للمرة الأولى، فريق من العلماء يتمكن من تحديد الشكل الهندسي لدالة موجة الإلكترون بدقة عالية

إذا سبق لك أن قمت بتصفح كتاب للعلوم، فربما تكون قد رأيت صورة لذرة، حيث تتكون الذرة من مجموعة البروتونات والنيوترونات في النواة، وتدور حول النواة مجموعة من الإلكترونات. ولكن هل تعلم أيضًا أن كل هذه الجسيمات ليست على شكل كرات صغيرة أنيقة، كما هو موضح في العادة!
على حد علمنا، ليس للإلكترونات في الواقع “شكل” في حد ذاته – بل هي إما جزيئات نقطية أو أنها تتصرف كموجة، والتي تُغير شكلها اعتمادًا على طاقتها. لكن حاليا، ولأول مرة في التاريخ، تمكن علماء الفيزياء من رسم خرائط لإلكترون أحادي في ذرة اصطناعية.
تتضمن هذه التقنية استخدام النقاط الكمومية، وهي عبارة عن بلورات أشباه موصلات متناهية في الصغر. ومن المحتمل أيضا أنك قد سمعت عن استخدام هذه النقاط البلورية في تقنية عرض النقاط الكمومية ، مثل أجهزة تلفزيون QLED ، ولكن لهذه النقاط البلورية أهمية أكبر من مجرد فقط مشاهدة فيلم Avengers بدقة عالية.
ويشار إليها أيضًا بأنها ذرات اصطناعية لأنها تستطيع بشكل أساسي احتجاز الإلكترونات وحصر حركتها في ثلاثة أبعاد، مع الاحتفاظ بهذه الإلكترونات في مكانها ضمن المجالات الكهربائية. تتصرف هذه الإلكترونات المحاصرة مثل الإلكترونات المرتبطة بذرة، وتظل في أماكن محددة.
باستخدام جهاز كاشف الطيف، تمكن الباحثون من تحديد مستويات الطاقة في نقطة الكم، ومراقبة كيف تتصرف هذه المستويات عندما تُوضع في مجالات مغناطيسية متباينة القوة والاتجاه. وهذا بدوره سمح للفريق بحساب شكل دالة موجة الإلكترون داخل النقطة الكمومية، وصولاً إلى دقة أصغر من مقياس النانومتر.
ويقول الفيزيائي دانييل لوس من جامعة بازل: “ببساطة، يمكننا استخدام هذه الطريقة لمعرفة شكل الإلكترون للمرة الأولى”.
لكن هذا لم يكن كل ما قاموا بإنجازه. أيضًا باستخدام ضبط المجال الكهربائي، تمكنوا من تغيير شكل حركة الإلكترون، والتحكم في دورانه بدقة عالية.
هذا الانجاز يفسح الطريق في مجال البحوث والتكنولوجيا في المستقبل. ويمكن أن يلعب دورًا محورياً في أبحاث التشابك الكمومي، نظرًا لأن التشابك الناجح يتطلب أن تكون الدالة الموجية لإلكترونين موجَّهةً على نفس المستوى. وبما أن العلماء تمكنوا من التحكم في شكل دالة موجة الإلكترون فإن ذلك سيكون مفيداً إلى حد كبير في إتمام عملية التشابك.
بالنسبة لتطبيقات هذا الانجاز في مجال التكنولوجيا، فإن التحكم في معدل الدوران الإلكترون سيلعب دوراً بارزاً في تقنية الكيوبت qubit ، والتي أصغر وحدة من المعلومات في الكمبيوتر الكمومي، وبما أن هذا الدوران يعتمد جزئيًا على الشكل الهندسي للإلكترون، فتعتبر هذه إحدى الطرق المحتملة لتحقيق هذا التحكم.
تم نشر البحث في ورقتين بحثيتين في مجلتي
Physical Review Letters and Physical Review B.