خلا فشردهٔ روشن، اثرات کوانتومی مخفی را در فیزیک میدان قوی نشان می‌دهد
توسط تِیاسری گوروراج، Phys.org
در یک مطالعهٔ جدید منتشر شده در Nature Physics، پژوهشگران نشان دادند که نور کوانتومی، به‌ویژه خلا فشردهٔ روشن (BSV)، می‌تواند انتشار الکترونی در میدان قوی را در سر سوزن‌های فلزی تحریک کند.
علم آتوثانیه — مطالعهٔ رفتار الکترون‌ها در مقیاس زمان‌های 10⁻¹⁸ ثانیه — به‌طور سنتی بر پالس‌های لیزری پرشدت که نمایانگر «حالات هم‌سطحی» نور هستند، متکی است. این پالس‌ها به‌عنوان امواج الکترومغناطیسی کلاسیک با میدان الکتریکی نوسانی پیش‌بینی‌پذیر، الکترون‌ها را به سطوح انرژی بالاتر می‌برند.
هنگامی که الکترون‌ها تحت این تابش شدید از سطوح بازپخش می‌شوند، امضای خاصی به‌دست می‌آید: یک پلتوی ثابت در طیف انرژی‌شان که پس از آن با یک نقطه قطع‌سخت به‌پایان می‌رسد. این ویژگی‌ها به‌عنوان نشانه‌های کلیدی برای بررسی ماده با دقت آتوثانیه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این پژوهش جدید بررسی می‌کند که آیا نور کوانتومی واقعی، که ویژگی‌های اساسی متفاوتی نسبت به پالس‌های لیزری کلاسیک دارد، می‌تواند همچنان این دینامیک‌های میدان قوی را به‌وجود آورد یا نه.
دکتر جوناس هیمرل، یکی از نویسندگان همکار از دانشگاه فریدریش‑الکساندر ارلنگن‑نورنبرگ (FAU) به Phys.org گفت: «انگیزهٔ ما از جدایی تاریخی بین فیزیک میدان قوی و اپتیک کوانتومی ناشی شد.»
«این دو حوزه به‌طور سنتی به‌کارگیری نور در محدوده‌های بسیار متفاوت می‌پردازند — یکی با میدان‌های نور بسیار شدید و کلاسیک و دیگری با ویژگی‌های کوانتومی نور، که معمولاً تنها شامل تعداد کمی فوتون می‌شود. ما به‌ایدیۀ پرپشت‌کردن این شکاف علاقه‌مند شدیم.»
پدیدهٔ کوانتومی غیرمنتظره
برخلاف لیزر هم‌سطحی سنتی، BSV نمایانگر یک حالت کوانتومی نور با ویژگی‌های غیرعادی است.
در پالس‌های لیزری کلاسیک، میدان الکتریکی نوسانی یک منحنی سینوسی پیش‌بینی‌پذیر با آمپلیفاید واضح را دنبال می‌کند. در مقابل، BSV کاملاً از نوسانات کوانتومی شدید تشکیل شده است که با دو برابر فرکانس حامل نوسان می‌کند و فاقد هرگونه مؤلفهٔ موجی هم‌سطحی است.
دکتر جوناتان پلوت، یکی از نویسندگان همکار از FAU توضیح داد: «از نظر کلاسیک، اثرات میدان قوی برای تحقق به یک میدان الکتریکی قوی و نوسانی نیاز دارند که الکترون‌ها را شتاب می‌دهند.»
او افزود: «در BSV، میانگین میدان صفر است — به این معنا که به‌طور میانگین نیرویی بر الکترون‌ها تأثیر نمی‌گذارد. نکتهٔ غیرمنتظره این است که نوسانات کوانتومی تقویت‌شده به‌تنهایی، بدون حضور یک میدان میانگین، برای رساندن الکترون‌ها به سطوح انرژی بالا کافی هستند.»
اگرچه میانگین میدان صفر است، BSV می‌تواند همچنان به‌طرز چشمگیری شدید باشد، زیرا شدت آن به مربع میدان الکتریکی وابسته است.
با همکاری آندری راسپوتنی و ماریا چخوا، تیم BSV را با استفاده از تقویت‌کننده پارامتریک نوری بدون بذر تولید کرد؛ پالس‌هایی با طول موج مرکزی ۱۶۰۰ نانومتر و مدت زمان ۲۵ فمتثانیه. این پالس‌ها نوسانات عظیم تعداد فوتون‌ها از یک فرت به‌فرت نشان دادند که از نزدیک به صفر تا تقریباً 1012 فوتون در هر پالس متغیر بود.
تیم به‌طور خاص BSV را برای آزمون این‌که آیا نور کوانتومی می‌تواند فیزیک میدان قوی را بدون حضور یک مؤلفهٔ میدان کلاسیک به‌عمل آورد، انتخاب کرد.
پیکربندی آزمایشی و روش‌شناسی
برای بررسی این معما، تیم پالس‌های BSV خود را بر روی نوک سوزن‌گونه‌ای از مولیبدن که قطر آن تنها چند ده نانومتر بود، در داخل یک محفظهٔ خلا فوق‌العادهٔ بالا متمرکز کرد. مولیبدن به‌دلیل قابلیت کارکرد مناسب و پایداری‌اش در چنین آزمایش‌هایی به‌طور گسترده استفاده می‌شود.
پیکربندی آزمایشی دو شرط اساسی دارد. نخست، تیزی نانو‌مقیاس نوک سوزن باعث تمرکز و تقویت میدان نوری در نقطهٔ اوج می‌شود و شرایط شدید لازم برای انتشار الکترونی در میدان قوی را فراهم می‌کند. دوم، برای داشتن اندازه‌گیری‌های پاک و قابل تکرار، نیاز به شرایط خلا فوق‌العادهٔ بالا است تا از آلودگی سطح نوک جلوگیری شود.
هنگامی که نور کوانتومی به نوک سوزن برخورد کرد، الکترون‌ها از طریق انتشار الکترونی غیرخطی آزاد شدند — فرایندی که در آن تعدادی چندین فوتون باید همزمان عمل کنند تا الکترونی از سطح فلز رها شود.
پژوهشگران از یک طیف‌سنج الکترونی ساخته‌شده مخصوص استفاده کردند که می‌توانست نه‌تنها تعداد کل الکترون‌ها را بلکه انرژی هر الکترون را به‌صورت جداگانه اندازه‌گیری کند. نکتهٔ بحرانی این بود که اندازه‌گیری تعداد فوتون برای هر پالس نور با یک فتو‌دیود همگام‌سازی شد.
این تشخیص به‌صورت تک‑پالس (shot‑resolved) برای تجزیه و تحلیل ضروری بود. برای هر یک از تقریباً ۶۰۰٬۰۰۰ پالس BSV، تیم هم تعداد فوتون و هم انرژی الکترون‌های آزادشده را ثبت کرد تا بتوانند این دو اندازه‌گیری را برای هر پالس به‌صورت جداگانه همبستگی دهند.
ظهور الگوهای نهفته
زمانی که پژوهشگران برای نخستین بار داده‌های خود را با متوسط‌گیری بر روی تعداد زیادی پالس تحلیل کردند، طیف‌های وسیع انرژی الکترونی را مشاهده کردند که فراتر از ۶۰ الکترون‌ولط می‌رفت، که به‌مراتب بیش از انرژی‌های پیش‌بینی‌شده برای نور کلاسیک با شدت متوسط معادل بود. با این حال، این طیف‌های متوسط هیچ پلتو یا نقطهٔ قطع واضحی نشان نمی‌دادند؛ ویژگی‌های امضایی که هنگام بازپخش الکترون‌ها از سطوح تحت نور شدید انتظار می‌رود.
تحول زمانی رخ داد که آن‌ها داده‌های خود را پس‌انتخاب (post‑selection) کردند و طیف‌های الکترونی را بر اساس تعداد فوتون‌های شناسایی‌شده در هر پالس به‌صورت جداگانه طبقه‌بندی کردند.
دکتر پیتر هوملهوف، استاد فیزیک در FAU، توضیح داد: «در ابتدا، زمانی که ما میانگین‌گیری بر روی تعداد زیادی پالس BSV انجام دادیم، ویژگی پلتوی مشخص فیزیک میدان قوی ناپدید شد؛ زیرا نور خلا فشرده دارای نوسانات شدید تعداد فوتون از یک پالس به‌پالس دیگر است که منجر به «میانگین‌گیری» و محو شدن ساختار اصلی می‌شود.»
او افزود: «برای غلبه بر این مسئله، دریافتیم می‌توانیم طیف‌ها را بر اساس تعداد فوتون هر پالس به‌صورت پس‌انتخابی دسته‌بندی کنیم. به این ترتیب، پلتوی مخفی و نقاط قطع را بازگرداندیم.»
در پالس‌هایی که تعداد فوتون بالاتری داشتند، طیف‌های انرژی الکترونی پلتوهای واضحی را نشان دادند که با نقاط قطع تیز و انرژی‌های به‌خوبی تعریف‌شده به‌پایان می‌رسید. این ویژگی‌ها با آن‌هایی که در نور هم‌سطحی کلاسیک مشاهده می‌شود، مطابقت داشت و به‌صورت متناسب با تعداد فوتون افزایش یافت — دقیقاً همان‌طور که از قانون «۱۰‑Up» حاکم بر بازپخش در میدان قوی پیش‌بینی می‌شود.
از انرژی‌های نقطهٔ قطع، تیم عامل تقویت میدان نوری ۳٫۴ ± ۰٫۶ را در نوک سوزن استخراج کرد که با مقادیر به‌دست‌آمده با نور هم‌سطحی سازگار است.
نتایج نشان می‌دهد که الکترون‌های تحریک‌شده توسط BSV گویی تحت تاثیر مجموعه‌ای از پالس‌های نور هم‌سطحی قرار دارند که هرکدام شدت متفاوتی دارند.
دکتر هیمرل توضیح داد: «اگرچه خلا فشرده هیچ میدان کلاسیکی ندارد، حالت کوانتومی آن را می‌توان به‌عنوان ترکیبی از اجزای متعدد نور هم‌سطحی درک کرد — هرکدام می‌توانند الکترون‌ها را همانند یک پالس کلاسیک تحریک کنند. الکترون‌ها به‌طور مؤثری این مجموعه از حالات هم‌سطحی را نمونه‌گیری می‌کنند.»
شبیه‌سازی‌های عددی این تفسیر را تأیید کردند و نتایج آزمایشی را بازتولید کردند هنگامی که تیم BSV را به‌عنوان مجموع وزنی ایستگاه‌های مختلف میدان کلاسیک بر پایه توزیع احتمال حالت کوانتومی مدل‌سازی کرد.
فراتر از نظریه
این کار افق‌های جدیدی را برای استفاده از الکترون‌های به‌صورت شدید تحریک‌شده به‌عنوان حسگرهای نور کوانتومی فراهم می‌کند.
دکتر پلوت توضیح داد: «الکترون‌های به‌طور شدید تحریک‌شده حساسیت فوق‌العاده‌ای به میدان الکتریکی لحظه‌ای نور دارند. برخلاف فنون معمول شمارش فوتون، این روش به‌صورت مستقیم می‌سنجد که نور کوانتومی چگونه می‌تواند ماده را در مقیاس‌های زمان فوق‌سریع تحت تاثیر قرار دهد و می‌تواند ویژگی‌های فضایی و زمانی میدان‌های کوانتومی را با دقت آتوثانیه‌ای آشکار سازد.»
این تحقیق پیشرفت‌هایی در حوزه اپتیک کوانتومی میدان قوی فراهم می‌کند؛ حوزه‌ای نوظهور که به‌دنبال درک چگونگی اثرگذاری ویژگی‌های کوانتومی نور بر تعاملات شدید نور‑ماده است.
دکتر هوملهوف افزود: «مطالعات آینده می‌توانند بررسی کنند که چگونه انواع مختلف نور کوانتومی بر فرایندهای میدان قوی نظیر تولید هارمونیک‌های بالا و یونیزاسیون بالاتر از آستانه تأثیر می‌گذارند.»
پژوهشگران اشاره کردند که افزودن یک میدان نور کلاسیک دوم به BSV می‌تواند توموگرافی کامل حالت کوانتومی را امکان‌پذیر سازد و ویژگی‌های کوانتومی خاصی را بسته به فاز نسبی بین این دو میدان برجسته کند.
این مقاله توسط نویسنده‌مان تِیاسری گوروراج نوشته، توسط گابی کلارک ویرایش، و توسط رابرت ایگان بازبینی و صحت‌سنجی شده است — نتیجهٔ کاری دقیق انسانی است. ما به خوانندگانی مانند شما وابسته‌ایم تا روزنامه‌نگاری مستقل علمی زنده بماند. اگر این گزارش برای شما مهم است، لطفاً یک کمک مالی (به‌ویژه ماهانه) در نظر بگیرید. به‌عنوان تشکر، یک حساب بدون تبلیغ برای شما فراهم می‌شود.
اطلاعات بیشتر: هیمرل و همکاران، نور کوانتومی به‌طور قوی الکترون‌ها را در سر سوزن‌های فلزی تحریک می‌کند، Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03087-1.
اطلاعات نشریه: Nature Physics
© 2025 Science X Network
استناد: خلا فشردهٔ روشن، اثرات کوانتومی مخفی را در فیزیک میدان قوی نشان می‌دهد (2025، 20 نوامبر) دریافت‌شده 21 نوامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-11-bright-vacuum-reveals-hidden-quantum.html
این سند تحت حق تکثیر قرار دارد. به‌جز هرگونه استفاده منصفانه برای مقاصد مطالعه یا تحقیق خصوصی، هیچ بخشی از آن بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوا صرفاً برای مقاصد اطلاع‌رسانی ارائه شده است.