29 نوامبر 2023 – توسط ویتنی کلاوین، موسسه فناوری کالیفرنیا-آثار هنری که مولکول های درهم تنیده را به تصویر می کشند. اعتبار: Caltech/Lance Hayashida
در جستجوی ذرات و نیروهای جدید در طبیعت، فیزیکدانان در جستجوی رفتارهای درون اتم ها و مولکول ها هستند که توسط مدل استاندارد آزمایش شده و واقعی فیزیک ذرات ممنوع است. هر گونه انحراف از این مدل می تواند نشان دهنده چیزی باشد که فیزیکدانان از آن به عنوان “فیزیک جدید” یاد می کنند.
نیک هاتزلر، استادیار فیزیک Caltech و گروهش به دنبال انواع خاصی از انحرافات هستند که به حل معمای وجود این همه ماده در جهان ما کمک می کند. زمانی که جهان ما حدود 14 میلیارد سال پیش متولد شد، تصور می‌شود که ماده و شریک آن، پادماده، به یک اندازه وجود داشته‌اند.
به طور معمول، ماده و پادماده یکدیگر را خنثی می کنند، اما نوعی عدم تقارن بین انواع مختلف ذرات وجود داشت که باعث می شد ماده بر ضد ماده پیروز شود. گروه هاتزلر از آزمایش‌های روی میز برای جستجوی نقض‌های تقارن استفاده می‌کند – رفتارهای انحرافی ذرات که منجر به جهان کج‌روی تحت سلطه ماده ما شد.
اکنون، با گزارش Physical Review Letters، این تیم به سرپرستی چی ژانگ، دانشیار تحقیقاتی دانش پژوه پسا دکتری فیزیک در کالتک، دیوید و الن لی، راهی برای بهبود مطالعات خود با استفاده از درهم تنیدگی، پدیده ای در فیزیک کوانتومی، کشف کرده اند. ذرات از راه دور می توانند حتی بدون تماس مستقیم به هم متصل بمانند. عنوان این مطالعه «سنجش کوانتومی تقویت‌شده برای نقض تقارن مولکولی با استفاده از فضاهای فرعی بدون همدوسی» است.
در این مورد، محققان روش جدیدی را برای درهم‌تنیدگی آرایه‌های مولکول ابداع کردند که به عنوان کاوشگر برای اندازه‌گیری نقض تقارن عمل می‌کنند. با درهم‌تنیدگی مولکول‌ها، آرایه‌ها نسبت به نویز پس‌زمینه که می‌تواند در آزمایش تداخل ایجاد کند، حساسیت کمتری پیدا می‌کند و به سیگنال مورد نظر حساس‌تر می‌شود.
هاتزلر می‌گوید: «این مانند لنگر انداختن یک دسته اردک لاستیکی است. “اگر می‌خواهید حرکت اردک‌ها را در یک وان اندازه‌گیری کنید، اگر آنها را کاملاً متصل کنید، نسبت به صدای پس‌زمینه پاشیدن آب حساسیت کمتری خواهند داشت. و آنها نسبت به چیزی که ممکن است بخواهید اندازه‌گیری کنید مانند جریان آب حساس‌تر خواهند بود. یک جریان، زیرا همه آنها به طور جمعی به آن پاسخ خواهند داد.”
ژانگ می گوید: «ما می خواهیم به ساختار مولکول ها حساس باشیم. میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی کنترل‌نشده از راه‌اندازی آزمایشی مانع اندازه‌گیری‌های ما می‌شوند، اما اکنون پروتکل جدیدی برای درهم‌تنیدگی مولکول‌ها به گونه‌ای داریم که حساسیت کمتری نسبت به نویز داشته باشند.
به طور خاص، از این روش جدید می توان برای جستجوی شیب های کوچک در الکترون ها استفاده کرد که ممکن است در پاسخ به میدان های الکتریکی درون مولکول ها رخ دهد. هاتزلر می‌گوید: «چرخش‌های جزئی نشان می‌دهد که الکترون‌ها یا اسپین‌های هسته‌ای در حال تعامل با میدان‌های الکتریکی هستند و این طبق مدل استاندارد ممنوع است.
او می افزاید: «رویکردهای دیگری که از درهم تنیدگی استفاده می کنند، معمولاً حساسیت به نویز را افزایش می دهند. “چی راهی برای کاهش سر و صدا پیدا کرده است و در عین حال به ما حساسیت بیشتری از درهم تنیدگی می دهد.”
یک مطالعه تجربی متفاوت که اخیراً توسط هاتزلر و جان ام. دویل از دانشگاه هاروارد منتشر شده است، نشان داد که مولکول‌های چند اتمی مورد استفاده در این نوع مطالعات، توانایی‌های منحصربه‌فردی دیگری برای محافظت از خود در برابر نویز الکترومغناطیسی دارند، البته بدون افزایش حساسیت ناشی از درهم‌تنیدگی .
در آن مطالعه، محققان نشان دادند که می‌توانند حساسیت مولکول را به میدان‌های خارجی تنظیم کنند و در واقع این حساسیت را از بین ببرند، در نتیجه مولکول‌ها را تا حد زیادی در برابر نویز مصون می‌دارند.
هاتزلر می‌گوید: «با مزایای درهم تنیدگی، محققان می‌توانند این آزمایش‌ها را برای کاوش در بخش‌های عجیب و غریب فزاینده فیزیک جدید انجام دهند.
