می‌توان با کمک روشی که به تازگی مطرح شده است، با به کار بستن میدان‌های خارجی، رفتار سامانه‌‌های بس‌ذره‌ای را کنترل کرد و دو ماده را به تقلید یک‌دیگر یا تشکیل ماده‌ای نامعمول واداشت.

«آیا می‌توان شکل یک طبل را شنید؟» نخستین بار هرمان ویل (Hermann Weyl) به این مساله اندیشید [۱]. در واقع پرسش بر سر این است که آیا دانش ما از طیف یک سامانه‌ی فیزیکی می‌تواند ساختار آن را تعیین کند. با پرسشی تازه، یک چرخش جالب در مسیر این کنجکاوی ایجاد شد: «آیا می‌توان با کمک میدان‌های کنترلی خارجی که وابسته به زمان هستند، در دو سامانه‌ی وابسته به زمان، ویژگی‌های یکسان ایجاد کرد؟» جرارد مک‌کوئل (Gerard McCaul) و همکارانش، از دانشگاه تولین (Tulane) در لوییزیانا، راهی تازه برای هم‌سان‌سازی رفتار دو ماده با کمک میدان‌های خارجی با وابستگی ویژه به زمان [۲ و ۳] پیشنهاد کرده‌اند. پژوهش‌گران توانستند با این روش ویژگی‌های متفاوت ماده‌ها را دست‌کاری کرده و مواد غیرعادی‌ای را که تولیدشان با روش‌های دیگر دشوار است، مطالعه کنند.

شکل ۱: پژوهش‌گران می‌توانند با روش «تقلید طیفی» تازه، دو ماده‌ی متفاوت را به تقلید طیف یک‌دیگر وادارند (یا طیف دیگری یا ماده‌ای نامعمول را بازسازی کنند)

«مهار هم‌دوس» (coherent control)، روشی برای مهار پاسخ یک سامانه‌ی کوانتوم-مکانیکی به میدان خارجی وابسته به زمان است و در شاخه‌هایی از دانش و فن‌آوری نقشی کلیدی بازی می‌کند. برای نمونه، در آزمایش‌های «تشدید مغناطیسی هسته‌ای» برای آماده سازی حالت کوانتومی دلخواه کیوبیت‌ها با کمک تپ‌های رادیویی، از روش راه‌بری هم‌دوس استفاده می‌شود. در تغییر مشاهده‌پذیرهای سامانه‌ی کوانتومی با دست‌کاری میدان کنترلی هم‌دوس، حد بالایی وجود دارد و باید بررسی شود.

در این‌جا باید پرسید که آیا می‌توان با کمک راه‌بری هم‌دوس، در دو سامانه‌ی کوانتومی جدا از هم، ویژگی‌های مشاهده‌پذیر مشابه ایجاد کرد. به عنوان نمونه، آیا می‌توان با اعمال دو میدان راه‌بر (driving field) قوی متفاوت، در دو نمونه‌ی اتمی، طیف تابشی را هم‌سان ساخت؟ پژوهش‌گران می‌توانند با کمک ایده‌ی تقلید طیفی، پدیده‌هایی را که به سادگی مشاهده نمی‌شوند، و هم‌چنین ویژگی‌های مواد ناشناخته را در مواد موجود و به خوبی شناخته‌شده، بازسازی کنند. امید می‌رود که در این مسیر بتوان ابررسانش را در مواد معمولی که عموما خاصیت ابررسانایی بروز نمی‌دهند، ایجاد کرد و عایق‌‌های فوتونیکی (موادی که عبور نور را در یک مسیر متوقف می‌کنند) ساخت.

در سال ۲۰۱۷، پژوهش‌گران به صورت نظری نشان دادند که با انتخاب میدان‌های الکترومغناطیسی تابع زمان خارجی مناسب می‌توان به تقلید طیفی در دو اتم مستقل، دست یافت [۴]. در این مطالعه، به تولید هماهنگ بالا (high harmonic generation, HHG) اشاره‌ شده است. تولید هماهنگ بالا، پدیده‌ای غیرخطی‌ است و در آن، نور گسیل شده از سامانه‌ی مورد بررسی، چند برابر بسامد میدان راه‌بر می‌باشد [۵]. در این پژوهش، هر اتم با یک مدل تک‌الکترونی توصیف شده بود. این معما در سامانه‌های چند الکترونی برهم‌کنش‌دار، پیچیده‌تر می‌شود. اگر بتوان پاسخ سامانه را با مهار هم‌دوس تغییر داد، می‌توان نتیجه گرفت که با کمک میدان‌‌های راه‌بر مناسب، می‌توان نارساناها را واداشت تا رفتاری هم‌سان با رساناها نشان دهند؟

از نظر مک‌کوئل و هم‌کاران‌ش، برای بررسی این مساله ابتدا باید از خود پرسید که آیا دو سامانه‌ی بس‌الکترونی می‌توانند رفتار مشابهی داشته باشند. آن‌ها بر مدل فرمی‌-هابارد یک بعدی (یک مدل ساده‌شده‌ که یک جامد را به عنوان حالت مقید فرمیون‌های برهم‌کنش‌دار به جای‌گاه‌های بلور توصیف می‌کند) تمرکز کردند. در این مدل (Mott) یک فاز نارسانا و یک فاز رسانا وجود دارند و فاز سامانه تابعی از نسبت انرژی جنبشی به انرژی نهفته می‌باشد؛ انرژی جنبشی وابسته به الکترون‌های متحرکی که به سمت نقاط مختلف بلور می‌روند، و انرژی پتانسیل وابسته به برهم‌کنش میان الکترون‌ها، هستند. عموما این دو فاز نمایان‌گر تاثیر میدان‌های خارجی لیزری بر جریان‌های متفاوت است. از آن‌جا که جریان‌های الکتریکی، گسیل سامانه را تعیین می‌کنند، دو فاز گفته‌ شده می‌توانند طیف متفاوتی تولید کنند. مک‌کوئل و هم‌کاران، راهی برای هم‌سان‌سازی طیف دو فاز، با کمک اعمال میدان‌های لیزری مناسب، یافتند؛ گویی یک سامانه، دیگری را تقلید می‌کند و یا بتوان، در شرایط خاص، از طبل‌های متفاوت صدای یک‌سانی شنید.

روش تقلیدی تازه، بر پایه‌‌ی شکلی از مهار هم‌دوس، به نام مهار ردگیر(tracking control) [۶] (روشی برای تعیین میدان مورد نیاز برای واداشتن یک سامانه به داشتن مشاهده‌پذیرهای مورد نظر، مانند یک مقدار چشم‌داشتی برای جریان در یک جامد) متمرکز است. روش مهار ردگیر به سبب کارایی و انعطاف‌پذیری برای استفاده در سیستم‌های باز و بسته، مورد توجه است. مک‌کوئل و هم‌کاران، قیدهایی را یافته‌اند که در صورت وجود آن‌ها و با استفاده از روش مهار ردگیر می‌توان از وجود یک تحول یکتا در سامانه و تولید مقدار چشم‌داشتی مورد نظر اطمینان یافت.

نمونه‌ای که در این پژوهش بررسی شده است، گواهی بر وجود حالت‌‌های ممکن در تقلید طیفی در سامانه‌های حالت جامد است؛ اما هم‌چنان پرسش‌هایی بی‌پاسخ مانده‌اند. به عنوان نمونه، پژوهش‌گران دریافته‌اند که با وجود آن که می‌توان یک نارسانا را به تقلید طیف یک رسانا واداشت، در واقع میدان راه‌بر، نارسانا را از طریق انتقال فاز به حالت رسانا برده است. هم‌چنان نمی‌دانیم که آیا بدون انتقال فاز نیز این تقلید طیفی امکان‌پذیر است. به هر صورت ره‌یافت این گروه از پژوهش‌گران، بسیار مفید خواهد بود؛ چرا که میدان لازم برای رسیدن به رفتار مورد نظر را بررسی کرده‌اند. پرسش بی‌پاسخ دیگر، پیرامون کارایی مهار ردگیر در HHG، در سامانه‌‌های حالت جامد حقیقی (موضوعی مورد توجه علاقه‌مندان به HHG)، و فراتر از مدل‌های فرمی-هابارد یک بعدی، است [۷ و ۸].

مشاهدات پیرامون مهار هم‌دوس به صورت مستقیم با نورشناسی (القای یک پاسخ اپتیکی خطی یا غیرخطی دلخواه در مواد حالت جامد) ارتباط دارند. می‌توان دو طراحی برای پاسخ حالت پایدار و غیر پایدار در نظر گرفته و خلق «ماده‌ی اپتیکی غیر تعادلی» را ممکن ساخت. ایده‌ی اصلی، استفاده از شکلی جدید از مهار هم‌دوس در پدیده‌‌ی ابررسانش القا شده‌ی نوری است. در این روش که به تازگی گزارش شده است، در میدان فروسرخ قوی، پاسخ نوری یک سامانه می‌تواند پاسخ یک ابررسانا را تقلید کند [۹ و ۱۰].

ممکن است بتوان با راه‌بری هم‌دوس با میدان‌های راه‌بر کوانتیزه شده، به جای میدان‌‌های راه‌بر کلاسیک، حالت‌های کوانتومی تازه‌ای در نور ایجاد کرد [۱۱]. در این صورت، در آینده می‌توان به صورت گستره‌ای از روش‌‌های مهار ردگیر و مهار هم‌دوس عمومی در شاخه‌ی نورشناسی کوانتومی استفاده کرد.

منبع:

بازی تقلید در میان مواد

مرجع:

Physical Review Letters

Physical Review A