دانشمندان به تازگی پی برده‌اند که اگر الکترون‌ها تا دمای نزدیک صفر مطلق سرد شوند، حرکت آن‌ها به‌قدری آهسته خواهد شد که می‌توان رفتار آن‌ها را به صورت مجزا مورد مطالعه قرار کرد. به این ترتیب ما قادر خواهیم بود تا جهان را در سطح بالاتری از جزئیات مطالعه کنیم.

در دماهای بسیار پایین، جریان الکترون‌ها از حرکت باز می‌ایستد. اما در عوض به نظر می‌رسد که الکترون‌ها در یک ماده‌ی هادی، همانند دانه‌های شن در ساعت شنی جریان می‌یابند. در این حالت، الکترون‌ها نهایتا حالت کوانتومی خود را نشان داده و به این ترتیب ما را قادر می‌کنند تا تک‌تک‌ آن‌ها را به طور جداگانه تحت بررسی قرار دهیم.

سرپرست این تحقیق، کریستین آست (Christian Ast) از انستیتویمکس پلانک (Max Planck Institute) در آلمان در این باره می‌گوید:

دماهای به شدت پایین، صفحه‌ای تازه پر از جزئیات جدید در حوزه‌ی کوانتوم را به روی ما گشوده است.

الکترون‌ها مواد زیراتمی خاصی هستند و در داخل اتم‌هایی وجود دارند که دنیای اطراف ما را می‌سازند و همچنین به صورت جریان الکتریکی منتقل می‌شوند. اما با این که امروزه اطلاعات زیادی در مورد الکترون‌ها و نحوه‌ی عملکرد آن‌ها داریم؛ تاکنون نتوانسته بودیم آن‌ها را به صورت جداگانه مورد بررسی قرار دهیم.

دلیل این امر به ماهیت جریان الکتریکی بر‌می‌گردد. در واقع هنگامی که الکترون‌ها در قالب جریان الکتریکی حرکت می‌کنند، شناسایی الکترون‌ها به صورت منفرد غیرممکن می‌شود. این پدیده درست شبیه آبی است که از شیرها جریان می‌باید؛ با این‌ که ما آب را به صورت همگن احساس می‌کنیم، اما نمی‌توانیم مولکول‌های آب را شناسایی کنیم. این حالت در مورد جریان الکتریکی به عنوان یک محیط واحد نیز صادق است. علی‌رغم این که طبق قوانین فیزیک کوانتوم؛ وجود الکترون‌ها در جریان الکتریکی قطعی است، با این حال دانشمندان نمی‌توانند روی یک الکترون خاص از جریان الکتریکی متمرکز شده و آن را مطالعه کنند.

به همین دلیل ما قادر نیستیم الکترون‌ها را به صورت منفرد و جدا از یکدیگر بررسی کنیم و از این رو درک ما از دنیای پیرامون محدود می‌شود.

اما اکنون دانشمندان توانسته‌اند حرکت الکترون‌ها را به قدری آهسته کنند که این ذرات از خود رفتار کوانتومی نشان دهند. گفته‌ی اخیر به این معنی است که دانشمندان به توانایی مطالعه‌ی کوچک‌ترین واحد مجزا در داخل یک سیستم کوانتومی ایزوله دست یافته‌اند. به عبارت دیگر، با آهسته کردن جریان الکتریکی می‌توان الکترون‌ها را به صورت تکی در داخل جریان الکتریکی مشاهده کرد.

اما برای انجام این کار، دانشمندان یک میکروسکوپST یا Scanning Tunneling Microscope را تا پانزده هزارم یک درجه‌ی کلوین، یعنی حدودا تا دمای منفی ۲۷۳.۱۳۵ سانتی‌گراد سرد کرده‌اند.

 STM بر اساس روبش (اسکن) سطح رسانا به ‌وسیله‌ی نوک بسیار باریک (در حد چند نانومتر) و میزان تغییر در میزان جریان عبوری برحسب فاصله کار می‌کند. با این میکروسکوپ می‌توان نحوه‌ی آرایش اتم‌ها در سطح شبکه را بدون تماس با سطح نمونه، به تصویر کشید.

جریان ایجادشده بین STM و سطح رسانا در دماهای معمولی بسیار ناچیز و در حدود یک میلیاردم جریانی است که از یک لامپ صد وات عبور می‌کند. اما در همین جریان اندک نیز میلیاردها الکترون در هر ثانیه جا‌به‌جا می‌شوند. با توجه به مطالب فوق می‌توانیم به این نتیجه برسیم که مطالعه‌ی الکترون‌ها به صورت مجزا و در دمای معمولی برای دانشمندان غیرممکن است.

دانشمندان برای دیدن تک‌‌تک الکترون‌هایی که جریان الکتریکی را تشکیل می‌دهند؛ مجبور شدند تا دمای میکروسکوپ را تا نزدیک صفر مطلق پایین آورند. دانشمندان توانستند در این دما ساختار‌های جدید و غیرمنتظره‌ای کشف کنند که در اثر پاسخ‌های الکتریکی به وجود آمده و توسط میکروسکوپ ثبت شده بودند. کریستین آست در این مورد می‌گوید:

تنها در صورتی می‌توان وجود این ساختارها‌ی جدید را توضیح داد که فرض کنیم، جریان تونلیِ ایجادشده، یک محیط بلوری است نه همگن.

در حدود ۲۰ سال پیش نظریه‌‌ای ارائه شد که بیان می‌کرد انجام چنین آزمایشی ممکن است. اکنون کشف اخیر دانشمندان مهر تاییدی بر این نظریه است.

یکی از محققان تیم، یواخیم آنکرهولد (Joachim Ankerhold) از دانشگاه آلم (University of Ulm) درباره‌ی پژوهش اخیر می‌گوید:

نظریه‌ای که این آزمایش بر مبنای‌ آن طرح‌ریزی شده است، به اوایل دهه‌ی ۹۰ برمی‌گردد. اکنون که مسئله‌ی اجرایی بودن آن بر روی میکروسکوپ تونلی، از لحاظ مفهومی و عملیاتی حل شده است، ما می‌توانیم ببینیم که تئوری‌های گوناگون به چه شکلی با آزمایش‌های جدید انطباق کامل دارند.

البته این اولین باری نیست که ماهیت کوانتومی الکترون‌ها -یعنی حرکت آن‌ها در قالب بسته‌های کوانتومی- نمایانگر شده است. اما آزمایش اخیر اولین باری است که میکروسکوپ تونلی روبشی به حد کوانتومی خود رسانده شده است.

اکنون محققان امیدوارند که آزمایش موفقیت‌آمیز اخیر منجر به اکتشافات جدید در حوزه‌ی کوانتوم شود و آن طور که آست می‌گوید:

امیدواریم بتوانیم به درک بهتری از برهم‌کنش‌های نور-ماده و مفهوم ابررسانایی برسیم.

در نهایت باید گفت، هر چه بیشتر به ماهیت ماده پی ببریم، بهتر می‌توانیم سازوکار عالم را درک کنیم. نتایج به‌دست‌آمده از این پژوهش در ژورنال Nature Communications به انتشار رسیده‌اند.