دليل مراقب فضولي لميكانيكا الكم ، pt. 5: اصطياد موجة

سونغ لأسطر الدير في “ماريا” من عند صوت الموسيقى:

“كيف تلتقط موجة مثل ماريا؟ كيف تمسك سحابة وتثبتها؟ أوه ، كيف تحل جسيمًا مثل ماريا؟ كيف تمسك شعاع القمر في يدك؟”

من خلال رحلاتنا الاستكشافية إلى برية ميكانيكا الكم حتى الآن ، رأينا جسيمات برية وحرة. لكن معظم الجسيمات تقضي حياتها في ظروف أكثر تقييدًا: الإلكترونات العالقة في أحضان النوى ، أو الذرات المقيدة في الجزيئات ، أو الخطوط المنظمة للبلورات. الحبس ليس سيئًا بالضرورة – فقط الأوتار المربوطة بإحكام في آلة موسيقية يمكنها صنع الموسيقى.

في رحلة التنزه اليوم إلى غابات ميكانيكا الكم ، سنحمل بعض الفخاخ حتى نتمكن من رؤية كيف تتصرف الجسيمات عندما تحصرها. (نظرًا لأن الأنواع حساسة ، فسوف نتعامل معها بلطف ونطلقها عندما ننتهي.) في هذه العملية ، سنكتشف أصل أطياف الانبعاث من النجوم ونواجه الذرات الاصطناعية والنقاط الكمومية ، التي تلعب أدوارًا رائدة في كل شيء من الحوسبة الكمومية إلى أجهزة التلفزيون الاستهلاكية.

لماذا يغني الطائر في قفص

كما رأينا عدة مرات ، تتحرك جميع الجسيمات مثل الموجات. لكن ماذا يحدث عندما نحاصر موجة؟ كيف يتغير سلوك الجسيم عندما نحصره؟

أحد الأمثلة اليومية الرائعة للموجة المحاصرة هو وتر الغيتار. قبل أن يتم توصيله بالجيتار ، يمكن للوتر أن يهتز بأي شكل من الأشكال. موجات سريعة ، موجات بطيئة – كل نوع من الموجات ممكن. ولكن عندما نربط الخيط بجيتار وننتفه ، فإن الموجة الناتجة تحاصرها الأطراف المتصلة بالجيتار. يمكن أن ترتد الموجة بين النهايات ، لكنها لا تستطيع الهروب.

كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه ، يُسمح ببعض مجموعات الموجات (المدروجات) ، لكن الموجات ذات الطول الصحيح فقط ممكنة. عندما حاصرنا الموجة ، انتقلنا من أي ملاحظة ممكنة إلى حالة حيث يمكن فقط لتلك الموجات التي تتلاءم مع المصيدة – والملاحظات التي تتوافق معها – أن توجد. وبعبارة أخرى ، فإن نغمات وتر الغيتار هي تسبب بالفخ. وعندما نضع إصبعًا على الحنق لتغيير حجم المصيدة ، يتغير حجم الموجات التي تناسبها ، وتتغير الملاحظات التي نسمعها.

يمكننا أن نرى نفس الشيء يحدث مع الإلكترونات. في عام 1993 ، صنع دون إيجلر وزملاؤه مصيدة إلكترونية عن طريق وضع 48 ذرة حديد في حلقة فوق صفيحة نحاسية. الحلقة المكونة من ذرات الحديد تخلق مأوى كمومي – مصيدة إلكترونية دائرية. عند التصوير بمجهر مسح نفقي ، يمكن رؤية موجة الإلكترون المحاصر بوضوح داخل حلقة ذرات الحديد.

نظرًا لأن الجسيمات تتحرك مثل الموجات ، فإنها تستجيب تمامًا مثل أي نوع آخر من الموجات عند اكتشافها – فهي تغني بنوتة موسيقية محددة. يشبه الإلكترون في الحجرة الكمومية اهتزازات رأس الطبلة. هذا ليس من قبيل الصدفة: فالأسطوانة تخلق أيضًا مصيدة دائرية لموجات مماثلة للحجرة الكمومية. إن ملاحظة أن الجسيمات الكمومية تلتقط ملاحظات معينة عندما تكون محاصرة هي نتيجة لتحركها مثل الموجات. لذلك من خلال التقاط موجات الجسيمات ، يمكننا صنع الموسيقى.