محدودیت سرعت مطلق کوانتومی محاسبه شد

اغلب اینگونه تصور می‌شود که دستگاه‌های الکترونیکی قرار است همواره و همیشه سریع‌تر شوند، اما در برخی مواقع، قوانین فیزیک مداخله می‌کنند و جلوی این افزایش سرعت را می‌گیرند. اکنون دانشمندان این حد نهایی سرعت را محاسبه کرده‌اند؛ یعنی نقطه‌ای که مکانیک کوانتومی مانع از سریع‌تر شدن ریزتراشه‌ها می‌شود.
برای همگان روشن است که هیچ چیز سریع‌تر از نور در خلاء حرکت نمی‌کند و این در مورد الکترونیک نیز صادق است. سیستم‌هایی که از نور برای کنترل الکتریسیته استفاده می‌کنند، معروف به "اپتوالکترونیک" هستند که سریع‌ترین دستگاه‌های دنیا هستند.

اکنون محققان دانشگاه صنعتی "وین" اتریش، دانشگاه صنعتی "گراتس" اتریش و موسسه اپتیک کوانتومی "ماکس پلانک"، حد بالا را برای بیشترین سرعت ممکن اپتوالکترونیک شناسایی کرده‌اند.این تیم آزمایش‌هایی را با استفاده از مواد نیمه‌هادی و لیزر انجام داد. این نیمه‌هادی با یک پالس لیزری فوق کوتاه برخورد می‌کند که الکترون‌های ماده را به حالت انرژی بالاتر منتقل می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد آزادانه در اطراف حرکت کنند. سپس یک پالس لیزری ثانویه و کمی طولانی‌تر، آنها را در جهت خاصی پرتاب می‌کند و جریان الکتریکی تولید می‌کند.

محققان با استفاده از این تکنیک و همچنین شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیچیده، با پالس‌های لیزری کوتاه‌تر به نیمه‌رساناها ضربه زدند. اما در نقطه‌ای مشخص، این فرآیند شروع به برخورد با "اصل عدم قطعیت هایزنبرگ" می‌کند که خصلت و تناقض کوانتومی عجیبی است که در آن هر چه دقیق‌تر یک ویژگی یک ذره را اندازه‌گیری کنید، کمتر می‌توانید از ویژگی دیگر آن مطمئن شوید.

"اصل عدم قطعیت " در مکانیک کوانتومی را "ورنر هایزنبرگ" فیزیکدان آلمانی در سال ۱۹۲۶ فرمول‌بندی کرد. در فیزیک کوانتومی، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ اظهار دارد که جفت‌های مشخصی از خواص فیزیکی، مانند مکان و تکانه نمی‌تواند با دقتی دلخواه معلوم گردد. به عبارت دیگر، افزایش دقت در کمیت یکی از آن خواص مترادف با کاهش دقت در کمیت خاصیت دیگر است. این عبارت به دو روش گوناگون تفسیر شده است. بنا بر دیدگاه "هایزنبرگ"، غیرممکن است که همزمان سرعت و مکان الکترون یا هر ذره دیگری با دقت یا قطعیت دلخواه معین شود. بنا بر دیدگاه گروه دوم، این عبارت راجع به محدودیت دانشمندان در اندازه‌گیری کمیت‌های خاصی از سیستم نیست، بلکه امری است راجع به طبیعت و ذات خود سیستم، چنانکه معادلات مکانیک کوانتومی شرح می‌دهد.

در مکانیک کوانتوم، یک ذره به وسیله بسته‌ی موج شرح داده می‌شود. اگر اندازه‌گیری مکان ذره مد نظر باشد، طبق معادلات، ذره می‌تواند در هر مکانی که دامنه موج صفر نیست، وجود داشته باشد و این به معنی عدم قطعیت مکان ذره است. برای به دست آوردن مکان دقیق ذره، این بسته‌ی موج باید تا حد ممکن فشرده شود، که یعنی ذره باید از تعداد زیادی موج سینوسی که به یکدیگر اضافه شده‌اند(بر روی هم جمع شده‌اند) ساخته شود.
از طرف دیگر، تکانه‌ی ذره متناسب با طول موج یکی از این امواج سینوسی است، اما می‌تواند هر کدام از آنها باشد. بنابراین هر چقدر که مکان ذره به واسطه جمع شدن تعداد بیشتری موج، با دقت بیشتری اندازه‌گیری شود، تکانه با دقت کمتری معین می‌شود و بر عکس. تنها ذره‌ای که مکان دقیق دارد، ذره متمرکز در یک نقطه است که چنین موجی طول موج نامعین دارد و بنابراین تکانه نامعین نیز دارد. از طرف دیگر تنها موجی که طول موج معین دارد، نوسان منظم تناوبی بی‌پایان در فضا است که هیچ مکان معینی ندارد. در نتیجه در مکانیک کوانتومی، حالتی نمی‌تواند وجود داشته باشد که ذره را با مکان و تکانه معین شرح دهد.

"اصل عدم قطعیت" را می‌توان بر حسب عمل اندازه‌گیری که شامل فروپاشی تابع موج نیز می‌شود، بازگویی کرد. هنگامی که مکان اندازه‌گیری می‌شود، تابع موج به یک برآمدگی با پهنای بسیار کم فروپاشیده می‌شود، و تکانه‌ی تابع موج کاملاً پخش می‌شود. تکانه‌ی ذره به مقداری متناسب با دقت اندازه‌گیری مکان، در عدم قطعیت باقی می‌ماند. مقدار باقی‌مانده عدم قطعیت نمی‌تواند از حدی که اصل عدم قطعیت مشخص کرده‌ است، کمتر شود و مهم نیست که فرآیند و تکنیک اندازه‌گیری چیست.

"اصل عدم قطعیت" کمترین مقدار ممکن در آشفتگی تکانه در حین اندازه‌گیری مکان و بر عکس را معین می‌کند.
در مورد این مطالعه جدید، استفاده از پالس‌های لیزری کوتاه‌تر به این معنی است که ناظران می‌توانند دقیقاً بفهمند که الکترون‌ها چه زمانی انرژی می‌گیرند، اما این به قیمت اطمینان کمتر در مورد مقدار انرژی است که به دست می‌آورند و این یک مشکل بزرگ برای دستگاه‌های الکترونیکی است، زیرا ندانستن انرژی دقیق الکترون‌ها به این معنی است که نمی‌توان آنها را به دقت کنترل کرد.

از این رو، محققان حد بالا یا حداکثر سرعت سیستم‌های اپتوالکترونیک را محاسبه کردند که معادل با یک پتاهرتز یا به بیان ساده‌تر، یک میلیون گیگاهرتز است.محققان می‌گویند، موانع تکنولوژیکی مدت‌ها قبل از رسیدن دستگاه‌های اپتوالکترونیک یا الکترونیک نوری به قلمرو پتاهرتز، به وجود می‌آیند. اما درک محدودیت سرعت دستگاه‌های اپتوالکترونیکی می‌تواند به توسعه دستگاه‌های بهتر کمک کند.این تحقیق در مجله Nature Communications منتشر شده است.