روش جدیدی برای تولید الکترون‌های همدوس و تمیزناپذیر توسط دانشمندانی در فرانسه توسعه داده شده است.

این پژوهش‌گران با ساخت تراشه‌ی گسیلنده‌ی الکترونی کوچکی، دو الکترون منفرد تولید کرده‌اند که از چشمه‌هایی متفاوت با حالت کوانتومی یکسان گسیل می‌شوند. این روش یک گام مهم برای توسعه‌ی تکنیک‌های پردازش اطلاعات کوانتومی بر مبنای الکترون می‌باشد.

قوانین فرمیونیک

الکترون‌ها، فرمیون هستند و بنابراین باید از اصل طرد پائولی تبعیت کنند که بر طبق آن فرمیون‌های یکسان نمی‌توانند حالت‌های یکسانی را اشغال کنند که منجر به پادهمبستگی (anticorrelation) یا پادخوشه‌گی (antibunching) می‌شود. با وجود اینکه این اصل از چندین دهه‌‌ی قبل تشخیص داده شده بود، اثبات شده است که اجرای چنین آزمایش پادهمبستگی دشوار است. زیرا باریکه‌های الکترونی همدوس نیستند. الکترون‌ها بسیاری در هر سیستم وجود دارند و همه‌ی آن‌ها با یکدیگر و هم‌چنین با محیط تداخل می‌کنند.

این چیزی بود که اروان بوکیلون از مؤسسه‌ی Ecole Normale Supérieure به همراه همکارانش در پاریس را تشویق کرد تا ببینند که آیا الکترون‌های تمیزناپذیر می‌توانند به وسیله‌ی چشمه‌های مستقل تولید شوند؛ همان‌گونه که در اپتیک این کار انجام می‌شود. یکی از اعضای این گروه توضیح می‌دهد: «ما اکنون می‌دانیم که الکترون‌ها در یک سیستم چگونه حرکت می‌کنند، خیلی بهتر از قبل. تولید چنین الکترون‌هایی برای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی در آینده مهم است.»

گاز الکترونی دو بعدی با رنگ سبز نشان داده شده است. الکترون‌ها مسیر را در امتداد لبه دنبال می‌کنند که با فلش نشان داده شده است.

جنبش محدود

این تراشه با استفاده از یک نیم‌رسانای بسیار خالص حجمی با ابعاد میکرونی ساخته شده است، به گونه‌ای که الکترون‌ها قبل از آنکه پراکنده شوند، در خطوطی بسیار مستقیم به فاصله‌ی چندین میکرون در دو بعد منتشر می‌شوند و به این طریق برهم‌کنش آن‌ها محدود می‌شود که در شکل بالا به صورت صفحه‌ی سبزی نمایش داده شده است. این تیم سپس از یک میدان مغناطیسی قوی برای محدود کردن بیشتر الکترون‌ها به تنها یک بعد در امتداد لبه‌های صفحه استفاده کرد (در شکل با فلش نشان داده شده است)، به گونه‌ای که الکترون‌های منفرد بتوانند به سمت هریک از گسیلنده‌ها هدایت شوند. با بکار بردن یک پالس ولتاژ، این پژوهش‌گران شروع به گسیل الکترون منفرد به سمت یک شکافنده‌ی پرتو (beamsplitter) کردند که از دو بازوی ورودی و دو بازوی خروجی ساخته شده است. به گفته‌ی یکی از این پژوهش‌گران این نمونه قادر به گسیل میلیاردها الکترون منفرد در هر ثانیه است- یک الکترون در هر نانوثانیه.

کاملاً هماهنگ  

این دو چشمه کاملاً با یکدیگر هماهنگ هستند به گونه‌ای که هر دو ذره به طور همزمان به شکافنده می‌رسند و پادهمبستگی کامل اتفاق می‌افتد، به این معنی که دو الکترون همیشه از خروجی‌های متفاوتی خارج می‌شوند. این بدان معناست که به عنوان مثال اگر یک الکترون منفرد به یکی از بازوهای ورودی فرستاده شود در حالی که ورودی دیگر خالی است، این الکترون به طور تصادفی از یکی از خروجی‌ها می‌گریزد. اما در این آزمایش این دو الکترون با گسیلنده‌های یکسان و هماهنگ اما مستقل تولید می‌شوند که به طور همزمان به دو بازوی ورودی شکافنده می‌رسند و همواره در دو خروجی مجزا ظاهر می‌شوند و بنابراین از اصل طرد پائولی تبعیت می‌کنند.

یکی از اعضای این گروه می‌گوید: «اثر پادهمبستگی الکترونی تنها می‌تواند با مکانیک کوانتومی توضیح داده شود. بنابراین این یک تداخل کوانتومی بین دو ذره است و به عدم تشخیص‌پذیری آن‌ها بستگی دارد. این تنها برای دو الکترون در حالت کوانتومی خالص و یکسان رخ می‌دهد که تحت تاثیر هیچ برهم‌کنشی با محیط نباشد و این، الکترون‌ها را همدوس و غیرقابل تشخیص می‌کند.»

او می‌افزاید در حالی که این تیم به درجه‌ی بالایی از عدم تشخیص‌پذیری دست یافته است، هنوز برخی برهم‌کنش‌های محیطی کوچکی وجود دارند. این روش نشان می‌دهد که تولید الکترون‌های منفردِ تحت کنترل امکان‌پذیر است. با استفاده از این روش می‌توان بسته‌موج‌های الکترونی تولید کرد و  میزان کنترل چشمه‌ها مزیت اصلی این روش محسوب می‌شود.

این پژوهش در مجله‌ی Science منتشر شده است.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jan/29/source-produces-indistinguishable-electrons