معنی کوانتوم و حرکت به‌ نقطه‌صفر

به گزارش خبرگزاری ایمناو به نقل از ساینس، تیمی از فیزیک‌دانان دانشگاه گوته-فرانکفورت به همراه پژوهشگران بین‌المللی در مرکز European XFEL برای نخستین‌بار توانسته‌اند نوسانات کوانتومیِ ( در فیزیک به واحدهای کوچک و گسسته انرژی یا ماده اشاره دارد. در حالی که "حرکت به نقطه صفر" (Zero-point motion) به حرکت دائمی و تصادفی ذرات حتی در پایین‌ترین حالت انرژی خود (صفر مطلق) اشاره دارد که ناشی از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ در مکانیک کوانتومی است. ) ذرات (موسوم به حرکت نقطه‌صفر (zero-point motion)) را در یک مولکول میان‌رده به‌صورت مستقیم بازسازی و تصویربرداری کنند. این دستاورد، که با بهره‌گیری از پالس‌های فوق‌کوتاه و شدید لیزر X-FEL و روش «تصویربرداری انفجار کولمبی» به‌دست آمده، مرزهای مشاهده پدیده‌های کوانتومی در مواد پیچیده را جابه‌جا می‌کند.

بیشتر مطالعه کنید

چه چیزی اندازه‌گیری شده و چرا مهم است؟

در نظریهٔ کوانتومی، حتی در پایین‌ترین حالت انرژی (حالت پایه) ذرات هرگز به‌طورکامل ساکن نیستند؛ آن‌ها دچار نوسانات ذاتی‌ای می‌شوند که نتیجهٔ اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است. اما تا کنون چنین «لرزشِ اتمی» در مولکول‌های نسبتاً پیچیده فقط به‌صورت شواهد غیرمستقیم شناخته می‌شد. اکنون دانشمندان با بازسازی جهت‌ها و سرعت‌های قطعات حاصل از انفجار کنترلیِ یک مولکول، توانسته‌اند الگوهای هم‌بستهٔ این نوسانات را مشاهده کنند؛ یعنی اتم‌ها در قالب «مدهای ارتعاشی» هماهنگ با هم می‌رقصند.

مولکولِ هدف: ۲- آیودوپیریدین (2-iodopyridine)

آزمایش روی مولکولی به نام ۲- آیودوپیریدین انجام شد؛ مولکولی ۱۱ اتمی با چندین مود ارتعاشی که ساختارش به پژوهشگران امکان می‌دهد الگوهای ارتعاشی پیچیده را تحلیل کنند، نتایج نشان می‌دهد نوسانات در این مولکول نه به‌صورت مستقل، بلکه به‌شکل «هم‌قفل» رخ می‌دهند و طیف کاملی از مودهای ارتعاشی قابل تفکیک هستند.

چگونه «تصویر» گرفته شد؟ توضیحِ فنیِ به‌زبانِ ساده

روش مرکزیِ این پژوهش Coulomb Explosion Imaging است: پالس‌های بسیار کوتاه و پرتوانِ لیزر X-FEL الکترون‌های زیادی را از مولکول می‌زدایند؛ در نتیجه هسته‌ها بار مثبت پیدا کرده و به‌علت دفع الکتریکی «در کسری از فمتوثانیه» از هم متفرق می‌شوند. با اندازه‌گیری جهت و زمانِ رسیدنِ قطعات به آشکارسازهای ویژه (میکروسکوپ واکنش COLTRIMS) می‌توان ساختار اولیه و حتی نوسانات کوانتومی پیش از انفجار را بازسازی کرد. به‌عبارت دیگر، محققان با «فریز فریم» کردن انفجارِ مولکول، الگوی آماری موقعیت‌ها و هم‌بستگی‌های اتمی را بازیابی کرده‌اند.

نقش داده‌ها و هوش تحلیلی: بازخوانی مجموعه‌های قدیمی با الگوریتم‌های نوین

نکتهٔ جالب تاریخی این پروژه این است که بخش عمده‌ای از داده‌های پایه در سال ۲۰۱۹ گردآوری شده بودند؛ اما تفسیرِ علائم حرکت نقطه‌صفر نیازمند ترکیب داده‌های قدیمی با الگوریتم‌های جدید و تحلیل‌های دقیق بود. این نکته نشان می‌دهد سرمایه‌گذاری در ذخیره‌سازی داده‌های تجربی و استفادهٔ مجدد از آن‌ها با روش‌های تحلیلی نو می‌تواند نتایجی بنیادی تولید کند.

پیامدهای علمی و کاربردی — از نظریه تا صنعت

این رصد مستقیم چند لایه اهمیت دارد:

• تقویت مدل‌های نظری: اندازه‌گیری الگوهای هم‌قفلِ نقطه‌صفر، پایه‌های نظری کوانتومی را در مقیاس مولکولی تقویت می‌کند و امکان آزمون دقیق‌تر مدل‌های دینامیک مولکولی را فراهم می‌آورد.
• پیشرفت تصویربرداری سریع: ترکیب XFEL با COLTRIMS نشان می‌دهد می‌توان به فرایندهای بسیار سریع‌تر(همچون دینامیک الکترونی) نیز نزدیک شد و «فیلم»‌هایی با فریم‌ریتِ فوق‌العاده تولید کرد.
• کاربرد در شیمی و داروسازی: توانمندی بازسازی دقیق مودهای ارتعاشی می‌تواند به طراحی مولکولی دقیق‌تر، فهم مسیرهای واکنشی و بهینه‌سازی داروها کمک کند.

پاسخ به یک نگرانی معمول: آیا ما «حرکت اتم» را مثلِ یک کرهٔ کلاسیک دیدیم؟

خیر! این تصویر شبیه دیدن توپ یا سیاره نیست. آنچه ثبت شده، الگوهای آماری و هم‌بستگی بین موقعیت‌های اتمی است که از مجموعه‌ای از فریزفریم‌های انفجاری بازسازی شده‌اند. بنابرین «دیدن» این حرکت یعنی مشاهدهٔ توزیع و هم‌بستگی که فقط با روش‌های کوانتومی قابلِ تبیین است، نه ثبتِ مکان لحظه‌ایِ دقیقِ یک ذره به‌صورت کلاسیک.

چه چیزی در راه است؟ چشم‌انداز پژوهش‌های بعدی

تیم تحقیقاتی اظهار کرده است که گام بعدی تلاش برای تصویربرداری از نوسانات الکترونی است؛ پدیده‌ای بسیار سریع‌تر از حرکت هسته‌ها. دستیابی به این سطح تصویربرداری می‌تواند به ضبط «لحظهٔ واکنش‌های شیمیایی» در زمان واقعی بینجامد و درک ما از فرآیندهای کوانتومی و شیمیایی را وارد فصلی تازه کند.

این کشف یعنی، با ابزارهای جدید و روشِ انفجارِ کنترل‌شده، دانشمندان می‌توانند الگوهای حرکتیِ بسیار ظریفِ اتم‌ها را در حالت پایه ببینند؛ چیزی که فقط از راهِ استنتاج ممکن بود. این پیشرفت، دری به سوی مشاهده آنچه پیشتر «نامرئی» بود باز می‌کند و مسیرِ فناوری‌های تصویربرداریِ کوانتومی را هموار می‌سازد.