Διάσημο πείραμα Κβαντομηχανικής γίνεται πραγματικότητα

Αμερικανοί φυσικοί κατάφεραν για πρώτη φορά να υλοποιήσουν ένα διάσημο θεωρητικό πείραμα που είχε περιγράψει πριν από μισό αιώνα ο νομπελίστας Ρίτσαρντ Φέινμαν, προκειμένου να αποδείξει ότι τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται ταυτόχρονα ως σωματίδια και ως κύμα.
Η νέα μελέτη δεν φέρνει μεγάλες ανατροπές στους νόμους της κβαντομηχανικής. Επιβεβαιώνει όμως τις προβλέψεις του διάσημου Αμερικανού νομπελίστα για ένα πείραμα που ήταν τότε τεχνικά δύσκολο να υλοποιηθεί.
Η διττή φύση του ηλεκτρονίου, ως σωματιδίου και ως κύματος, έχει επιβεβαιωθεί πολλές φορές μέχρι σήμερα, όμως κανένα από τα πειράματα αυτά δεν είχε αναπαράγει τη μεθοδολογία που είχε προτείνει το 1975 ο Φέινμαν στον Τόμο ΙΙΙ των Διαλέξεων στη Φυσική.
Η πειραματική διάταξη είναι φαινομενικά απλή: μια πηγή εκτοξεύει ηλεκτρόνια και τα στέλνει σε ένα τείχος, πάνω στο οποίο υπάρχουν δύο παράλληλες σχισμές που ανοιγοκλείνουν. Όσα ηλεκτρόνια καταφέρνουν να περάσουν από τις σχισμές καταγράφονται από έναν ανιχνευτή στην άλλη πλευρά του τείχους.

Ο Φέινμαν προέβλεψε ότι όταν είναι ανοιχτή μόνο μία σχισμή, το ηλεκτρόνιο θα συμπεριφέρεται ως σωματίδιο, θα περνά δηλαδή από το άνοιγμα όπως θα περνούσε ένα μικροσκοπικό μπαλάκι.
Όταν όμως είναι ανοιχτές και οι δύο σχισμές, το ηλεκτρόνιο αλλάζει συμπεριφορά. Αντί να περάσει μόνο από τη μία σχισμή, όπως θα περίμενε κανείς από ένα σωματίδιο, αυτό που συμβαίνει στην πραγματικότητα είναι να εμφανίζονται κύματα, σαν ρυτιδώσεις στην επιφάνεια μιας λιμνούλας, τα οποία πηγάζουν από τις δύο σχισμές και κινούνται πίσω από το τείχος.

Στα σημεία όπου συναντώνται, τα κύματα συμβάλλουν και δημιουργούν ένα χαρακτηριστικό μοτίβο σκοτεινών και φωτεινών περιοχών πάνω στον ανιχνευτή.

Η μεθοδολογία του Φέινμαν απαιτεί από την πηγή να εκτοξεύει τα ηλεκτρόνια ένα-ένα, ενώ οι σχισμές στο τείχος πρέπει να μπορούν να κλείνουν κατά βούληση και όχι αυτόματα.

Αυτές τις απαιτήσεις κατάφερε για πρώτη φορά να ικανοποιήσει η ομάδα του Χέρμαν Μπατέλαν στο Πανεπιστήμιο της Νεμπράσκα.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα "κανόνι" που εκτοξεύει μεμονωμένα ηλεκτρόνια και το έστρεψε σε ένα διάφραγμα από πυρίτιο και χρυσό, πάνω στο οποίο υπήρχαν δύο σχισμές διαμέτρου μόλις 62nm (δισεκατομμυριοστών του μέτρου). Οι σχισμές αυτές μπορούσαν να κλείνουν με πορτάκια που ανοιγόκλειναν κατά βούληση με έναν πιεζοηλεκτρικό μηχανισμό.

Αν και το πείραμα ακούγεται απλό, οι ερευνητές χρειάστηκαν τρία χρόνια για να ετοιμάζουν την πειραματική διάταξη, η οποία έδωσε φυσικά τα αναμενόμενα αποτελέσματα.

Ακριβώς 25 χρόνια μετά το θάνατο του Φέινμαν το 1988, η σύγχρονη τεχνολογία αποδεικνύει στην πράξη ότι ο μεγάλος θεωρητικός φυσικός είχε δίκιο.

Πηγή : in.gr

Ολόκληρο το άρθρο στο New Journal of Physics

Tο ηλεκτρόνιο αποκαλύπτει την τριπλή του προσωπικότητα

Αν και αποτελούν θεμελιώδη σωματίδια, τα ηλεκτρόνια υπό πολύ συγκεκριμένες συνθήκες φαίνονται να επιδεικνύουν διχασμένη προσωπικότητα – χωρίζονται σε τρία ξεχωριστά σωματίδια με διαφορετικές ιδιότητες. Οι επιστήμονες είχαν εντοπίσει τα δυο "κρυφά" πρόσωπά τους, το τρίτο όμως τους διέφευγε πεισματικά. 

Επί δεκαετίες η θεωρία της Φυσικής υπαγόρευε ότι ένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να υποδιαιρεθεί σε μικρότερες οντότητες –αυτός ακριβώς είναι και ο λόγος για τον οποίο έχει κερδίσει τον τίτλο του "θεμελιώδους σωματιδίου".

Στη δεκαετία του 1980 ωστόσο διατυπώθηκε η άποψη ότι τα ηλεκτρόνια μιας μονοδιάστατης αλυσίδας ατόμων μπορούν να υποδιαιρεθούν σε τρία είδη ημισωματιδίων (ή αλλιώς οιωνεί σωματιδίων), το καθένα εκ των οποίων "αποκτά" μια ξεχωριστή ιδιότητά τους: τα ολόνια (holons) φέρουν το ηλεκτρικό φορτίο των ηλεκτρονίων, τα σπινόνια (spinons) φέρουν την ιδιοστροφορμή τους (σπιν), ενώ τα ορμπιτόνια (orbitons) φέρουν την τροχιακή στροφορμή τους –δηλαδή την ενέργεια της τροχιάς τους γύρω από τον πυρήνα του ατόμου.

Αυτό συμβαίνει επειδή τα ηλεκτρόνια όταν περιορίζονται σε μια μόνο διάσταση μέσα σε ένα υλικό συμπεριφέρονται ως κύματα, υιοθετώντας "αλλόκοτες" συμπεριφορές. Όταν ένα ηλεκτρόνιο υπό τέτοιες συνθήκες διεγερθεί το κύμα του διαιρείται στα τρία, παράγοντας τρία διαφορετικά κύματα εκ των οποίων το καθένα παίρνει ένα διαφορετικό χαρακτηριστικό του αρχικού.

Το κάθε ημισωματίδιο έχει δηλαδή μια ιδιότητα του ηλεκτρονίου – την οποία και μπορεί να μεταφέρει στα γειτονικά σωματίδια – χωρίς όμως να διαθέτει τις άλλες. Αυτά τα τρία "πρόσωπα" του ηλεκτρονίου δεν μπορούν ωστόσο να υπάρξουν έξω από το υλικό στο οποίο δημιουργούνται και είναι πολύ δύσκολο να απομονωθούν.

Η ανακάλυψη ήταν σχετικά τυχαία: στόχος των φυσικών ήταν, όπως είπαν, να μελετήσουν τις διεγέρσεις των σπινονίων και το γεγονός ότι, δίπλα στα σπινόνια, είδαν για πρώτη φορά και τα ορμπιτόνια αποτέλεσε ένα παραπάνω από ευχάριστο "μπόνους". "Το επόμενο βήμα θα είναι να παραγάγουμε το ολόνιο, το σπινόνιο και το ορμπιτόνιο ταυτοχρόνως" δήλωσε ο Γερόεν φαν ντεν Μπρινκ από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής της Στερεάς Κατάστασης της Δρέσδης, εκ των επικεφαλής της μελέτης, μιλώντας στην ηλεκτρονική ειδησεογραφική έκδοση του "Nature".

Το 1996 οι επιστήμονες κατόρθωσαν να διαιρέσουν ένα ηλεκτρόνιο σε ένα ολόνιο και ένα σπινόνιο, επιβεβαιώνοντας ένα μέρος της θεωρίας. Τώρα μια ομάδα ερευνητών από τη Γερμανία και την Ελβετία κατόρθωσε να χωρίσει το θεμελιώδες σωματίδιο σε ένα σπινόνιο και ένα ορμπιτόνιο, αποκαλύπτοντας και το τρίτο πρόσωπο των ηλεκτρονίων.

Όπως περιγράφουν στη μελέτη τους, η οποία δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση "Nature", οι φυσικοί χρησιμοποίησαν τον ελβετικό επιταχυντή Swiss Light Source (SLS) για να "χτυπήσουν" με μια ισχυρή δέσμη φωτονίων ακτίνων Χ ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο σε ένα δείγμα μονοδιάστατου οξειδίου του στροντίου – ενός υπεραγώγιμου υλικού. Η ανάλυση των μεταβολών που προέκυπταν στη δέσμη των φωτονίων τούς "έδειξε" το ορμπιτόνιο μέσω της επιρροής του στην τροχιά των γειτονικών του ηλεκτρονίων κατά μήκος ολόκληρης της αλυσίδας.