محدودیت سرعت مطلق کوانتومی محاسبه شد

محدودیت سرعت مطلق کوانتومی محاسبه شد

به گزارش بی دانلود دانشمندان محدودیت سرعت کوانتومی مطلق را برای دستگاههای الکترونیکی محاسبه کردند.


به گزارش بی دانلود به نقل از ایسنا و به نقل از نیواطلس، محققان حد بالای مطلق را برای سرعت احتمالی سیستم های اپتوالکترونیکی محاسبه کرده اند.
اغلب این گونه تصور می شود که دستگاه های الکترونیکی مقرر است همواره و همیشه سریع تر شوند، اما در بعضی مواقع، قوانین فیزیک مداخله می کنند و جلوی این افزایش سرعت را می گیرند. حالا دانشمندان این حد نهایی سرعت را محاسبه کرده اند؛ یعنی نقطه ای که مکانیک کوانتومی مانع از سریع تر شدن ریزتراشه ها می شود.
برای همگان روشن است که هیچ چیز سریع تر از نور در خلاء حرکت نمی کند و این در مورد الکترونیک هم صادق است. سیستم هایی که از نور برای کنترل الکتریسیته استفاده می نمایند، معروف به "اپتوالکترونیک" هستند که سریع ترین دستگاه های دنیا هستند.
حالا محققان دانشگاه صنعتی "وین" اتریش، دانشگاه صنعتی "گراتس" اتریش و موسسه اپتیک کوانتومی "ماکس پلانک"، حد بالا را برای بیشترین سرعت ممکن اپتوالکترونیک شناسایی کرده اند.
این تیم آزمایش هایی را با بهره گیری از مواد نیمه هادی و لیزر انجام داد. این نیمه هادی با یک پالس لیزری فوق کوتاه برخورد می کند که الکترون های ماده را به حالت انرژی بالاتر منتقل می کند و به آنها اجازه می دهد آزادانه در اطراف حرکت کنند. سپس یک پالس لیزری ثانویه و کمی طولانی تر، آنها را در جهت خاصی پرتاب می کند و جریان الکتریکی تولید می کند.
محققان با بهره گیری از این تکنیک و همینطور شبیه سازی های کامپیوتری پیچیده، با پالس های لیزری کوتاه تر به نیمه رساناها ضربه زدند. اما در نقطه ای مشخص، این فرایند آغاز به برخورد با "اصل عدم قطعیت هایزنبرگ" می کند که خصلت و تناقض کوانتومی عجیبی است که در آن هر چه دقیق تر یک خصوصیت یک ذره را اندازه گیری کنید، کمتر می توانید از خصوصیت دیگر آن مطمئن شوید.
"اصل عدم قطعیت " در مکانیک کوانتومی را "ورنر هایزنبرگ" فیزیکدان آلمانی در سال ۱۹۲۶ فرمول بندی کرد. در فیزیک کوانتومی، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ اظهار دارد که جفت های مشخصی از خواص فیزیکی، مانند مکان و تکانه نمی تواند با دقتی دلخواه معلوم گردد. به عبارت دیگر، افزایش دقت در کمیت یکی از آن خواص مترادف با کاهش دقت در کمیت خاصیت دیگر است. این عبارت به دو روش متعدد تفسیر شده است. بنا بر دیدگاه "هایزنبرگ"، غیر ممکن است که همزمان سرعت و مکان الکترون یا هر ذره دیگری با دقت یا قطعیت دلخواه معین شود. بنا بر دیدگاه گروه دوم، این عبارت راجع به محدودیت دانشمندان در اندازه گیری کمیت های خاصی از سیستم نیست، بلکه امری است راجع به طبیعت و ذات خود سیستم، چنانکه معادلات مکانیک کوانتومی شرح می دهد.
در مکانیک کوانتوم، یک ذره به وسیله بسته ی موج شرح داده می شود. اگر اندازه گیری مکان ذره مد نظر باشد، طبق معادلات، ذره می تواند در هر مکانی که دامنه موج صفر نیست، وجود داشته باشد و این به مفهوم عدم قطعیت مکان ذره است. برای به دست آوردن مکان دقیق ذره، این بسته ی موج باید تا حد ممکن فشرده شود، که یعنی ذره باید از تعداد زیادی موج سینوسی که به یکدیگر اضافه شده اند(بر روی هم جمع شده اند) ساخته شود.
از سوی دیگر، تکانه ی ذره متناسب با طول موج یکی از این امواج سینوسی است، اما می تواند هر کدام از آنها باشد. بدین سبب هر چقدر که مکان ذره بواسطه جمع شدن تعداد بیشتری موج، با دقت بیشتری اندازه گیری شود، تکانه با دقت کمتری معین می شود و بر عکس. تنها ذره ای که مکان دقیق دارد، ذره متمرکز در یک نقطه است که چنین موجی طول موج نامعین دارد و بدین سبب تکانه نامعین هم دارد. از سوی دیگر تنها موجی که طول موج معین دارد، نوسان منظم تناوبی لایتناهی در فضا است که هیچ مکان معینی ندارد. در نتیجه در مکانیک کوانتومی، حالتی نمی تواند وجود داشته باشد که ذره را با مکان و تکانه معین شرح دهد.
"اصل عدم قطعیت" را میتوان بر حسب عمل اندازه گیری که شامل فروپاشی تابع موج هم می شود، بازگویی کرد. هنگامی که مکان اندازه گیری می شود، تابع موج به یک برآمدگی با پهنای خیلی کم فروپاشیده می شود، و تکانه ی تابع موج کاملاً پخش می شود. تکانه ی ذره به مقداری متناسب با دقت اندازه گیری مکان، در عدم قطعیت باقی می ماند. مقدار باقی مانده عدم قطعیت نمی تواند از حدی که اصل عدم قطعیت مشخص کرده است، کمتر شود و مهم نیست که فرایند و تکنیک اندازه گیری چیست.
"اصل عدم قطعیت" کمترین مقدار ممکن در آشفتگی تکانه در حین اندازه گیری مکان و بر عکس را معین می کند.
در مورد این مطالعه جدید، استفاده از پالس های لیزری کوتاه تر به این معنا است که ناظران می توانند دقیقاً بفهمند که الکترون ها چه زمانی انرژی می گیرند، اما این به قیمت اطمینان کمتر در مورد مقدار انرژی است که به دست می آورند و این یک مشکل بزرگ برای دستگاه های الکترونیکی است، چونکه ندانستن انرژی دقیق الکترون ها به این معنا است که نمی توان آنها را به دقت کنترل کرد.
از ین جهت، محققان حد بالا یا حداکثر سرعت سیستم های اپتوالکترونیک را محاسبه کردند که معادل با یک پتاهرتز یا به بیان ساده تر، یک میلیون گیگاهرتز است.
محققان می گویند، موانع تکنولوژیکی مدت ها پیش از رسیدن دستگاه های اپتوالکترونیک یا الکترونیک نوری به قلمرو پتاهرتز، به وجود می آیند. اما درک محدودیت سرعت دستگاه های اپتوالکترونیکی می تواند به توسعه دستگاه های بهتر کمک نماید.
این تحقیق در مجله Nature Communications انتشار یافته است.



1401/01/10
12:24:18
0.0 / 5
272
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)

تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب
لطفا شما هم نظر دهید
= ۶ بعلاوه ۵