جدیدترین مطالب را دنبال کنید

کشف مسیرهای حلقه‌ای عجیبِ فوتون‌ها در آزمایش سه شکاف

05:001100
FavoriteLoadingافزودن به علاقمندی

فیزیکدان‌ها یک نوع تغییر یافته از آزمایش معروف دو شکاف که ۲۰۰ سال قدمت دارد را انجام داده‌اند و برای اولین بار «مسیرهای حلقه‌ای عجیب» فوتون‌ها را شناسایی کرده‌اند. این فوتون‌ها از یک شکاف به سوی جلو حرکت می‌کنند، سپس به سمت عقب از یک شکاف دور می‌زنند، و پس از آن گاهی اوقات دوباره یک دور می‌زنند و از شکاف سوم رو به جلو حرکت می‌کنند.

بطرز جالب توجهی، سهم این مسیرهای حلقه‌ای نسبت به کل الگوی سراسری تداخلی منجر به یک انحراف آشکار از شکل معمول اصل برهم‌نهی می‌شود. این انحراف واضح را می‌توان به صورت کاربرد ناصحیح اصل برهم‌نهی درک کرد- وقتی تداخل اضافی بین مسیرهای حلقه‌ای و مستقیم نیز به حساب آید، آن‌گاه اصل برهم‌نهی را می‌توان به درستی به کار برد.

مسیر قرمز رنگ نشان‌دهنده مسیر حلقه‌ای عجیب فوتون‌ها است که برای اولین بار در آزمایش جدید مشاهده شده است.

 

گروهی از فیزیکدانان به رهبری Omar S. Magaña-Loaiza  و Israel De Leon نتایج این آزمایش جدید را در شماره جدید Nature Comminucations به چاپ رسانده‌اند.

حلقه‌های نور

De Leon می‌گوید:

کار ما اولین مشاهده آزمایشگاهی از مسیرهای حلقه‌ای است. آشکارسازی مسیرهای حلقه‌ای بی‌نهایت دشوار است چرا که احتمال رخداد آن‌ها فوق‌العاده کم است. پیش‌تر ، پژوهشگران پیشنهاد وجود این مسیرها را مطرح کرده بودند اما نتوانسته بودند آن‌ها را مشاهده کنند.

برای بالا بردن احتمال رخداد مسیرهای حلقه‌ای، محققان یک ساختار آزمایش سه شکاف را طراحی کردند که از پلازمون‌های سطحی حمایت می‌کند، که منظور از پلازمون‌ها «میدان‌های الکترومغناطیسی به شدت محصور شده‌ای است که می‌توانند در سطح فلزات وجود داشته باشند» است. حضور چنین میدان‌های مغناطیسی نزدیک سه شکاف، سهم مسیرهای حلقه‌ای را نسبت به کل الگوی تداخلی تقریبا ۲ مرتبه بزرگی افزایش می‌دهد.

De Leon می‌افزاید:

ما یک توضیح فیزیکی که احتمال این مسیرهای عجیب را به میدان نزدیک شکاف‌ها مرتبط می‌کند را مطرح کرده‌ایم. همین‌طور، می‌توان شدت میدان‌های نزدیک حول شکاف‌ها را افزایش داد تا احتمال رخداد فوتون‌هایی که مسیر حلقه‌ای را طی می‌کنند بیشتر شود.

اصل برهم‌نهی با احتساب مسیرهای حلقه‌ای

آزمایش سه شکاف جدید با مسیرهای حلقه‌ای یکی از چندین نوع آزمایش تغییریافته‌ی دو شکاف است، که اولین بار توسط توماس یانگ در سال ۱۸۰۱ انجام شد. از آن زمان، محققان انواع مختلفی از این آزمایش با استفاده از الکترون‌ها، اتم‌ها یا حتی مولکول‌ها به جای فوتون‌ها انجام داده‌اند.

یکی از دلایلی که آزمایش دو شکاف بسیار مورد توجه واقع است آن است که نمایانگر بروز فیزیکی اصل برهم‌نهی کوانتومی است. مشاهده تک ذراتی که می‌توانند الگوی برهم‌نهی ایجاد کنند دلالت بر این دارد که ذرات می‌بایست از هر دو شکاف در یک زمان عبور کنند. این توانایی اشغا دو مکان یا دو حالت در یک لحظه، مشخصه اصل برهم‌نهی کوانتومی است.

مسیر مستقیم فوتون (سبز) و مسیرهای حلقه‌ای نور (قرمز، خط‌چین و نقطه‌چین) و ابر قرمز رنگ نمایانگر میدان‌های نزدیک سطح است که احتمال مسیرهای حلقه‌ای را افزایش می‌دهد.

تاکنون، همه انواع قبلی آزمایش چند شکاف نتایجی تولید کرده‌اند که ظاهرا با دقت بالایی از اصل برهم‌نهی تبعیت می‌کنند. این به این دلیل است که مسیرهای حلقه‌ای تحت شرایط عادی بسیار نادر هستند و سهم آن‌ها در الگوی سرتاسری تداخلی قابل صرف‌نظر کردن بود، و اعمال اصل برهم‌نهی به چنین نتایجی با تقریب خوبی سازگار بود.

اما وقتی سهم مسیرهای حلقه‌ای غیرقابل صرف‌نظر کردن باشد مشخص خواهد شد که طرح تداخلی کلی دیگر به سادگی با برهم‌نهی تابع موج منفرد فوتون‌هایی در مسیر مستقیم قابل توضیح نیست، و الگوی تداخلی دیگر با شکل معمول اصل برهم‌نهی قابل توضیح دقیق نیست.

Magaña-Loaiza این انحراف آشکار را با جزئیات بیشتری توضیح می‌دهد:

اصل برهم‌نهی همواره معتبر است- آن‌چه نامعتبر است کاربرد نادقیق اصل برهم‌نهی به یک سیستم با دو یا سه شکاف است. در طی دو قرن اخیر، دانشمندان همواره فرض کرده‌اند که اگر فقط یک شکاف در تداخل‌گرهای دو یا سه شکاف روشن باشد نمی‌توان طرح تداخلی را مشاهده کرد، به این دلیل که این سناریو نمایانگر مورد معمول است. اما در مقاله‌ای که ما منتشر کرده‌ایم، نشان داده‌ایم که این صحیح است تنها اگر احتمال فوتون‌هایی که مسیرهای حلقه‌ای را طی می‌کنند قابل صرف‌نظر کردن باشد. بطرز شگفت انگیزی، فریزهای تداخلی زمانی شکل می‌گیرند که فوتون‌های مسیرهای حلقه‌ای با فوتون‌هایی که مسیرهای مستقیم را طی می‌کنند تداخل یابند، حتی وقتی که فقط یکی از سه شکاف روشن باشد. اصل برهم‌نهی می‌تواند به این سناریوی شگفت‌انگیز نیز با استفاده از جمع یا برهم‌نهی دو تابع موج به کار رود؛ توابع موجی که یکی برای توصیف مسیر مستقیم و دیگری برای مسیرهای حلقه‌ای استفاده می‌شود. اگر مسیرهای حلقه‌ای را به حساب نیاوریم یک کاربرد اشتباه از اصل برهم‌نهی پیش خواهد آمد. این اثر تا حدی عجیب است چرا که دانشمندان می‌دهنند توماس یانگ الگوی تداخلی را زمانی مشاهده کرد که وی هر دو شکاف را روشن کرده بود و نه فقط یکی را. این فقط وقتی درست است که احتمال فوتون‌هایی که مسیرهای حلقه‌ای را طی می‌کنند قابل صرف‌نظر کردن باشد.

علاوه بر تأثیرگذاری بر روی ادراک فیزیکدانان از اصل برهم‌نهی همان‌طور که در این آزمایش به کار می‌رود، نتایج این آزمایش ویژگی‌های جدیدی از نور را آشکار می‌کند که می‌تواند برای شبیه‌سازهای کوانتومی یا دیگر فناوری‌های مبتنی بر تداخل به کار روند.

De Leon می‌گوید:

ما معتقدیم که مسیرهای حلقه‌ای عجیب می‌توانند اثرات مهمی در مطالعه مکانیزم واهمدوسی در تداخل‌سنجی یا افزایش پیچیدگی پروتکل‌های خاصی برای پویش تصادفی کوانتومی یا شبیه‌سازهای کوانتومی یا دیگر الگوریتم‌ها در محاسبات کوانتومی داشته باشد.

0 0 vote
Article Rating
منبع
Phys org
لینک کوتاه
https://sciencetoday.ir/?p=6892

78 نوشته
حسین دارای دکترای فیزیک در گرایش کیهان‌شناسی است و علاقمند به گسترش دانش و آگاهی در جامعه است.
مشترک شوید
آگاه شوید
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x
کانال علم روز