Энэхүү нийтлэл нь Гэж Юу Вэ? сэтгүүлийн 2025 оны хаврын дугаарт багтсан бөгөөд бид тус сэтгүүлийн нийтлэлүүдийг цувралаар уншигч та бүхэнд хүргэж байна. Алдаж боломгүй агуулгуудыг шимтэн уншаарай. Мөн ЭНД дарж гурав дахь дугаарыг урьдчилан захиалах боломжтой.


Миний судалгааны чиглэл бол атом болон молекулуудын дотор явагдах хэт хурдан динамик процесс юм. Энэхүү судалгааны чиглэлийг "Аттосекундын физик" гэдэг бөгөөд энэ салбарын судлаачид фемто (10-15) болон атто (10-18) секундын хугацааны өргөнтэй лазерын импульс ашиглан хэт хурдан процессуудыг судалдаг. Энэ судалгааны чиглэлийн гол зорилго нь эхлээд атом болон молекулуудын дотор өрнөх физик процессуудыг тэдний байгалийн цаг хугацааны эрэмбэд нь ойлгох, дараа нь тэрхүү олсон мэдлэг ойлголтоо ашиглан тухайн физик процессыг хүн төрөлхтөнд ач тустай, эерэг байдлаар удирдан жолоодох явдал юм.

Жишээлбэл, нарнаас ирж буй хэт ягаан туяаны нөлөөгөөр бидний арьсанд ДНХ-ийн гэмтэл (биеийн арьс түлэгдэх, арьс үрчлээтэх г.м.) бий болдог. Ийм учраас бид зуны улиралд аль болох нарны тос түрхэхийг хичээдэг шүү дээ. Үүнийг суурь түвшинд нь аваад үзэх юм бол цэвэр квант физикийн процесс бөгөөд нарнаас ирж буй хэт ягаан туяа нь ДНХ-ийн бүтцэд байх электроныг өдөөснөөр зарим тохиолдолд молекулуудын хуваагдах урвал явагдаж, ингэснээр тухайн ДНХ-ийн бүтцэд өөрчлөлт орж, гэмтэл бий болж байна гэж ойлгож болно. Хэрвээ бид энэ үйл явцыг үндсэн түвшинд хэрхэн явагдаж байгааг ойлгож чадвал ийм гэмтлээс сэргийлж болох юм. Үүнтэй адилаар, квант ертөнц дэх хэт хурдан процессуудыг таньж мэдсэнээр ирээдүйд магадгүй хорт хавдрын тархалтыг зогсоох эсвэл молекулуудын шинж чанарыг квантын түвшинд удирдах замаар шинэ эмийг ч нээх боломжтой.



Аттосекундын физикийг заримдаа хүчтэй орны физик гэж нэрлэдэг. Учир нь маш их энерги хугацааны богино хэрчимд шахагдаж хуримтлагдсан байдаг бөгөөд хэт богино лазерын импульсын цахилгаан орны хүчлэг нь атом дахь электроныг түүний кулоны потенциалаас нь хялбархан салгаж чадахуйц хүчтэй байдаг. Ингэж электроныг түүнийг тогтоон барьж буй цөмийн кулоны потенциалаас салгахыг атомын иончлол гэдэг. Лазерын цахилгаан орны хүчлэг хэр хүчтэй байгаагаас хамаараад иончлолын процессыг голчлон хоёр ангилдаг: Олон фотонт иончлолын ба туннелийн иончлолын муж гэж.

Олон фотонт иончлолын муж нь цахилгаан орны хүчлэг нь харьцангуй сул (~1012 Вт/см2) нөхцөлд хамаардаг байхад туннелийн иончлолын муж нь цахилгаан орны хүчлэг нь маш хүчтэй (>1014 Вт/см2) тохиолдолд хамаардаг. Хэт богино лазерын технологи үүсэж хөгжсөн цагаас хойш энэхүү иончлолын мужуудыг онол болон туршилтын олон янзын аргуудаар нэлээд өргөн хүрээнд сайтар судалсан байдаг.

Гэсэн хэдий ч олон фотонт ба туннелийн иончлолын мужийн хооронд орших цахилгаан орны хүчлэг нь "дунд зэрэг (~1013 Вт/см2)" ангилалд хамаарах шилжилтийн муж байдаг. Энэ мужид явагдах иончлолын процесс төдийлөн ойлгомжтой биш, дэлгэрэнгүй судлагдаагүй байсан юм.

Докторын судалгааны ажлаа хийж байх үед энэ шилжилтийн муж дахь иончлолын процесс миний анхаарлыг байнга татдаг байв. Хожим нь докторын дараах судлаачаар ажиллаж байхдаа энэ санаан дээр туршилт хийх боломж олдсон. Уг туршилтыг хийхийн тулд эхлээд туршилтын төхөөрөмжүүд тэр дундаа детектор буюу бүртгэгч, лазерын системээ нарийвчлан тохируулах хэрэгтэй байлаа. Олон сарын туршид төхөөрөмжүүддээ нарийвчилсан тохируулга хийж туршилтдаа бэлдсэний эцэст өмнө ярьсан шилжилтийн мужид иончлолын процессыг судлах сонирхолтой туршилтыг амжилттай явуулж чадсан билээ.

Туршилтаа хоёр, гурван удаа давтан хийж хангалттай дата өгөгдөл цуглуулсныхаа дараагаар туршилтын үр дүндээ анализ хийж эхэлсэн. Туршилтын үр дүнгүүдийн зарим хэсгийг нь өмнө бий болсон байсан мэдлэг, ойлголтуудын хүрээнд тайлбарлаж болохоор байсан бол зарим хэсэг нь тэгэх боломжгүй байлаа.


Гэрэл зургийг: Ergelt.mn

Түүний ТэнГэр телевизэд өгсөн ярилцлагыг үзэх

Ингээд туршилтын үр дүнгээ бататгаж онолын суурьтай тайлбарлахын тулд Герман Улсын Хайдельберг хот дахь Макс Планкийн Цөмийн Физикийн Хүрээлэнгийн онолын багтай хамтран ажиллаж эхэлсэн юм. Онолын багийнхан маань хэдэн сарын дараа өөрсдийн загварчлал тооцооллын үр дүнг бидэнд илгээсэн бөгөөд тэдний тооцооллын үр дүн миний туршилтын үр дүнг гайхалтайгаар давтаж баталсан байлаа. Хамгийн гайхамшигтай зүйл нь бидний туршилтаар ажигласан физик процесс нь квант хонгилын үзэгдлийн явцад классик физикт "хориотой бүс" гэж нэрлэгддэг квант хонгил дотор байгаа электронуудын динамик процессыг анх удаа олж илрүүлсэнд байв. Бидний хийсэн энэ судалгааны ажлын үр дүн физикийн салбарын нэр хүндтэй сэтгүүлүүдийн нэг болох Physical Review Letters-ийн 2025 оны 5-р сарын 27-ны дугаарт хэвлэгдсэн юм.

Энэхүү нээлтээ ойлгуулахын тулд би эхлээд "квант хонгилын үзэгдэл" гэж юуг хэлж байгааг тайлбарлах гэж оролдъё.

Квант хонгил гэж юу вэ?

Квант хонгил гэдэг нь хамгийн энгийнээр хэлбэл, орчлон ертөнцийг бүрдүүлэх эгэл бөөмс (жишээ нь электрон) аливаа потенциал саадыг хангалттай их энергигүй байсан ч нэвтлэн давж гарах үзэгдэл юм. Үүнийг арай илүү хялбараар ойлгохын тулд та жижиг бөмбөгийг уулын өгсүүр өөд түлхсэн гэж төсөөлье. Сонгодог физикийн үүднээс хэрэв та бөмбөгийг хангалттай хүчтэй түлхээгүй бол уулыг хэзээ ч давж чадахгүй. Харин квант ертөнцөд, электронуудын хувьд энэ нь огт боломжгүй зүйл биш.

Хангалттай их энергигүй ч гэсэн электронууд заримдаа уулан доогуур "хонгил ухаад" нөгөө талд нь гараад ирдэг. Гэхдээ энэ нь жинхнээсээ хонгил ухна гэсэн үг биш шүү. Зүгээр л адилтгаж байгаа хэрэг. Энэ үзэгдлийг "квант хонгил"-ын үзэгдэл гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ нь квант механик дахь үндсэн ойлголтуудын нэг тул квант механик хөгжсөн цагаас хойш нийтээр хүлээн зөвшөөрөгдсөн ойлголт билээ. Ийм квант хонгилын үзэгдлийн ач тусаар бид нар гэрэлтэхийг харж мөн хагас дамжуулагч дээр суурилсан ухаалаг гар утас зэрэг орчин үеийн технологиудыг өдөр тутмын амьдралдаа ашиглаж байгаа юм.



квант хонгил доторх электрон

Өнөөг хүртэл эрдэмтэд электронууд зөвхөн өмнө нь дурдсан потенциал саадыг нэвтэлж, чөлөөт орон зайд бүрэн гарч ирснийхээ дараа л лазерын цахилгаан орон болон атомын цөмтэй дахин харилцан үйлчилж болно гэж үздэг байв. Харин "квант хонгил" дотор юу болдог тухай эрдэмтэд төдийлөн ярьдаггүй, зайлсхийдэг байв. Нөгөө талаасаа энэ нь классик физикийн хувьд хориотой муж учраас тэнд ямар физик процесс өрнөдгийг мэдэхэд бэрх эсвэл зүгээр л сонирхохгүйгээр мартаж орхисон байх.

Бидний судалгааны шинэ үр дүн "квант хонгил" дотор ямар физик процесс өрнөдгийг анх удаа олж илрүүлсэн гэж ойлгож болно. Энэ нь электронууд квант хонгил дотор байхдаа ч атомын цөм болон лазерын цахилгаан оронтой харилцан үйлчлэлд орж, хонгил дотроо буцаад U-эргэлт (U-turn) хийж байгаа мэт үзэгдэл явагддаг гэдгийг онол болоод туршилтаар баталсан явдал юм. Энэхүү шинэ үзэгдлээ бид нар квант U-эргэлт (quantum U-turn) гэж нэрлэсэн.

Энэ үзэгдлийг туршилтаар ажиглахын тулд бид хэт богино лазерын импульсыг (30 фемтосекунд, 800 нм долгионы урттай) ашиглан Ксенон (Xe) болон Криптоны (Kr) атомуудыг иончилсон бөгөөд ингэж иончлогдож гарсан электронуудын кинетик энергийг хэмжсэн. Туршилтаар фотоэлектронуудын кинетик энергийг лазерын цахилгаан орны хүчлэгээс хамааруулан (зурагт, хөгжмийнхөө дууг сулаас их рүү чангалж байгаатай ижил) судлахад лазерын цахилгаан орны хүчлэг нь "дунд зэрэг (~1013 Вт/см2)" ангилалд хамаарах шилжилтийн мужид ирэхэд фотоэлектроны спектрограммд урьд өмнө нь ажиглагдаж байгаагүй дээд эрэмбийн Фриймэн резонанс (Freeman resonance) гэх үзэгдэл ажиглагдсан бөгөөд энэ үзэгдлийг стандарт онолоор тайлбарлах боломжгүй байв. Харин стандарт онолд квант U-эргэлтийг тооцсон хоёрдугаар эрэмбийн засварыг оруулан бодоход хэмжилтийн үр дүнтэй яв цав таарч байлаа. Ингэснээрээ бид нар квант механикт тогтсон байсан электронууд потенциал саадыг шууд нэвтрээд гардаг гэсэн уламжлалт ойлголтыг улам баяжуулж, электронууд потенциал саад дотор байхдаа ч харилцан үйлчлэлд орж квант U-эргэлт хийдэг гэсэн нэгэн шинэ ойлголтыг нэмж байна.



Яагаад энэ нээлт чухал вэ?

Тэгэхээр, ер нь квант хонгил доторх энэхүү үзэгдлийг олж нээсэн нь ямар хамаатай вэ? гэж та асууж магадгүй.

Хариулт нь: Маш их хамааралтай. Учир нь квант хонгилын үзэгдэл зөвхөн лабораторийн өрөөнд, төхөөрөмжүүдэд илэрч, хэмжигдэж байдаг физик үзэгдэл биш юм. Энэ нь орчин үеийн чухал технологиудын үндэс болдог. Дараах хэдэн жишээгээр хэр чухал болохыг тайлбарлая.

Хагас дамжуулагч ба электроник: Бидний хэрэглэдэг компьютер, ухаалаг гар утас, таблетуудын үндсэн хэсгийг бүрдүүлдэг транзисторуудыг асааж, унтраахын тулд квант хонгилын үзэгдэл ашигладаг. Тиймээс потенциал саад доторх электронуудын динамик процессыг олж мэдсэнээр илүү үр ашигтай, хүчирхэг, авсаархан электрон төхөөрөмжүүдийг бий болгохач холбогдолтой. Өөрөөр хэлбэл ирээдүйд бид нар илүү хурдан, бага эрчим хүч хэрэглэдэг дараагийн үеийн микрочипүүдийг зохион бүтээх боломжийг нээж өгч байна гэсэн үг.

Квантын тооцоолол: Өнөө цагт тогтвортой ажиллагаатай, алдаа багатай квант компьютер бүтээх уралдаан өндөр хөгжилтэй улс орнуудын хооронд явагдаж байгаа бөгөөд үүнд тулгарч байгаа хамгийн том сорилтуудын нэг бол энгийн компьютерын ажиллах зарчмын суурь болсон бит-ийн квант эквивалент болох кюбитуудын (qubit) тогтвортой байдал, бас хоорондын уялдаа холбоог (когерент чанарыг) хадгалах явдал юм.

Одоогоор хамгийн их найдвар төрүүлж буй квант тооцооллын платформууд нь хэт дамжуулагч материалыг ашиглаж байгаа бөгөөд ийм хэт дамжуулагчид мөн л квант хонгилын үзэгдлийг ашигладаг. Иймээс квант хонгилын үзэгдлийн үед электроны динамикийг өндөр нарийвчлалтайгаар хянаж жолооддог болсноор бид квант компьютеруудын алдааг бууруулж, эдгээр машинуудын илүү найдвартай, тогтвортой ажиллагааг сайжруулж чадна гэж найдаж байна.

Хэт богино лазер: Анагаах ухаан, эмнэлгийн зориулалттай лазеруудаас эхлээд үйлдвэрлэлд ашиглагддаг зарим лазерууд квант хонгилын үзэгдэл дээр суурилсан байдаг. Тиймээс электронууд квант хонгилоор нэвтрэх үедээ лазерын цахилгаан оронтой хэрхэн харилцан үйлчилж байгааг суурь түвшинд ойлгож, жолооддог болсноор лазерын ашигт үйлийн коэффициентийг дээшлүүлэх, эсвэл өөр шинэ төрлийн лазерын технологи гарган авахад нэмэр болох юм.

Цөмийн нэгдэх урвал: Квантын хонгилын үзэгдэл нар гэрэлтэх шалтгаан болдгийг өмнө нь дурдсан билээ. Тухайлбал, нарны цөмд байх устөрөгчийн протонууд нь хэдийгээр хоорондын цахилгаан статик түлхэлцлийн хүчээ даван гарах хангалттай кинетик энерги байхгүй ч квант хонгилын үзэгдлийн ачаар устөрөгчийн хоёр протон хоорондоо нэгдэж халуун цөмийн нэгдэх урвал явагдах эхлэлийг тавьснаар эцэстээ өндөр энерги ялгаруулдаг билээ. Иймд квант хонгилын үзэгдлийг гүнзгий түвшинд ойлгох нь дэлхий дээр халуун цөмийн урвалаар ажиллах тогтвортой цөмийн реактор бүтээхэд чухал хэрэгцээтэй юм.



Дээрх жишээнүүд бол таамаг төдий зүйл бөгөөд аливаа шинэ нээлт ирээдүйд ямар технологийн хувьсгал авч ирэхийг урьдаас тааварлан хэлэхэд тун чиг амаргүй билээ. Дээрх жишээнүүдээс санаа аваад та ч гэсэн квант U-эргэлтийг ашигласан шинэ технологийн тухай бодож үзэж болно шүү.

Эцэст нь хэлэхэд, энэхүү нээлт нь мэдлэгийн эрэл хайгуул хэзээ ч дуусдаггүй гэдгийг мөн квант механик гэх мэт сайтар судлагдсан суурь шинжлэх ухаанд ч дутуу судлагдсан асуудлууд ямагт байдаг гэдгийг сануулж байна. Нөгөөтээгүүр квант U-эргэлтийг олж илрүүлсэн нь шинжлэх ухааны нээлт гэхээс илүүтэйгээр хүн төрөлхтний сониуч байдал хязгааргүй, орчлон ертөнцийн хамгийн эгэл хэсгүүд ч тайлагдаагүй нууцуудаар дүүрэн гэдгийг харуулж байгаа юм.