مشاهده نوع جدیدی از انتشار نور توسط فیزیکدانان

فرادید| دانشمندان نوع جدیدی از انتشار نور را مشاهده کرده‌اند که الکترون‌ها در عایق‌های توپولوژیک ناگهان جهت حرکت خود را معکوس می‌کنند. این یافته‌های جدید در مجله "Nature" گزارش شده است.

برای تغییر جهت حرکت یک جسم عظیم مانند اتومبیل، باید سرعت آن را کم کرده و یا کاملا متوقف شود. حتی کوچکترین حامل‌های بار در جهان، یعنی الکترون‌ها نیز از این قاعده پیروی می‌کنند. برای اجزای الکترونیکی فوق سریع آینده، دور زدن اینرسی الکترون مفید خواهد بود.

فوتون‌ها، بسته‌های نور، نشان می‌دهد که این چگونه می‌تواند کار کند. فوتون‌ها جرم ندارند و بنابراین می‌توانند با بالاترین سرعت ممکن یعنی سرعت نور حرکت کنند. برای تغییر جهت، نیازی به کاهش سرعت ندارند. برای مثال، وقتی از آینه منعکس می‌شوند، ناگهان مسیر خود را بدون توقف تغییر می‌دهند. چنین رفتاری برای تکنولوژی الکترونیک آینده بسیار مطلوب است، زیرا جهت جریان می‌تواند بی نهایت سریع تغییر کند و سرعت کلاک پردازنده‌ها به طور گسترده افزایش یابد. با این حال، فوتون‌ها بار الکتریکی را حمل نمی‌کنند، که پیش شرط دستگاه‌های الکترونیکی است.

سرعت ساعت CPU (کلاک) یا سرعت پردازنده، سرعتی است که ریزپردازنده می‌تواند یک دستورالعمل را طی یک زمان خاص اجرا کند. پردازنده برای اجرای هر دستورالعمل به تعداد مشخصی از چرخه نیاز دارد. هرچه فرکانس ساعت پردازنده بیشتر باشد، عملیات منطقی بیشتری را در یک ثانیه می‌تواند انجام دهد. بنابراین، با افزایش فرکانس ساعت CPU، زمان مورد نیاز برای انجام کار‌ها کاهش می‌یابد. سرعت پردازنده مشخص می‌کند که در یک ثانیه می‌تواند چند محاسبه را انجام دهد. هرچه سرعت پردازنده بیشتر باشد، محاسبات بیشتری می‌تواند انجام دهد، در نتیجه سرعت کامپیوتر افزایش می‌یابد.

گروه بین المللی فیزیکدانان متشکل از دانشمندان دانشگاه رگنسبورگ، دانشگاه ماربورگ و آکادمی علوم روسیه در نووسیبیرسک موفق شدند حرکت الکترون‌ها را در مقیاس‌های زمان بسیار سریع و بدون کاهش سرعت انجام دهند. در مطالعه خود، آن‌ها از کلاس مواد جدید عایق‌های توپولوژیکی استفاده کردند. الکترون‌ها در سطح خود مانند ذرات بدون جرم رفتار می‌کنند که تقریباً مانند نور حرکت می‌کنند. برای تغییر جهت حرکت آن الکترون‌ها در اسرع وقت، محققان الکترون‌ها را با میدان حامل نور نوسانی - سریعترین میدان متناوب در طبیعت که توسط بشر قابل کنترل است - تسریع کردند.

وقتی الکترون‌ها به طور ناگهانی جهت حرکت خود را معکوس می‌کنند، یک پرتوی فوق العاده کوتاه نور از طیف گسترده‌ای از رنگ مانند رنگین کمان منتشر می‌کنند. قوانین سفت و سختی در مورد ساطع شدن رنگ‌ها وجود دارد: به طور کلی، وقتی الکترون‌ها توسط امواج نور شتاب می‌گیرند، فقط تشعشع ساطع می‌شود، که فرکانس نوسان آن‌ها یک عدد صحیح از فرکانس نور حادثه است، اصطلاحاً تابش هارمونیک مرتبه بالا.

کریستوف اشمید، نویسنده ارشد این مطالعه می‌گوید: "با تنظیم دقیق میدان نور شتاب دهنده، ما توانستیم این قانون را نقض کنیم. ما توانستیم حرکت الکترون‌ها را به گونه‌ای کنترل کنیم که نوری از هر رنگ قابل تصوری تولید شود. "

در یک تجزیه و تحلیل دقیق از تابشِ ساطع شده، دانشمندان به خصوصیات کوانتومی غیرمعمول الکترون نیز دست یافتند. آشکار شد که الکترون‌های سطح یک عایق توپولوژیکی به دنبال میدان الکتریکی نور در خطوط مستقیم حرکت نمی‌کنند بلکه مسیر‌های پیچ در پیچ را از طریق ماده جامد انجام می‌دهند. دکتر جان ویلهلم، که با شبیه سازی که با همکارانش انستیتوی فیزیک نظری در دانشگاه رگنسبورگ.

پروفسور دکتر روپرت هوبر، که این کار تجربی را در رگنسبورگ رهبری می‌کند، به طور خلاصه می‌گوید: "این نتایج نه تنها بینشی جذاب از ماهیت میکروسکوپی کوانتومی الکترون‌ها را فراهم می‌کند، عایق‌های توپولوژیک را به عنوان یک کلاس مواد امیدوار کننده برای آینده الکترونیک و پردازش اطلاعات پیشنهاد می‌کنند. "

چنین انتظاراتی کاملاً مطابق بیانیه مأموریت مرکز تحقیقات همکاری SFB ۱۲۷۷ است که توسط بنیاد علمی آلمان تأمین می‌شود. در این شبکه، فیزیکدانان نظری و تجربی اثرات نسبی جدیدی را در ماده غلیظ بررسی می‌کنند و امکان آزمایش را برای پیاده سازی یافته‌های خود در برنامه‌های آینده با فناوری پیشرفته فراهم می‌کنند.

منبع: scitechdaily.com