انیشتین در یک تراشه؛ هندسه پنهان، الکترون‌ها را مانند گرانش خم می‌کند!

چگونه می‌توان اطلاعات را تقریباً فوراً پردازش کرد، یا جریان الکتریکی بدون اتلاف انرژی جریان یابد؟ برای دستیابی به این اهداف، محققان در دانشگاه‌ها و صنعت به طور فزاینده‌ای بر روی مواد کوانتومی متمرکز شده‌اند، موادی که بر اساس قوانین فیزیک در کوچک‌ترین مقیاس‌ها کار می‌کنند.

ایجاد این مواد نیازمند درک عمیقی از رفتار در سطح اتمی است، حوزه‌ای که هنوز تا درک کامل فاصله زیادی دارد. اکنون، محققان دانشگاه ژنو (UNIGE)، با همکاری همکارانی در دانشگاه سالرنو و موسسه CNR-SPIN (ایتالیا)، با شناسایی یک شکل پنهان از هندسه که قبلاً فقط توسط تئوری پیش‌بینی شده بود، به پیشرفت چشمگیری دست یافته‌اند. این هندسه مسیرهای دنبال شده توسط الکترون‌ها را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که شبیه به چگونگی انحنای مسیر نور توسط گرانش در توصیف انیشتین است. یافته‌های آن‌ها که در نشریه Science منتشر شده، به پتانسیل‌های جدیدی برای الکترونیک کوانتومی اشاره دارد.

حرکت از نظریه به مشاهده

فناوری‌های آینده بر مواد دارای قابلیت‌های فوق‌العاده‌ای متکی هستند که ریشه در فیزیک کوانتومی دارند. این تغییر توسط مطالعه ماده در مقیاس‌های میکروسکوپی هدایت می‌شود که در هسته علم کوانتوم قرار دارد. در طول قرن گذشته، بررسی نحوه رفتار اتم‌ها، الکترون‌ها و فوتون‌ها در داخل مواد منجر به اختراع ترانزیستورها و در نهایت رایانه‌های مدرن شد.

امروزه، دانشمندان همچنان در حال کشف اثرات کوانتومی هستند که مدل‌های نظری دیرینه را به چالش می‌کشند. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که در برخی مواد، هنگامی‌که تعداد زیادی از ذرات با هم در نظر گرفته می‌شوند، شکلی از هندسه می‌تواند پدیدار شود. به‌نظر می‌رسد این ساختار هندسی بر نحوه حرکت الکترون‌ها در یک ماده تأثیر می‌گذارد، به روشی که توصیف انیشتین از شکل‌دهی مسیر نور توسط گرانش را تداعی می‌کند.

این هندسه، که به عنوان متریک کوانتومی شناخته می‌شود، بازتابی از انحنای فضای کوانتومی است که الکترون‌ها در آن حرکت می‌کنند. این متریک نقشی حیاتی در بسیاری از پدیده‌ها در مقیاس میکروسکوپی ماده ایفا می‌کند. با این حال، تشخیص وجود و اثرات آن یک چالش بزرگ باقی مانده است.

پروفسور آندره کاویگلیا، مدیر دپارتمان فیزیک ماده کوانتومی در دانشکده علوم UNIGE، توضیح می‌دهد:

مفهوم متریک کوانتومی به حدود ۲۰ سال پیش باز می‌گردد، اما برای مدت طولانی صرفاً یک سازه نظری تلقی می‌شد. تنها در سال‌های اخیر است که دانشمندان شروع به کاوش تأثیرات ملموس آن بر خواص ماده کرده‌اند.

به لطف کارهای اخیر، تیم تحت هدایت این محقق UNIGE، با همکاری کارمین اورتیکس، دانشیار دپارتمان فیزیک دانشگاه سالرنو، متریک کوانتومی را در فصل مشترک بین دو اکسید — تیتانات استرانسیم و آلومینات لانتانیم — یک ماده کوانتومی شناخته شده، تشخیص داده‌اند. جیاکومو سالا، استادیار پژوهشی دپارتمان فیزیک ماده کوانتومی در دانشکده علوم UNIGE و نویسنده اصلی مقاله، توضیح می‌دهد:

حضور آن را می‌توان با مشاهده چگونگی تحریف مسیرهای الکترون تحت تأثیر ترکیبی متریک کوانتومی و میدان‌های مغناطیسی شدیدی که به جامدات اعمال می‌شود، آشکار کرد.

گشودن قفل فناوری‌های آینده

مشاهده این پدیده امکان مشخص کردن خواص نوری، الکترونیکی و انتقالی یک ماده را با دقت بیشتری فراهم می‌کند. تیم تحقیقاتی همچنین نشان می‌دهد که متریک کوانتومی، بر خلاف فرضیات قبلی، یک ویژگی ذاتی بسیاری از مواد است.

آندره کاویگلیا نتیجه می‌گیرد:

این اکتشافات مسیرهای جدیدی را برای کاوش و مهار هندسه کوانتومی در طیف گسترده‌ای از مواد باز می‌کنند که پیامدهای عمده‌ای برای الکترونیک آینده با فرکانس‌های تراهرتز (یک تریلیون هرتز)، و همچنین برای ابررسانایی و اندرکنش‌های نور و ماده دارد.

منبع: Scitechdaily