(1)
تعد ظاهرة النفق الكمي quantum tunneling واحدة من الاختلافات الجلية بين الفيزياء الكلاسيكية والفيزياء الكمية. ففي الفيزياء الكلاسيكية إذا كانت الطاقة الحركية للجسيم أقل من حاجز طاقة الوضع، فإن الجسيم لا يستطيع النفاذ، ولكن الجسيمات الكمية تستطيع النفاذ عبره.
تعد ظاهرة النفق الكمي quantum tunneling واحدة من الاختلافات الجلية بين الفيزياء الكلاسيكية والفيزياء الكمية. ففي الفيزياء الكلاسيكية إذا كانت الطاقة الحركية للجسيم أقل من حاجز طاقة الوضع، فإن الجسيم لا يستطيع النفاذ، ولكن الجسيمات الكمية تستطيع النفاذ عبره.
(2)
النفق الكمي محير فكريًّا... ولكنه مفيد من الناحية التقنية ومثير للاهتمام من الناحية العلمية. على الرغم من أن ميكانيكا الكم لا يمكنها الإجابة على العديد من أسئلتنا حول ظاهرة النفق، فإن بعض التجارب الحالية في الفيزياء تحاول تحديد مقدار الوقت المستغرق في عملية النفق الكمي!
النفق الكمي محير فكريًّا... ولكنه مفيد من الناحية التقنية ومثير للاهتمام من الناحية العلمية. على الرغم من أن ميكانيكا الكم لا يمكنها الإجابة على العديد من أسئلتنا حول ظاهرة النفق، فإن بعض التجارب الحالية في الفيزياء تحاول تحديد مقدار الوقت المستغرق في عملية النفق الكمي!
(3)
نستطيع باستخدام ميكانيكا الكم حساب احتمالية حدوث عملية النفق الكمي المتوقعة في نظام فيزيائي معين، ولكن ميكانيكا الكم لا تستطيع إخبارنا عن تفاصيل عملية النفق الكمي.
نستطيع باستخدام ميكانيكا الكم حساب احتمالية حدوث عملية النفق الكمي المتوقعة في نظام فيزيائي معين، ولكن ميكانيكا الكم لا تستطيع إخبارنا عن تفاصيل عملية النفق الكمي.
(4)
على سبيل المثال: تحدث ظاهرة التحلل الإشعاعي بسبب عملية النفق الكمي. تخبرنا ميكانيكا الكم أن نصف العينة المكونة من ذرات كربون 14 سوف تتحلل خلال الـ 5730 سنة القادمة، لكنها لا تستطيع إخبارنا أي ذرة سوف تتحلل، ولا لماذا تتحلل ذرة معينة قبل ذرة أخرى.
على سبيل المثال: تحدث ظاهرة التحلل الإشعاعي بسبب عملية النفق الكمي. تخبرنا ميكانيكا الكم أن نصف العينة المكونة من ذرات كربون 14 سوف تتحلل خلال الـ 5730 سنة القادمة، لكنها لا تستطيع إخبارنا أي ذرة سوف تتحلل، ولا لماذا تتحلل ذرة معينة قبل ذرة أخرى.
(5)
لدى ظاهرة النفق الكمي العديد من التطبيقات المؤثرة في حياتنا، فهو الظاهرة الرئيسة وراء مجهر المسح النفقي الإلكتروني STM الذي يعد سببًا رئيساً للثورة في علوم وتقنيات النانو. لم يستغرق المجتمع العلمي سوى 5 سنوات حتى يكافئ هذا الاختراع بجائزة نوبل عام 1986، كدليل على أهميته.
لدى ظاهرة النفق الكمي العديد من التطبيقات المؤثرة في حياتنا، فهو الظاهرة الرئيسة وراء مجهر المسح النفقي الإلكتروني STM الذي يعد سببًا رئيساً للثورة في علوم وتقنيات النانو. لم يستغرق المجتمع العلمي سوى 5 سنوات حتى يكافئ هذا الاختراع بجائزة نوبل عام 1986، كدليل على أهميته.
(6)
النفق الكمي مهم أيضا في كثير من المفاهيم الفيزيائية الأخرى، مثل: الاندماج النووي في النجوم، الدوائر الكهربائية الكمية Josephson junctions المستخدمة في القياس الدقيق للمجال المغناطيسي وكذلك في صناعة الsuperconducting qubits، و بعض العمليات الحيوية كالبناء الضوئي وغيرها الكثير.
النفق الكمي مهم أيضا في كثير من المفاهيم الفيزيائية الأخرى، مثل: الاندماج النووي في النجوم، الدوائر الكهربائية الكمية Josephson junctions المستخدمة في القياس الدقيق للمجال المغناطيسي وكذلك في صناعة الsuperconducting qubits، و بعض العمليات الحيوية كالبناء الضوئي وغيرها الكثير.
(7)
بعد معرفة أهمية عملية النفق يأتي السؤال: كم من الوقت تستغرقه هذه العملية؟؟؟
كان هذا السؤال موضوع نقاش نظري مكثف لأكثر من 80 سنة. للإجابة على هذا السؤال تجريبيًّا، يحاول العلماء عادةً دراسة عملية النفق الكمي في أبسط الأنظمة الطبيعية الممكنة مثل ذرات الهيليوم أو الهيدروجين.
بعد معرفة أهمية عملية النفق يأتي السؤال: كم من الوقت تستغرقه هذه العملية؟؟؟
كان هذا السؤال موضوع نقاش نظري مكثف لأكثر من 80 سنة. للإجابة على هذا السؤال تجريبيًّا، يحاول العلماء عادةً دراسة عملية النفق الكمي في أبسط الأنظمة الطبيعية الممكنة مثل ذرات الهيليوم أو الهيدروجين.
(8)
لم يتم الفصل في هذا السؤال لفترة طويلة من الزمن لأن الأدوات التجريبية المتوفرة لقياس الزمن كانت أقل دقة من الأوقات المتوقعة نظريًّا(عشرات الأوتو ثواني)لحدوث عملية النفق الكمي. تم تجاوز هذه العقبة بعد ظهور أدوات قياس بدقة أوتو ثانية، وعلى وجه الخصوص، تقنية جديدة في هذه الورقة.
لم يتم الفصل في هذا السؤال لفترة طويلة من الزمن لأن الأدوات التجريبية المتوفرة لقياس الزمن كانت أقل دقة من الأوقات المتوقعة نظريًّا(عشرات الأوتو ثواني)لحدوث عملية النفق الكمي. تم تجاوز هذه العقبة بعد ظهور أدوات قياس بدقة أوتو ثانية، وعلى وجه الخصوص، تقنية جديدة في هذه الورقة.
(9)
في هذه الطريقة، تستخدم نبضة ليزر قصيرة المدة، ذات استقطاب دائري، لمساعدة الإلكترون في ذرة الهيدروجين على الإفلات من الذرة. هذه العملية تتضمن خطوتين:
(أ) إفلات الإلكترون من الذرة بفضل مساعدة نبضة الليزر في تحسين احتمالية حدوث النفق الكمي
في هذه الطريقة، تستخدم نبضة ليزر قصيرة المدة، ذات استقطاب دائري، لمساعدة الإلكترون في ذرة الهيدروجين على الإفلات من الذرة. هذه العملية تتضمن خطوتين:
(أ) إفلات الإلكترون من الذرة بفضل مساعدة نبضة الليزر في تحسين احتمالية حدوث النفق الكمي
(10)
(ب) حركة الإلكترون خارج الذرة حتى يصل لجهاز الرصد. عندما تخرج الإلكترونات من الحاجز، يتم "ركلها" بواسطة المجال الكهربائي في اتجاه يحدده متجه المجال الكهربائي لنبضة الليزر.
(ب) حركة الإلكترون خارج الذرة حتى يصل لجهاز الرصد. عندما تخرج الإلكترونات من الحاجز، يتم "ركلها" بواسطة المجال الكهربائي في اتجاه يحدده متجه المجال الكهربائي لنبضة الليزر.
(11)
عبر معرفة الموضع النهائي للإلكترون على جهاز الرصد يُحدد اتجاه المجال الكهربائي اللحظي أثناء حالة النفق، ومن خلاله يُحدد زمن عملية النفق. بمقارنة النتائج المرصودة مع المتوقعة نظرياً، يُحدد زمن النفق كجزء من زمن دورة نبضة الليزر المحفزة (والذي يكون بعض الفيمتو ثواني).
عبر معرفة الموضع النهائي للإلكترون على جهاز الرصد يُحدد اتجاه المجال الكهربائي اللحظي أثناء حالة النفق، ومن خلاله يُحدد زمن عملية النفق. بمقارنة النتائج المرصودة مع المتوقعة نظرياً، يُحدد زمن النفق كجزء من زمن دورة نبضة الليزر المحفزة (والذي يكون بعض الفيمتو ثواني).
(12)
تجدر الإشارة إلى أن معنى الزمن اللازم لعملية النفق الكمي قد يختلف باختلاف نوع التجربة المستخدمة. فبالإضافة لقياس زمن إفلات الإلكترون من ذرة الهيدروجين، أصبح من الممكن أيضاً إرسال ذرات من خارج حاجز طاقة الوضع، وقياس الزمن الذي تستغرقه الذرات في عبور الحاجز.
تجدر الإشارة إلى أن معنى الزمن اللازم لعملية النفق الكمي قد يختلف باختلاف نوع التجربة المستخدمة. فبالإضافة لقياس زمن إفلات الإلكترون من ذرة الهيدروجين، أصبح من الممكن أيضاً إرسال ذرات من خارج حاجز طاقة الوضع، وقياس الزمن الذي تستغرقه الذرات في عبور الحاجز.
(13)
ففي تجربة نشرت في يوليو الماضي تم قياس زمن النفق الكمي لعبور ذرات الروبيديوم للحاجز (كالموضح في الصورة السابقة) وكانت النتائج مذهلة!
عملية النفق الكمي في هذه التجربة لا تحدث بشكل آني فحسب، بل تحدث بشكل أسرع مما لو كان الإلكترون سيتحرك في الفضاء بسرعة الضوء!
ففي تجربة نشرت في يوليو الماضي تم قياس زمن النفق الكمي لعبور ذرات الروبيديوم للحاجز (كالموضح في الصورة السابقة) وكانت النتائج مذهلة!
عملية النفق الكمي في هذه التجربة لا تحدث بشكل آني فحسب، بل تحدث بشكل أسرع مما لو كان الإلكترون سيتحرك في الفضاء بسرعة الضوء!
(14)
وفقًا لبعض تفسيرات ميكانيكا الكم: ترتبط عملية النفق الكمي بانهيار الدالة الموجية. وبالتالي مع تطور أدوات قياس الزمن ووصولها لدقة زيبتو (= 10 أس سالب 21) ثانية أو أقل، قد نتمكن من دراسة عملية انهيار الدالة الموجية في المختبر، وربما أكثر!
وفقًا لبعض تفسيرات ميكانيكا الكم: ترتبط عملية النفق الكمي بانهيار الدالة الموجية. وبالتالي مع تطور أدوات قياس الزمن ووصولها لدقة زيبتو (= 10 أس سالب 21) ثانية أو أقل، قد نتمكن من دراسة عملية انهيار الدالة الموجية في المختبر، وربما أكثر!
(15)
حتى تتضح الصورة أكثر، قمنا بإعداد هذا المقطع لشرح تجربة قياس زمن عملية النفق الكمي في ذرة الهيدروجين. تجدونه مرفقًا في هذا الرابط:
youtu.be
-انتهى-
حتى تتضح الصورة أكثر، قمنا بإعداد هذا المقطع لشرح تجربة قياس زمن عملية النفق الكمي في ذرة الهيدروجين. تجدونه مرفقًا في هذا الرابط:
youtu.be
-انتهى-
جاري تحميل الاقتراحات...