اثر کوانتومی که افت و خیزهای تصادفی در آن منجر به تقویت انتشار امواج می‌شود در یک زنجیره اتمی (شامل 10 اتم) محقق یافته است.

فرآیندهای ترابرد الکترون‌ها در یک ماده رسانا و یا جذب انرژی از طریق نور خورشید و انتقال آن بین مولکول ها در فرایند فوتوسنتز، نمونه مثال‌هایی هستند که از طریق معادله کوانتومی موج قابل توصیف‌اند. تداخل موجی قادر به تضعیف ترابرد بار یا انرژی است، در حالی که از طرفی، افت و خیزهای تصادفی مانند نوفه‌های گرمایی قادر به بهبود این ترابرد هستند. اکنون محققان هر دوی این اثرات را در رابطه با ترابرد انرژی در یک زنجیره شامل 10 اتم بررسی کرده‌اند، به طوری که درجه نوفه و بی نظمی در این سیستم با دقت قابل تنظیم است. مطالعه چنین اثراتی در یک چینش آزمایشی تمیز و قابل کنترل می‌تواند منجر به فهم بهتری از نحوه عملکرد در مقیاس پیچیده‌تر مانند الکترونیک یا ادولت اپتیکی شود.

یک جریان الکتریکی را می‌توان به صورت یک موج توصیف کرد، حال آیا انواع دیگر انرژی هم جاری می‌شوند؟ به عنوان مثال: انرژی می‌تواند بین اتم‌ها یا مولکول‌ها به صورت رشته‌ای از فرایند‌های جذب و گسیل فوتون جریان یابد. این پدیده را می‌توان به صورت یک موج انرژی که از یک مولفه به مولفه دیگر جاری می‌شود نمایش داد. چنانچه این امواج هم گام شوند، در این صورت یک موج همدوس خواهیم داشت که برای آن تداخل سازنده قادر به تقویت شارژ بار یا انرژی است. از طرفی در مورد بی نظمی، مانند ناخالصی یا نقصان های بلوری در شبکه اتمی، قادر به تداخل ویرانگر همدوس می‌شوند که به طور میانگین منجر به تضعیف شارژ می‌شود. این تضعیف که می‌تواند منجر به تله اندازی یا توقف شارژ انرژی در یک ناحیه خاص شود را جایگزیدگی اندرسون می‌نامند.

بر مبنای مطالعات نظری، نوفه درون این امواج کوانتومی یا به طور معادل افت و خیزهای گرمایی، می‌تواند اثرات شگفت اوری از جمله از بین بردن جایگزیدگی اندرسون و در نتیجه افرایش ترابرد داشته باشد. دلیل این افزایش از آنجا ناشی می‌شود که نوفه منجر به واهدوسی امواج می‌شود و در نتیجه امکان تداخل همدوسی سازنده را از بین می‌برد. این اثر به عنوان "ترابرد کوانتومی به کمک محیط" شناخته می‌شود (ENAQT) و پیشتر نیز در سیستم‌‌های مختلفی از جمله فیبرهای نوری تا مدارهای ابررسانا گزارش شده بود. به علاوه، پیش بینی شده است که ENAQT در فرآیند ترابرد انرژی فوتوسنتزی می‌تواند نقشی داشته باشد، اگرچه این فرضیه بدون اثبات باقی مانده است.

بیشتر مطالعات قبلی در مورد ENAQT یا از چندین مولفه ماکروسکوپی و به سختی قابل کنترل استفاده می‌کردند و یا اینکه شامل تعداد خیلی کمی مولفه می‌شدند و در نتیجه در مورد مواد واقعی قابل استفاده نبودند. به منظور تحقیق این اثر در یک سیستم تمیز، خوش تعریف و بس ذره ای، Christian Roots از موسسه کوانتوم اپتیک و اطلاعات کوانتومی در اینسبروک-اتریش و همکارانش موفق به باز تولید این اثر در یک ردیف 10 تایی از یون‌های کلسیم معلق شده در یک میدان الکتریکی در فضای آزاد شدند.

در این مطالعه، آرایه یونی به تله افتاده لزوما یک کریستال یک بعدی بود. محققان قادر به سویچ کردن الکترون‌ها بین دو حالت الکترونی متفاوت بودند، پس از اینکه به کمک پالس لیزری، انرژی به درون این آرایه تزریق شد، پژوهشگران موفق به نمایش مسیر موج گونه انرژی در طول آرایه از یک یون به یون دیگر شدند. از طرفی، به منظور بی نظم کردن سیستم و القای جایگزیدگی اندرسون، آن‌ها موفق به تغییر انرژی‌های گذار یون‌ها در طول زنجیره از طریق برانگیخته کردن هر کدام از آن‌ها به کمک یک باریکه با شدت متفاوت شدند. به گفته Roos، “با ده اتم مجزا از هم قادر به خلق بی نظمی به طریق کاملا قابل کنترل شده هستیم، و از طرفی قادر به خاموش یا روشن کردن این بی نظمی در بازه های زمانی کوچک شده ایم”.

برمبنای آزمایش‌های این تیم، با افزایش درجه ی بی نظمی، ترابرد انرژی در طول زنجیره بدلیل جایگزیدگی اندرسون کاهش می‌یابد. از طرفی، زمانی که Roos و همکارانش با تغییرات سریع شدت باریکه ای که قادر به برانیگخته کردن یون‌ها میشد، قادر به اعمال نوفه به درون سیستم شدند. در نتیجه این اعمال نوفه، بازدهی ترابرد که رابطه مستقیمی با سطح نوفه اعمالی دارد افزایش می‌یابد. این یافته در تطابق با پیش بینی‌های ENAQT است.

با این حال، اگر این نوفه بسیار بزرگ باشد، ترابرد انرژی دوباره کاهش می‌یابد و این بدلیل اثر کوانتومی زنو است که بر مبنای آن: در آزمایش های آرایه یونی، سطح بالایی از نوفه منجر به کاهش اثر مشاهده شده می‌شود، که بر مبنای کوانتوم مکانیک باعث فریز شدن سیستم و تضعیف هر تغییر حالتی می‌شود.

برمبنای توضیحات Roos ، این چیدمان اجازه مطالعه چنین اثرات کوانتومی را به آن‌ها می‌دهد. در سیستم های کوانتومی مصنوعی ما کنترل قابل توجهی بروی یکپارچگی شبکه، قدرت کوپلاژ بین سایت‌ها و بی نظمی‌های موضعی داریم. ENAQT یا به عبارتی ترابرد کوانتومی به کمک محیط، در طیف وسیعی از سیستم ها اتفاق می‌افتد و بنابراین مطالعه آن‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است. به بیان Clemens Gneiting فیزیک دان کوانتوم مکانیک در RIKEN در نزدیکی توکیو: "آن‌ها قادر به تحقیق این موضوع با دقت بالا و شرایط محیطی تمیز با دقت کوانتومی در این مرکز هستند، در این حالت می‌توان نتایج را با تیوری به مقایسه گذاشت".

منبع: Noise Improves Flow of Energy