الليزر وسحابة الذرات يعيدان إنشاء الإلكترونيات الكمومية

نجحت الذرات فائقة البرودة في محاكاة التأثير الكمي الأساسي الموجود عادة في الدوائر الإلكترونية.

تتيح وصلات جوزيفسون قياسات فائقة الدقة، وتحدد الوحدة القياسية للجهد الكهربائي، وتعمل كمكونات أساسية في العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. على الرغم من استخدامها على نطاق واسع، فإن العمليات الكمومية داخل الموصلات الفائقة يصعب للغاية مراقبتها بشكل مباشر.

ولمواجهة هذا التحدي، أجرى الباحثون في جامعة RPTU في كايزرسلاوترن لانداو محاكاة كمية لتأثير جوزيفسون. فبدلاً من العمل مع الموصلات الفائقة الصلبة، قاموا بفصل اثنين من مكثفات بوز-آينشتاين (BECs) باستخدام حاجز بصري رفيع للغاية. تم إنشاء هذا الحاجز باستخدام شعاع ليزر شديد التركيز وتم تحريكه بطريقة دورية محكمة. ومن اللافت للنظر أن النظام الذري أنتج نفس التوقيعات المحددة التي شوهدت في تقاطعات جوزيفسون الحقيقية. وشملت هذه خطوات شابيرو، وهي هضاب الجهد التي تظهر عند مضاعفات تردد القيادة. نُشرت هذه الدراسة في مجلة Science، وهي بمثابة عرض واضح لكيفية قيام المحاكاة الكمومية بالكشف عن الفيزياء الأساسية.

لماذا تعد تقاطعات جوزيفسون مهمة جدًا؟

يتميز تقاطع جوزيفسون بتصميم بسيط مخادع. وهو يتألف من اثنين من الموصلات الفائقة مفصولة بطبقة عازلة رقيقة. وحتى مع هذا الهيكل المباشر، ينتج الجهاز تأثيرًا ميكانيكيًا كميًا قويًا يلعب دورًا حاسمًا في التكنولوجيا الحديثة.

تشكل اتصالات جوزيفسون العمود الفقري للعديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية وتتيح إجراء قياسات حساسة للغاية. أحد التطبيقات الرئيسية هو اكتشاف المجالات المغناطيسية الضعيفة جدًا، وهو أمر ضروري لتقنيات مثل تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG)، أي التشخيص الطبي الذي يقيس الإشارات المغناطيسية التي ينتجها الدماغ البشري.

جعل العمليات الكمومية مرئية

يتجلى السلوك داخل وصلة جوزيفسون على مستوى الكميات الفردية، مما يجعل من المستحيل تقريبًا مراقبته مباشرة داخل الموصل الفائق. للتغلب على هذا القيد، يعتمد الفيزيائيون على نهج يعرف باسم المحاكاة الكمومية.

بعبارات بسيطة، تتضمن المحاكاة الكمومية إعادة إنشاء سلوك نظام كمي معقد داخل نظام مختلف يسهل دراسته. ومن خلال القيام بذلك، يمكن للباحثين فحص التأثيرات التي لا يمكن الوصول إليها في بيئتها المادية الأصلية.

محاكاة تقاطع جوزيفسون مع ذرات فائقة البرودة

في RPTU، قام فريق تجريبي بقيادة هيرويج أوت بتطبيق هذه الإستراتيجية على تأثير جوزيفسون نفسه. وبدلاً من استخدام مواد فائقة التوصيل، استخدم الباحثون غازًا شديد البرودة من الذرات يعرف باسم مكثف بوز-آينشتاين. تم فصل اثنين من هذه المكثفات بواسطة حاجز بصري رفيع للغاية يتكون من شعاع ليزر مركّز يتم تحريكه بشكل دوري.

سمح هذا الإعداد للفريق بتكرار الظروف داخل تقاطع جوزيفسون فائق التوصيل المعرض لإشعاع الميكروويف. في الأجهزة التقليدية، يولد إشعاع الميكروويف تيارًا متناوبًا إضافيًا عبر الوصلة. وفي التجربة الذرية، لعب حاجز الليزر المتحرك نفس الدور، مما مكن الباحثين من عكس السلوك الإلكتروني عن كثب باستخدام الذرات.

خطوات شابيرو هي ظاهرة عالمية

وكانت نتيجة المحاكاة الكمومية مذهلة. أظهر النظام الذري خطوات شابيرو واضحة، وهي عبارة عن هضاب جهد مكممة تستخدم في جميع أنحاء العالم لمعايرة الجهد الكهربائي. تعتمد هذه الخطوات فقط على الثوابت الأساسية وتكرار التعديل. ونتيجة لذلك، فإنها تشكل الأساس لكيفية تحقيق معيار الجهد لـ “الفولت” عالميًا.

يقول هيرفيج أوت: “في تجربتنا، تمكنا من تصور الإثارة الناتجة لأول مرة. وحقيقة أن هذا التأثير يظهر الآن في نظام فيزيائي مختلف تمامًا – مجموعة من الذرات فائقة البرودة – تؤكد أن خطوات شابيرو هي ظاهرة عالمية”.

سد الإلكترونات والذرات

تم إجراء الدراسة بالتعاون مع مجموعات نظرية بقيادة لودفيج ماثي في ​​جامعة هامبورغ ولويجي أميكو في معهد الابتكار التكنولوجي في أبو ظبي. وقد أثبت الفريقان معًا أن التأثير الكمي الذي تم اكتشافه أصلاً في فيزياء الحالة الصلبة يمكن إعادة إنتاجه بأمانة في نظام فيزيائي مختلف تمامًا.

يعد هذا العمل بمثابة مثال كتابي للمحاكاة الكمومية. وكما يشرح هيرويج أوت، “يتم نقل التأثير الميكانيكي الكمي من فيزياء الحالة الصلبة إلى نظام مختلف تمامًا – ومع ذلك يظل جوهره كما هو. وهذا يبني الجسور بين العوالم الكمومية للإلكترونات والذرات”.

استخدام الذرات لبناء الدوائر الكمومية

وبالنظر إلى المستقبل، يخطط أوت وزملاؤه لربط وصلات ذرية متعددة معًا “لبناء دوائر حقيقية للذرات”. في هذه الأنظمة، تتحرك الذرات عبر الدائرة بدلًا من الإلكترونات. ويُعرف هذا المجال البحثي الناشئ باسم “الإلكترونيات الذرية”.

يقول إريك بيرنهارت، الذي أجرى التجارب عندما كان طالب دكتوراه: “مثل هذه الدوائر مناسبة تمامًا لمراقبة التأثيرات المتماسكة، أي التأثيرات الشبيهة بالموجة”. وعلى عكس الإلكترونات الموجودة في المواد الصلبة، يمكن ملاحظة الذرات الموجودة في هذه الدوائر بشكل مباشر أثناء تحركها. “نريد أيضًا تكرار المكونات الأساسية الأخرى المعروفة من الإلكترونيات لذراتنا وفهمها بدقة على المستوى المجهري.”

قال تطرف شابيرا إستيبس ، علوم.
دوى: 10.1126/science.ads9061

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.