فرامواد با شاخص صفر بینش جدیدی در مورد مبانی مکانیک کوانتومی ارائه می دهند

27 آوریل 2022 -توسط لیا باروز، دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان A. Paulson

تصویری از یک فراماده با شاخص نزدیک به صفر نشان می دهد که وقتی نور از آن عبور می کند، در یک فاز ثابت حرکت می کند. اعتبار: Second Bay Studios/Harvard SEAS

در فیزیک، مانند زندگی، همیشه خوب است که به مسائل از منظرهای مختلف نگاه کنیم.از آغاز فیزیک کوانتومی، نحوه حرکت و تعامل نور با ماده اطراف آن عمدتاً از طریق نگاه به انرژی آن به صورت ریاضی توصیف و درک شده است. در سال 1900، ماکس پلانک از انرژی برای توضیح چگونگی گسیل نور از اجسام گرم شده استفاده کرد، یک مطالعه اساسی در پایه مکانیک کوانتومی. در سال 1905، آلبرت انیشتین با معرفی مفهوم فوتون از انرژی استفاده کرد.

اما نور یک کیفیت به همان اندازه مهم دیگر دارد که به عنوان تکانه شناخته می شود. و همانطور که مشخص است، وقتی شتاب را از بین می برید، نور شروع به رفتار بسیار جالبی می کند.

یک تیم بین المللی از فیزیکدانان به رهبری مایکل لوبت، محقق دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد جان آ. پالسون (SEAS) و اریک مازور، استاد فیزیک و فیزیک کاربردی بالکانسکی در SEAS، در حال بررسی مجدد مبانی هستند. فیزیک کوانتومی از منظر تکانه و بررسی اینکه وقتی تکانه نور به صفر می رسد چه اتفاقی می افتد.

این تحقیق در Nature Light: Science & Applications منتشر شده است.

هر جسم با جرم و سرعت دارای تکانه است – از اتم ها گرفته تا گلوله ها و سیارک ها – و تکانه می تواند از یک جسم به جسم دیگر منتقل شود. اسلحه با شلیک گلوله پس می زند زیرا تکانه گلوله به تفنگ منتقل می شود. در مقیاس میکروسکوپی، یک اتم زمانی که نور ساطع می‌کند، به دلیل تکانه اکتسابی فوتون، پس می‌کشد. پس زدن اتمی، که اولین بار توسط انیشتین در هنگام نوشتن نظریه کوانتومی تابش توصیف شد، یک پدیده اساسی است که بر انتشار نور حاکم است.

اما یک قرن پس از پلانک و انیشتین، دسته جدیدی از فرامواد سوالاتی را در رابطه با این پدیده های اساسی مطرح می کنند. این فرامواد دارای ضریب شکست نزدیک به صفر هستند، به این معنی که وقتی نور از آنها عبور می کند، مانند یک موج در فازهای تاج و فرورفتگی حرکت نمی کند. در عوض، موج تا بی نهایت کشیده می شود و یک فاز ثابت ایجاد می کند. هنگامی که این اتفاق می افتد، بسیاری از فرآیندهای معمولی مکانیک کوانتومی، از جمله پس زدن اتمی، ناپدید می شوند.

چرا؟ همه چیز به سرعت برمی گردد. در این مواد به اصطلاح با شاخص نزدیک به صفر، تکانه موج نور صفر می شود و زمانی که تکانه موج صفر شود، اتفاقات عجیبی رخ می دهد.

لوبت که در حال حاضر مدرس دانشگاه  در بلژیک است، می گوید: فرآیندهای تشعشعی اساسی در مواد سه بعدی با شاخص نزدیک به صفر مهار می شوند. ما متوجه شدیم که پس زدن تکانه یک اتم در مواد با شاخص نزدیک به صفر ممنوع است و هیچ انتقال تکانه بین میدان الکترومغناطیسی و اتم مجاز نیست.

اگر شکستن یکی از قوانین انیشتین کافی نبود، محققان احتمالاً شناخته شده ترین آزمایش در فیزیک کوانتومی را نیز شکستند، آزمایش دو شکاف یانگ. این آزمایش در کلاس های درس در سراسر جهان برای نشان دادن دوگانگی ذره-موج در فیزیک کوانتوم استفاده می شود – نشان می دهد که نور می تواند ویژگی های امواج و ذرات را نشان دهد.

در یک ماده معمولی، نوری که از دو شکاف عبور می‌کند، دو منبع منسجم از امواج را تولید می‌کند که با تداخل یک نقطه روشن در مرکز صفحه با الگوی حاشیه‌های روشن و تیره در دو طرف، که به عنوان حاشیه‌های پراش شناخته می‌شوند، ایجاد می‌کنند.

لاریسا ورتچنکو از دانشگاه فنی دانمارک، یکی از نویسندگان این مقاله گفت: «زمانی که آزمایش دو شکاف یانگ را مدل‌سازی و به صورت عددی محاسبه کردیم، مشخص شد که با کاهش ضریب شکست، حاشیه‌های پراش ناپدید شدند.

اینیگو لیبرال از دانشگاه عمومی ناوار در پامپلونای اسپانیا گفت: «همانطور که مشاهده می‌شود، این کار قوانین بنیادی مکانیک کوانتومی را مورد بازجویی قرار می‌دهد و محدودیت‌های دوگانگی جسم موجی را بررسی می‌کند.

در حالی که برخی از فرآیندهای اساسی در مواد با ضریب شکست نزدیک به صفر مهار می شوند، برخی دیگر تقویت می شوند. یکی دیگر از پدیده‌های کوانتومی معروف را در نظر بگیرید – اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، که در فیزیک دقیق‌تر به نام نابرابری هایزنبرگ شناخته می‌شود. این اصل بیان می کند که شما نمی توانید هم موقعیت و هم سرعت یک ذره را با دقت کامل بدانید و هر چه بیشتر در مورد یکی بدانید، در مورد دیگری کمتر می دانید. اما، در مواد با شاخص نزدیک به صفر، شما با اطمینان 100٪ می دانید که تکانه یک ذره صفر است، به این معنی که شما مطلقاً هیچ ایده ای ندارید که ذره در هر لحظه در کجای ماده قرار دارد.

لوبت می‌گوید: «این ماده یک میکروسکوپ واقعا ضعیف می‌سازد، اما می‌تواند اشیاء را کاملاً بپوشاند. به نوعی، اشیاء نامرئی می شوند.

مازور می‌گوید: «این نتایج نظری جدید نور جدیدی را بر فوتونیک‌های ضریب شکست نزدیک به صفر از منظر تکانه می‌تاباند. این بینشی در درک برهمکنش‌های ماده نور در سیستم‌هایی با ضریب شکست کم ارائه می‌کند که می‌تواند برای کاربردهای لیزر و اپتیک کوانتومی مفید باشد.

این تحقیق همچنین می‌تواند کاربردهای دیگری از جمله محاسبات کوانتومی، منابع نوری که یک فوتون را در یک زمان ساطع می‌کنند، انتشار بدون تلفات نور از طریق یک موجبر و موارد دیگر روشن کند.

هدف تیم بعدی بررسی مجدد سایر آزمایش‌های کوانتومی پایه در این مواد از منظر حرکت است. به هر حال، اگرچه انیشتین مواد ضریب شکست نزدیک به صفر را پیش‌بینی نکرد، اما بر اهمیت تکانه تأکید کرد. انیشتین در مقاله مهم خود در سال 1916 در مورد فرآیندهای تابشی اساسی، اصرار داشت که از دیدگاه نظری، انرژی و تکانه «باید در یک موقعیت کاملاً مساوی در نظر گرفته شوند، زیرا انرژی و تکانه به نزدیکترین شکل ممکن به هم مرتبط هستند.»

لوبت گفت: “به عنوان فیزیکدانان، دنبال کردن راه غول هایی مانند انیشتین و پیشبرد ایده های آنها یک رویا است.” ما امیدواریم که بتوانیم ابزار جدیدی را ارائه کنیم که فیزیکدانان بتوانند از آن استفاده کنند و دیدگاه جدیدی ارائه کنیم که ممکن است به ما در درک این فرآیندهای اساسی و توسعه برنامه های کاربردی جدید کمک کند.”