خلاء فشردهٔ روشن، اثرات کوانتومی مخفی را در فیزیک میدانی قوی آشکار می‌کند
در یک مطالعهٔ جدید که در Nature Physics منتشر شد، پژوهشگران نشان دادند که نور کوانتومی، به‌ویژه خلاء فشردهٔ روشن (BSV)، می‌تواند انتشار فوتوالکترونی میدانی قوی را در سرهای سوزنی فلزی تحریک کند.
علم آتوسکند—مطالعهٔ رفتار الکترون‌ها در مقیاس‌های زمانی ۱۰⁻¹⁸ ثانیه—به‌طور سنتی بر پالس‌های لیزری قوی که به «حالات یکنواخت» نور مربوط می‌شوند، تکیه داشته است. این پالس‌ها به‌عنوان امواج الکترومغناطیسی کلاسیک با میدان‌های الکتریکی نوسانی پیش‌بینی‌پذیر عمل می‌کنند که الکترون‌ها را به انرژی‌های بالا می‌رانند.
زمانی که الکترون‌ها تحت تابش شدید از سطح‌ها بازپخش می‌شوند، نشانه‌های خاصی تولید می‌کنند: یک فاصلۀ ثابت (plateau) در طیف انرژی آنها که به‌دنبال آن یک قطع‌حرف واضح (cut‑off) می‌آید. این ویژگی‌ها به‌مرز اصلی برای بررسی ماده با دقت آتوسکند تبدیل شده‌اند.
تحقیق جدید بررسی می‌کند که آیا نور کوانتومی واقعی، که ویژگی‌های اساسی‌تری نسبت به پالس‌های لیزری کلاسیک دارد، می‌تواند همان دینامیک‌های میدانی قوی را به‌راستی تحریک کند یا نه.
«انگیزهٔ ما از جدایی تاریخی میان فیزیک میدانی قوی و اپتیک کوانتومی ناشی شد»، دکتر یوناس هیمرل، یکی از نویسندگان مشترک از دانشگاه فریدریش‑الکساندر ارلانگن‑نورن‌برگ (FAU) به Phys.org گفت.
«این دو حوزه به‌صورت سنتی با بُخش‌های نوری کاملاً متفاوت سروکار دارند — یکی با میدان‌های نوری کلاسیک فوق‌العاده شدید و دیگری با ویژگی‌های کوانتومی نور که معمولاً تنها شامل چند فوتون می‌شود. ما شیفتهٔ ایدهٔ پر کردن این شکاف بودیم.»
پدیدهٔ کوانتومی غیرمنتظره
بر خلاف لیزر یکنواخت سنتی، BSV نشان‌دهندهٔ یک حالت کوانتومی نور با ویژگی‌های نامعمول است.
در پالس‌های لیزری کلاسیک، میدان الکتریکی نوسانی به‌صورت یک منحنی سینوسی پیش‌بینی‌پذیر با دامنهٔ واضحی تغییر می‌کند. در مقابل، BSV کاملاً از نوسان‌های کوانتومی شدید تشکیل شده است که با دو برابر فرکانس حامل نوسان می‌کنند و هیچ مؤلفهٔ موجی یکنواختی ندارند.
«از نظر کلاسیک، اثرات میدانی قوی نیاز به یک میدان الکتریکی نوسانی قوی دارند که الکترون‌ها را شتاب می‌دهد»، جاناتان پیلوت، نویسندهٔ مشترک از FAU توضیح داد.
«اما در BSV، میدان متوسط صفر است — یعنی به‌طور متوسط نیرویی بر الکترون‌ها وارد نمی‌شود. بخش غیرمنتظره این است که نوسان‌های کوانتومی تقویت‌شده به‌تنهایی، بدون وجود میدان متوسط، برای شتاب‌دادن الکترون‌ها به انرژی‌های بالا کافی هستند.»
اگرچه BSV دارای میدان متوسط صفر است، می‌تواند همچنان به‌انداز شدید باشد چون شدت آن به‌مقدار مربع میدان الکتریکی وابسته است.
در همکاری با آندری رسپوتنی و ماریا چِخُووا، گروه BSV را با استفاده از یک تقویت‌کنندهٔ پارامتریک نوری بدون بذر (unseeded optical parametric amplifier) تولید کرد؛ پالس‌هایی با طول موج مرکزی ۱۶۰۰ نانو‌متر و مدت زمان ۲۵ فمتوسانی‌ثانیه تولید شد. این پالس‌ها نوسان‌های عظیم تعداد فوتون‌ها از یک شات به شات دیگر نشان دادند که از تقریباً صفر تا حدود ۱۰12 فوتون در هر پالس متغیر بود.
تیم به‌صراحت BSV را برای آزمون این که آیا نور کوانتومی می‌تواند فیزیک میدانی قوی را بدون نیاز به مؤلفهٔ میدان کلاسیک رانده کند، انتخاب کرد.
راه‌اندازی آزمایش و روش‌شناسی
برای بررسی این معما، تیم پالس‌های BSV خود را بر سر سوزن تنگستنی با شعاع فقط چند ده نانومتری متمرکز کرد که داخل یک محفظهٔ خلأ فوق‌العاده بالا نگه‌داشته می‌شد. تنگستن به دلیل تابع کاری مناسب و پایداری‌اش به‌طور گسترده برای چنین آزمایش‌هایی به‌کار می‌رود.
تنظیمات آزمایشی دو شرط بحرانی دارد. نخست، تیز بودن نانو‌مقیاس سر سوزن میدان نوری را در نوک خود متمرکز و تقویت می‌کند و شرایط شدید مورد نیاز برای فوتوالکترونی میدانی قوی را ایجاد می‌سازد. دوم، برای به‌دست آوردن اندازه‌گیری‌های تمیز و قابل‌تکرار، شرایط خلأ فوق‌العاده بالا لازم است تا از آلودگی سطح سر سوزن جلوگیری شود.
وقتی نور کوانتومی به سر سوزن برخورد کرد، الکترون‌ها از طریق فوتوالکترونی غیرخطی ساطع شدند — فرایندی که در آن چندین فوتون باید همزمان عمل کنند تا یک الکترون از سطح فلز آزاد شود.
پژوهشگران از یک اسپکتروفتومتر الکترونی سفارشی استفاده کردند که نه تنها تعداد کل الکترون‌ها، بلکه انرژی هر الکترون به‌صورت جداگانه را اندازه‌گیری می‌کرد. نکتهٔ مهم این بود که اندازه‌گیری تعداد فوتون برای هر پالس نوری با استفاده از یک فتو‌دیود همگام‌سازی شد.
این تشخیص به‌صورت تک‌شات برای تحلیل ضروری بود. برای هر یک از حدود ۶۰۰,۰۰۰ پالس BSV، تیم همزمان تعداد فوتون‌ها و انرژی‌های الکترون‌های ساطع‌شده را ثبت کرد و به این ترتیب امکان همبستگی دو اندازه‌گیری به‌صورت پالس به پالس فراهم شد.
ظهور الگوهای مخفی
وقتی پژوهشگران برای اولین بار داده‌های خود را با میانگین‌گیری بر روی تعداد زیادی پالس تحلیل کردند، طیف‌های انرژی وسیع الکترونی با انرژی بیش از ۶۰ الکترون‌ولت مشاهده کردند که بسیار بالاتر از انرژی‌های پیش‌بینی‌شده برای نور کلاسیک با شدت متوسط مشابه بود. با این حال، این طیف‌های میانگین‌شده هیچ فاصلۀ ثابت یا قطع‌حرف واضحی نشان ندادند، ویژگی‌های امضایی که هنگام بازپخش الکترون‌ها از سطح‌ها تحت نور شدید انتظار می‌رفت.
پیشرفت زمانی رخ داد که آنها داده‌های خود را پس از انتخاب (post‑selection) کردند و طیف‌های الکترونی را بر اساس تعداد فوتون‌های شناسایی‌شده در هر پالس فردی مرتب کردند.
«در ابتدا، وقتی بر روی تعداد زیادی پالس BSV میانگین‌گیری می‌کردیم، ویژگی فاصلۀ ثابت در فیزیک میدانی قوی ناپدید شد زیرا نور خلاء فشرده نوسان‌های شدیدی در تعداد فوتون از پالس به پالس دارد که منجر به «میانگین‌گیری» و محو شدن ساختار زیرین می‌شود»، دکتر پیتر هومِل‌هوف، استاد فیزیک در FAU توضیح داد.
«برای مقابله با این مسأله، متوجه شدیم می‌توانیم طیف‌ها را بر اساس تعداد فوتون هر پالس فردی پس از انتخاب (post‑selection) کنیم. به این ترتیب، فاصلۀ ثابت و قطع‌حرف مخفی را بازگردانده‌ایم.»
برای پالس‌های با تعداد فوتون بیشتر، طیف‌های انرژی الکترونی فاصلۀ ثابت واضحی نشان دادند که با قطع‌حرفی تیز در انرژی‌های به‌خوبی تعریف‌شده به پایان می‌رسید. این ویژگی‌ها با نتایج مشاهده‌شده در نور یکنواخت کلاسیک هم‌خوانی داشتند و به‌صورت متناسب با تعداد فوتون افزایش یافتند — دقیقاً همان‌طور که از «قانون ۱۰Up» که بازپخش میدانی قوی را توصیف می‌کند، پیش‌بینی می‌شود.
از انرژی‌های قطع‌حرف، تیم ضریب تقویت میدان نوری ۳.۴ ± ۰.۶ را در سر سوزن استخراج کرد که با مقادیر به‌دست‌آمده با نور یکنواخت سازگار است.
نتایج نشان می‌دهد الکترون‌های تحت رانده‌شدن توسط BSV طوری رفتار می‌کنند که گویی توسط یک مجموعه از پالس‌های نور یکنواخت، هر کدام با شدت متفاوت، تحرک می‌یابند.
«اگرچه خلاء فشرده هیچ میدان کلاسیکی ندارد، حالت کوانتومی آن می‌تواند به‌عنوان ابرپوزیشن تعدادی مؤلفهٔ میدان یکنواخت در نظر گرفته شود — هر یک قادر به رانده شدن الکترون‌ها همانند یک پالس کلاسیک است»، دکتر هیمرل توضیح داد. «الکترون‌ها به‌طور مؤثری این مجموعه از حالت‌های یکنواخت را نمونه‌برداری می‌کنند.»
شبیه‌سازی‌های کامپیوتری این تفسیر را تأیید کردند؛ وقتی تیم BSV را به‌عنوان مجموع وزن‌دار شدت‌های مختلف میدان کلاسیک بر اساس توزیع احتمال حالت کوانتومی مدل‌سازی کرد، نتایج آزمایشی بازتولید شد.
فراتر از نظریه
این کار امکانات جدیدی را برای استفاده از الکترون‌های به‌شدت رانده‌شده به‌عنوان حسگرهای نور کوانتومی فراهم می‌کند.
«الکترون‌های به‌شدت رانده‌شده به میدان الکتریکی لحظه‌ای نور حساسیت فوق‌العاده‌ای دارند»، پیلوت توضیح داد. «بر خلاف روش‌های شمارش فوتون سنتی، این روش به‌صورت مستقیم می‌سنجد که نور کوانتومی چگونه می‌تواند ماده را در مقیاس‌های زمانی فوق‌سریع تحت تأثیر قرار دهد و می‌تواند ویژگی‌های فضایی و زمانی میادین کوانتومی را با وضوح آتوسکندی آشکار سازد.»
این کار پیشرفت‌هایی در زمینهٔ اپتیک کوانتومی میدانی قوی به‌همراه دارد، حوزه‌ای نوظهور که به‌دنبال درک چگونگی تأثیر ویژگی‌های کوانتومی نور بر تعاملات نور‑مادهٔ شِدیده است.
«مطالعات آینده می‌توانند بررسی کنند که انواع مختلف نور کوانتومی چگونه بر فرآیندهای میدانی قوی مانند تولید هارمونیک‌های بالا (high‑harmonic generation) و یونیزاسیون بالاتر از آستانه (above‑threshold ionization) تأثیر می‌گذارند»، هومِل‌هوف افزود.
پژوهشگران اشاره می‌کنند که افزودن یک میدان کلاسیک دوم به BSV می‌تواند توموگرافی کامل حالت کوانتومی را ممکن سازد؛ ویژگی‌های کوانتومی خاصی بر اساس فاز نسبی بین این دو میدان برجسته می‌شوند.
اطلاعات بیشتر: هیمرل و همکاران، نور کوانتومی الکترون‌ها را در سر سوزن‌های فلزی به‌طور قوی رانده می‌کند، Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03087-1.
اطلاعات مجله: Nature Physics