشرفت بهره میبرند.
اولا اریکسون، رئیس کمیته نوبل فیزیک، در بیانیهای گفت: «اکنون میتوانیم دری را به سوی دنیای الکترونها باز کنیم. فیزیک کوانتومی نهتنها شگفتانگیز است، بلکه برای توسعه بسیاری از فناوریهای دیجیتالی که امروزه استفاده میکنیم، حیاتی است.»
