دانشمندان برای اولین بار هندسه الکترون را ترسیم کردند

اگر تاکنون یک کتاب علمی را باز‌ کرده‌ باشید، بی‌شک در آن عکسی از ساختار اتم دیده‌اید. در اغلب این عکس‌ها، تعدادی پروتون و نوترون در هسته وجود‌ دارند و تعداد زیادی الکترون نیز در اطراف آن‌ها در حال چرخش هستند. احتمالا این را هم می‌دانید که شکل این ذرات دقیقا به‌شکل کره‌ها‌ی کوچک جدا‌گانه نیست و این فقط تصویری است که معمولا نشان می‌دهند.

تا جایی که می‌دانیم، الکترون‌ها شکل مشخصی ندارند؛ گاهی مانند ذرات نقطه‌ای و گاهی شبیه موج رفتار می‌کنند و بسته به انرژی، شکل خود را عوض می‌کنند. اکنون برای اولین‌بار فیزیکدان‌ها شکل یک الکترون در یک اتم مصنوعی را نمایش‌داده‌اند.

در این تکنیک از نقاط کوانتومی استفاده می‌شود. نقاط کوانتومی، شبه‌رسانا‌ها‌ی کوچک کریستالی در مقیاس نانو هستند. احتمالا در مورد فناوری نمایش با نقاط کوانتومی مانند نمایشگر‌ها‌ی QLED شنیده‌اید اما از این تکنولوژی فقط برای تماشا‌ی فیلم سینمایی انتقام‌جویان (Avengers) با کیفیت بالا استفاده نمی‌شود؛ بلکه کاربرد آن بسیار گسترده‌تر است.

نقاط کوانتومی (کوانتوم دات ها)

به نقاط کوانتومی، اتم‌ها‌ی مصنوعی نیز گفته می‌شود چرا که این ذرات می‌توانند الکترون‌ها را به‌دام بیندازند و به‌وسیله‌ی میدان الکتریکی، حرکت آن‌ها را در سه بعد محدود‌ کنند. الکترون‌ها‌ی به‌دام انداخته‌شده به‌گونه‌ای رفتار می‌کنند که به‌نظر می‌رسد این الکترون‌ها در قید یک اتم هستند و در محل به‌خصوص خود قرار‌دارند.

پژوهشگران می‌تونستند با استفاده از طیف‌سنج، سطوح انرژی یک نقطه‌ی کوانتومی را تعیین‌ کنند. به این وسیله، پژوهشگران می‌توانند رفتار نقطه‌ی کوانتومی را در اثر تغییرات اندازه و جهت میدان مغناطیسی مشاهده‌کنند.

همین بررسی‌ها به تیم پژوهشی این امکان را داد تا بتوانند شکل تابع موج الکترون‌ها‌ی گیر‌انداخته‌شده توسط نقاط کوانتومی را در مقیاس کوچک‌تر از نانو‌متر، محاسبه‌کنند.

دانیال لاس، فیزیکدان دانشگاه باسل گفت:

ما برای اولین‌بار از این روش برای نشان‌دادن شکل واقعی الکترون استفاده‌ کردیم.

اما قضیه به همین‌جا ختم نمی‌شود. پژوهشگران با تنظیم‌کردن میدان الکتریکی توانستند طرز حرکت الکترون را تغییر‌ دهند و در همین حال، اسپین آن‌ها را نیز به روش بسیار دقیقی کنترل‌ کنند.

این کار تاثیر زیادی بر پژوهش‌ها و فناوری‌های آینده خواهد‌ گذاشت. این کار در پژوهش‌ها‌ی مربوط‌به در‌هم‌تنیدگی کوانتومی نیز بسیار مؤثر خواهد‌بود؛ چرا که برای در‌هم‌تنیده‌کردن الکترون‌ها یا هر ذره‌ی دیگر، لازم است تابع موج دو ذره در راستا‌ی یک صفحه‌ی مشترک قرار‌ داشته‌ باشند. توانایی کنترل تابع موج الکترون بسیار مفید خواهد‌ بود و کاربرد‌های گسترده‌ای خواهد‌ داشت.

در این فناوری می‌توان از نرخ اسپین الکترون‌ها در کیوبیت (کوچک‌ترین واحد اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی) استفاده‌ کرد. اما این کار تنها در‌صورتی امکان‌پذیر است که بتوان اسپین را کنترل‌کرد. از آنجایی که اسپین الکترون تا‌حدودی به شکل هندسی آن وابسته است، این روش می‌تواند برای کنترل اسپین نیز استفاده‌ شود.

پژوهش حاضر در دو مقاله Physical Review Letters و Physical Review B  منتشر‌ شده‌ است.