ابتكر الفيزيائيون “منارة إلكترونية” لتوجيه التيار بالضوء: ScienceAlert

تدفق الإلكترونات القوى حياتنا الحديثة.

من وسائل الراحة المنزلية مثل المقلاة الهوائية التي لا غنى عنها إلى الشاشات ذات الأحجام المختلفة التي نعتمد عليها في العمل وتصفح الميمات، تعمل التكنولوجيا الحديثة من خلال التدفق الموجه للإلكترونات.

ومع ذلك، تلعب الإلكترونات دورها القواعد الغريبة للكون الكمي، يعرضون سلوكيات غريبة غير مرئية في العالم المجهري، مثل التراكب الذي يسمح لهم بالوجود في العديد من الحالات حتى تتم ملاحظتهم، على غرار قطة شرودنغر غير الميتة من الناحية النظرية.

ومع ذلك، في بعض الأحيان، تعرض أنشطتهم الغريبة نظائرها في العالم الحقيقي التي تساعدنا نحن غير الفيزيائيين الكميين على تغليف جزء من عقولنا حول عمليات غير مرئية.

في دراسة مذهلة، توصل فيزيائيون في جامعة ميشيغان (UM) إلى نتيجة مضيئة الفيزياء الجديدة من خلال تطوير جهاز منارة إلكترونية يصدر شعاعًا من الإلكترونات يمكن التحكم فيه باستخدام “ألوان” مختلفة من الضوء دون الحاجة إلى أي مصدر للطاقة الكهربائية.

“هذه ليست الطريقة التي تعمل بها الأشياء عادة. عندما تفكر في الإلكترونات التي تتحرك عبر مادة ما، فإنها تتحرك لأنك قمت بتطبيق مجال كهربائي وهي في الواقع ترتد وتنجرف عبر المواد.” يشرح ستيفن كونديف، عالم الفيزياء التجريبية في جامعة UM، وكذلك المؤلف الرئيسي للدراسة.

“هنا، باستخدام الضوء، يمكنك في الواقع دفع الإلكترونات في اتجاه معين دون تطبيق مجال كهربائي.”

وبدعم من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية، قام الباحثون ببناء جهاز يستخدم شعاعي ليزر من “ألوان” مختلفة (في منطقة الأشعة تحت الحمراء غير المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي) للتحكم في تدفق الإلكترونات عبر أشباه الموصلات.

وقال كونديف لموقع ScienceAlert: “ربما يكون الشيء الأكثر إثارة للدهشة هو أن التيارات الناتجة عن هذه العملية يمكن اكتشافها باستخدام الجهاز الذي صنعناه”.

“التيار المتولد هو تيار “باليستي”، مما يعني أن الإلكترونات تنتقل على طول مسار تحدده سرعة “إطلاقها” الأولية. عادة، التيارات الكهربائية ليست باليستية، ولكنها منتشرة لأن الإلكترونات تنثر باستمرار الشوائب والعيوب في المادة.”

قام الباحثون ببناء أجهزتهم في منشأة Lurie Nanofabrication Facility (LNF) التابعة لجامعة UM، واختبروا طرقًا مختلفة لإنشاء إعداد تجريبي لا يقدم مجالات كهربائية خارجية يمكن أن تؤدي إلى تحريف نتائجهم.

“كان هذا أكبر لغز بالنسبة لي، لأنه لا توجد طريقة قياسية للقيام بذلك”. يقول ييمينغ قونغ، أ التعلم الآلي عالم الآن في غرينجر والمؤلف الأول للدراسة.

“لذلك عملت مع فريق عمل LNF للتلاعب بوصفات ودرجات حرارة مختلفة للتوصل إلى عملية التصنيع.”

الأعمال النظرية والتجريبية السابقة لقد أظهر أن الضوء وحده يمكنه توفير الطاقة اللازمة لتدفق الإلكترونات.

تعتبر أمشاط التردد هذه أدوات مركزية للسماح بالتحكم الدقيق في الموجات الكهرومغناطيسية، مما يؤدي إلى إنشاء ساعات وأجهزة كمبيوتر وأنظمة اتصالات أكثر دقة.

إطار الحدود = “0” سماح = “مقياس التسارع؛ التشغيل التلقائي؛ الكتابة في الحافظة؛ الوسائط المشفرة؛ جيروسكوب؛ صورة داخل صورة؛ مشاركة الويب” Referrerpolicy=”strict-origin-when-cross-origin”allowfullscreen>

يعتمد هذا البحث بعد ذلك على الأعمال السابقة، موضحًا أنه يمكن استخدام الضوء لإغراء الإلكترونات بالتدفق في تكوين يشبه الشعاع، وهو ما يشبهه المؤلفون بالمنارة.

“لم يعد الضوء يقوم بتشغيل التيار فحسب، بل يوجهه أيضًا،” كونديف يشرح.

ومع ذلك، فإن توجيه شعاع الإلكترون هذا أكثر تعقيدًا من مجرد تدوير المصباح. وبدلاً من ذلك، قام الباحثون بتدوير شعاع الإلكترون الخاص بهم عن طريق تدوير الاستقطاب – أو اتجاه ذبذبات – الضوء .

يمثل هذا العمل أيضًا ثمرة التنبؤ الذي قدمه أحد المتعاونين السابقين، جون سيب، عالم الفيزياء النظرية في جامعة تورنتو.

توقع سايب وزملاؤه أن هذا الإعداد التجريبي سينتج عنه تأثير “منارة الإلكترون” المرصود، مما يولد شعاعًا من الإلكترونات الاتجاهية في غياب الجهد الكهربي المطبق.

تُعرف الآلية الأساسية باسم التدخل الكمي، أ “السمة المميزة“عملية كمومية.

على عكس الجسيمات الكلاسيكية ذات المسارات المحددة بوضوح، في العالم دون الذري غير البديهي إلى حد كبير، حيث تتصرف الجسيمات مثل موجات غير واضحة، يصف التداخل الكمي كيف يمكن للوظائف الموجية لهذه الجسيمات أن تصطف بشكل بناء أو مدمر.

في المستقبل، يمكن أن يساعد هذا البحث في توضيح الهندسة الكمومية للمواد التي تملي سلوكياتها الأساسية. ونتيجة لذلك، قد يساعد في تحسين تقنيات متعددة، بما في ذلك تقنيات الاستشعار الكمي التي تهدف إلى وصف الكميات الفيزيائية بدقة أكبر من أي وقت مضى.

متعلق ب: أول مادة كمومية من نوعها في درجة حرارة الغرفة يتم نسجها من ذرات الذهب

يمكن أن يؤدي تقدم التداخل الكمي أيضًا إلى تحسين التصوير والاتصالات، وتحسين كيفية نقل الإشارات بين الأجهزة وزيادة كمية البيانات التي تحملها.

وبالمثل، يمكن أن يؤدي التدخل الكمي إلى تسريع كبير في الحساب من خلال تضخيم احتمال تلقي حلول الحوسبة المطلوبة وقمع احتمال تلقي الحلول غير المرغوب فيها.

المستقبل هو الكم، وهذه المنارة قد ترشدنا في الإبحار في البحر الغامض وغير المرئي من الجسيمات والمجالات دون الذرية التي تحكم العالم الملموس.

وقد نشر هذا البحث في رسائل المراجعة البدنية.