نخستین انتقال اتم‌ها از طریق تونل‌زنی کوانتومی محقق شد
در سال ۱۹۸۶ یک فیزیکدان آمریکایی به نام آرتور اشکین(Arthur Ashkin) ابزاری جذاب ساخت که می‌توانست به آرامی اجسام میکروسکوپی مانند سلول‌ها و مولکول‌ها را بدون دست زدن به آنها در اختیار بگیرد و حرکت دهد. این ابزار که «موچین نوری»(optical tweezer) نام دارد از لیزر متمرکز برای نگه داشتن و دستکاری اشیاء استفاده می‌کند.
موچین‌های نوری حتی پس از گذشت ۴۸ سال هنوز جذاب هستند و فیزیکدانان همچنان از این نوآوری برای کارهایی از تحقیقات نانوذرات تا اصلاح در سطح سلولی استفاده می‌کنند.
به تازگی، محققان دانشکده فیزیک تکنیون(Technion) به انتقال کنترل شده اتم‌ها از یک مکان به مکان دیگر از طریق تونل‌زنی کوانتومی بین موچین‌های نوری دست یافته‌اند.
تونل‌زنی کوانتومی(Quantum tunneling) به فرآیند کوانتومی تونل زدن یک ذره بنیادی در یک سد پتانسیل که از نظر کلاسیک، ذره قادر به عبور از آن نیست، اشاره دارد. این پدیده مهم در چندین پدیده فیزیکی، برای مثال در واکنش‌های هسته‌ای که در ستارگان رشته اصلی مثل خورشید اتفاق می‌افتد، به چشم می‌خورد. همچنین کاربردهای مهمی در ادوات الکترونیکی مانند دیود تونلی دارد.
این پدیده در اوایل قرن بیستم پیش‌بینی شده بود و در اواسط همان قرن به عنوان یک پدیده کلی فیزیکی پذیرفته شد. تونل‌زنی معمولاً با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ توضیح داده می‌شود. در واقع مفاهیم مکانیک کوانتومی حول این پدیده توصیف می‌شوند و می‌توان گفت تونل‌زنی کوانتومی یکی از ویژگی‌های بنیادی مکانیک کوانتومی و نشانه خاصیت دوگانگی موج-ذره است.
محققان می‌گویند: این اولین نمایش این روش انتقال است و ما معتقدیم که می‌تواند نقطه عطف مهمی در توسعه پلتفرم‌های کوانتومی جدید باشد.
اتم‌های متحرک در دنیای کوانتومی
وقتی ذره‌ای از سدی عبور می‌کند که معمولاً نمی‌تواند از آن عبور کند، به این پدیده «تونل‌زنی» می‌گویند. مثل این است که جلوی دیواری ایستاده باشید و به جای بالا رفتن یا دور زدن آن، به نوعی مستقیم از میان آن عبور کنید.
با این حال هیچ راهی وجود ندارد که بتوانید از دیوار عبور کنید. این به این دلیل است که «تونل‌زنی» پدیده‌ای منحصر به جهان کوانتومی است، جایی که ذرات فرصتی برای عبور از یک مانع بالقوه دارند که به طور کلاسیک نمی‌توانند بر آن غلبه کنند.
محققان برای دستیابی به تونل‌زنی اتم‌ها از سه موچین نوری استفاده کردند و آنها را در یک سری مرتب کردند. سپس اتم‌های فرمیونی فوق سرد(اتم‌هایی که تا دمای صفر مطلق سرد می‌شوند) را در این آرایش معرفی کردند.
محققان با استفاده از سه موچین به عنوان تله توانستند با تغییر فاصله بین تله‌ها، سرعت تونل‌زنی اتم‌ها را کنترل کنند. این رویکرد به محققان اجازه داد تا اتم‌ها را با موفقیت بین دو موچین خارجی انتقال دهند.
محققان در مطالعه خود خاطرنشان کردند: ما یک انتقال نرم و با کارایی بالا از اتم‌ها را بین دو تله بیرونی مشاهده کردیم که جمعیت بسیار کمی در تله مرکزی باقی می‌مانند.
آزمایش فوق باعث انتقال یک اتم از موچین اول به موچین سوم، بدون اشغال موچین میانی شد. اما دقیقا چه چیزی مانع از ماندن اتم‌ها در موچین میانی شد؟
برای یافتن پاسخ این سوال باید درک کرد که برای عبور چیزی از طریق تونل‌زنی، اتم‌ها مانند بسته‌های موجی رفتار می‌کنند، به این معنی که خواص موج مانندی از خود نشان دهند.
در طول انتقال، بسته‌های موج اتم‌ها در تمام موچین‌ها پخش می‌شوند و روی هم می‌افتند و امواج بخش‌های مختلف سیستم با یکدیگر تداخل می‌کنند.
محققان می‌گویند که تداخل سازنده امواج، قله‌ها و فرورفتگی‌هایی را در موچین اول و سوم ایجاد می‌کند. با این حال در موچین نوری میانی، قله‌ها و فرورفتگی‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند. این تداخل مخرب، احتمال یافتن اتم در موچین میانی را تقریباً صفر می‌کند و امکان انتقال روان و کارآمد اتم‌ها را بین موچین‌های اول و سوم فراهم می‌کند.
این نتایج نشان می‌دهد که آرایه‌های موچین نوری می‌توانند به عنوان پلتفرمی برای انجام آزمایش‌های هیجان‌انگیزتر با هدف ارتقای دانش ما از فیزیک کوانتومی مورد استفاده قرار گیرند.
این مطالعه در مجله Science Advances منتشر شده است.
