میکروفن کوانتومی برای اندازه‌گیری ذرات صدا

 تاکنون اندازه‌گیری حالات "فونون" غیرممکن بود اما اخیرا در مطالعه‌ای که به رهبری یک ایرانی انجام شد پژوهشگران موفق به اندازه‌گیری تک‌تک ذرات صدا توسط میکروفن کوآنتوم شدند.ذرات صوتی که به نام "فونون"(phonons) شناخته می‌شوند، بسته‌هایی از انرژی ارتعاشی هستند که توسط اتم‌ها منتشر می‌شوند. بسته به فرکانس‌های آنها، مانند صدا یا گرما ظاهر می‌شوند. فونون‌ها همانند فوتون‌ها، که حامل‌های کوانتومی نور هستند، کوانتومش می‌شوند. انرژی ارتعاشی آنها متفاوت است.فونون یک کوانتوم انرژی است. به برانگیزشِ گردآمدیِ(collective excitation) اتم‌ها در یک ساختار بلوری فونون می‌گویند. یا به بیانی ساده‌تر، نوسان‌های هماهنگ همه‌ی‌ اتم‌ها در یک ساختار بلوری را فونون می‌گویند. در فیزیک کوانتومی برای بیان این نوسان‌ اتم‌ها در شبکه بلور از مفهوم شبه‌ذره بهره‌ می‌جویند که فونون نام دارد.در فیزیک ماده چگال، فونون نقش بسیار مهمی دارد و بسیاری از خاصیت‌های مواد جامد از جمله رسانایی گرمایی و رسانایی الکتریکی توسط فونون‌ها صورت می‌پذیرد.

با این حال تاکنون اندازه‌گیری حالت فونون‌ها غیرممکن بود چرا که اختلاف انرژی در حالات مختلف بسیار کم بود. اما اکنون دیگر این موضوع غیرممکن نیست چرا که فیزیکدانان "دانشگاه استنفورد" یک "میکروفن کوانتومی" را ایجاد کرده‌اند که قادر به اندازه‌گیری فونون‌ها است."امیر صفوی نائینی" پژوهشگر ارشد این مطالعه و استاد فیزیک کاربردی دانشگاه استنفورد گفت:ما انتظار داریم این دستگاه بتواند به ما در آینده در ساخت انواع جدیدی از حسگرهای کوانتومی، مبدل‌ها و دستگاه‌های ذخیره‌سازی کمک کند.این دستگاه "حساس‌ترین میکروفن جهان"(world's most sensitive microphone) نام گرفته زیرا در آن اختراعی به کار گرفته شده که آن را قادر به اندازه‌گیری "حالت‌های فوک"(Fock states) و اندازه‌گیری حالت‌های فونون‌ها نیز می‌سازد. "حالات فوک‌" انرژی یک سیستم مکانیکی را نشان می‌دهد. در مکانیک کوانتومی، حالت فوک یا حالت تعداد یک حالت کوانتومی است که عنصری از فضای فوک با تعداد معینی از ذرات یا کُوانتوم می‌باشد.

این حالات بر اساس تعداد فونون‌هایی که تولید می‌کنند بیان می‌شوند. به عنوان مثال، حالت "فوک ۱" شامل یک فونون از یک انرژی خاص است و هرچه حالت فوک بالاتر باشد، صدا بلندتر است.پژوهشگران این میکروفن کوانتومی را از "تشدیدگرهای نانومکانیک فوق سرد"(supercooled nanomechanical resonators) همراه با یک مدار ابررسانا که شامل یک جفت الکترون که بدون مقاومت حرکت می‌کنند بود، توسعه دادند. این مدار یک باند کوانتومی ایجاد می‌کند که می‌تواند به صورت الکترونیکی خوانده شود.صفوی نائینی در انتها افزود: در حال حاضر، افراد از فوتون برای رمزگذاری این حالات استفاده می‌کنند. ما می‌خواهیم از فونون‌ها که مزایای زیادی دارند، استفاده کنیم. دستگاه ما یک گام مهم در جهت ساخت یک رایانه مکانیکی کوانتوم مکانیکی است.یافته‌های این مطالعه در مجله" Nature "منتشر شد.