«همبستگی الکترونی» در اتم هلیوم برای نخستین بار توسط تیمی بین‌المللی از پژوهش‌گران مشاهده شده بود. با بهره‌گیری از فناوری «میکروسکوپ فوتویونشی» که این تیم در سال ۲۰۰۲ توسعه داده‌اند٬ اکنون این پژوهش‌گران میکروسکوپ کوانتومی خود را بر روی اتم هلیوم چرخانده‌اند. این محققان همچنین دریافته‌اند که حتی می‌توان این همبستگی‌های الکترونی را تنظیم کرد.

اتم هلیوم متشکل از هسته‌ای است که توسط دو الکترون احاطه شده است. این اتم ساده‌ترین اتم طبیعت پس از اتم هیدروژن به حساب می‌آید که از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است. وجود دقیقاً دو الکترون در اتم هلیوم به فیزیک‌دانان این امکان را داده تا «همبستگی الکترونی» را به شکل کامل مورد آزمایش قرار دهند. این همبستگی زمانی رخ می‌دهد که ویژگی‌های الکترون‌ها بواسطه‌ی اندرکنش‌ آن‌ها با دیگر الکترون‌ها تحت تاثیر قرار گیرد. این موضوع مهم است٬ چون در اغلب مواد همچون ابررساناها الکترون‌ها قویاً با هم‌دیگر اندرکنش می‌کنند و پیش‌بینی خواص این الکترون‌ها با مطالعه‌ی رفتار الکترون‌های منفرد غیرممکن به نظر می‌رسد.

تصاویر نمونه از یونش اتم‌های هلیوم. الگوهای تداخلی اندازه‌گیری شده یا ناشی از ساختار گرهی توابع موج برانگیخته است یا از اختلاف طول‌مسیر ناشی می‌شود. در مورد اول هلیوم همچون یک اتم هیدروژن رفتار می‌کند و همبستگی الکترونی نقشی را ایفا نمی‌کند درحالی‌که در مورد بعدی یونش قویاً بواسطه‌ی همبستگی الکترونی تحت تاثیر قرار می‌گیرد.

همبستگی قوی

آن‌طور که مارک رکینگ (Marc Vrakking) از موسسه‌ی ماکس بورن در برلین توضیح می‌دهد٬ توصیف صحیح همبستگی الکترونی قویاً مورد نظر بوده اما دستیابی به آن با دشواری زیادی روبرو بوده است. وی پژوهش‌گر اصلی این تحقیق است. او این چنین اظهارنظر می‌کند که: «به عنوان مثال نظریه تابعی چگالی ]یک روش مدل‌سازی مکانیک کوانتومی که نگاهی به ساختار سیستم‌های بس‌ذره‌ای دارد[ نظریه‌ی کاملی خواهد بود که قادر به حل هرمسئله‌ای در حیطه‌ی شیمی است٬ تنها اگر چگونگی همبستگی الکترونی به درستی شناخته شود. خیل عظیمی از نظریه‌پردازان بر روی این موضوع کار می‌کنند و با آن درگیرند.»

بسیاری از پدیده‌ها در فیزیک اتمی را می‌توان بدون درنظر گرفتن همبستگی به خوبی درک کرد. به عنوان مثال٬ می‌توان تنها با بررسی پاسخ‌دهی یک الکترون در یک تک‌مدار٬ چگونگی یونیزه شدن مولکول‌ها یا اتم‌ها وقتی با فوتون‌های پرانرژی روشن می‌شوند را درک کرد٬ بدون آن‌که اندرکنش این الکترون را با دیگر الکترون‌ها در آن اتم یا مولکول را در نظر گرفت. رکینگ به physicsworld.com می‌گوید که پی‌بردن به این‌که چه زمانی همبستگی الکترون دقیقاً در چنان سیستم‌هایی اهمیت می‌یابد زمینه‌ی بسیار فعال پژوهشی به حساب می‌آید. وی می‌افزاید: «اهداف پژوهشی بسیاری وجود دارد که به مشاهده‌ی سرآغاز همبستگی الکترونی پرداخته و سعی دارند تا آن را فهمیده و بیازمایند تا بتوان با روشی امیدوارانه بعدها آن را به سیستم‌های پیچیده‌تر منتقل کرد؛ سیستم‌هایی که همبستگی الکترونی در آن‌ها اجتناب‌ناپذیر است».

در این پژوهش جدید آنتا استودُلنا (Aneta Stodolna) از موسسه‌ی FOM فیزیک اتمی و مولکولی در هلند همگام با رکینگ و دیگر همکارانش در فرانسه٬ آلمان و ایالات متحده فوتویونش اتم هلیوم را مطالعه کرده‌اند. مشابه روشی که این تیم در سال گذشته در طی مطالعه‌ی اتم هیدروژن به تکمیل رسانده‌اند٬ این آزمایش با اتم‌های هلیومی شروع شد که بواسطه‌ی برخورد با الکترون‌های پرانرژی تحریک شده‌ بودند. درنتیجه هلیوم در یک حالت برانگیخته با طول عمر بلند قرار گرفته بود. سپس اتم‌های هلیوم با جذب یک فوتون فرابنفش یونیزه شده‌اند و انرژی آن چنان تنظیم شده که تنها برای یونیزه کردن هلیوم کافی باشد -۹۹/۹ درصد انرژی فوتون برای غلبه بر پتانسیل یونش این اتم‌ها استفاده شده و تنها ۰/۱ درصد انرژی فوتون به انرژی جنبشی فوتوالکترون‌ها تبدیل شده است. سپس فوتوالکترون‌های بسیار آرام به سمت یک آشکارساز دوبعدی شتاب می‌گیرند. این کار اندازه‌گیری سرعت این الکترون‌ها را در صفحه‌ی آشکارساز فراهم می‌کند.

الکترون‌ها٬ دوگانگی موج-ذره را به نمایش می‌گذارند و هرچه انرژی جنبشی الکترون کم‌تر باشد٬ طول‌موج دوبروی آن بزرگ‌تر است. در حقیقت برای انرژی‌های جنبشی به حد کافی کوچک٬ طول‌موج دوبروی به همان اندازه در مقیاس بزرگ قابل مشاهده خواهد بود. در آزمایش فوتویونشِ اتم هلیوم٬ طبیعت موج-ذره‌یِ الکترون‌های با سرعت کم به پژوهش‌گران این اجازه را می‌دهد تا مجموعه‌ای از حلقه‌های تداخلی را مشاهده کنند؛ حلقه‌هایی با تداخل‌های سازنده و مخرب که در آشکارساز به شکل یک‌درمیان ظاهر می‌شوند.

در آزمایش‌های مربوط به اتم هیدروژن که این تیم سال قبل انجام داده‌اند٬ الگوهای تداخلی به الگوهای گرهی توابع اتمی مرتبط بود که با جذب یک فوتون برانگیخته می‌شوند. پژوهش پیشین که توسط تیم رکینگ با اتم‌های زنون انجام یافته این نتیجه را بدست داد که می‌توان الگوهای تداخلی که به دلیل اختلاف در طول مسیرهای پیموده شده توسط الکترون‌ها تا آشکارساز بوجود می‌آیند را مشاهده کرد. اما به شکل شگفت‌آوری به نظر می‌رسد این‌بار و با اتم هلیوم هردوی این اثرات دخیل‌ شده‌اند.

ظهور اثر اشتارک و حالات غیرمنتظره

وقتی اتم‌ها در میدان‌های الکتریکی واقع می‌شوند خطوط طیفی آن‌ها جابجا و شکافته می‌شود که به «اثر اشتارک» معروف است. با افزایش میدان الکتریکی برخی از حالات اشتارک به سمت انرژی‌های برانگیختگی بالا سوق پیدا می‌کنند که به حالات اشتارک بلوشیفت (blueshifted) معروف است. استودولنا توضیح می‌دهد که: «برای یونیزه کردن یک اتم از آن حالت به نور لیزر نیاز خواهید داشت که طول‌موج کوتاه‌تری (انرژی بیشتری) در مقایسه با موردی که میدان الکتریکی وجود نداشته باشد٬ دارد. طول‌موج کوتاه‌تر یعنی رنگ نور لیزر آبی‌تر خواهد بود». برعکس٬ حالاتی که به سمت انرژی‌های کم‌تر سوق می‌یابند نیازمند طول‌موج‌های بلندتر هستند و بنابراین انرژی کمتری برای برانگیخته‌شدن نیاز خواهند داشت. بنابراین رنگ نور لیزر بیشتر به سمت رنگ سرخ تنظیم می‌شود که به حالت اشتارک ردشیفت (redshifted) شناخته می‌شود.

رکینگ و همکارانش انتظار این را نداشتند که هیچ حالت قرمزی را در آزمایش‌شان ببینند چون این حالات طول‌عمرهای بسیار کوتاه دارند و بنابراین وقتی نتیجه‌ی فوتویونش به عنوان تابعی از انرژی فوتون اندازه‌گیری می‌شود٬ این حالات قابل تعیین نخواهند بود. در عوض حالات آبی بسیاری در این آزمایش مشاهده شده است و عمده‌ی اندازه‌گیری‌های تداخلی که این تیم به آن دست یافته‌اند در حقیقت در نتیجه‌ی همین حالات آبی است. اما این پژوهش‌گران برخی حالات بی‌قاعده و نامنظمی را نیز مشاهده کرده‌اند. به بیان رکینگ: «در بعضی نقاط نادر ناگهان یک حالت سرخ را توانستیم ببینیم و یک الگوی حلقوی در تطابق با عدد کوانتومی آن حالت قرمز را مشاهده کرده‌ایم. توانستیم تعیین کنیم که این٬ در نتیجه‌ی یک اندرکنش این حالت سرخ با طول عمر کوتاه و یک حالت تقریباً آبی است. این اندرکنش در شرایطی نتیجه می‌شود که دو الکترون در اتم هلیوم (که معمولاً قویاً با هم اندرکنش دارند) ناگهان با هم‌دیگر اندرکنش نداشته و اتم هلیوم در این زمان رفتار اتم هیدروژن را از خود نشان می‌دهد».

بعلاوه این تیم پژوهشی مشاهده کرده‌اند که می‌توان دینامیک این اتم‌های هلیوم را با اعمال تغییرات کوچک (کمتر از ۱ درصد) در شدت میدان الکتریکی خارجی کنترل کرد. در واقع وقتی همبستگی الکترون‌ها خاموش می‌شود اتم هلیوم درست شبیه یک اتم هیدروژن رفتار می‌کند. وقتی این اندرکنش شروع می‌شود دینامیک چنان آن قویاً با اندرکنش بین دو الکترون تحت تاثیر قرار می‌گیرد.

رکینگ معتقد است کاری که این تیم با اتم هلیوم انجام داده نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از آن به عنوان یک مدل‌بندی بسیار خوب برای مطالعه‌ی آغاز همبستگی الکترونی در سیستم‌های ساده بهره برد.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریوی لترز منتشر شده است.

درباره‌ی نویسنده:

تاشنا کامیساریای (Tushna Commissariat) گزارشگر physicsworld.com است.

منبع: