فیزیکدانان «فانوس دریایی الکترونی» طراحی کردند که نور را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند

فیزیکدانان موفق به ساخت «فانوس دریایی الکترونی» شدند که قادر است جریان الکتریکی را با استفاده از نور هدایت کند. جریان الکترون‌ها به عنوان نیروی محرک دنیای مدرن شناخته می‌شود و از وسایل خانگی تا تلفن‌های هوشمند و رایانه‌ها، همه به حرکت هدایت‌شده الکترون‌ها وابسته‌اند.

به گزارش انتخاب و به نقل از sciencealert، الکترون‌ها تحت تأثیر قوانین عجیب دنیای کوانتوم قرار دارند؛ قوانینی که امکان برهم‌نهی کوانتومی را فراهم می‌آورد، حالتی که در آن ذرات می‌توانند به طور هم‌زمان در چند وضعیت وجود داشته باشند تا زمانی که مشاهده شوند. این مفهوم با آزمایش ذهنی معروف «گربه شرودینگر» شناخته می‌شود.

گروهی از فیزیکدانان دانشگاه میشیگان در یک مطالعه جدید، دستگاهی به نام «فانوس دریایی الکترونی» ساخته‌اند که می‌تواند تنها با استفاده از نور، پرتو الکترون‌ها را در یک جهت مشخص هدایت کند، بدون نیاز به منبع تغذیه یا میدان الکتریکی.

«استیون کاندیف»، استاد فیزیک و سرپرست این پژوهش، اظهار داشت: «معمولاً الکترون‌ها در یک ماده زمانی حرکت می‌کنند که میدان الکتریکی به آن اعمال شود و در مسیر خود با اتم‌ها برخورد می‌کنند. اما در این روش، تنها با نور می‌توان الکترون‌ها را به طور مستقیم در یک جهت مشخص به حرکت درآورد، بدون اینکه هیچ میدان الکتریکی اعمال شود.»

پژوهشگران با حمایت بنیاد ملی علوم آمریکا، دستگاهی طراحی کردند که از دو پرتو لیزر با طول موج‌های متفاوت (در محدوده فروسرخ و نامرئی طیف الکترومغناطیسی) استفاده می‌کند تا جریان الکترون‌ها را در یک نیمه‌رسانا کنترل کند. به گفته آن‌ها، شگفت‌انگیزترین بخش این آزمایش این بود که جریان تولیدشده به قدری قوی بود که با دستگاه ساخته‌شده قابل اندازه‌گیری بود.

در این روش، «جریان بالستیک» ایجاد می‌شود؛ به این معنا که الکترون‌ها بدون برخوردهای مکرر، در مسیری مستقیم و با سرعت اولیه خود حرکت می‌کنند. این در حالی است که در مدارهای الکتریکی معمولی، حرکت الکترون‌ها به دلیل برخورد مداوم با ناخالصی‌ها و نقص‌های موجود در ماده، پراکنده و نامنظم است.

این دستگاه در مرکز نانوساخت دانشگاه میشیگان ساخته شد. پژوهشگران باید روشی ابداع می‌کردند که هنگام آزمایش، هیچ میدان الکتریکی ناخواسته‌ای وارد سیستم نشود؛ زیرا چنین میدان‌هایی می‌توانستند نتایج را تغییر دهند. «ییمینگ گونگ»، نویسنده نخست مقاله، گفت: «هیچ روش استانداردی برای انجام این کار وجود نداشت، بنابراین با آزمایش ترکیب‌های مختلف و تغییر دماهای ساخت، فرایند مناسبی برای تولید این دستگاه طراحی کردیم.»

مطالعات پیشین نشان داده بودند که نور می‌تواند انرژی لازم برای حرکت الکترون‌ها را فراهم کند، اما این پژوهش یک گام فراتر رفته است. کاندیف می‌گوید: «نور دیگر فقط جریان را روشن نمی‌کند، بلکه جهت آن را نیز تعیین می‌کند.» برای هدایت این پرتو الکترونی، پژوهشگران به جای چرخاندن دستگاه، قطبش نور یا همان جهت نوسان موج‌های نوری را تغییر می‌دهند. با تغییر قطبش، جهت حرکت پرتو الکترونی نیز تغییر می‌کند.

این دستاورد بر پایه پدیده‌ای به نام تداخل کوانتومی شکل گرفته است؛ یکی از ویژگی‌های بنیادین دنیای کوانتوم. برخلاف ذرات کلاسیک که مسیر مشخصی دارند، ذرات زیراتمی رفتاری موج‌گونه از خود نشان می‌دهند. زمانی که این موج‌ها با یکدیگر تداخل می‌کنند، ممکن است یکدیگر را تقویت یا تضعیف کنند. پژوهشگران از همین ویژگی برای هدایت الکترون‌ها در مسیر دلخواه استفاده کرده‌اند.

دانشمندان معتقدند این فناوری می‌تواند به شناخت بهتر هندسه کوانتومی مواد کمک کند؛ ویژگی‌ای که رفتار بنیادی مواد را تعیین می‌کند. این دستاورد همچنین می‌تواند زمینه‌ساز پیشرفت در فناوری‌های مختلف باشد، از جمله: افزایش دقت حسگرهای کوانتومی، بهبود سامانه‌های تصویربرداری، ارتقای فناوری‌های مخابراتی و انتقال داده، و ساخت رایانه‌های کوانتومی سریع‌تر و کارآمدتر.

در رایانش کوانتومی نیز تداخل کوانتومی می‌تواند احتمال رسیدن به پاسخ‌های صحیح را افزایش و احتمال پاسخ‌های نادرست را کاهش دهد؛ موضوعی که سرعت محاسبات را به شکل چشمگیری بالا می‌برد. به گفته پژوهشگران، اگر آینده متعلق به فناوری‌های کوانتومی باشد، این «فانوس دریایی الکترونی» می‌تواند راهنمایی برای حرکت در دنیای ناشناخته ذرات زیراتمی و توسعه نسل آینده تجهیزات الکترونیکی و محاسباتی باشد.

نتایج این پژوهش در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.