Hämmästyttävä löytö kaksikerroksisessa grafeenissa osoittaa, kuinka elektronit voivat jäljitellä valon käyttäytymistä, mikä haastaa käsityksemme materiasta ja energiasta.
Sisällysluettelo
Ensi silmäyksellä elektronit ja fotonit näyttävät kuuluvan eri maailmoihin. Toinen liittyy aineeseen, toinen valoon. Toisella on massa, toisella ei. Uusi koe tietynlaisten materiaalien kanssa on kuitenkin paljastanut odottamattoman ilmiön: jotkut elektronit voivat käyttäytyä kuin fotonit , hämärtäen niiden välisiä rajoja. Tämä löytö on hämmästyttävä paitsi harvinaisuudestaan myös siksi, että se herättää perustavanlaatuisia kysymyksiä aineen luonteesta.
Artikkelissa kuvataan kokeilu, jossa elektronit kaksikerroksisessa grafeenissa pakotettiin virtaamaan jäljittelemällä valon leviämistä. Tämä ei ole sanaleikki eikä liioittelua: se on todellinen kvantti-ilmiö, joka on havaittu ja mitattu laboratorio-olosuhteissa. Tutkijat onnistuivat saamaan elektronit ”taipumaan” kaksikerroksisessa grafeenissa valon avulla . Tämä kyky ohjata elektronien liikerataa fotonien tarkkuudella avaa uuden lähestymistavan hiukkasten käyttäytymisen ymmärtämiseen tietyissä materiaaleissa, mikä voi löytää pitkäaikaisen teknologisen sovelluksen.
Kaksikerroksinen grafeeni: epätavallinen materiaali
Ensimmäisen eristämisensä jälkeen vuonna 2004 grafeeni on ollut monien vallankumouksellisten löytöjen kohteena. Tämä materiaali, joka koostuu yhdestä hiiliatomien kerroksesta, jotka on järjestetty heksagonaaliseksi rakenteeksi, tunnetaan lujuudestaan, joustavuudestaan ja johtavuudestaan. Mutta kun kaksi kerrosta grafeenia asetetaan päällekkäin, järjestelmän kvanttinen käyttäytyminen muuttuu radikaalisti.
Kaksikerroksinen grafeenin rakenne mahdollistaa materiaalin elektronisten ominaisuuksien hallinnan ennennäkemättömillä tavoilla. Kuvailemassani kokeessa tätä rakennetta käytettiin luomaan elektronivirta, joka jäljitteli valovirtaa. Sen sijaan, että elektronit olisivat seuranneet kaoottisia tai satunnaisia lentoratoja, ne liikkuivat ennalta määrättyjä lentoratoja, kuten valonsäteet taittumisen tai heijastumisen yhteydessä .
Tämä ilmiö ei tapahdu missään olosuhteissa. Grafeenikerrosten suunta, legerointitaso (eli järjestelmään lisättyjen elektronien määrä) ja lämpötilaolosuhteet on valittava tarkasti. Vasta sitten voidaan saavuttaa haluttu vaikutus. Tässä tapauksessa tutkijat käyttivät valoa halutun käyttäytymisen aikaansaamiseksi, mikä viittaa todelliseen valon ja aineen vuorovaikutukseen, jossa elektronit lopulta saavat optisia ominaisuuksia .
Elektronit käyttäytyvät kuin fotonit: mitä se tarkoittaa?
Väite, että elektroni ”käyttäytyy kuin fotoni”, ei tarkoita, että sen luonne olisi muuttunut. Tapahtuu se, että sen liike materiaalissa jäljittelee valon tyypillisiä ilmiöitä, kuten taittumista tai interferenssiä. Tämä samankaltaisuus saavutetaan hyvin erityisissä olosuhteissa, mutta sen olemassaolo itsessään riittää kyseenalaistamaan joitakin perinteisiä käsityksiä.
Kvanttifysiikassa tiedetään, että kaikilla hiukkasilla on aalto-ominaisuuksia. Sekä fotonit että elektronit voidaan kuvata aaltofunktioilla. Käytännössä elektronit ovat kuitenkin yleensä alttiina monimutkaisemmille vuorovaikutuksille: ne hajoavat, törmäävät ja hidastuvat. On erittäin epätavallista nähdä niiden liikkuvan valon tavoin ilman näkyvää energian menetystä tai hajoamista.
Artikkelin mukaan tällainen käyttäytyminen johtui valon vaikutuksesta materiaaleihin, joilla on tietyt elektroniset ominaisuudet , mikä sai elektronit liikkumaan ”kuin niillä ei olisi massaa”. Tämä yksityiskohta on keskeinen, koska massa on yksi elektronien ja fotonien perustavanlaatuisista eroista. Mahdollisuus saada massallinen hiukkanen käyttäytymään samalla tavalla kuin massaton hiukkanen avaa ennennäkemättömiä kokeellisia mahdollisuuksia tutkia monimutkaisia kvantti-ilmiöitä .
Hämmästyttävää ei ole hiukkas-aalto-dualismi, vaan se, miten se ilmenee.
Jokainen, joka on opiskellut kvanttimekaniikkaa, tietää, että kaikilla elektroneilla on aalto-ominaisuuksia, kuten fotoneilla. 1900-luvun elektronien diffraktiokokeiden jälkeen on tunnustettu, että myös materia voi käyttäytyä aaltona. Siksi väite, että ”elektronit käyttäytyvät kuin fotonit”, voi tuntua toistavan jo tiedossa olevaa asiaa. Mutta tämän kokeen ydin ei ole siinä .
Tämän löydön ainutlaatuisuus piilee siinä, miten elektronit käyttäytyvät erityisesti kehitetyssä materiaalissa – kaksikerroksisessa grafeenissa. Kyse ei ole vain elektronien aaltofunktiosta, vaan hiukkasista, joita voidaan ohjata kuten valonsäteitä . Tämä tarkoittaa, että ne voivat heijastua, taipua tai fokusoitua optisten polkujen varrella, mitä ei tapahdu useimmissa materiaaleissa.
On vielä yksi tärkeä yksityiskohta: näiden elektronien käyttäytyminen indusoituu valolla – ulkoisella välineellä, joka muuttaa elektronien liikkeen luonnetta grafeenin sisällä. Tämän vuorovaikutuksen ansiosta elektronit eivät vain liiku, vaan liikkuvat ikään kuin niillä ei olisi massaa , jäljittelemällä fotonien leviämistä. Tällaista tasoa kokeellisessa kontrollissa ei ole koskaan saavutettu tällaisella tarkkuudella ja vakaudella .
Keskeinen ero ei ole niinkään hiukkas-aalto-dualismissa, vaan siinä, miten sitä on aktiivisesti manipuloitu. Juuri tämä kyky saada elektronit käyttäytymään tyypillisesti optisesti – ja tekemään niin pyynnöstä – avaa tien täysin uusille teknologioille. Kyse ei ole siitä, että elektronit ”nyt” omaavat valon ominaisuuksia, vaan siitä, että tämä käyttäytyminen on onnistuneesti toistettu todellisessa, konkreettisessa fysikaalisessa järjestelmässä.
Mitä sovelluksia tällä löydöllä voi olla?
Alkuperäisen hämmästyksen lisäksi kokeella on pitkäaikaisia käytännön seurauksia. Mahdollisuus ohjata elektroneja valonsäteiden tavoin voi olla hyödyllinen uusien elektronisten ja optisten laitteiden kehittämisessä, erityisesti kvanttilaskennan ja integraalifotonikan alalla.
Yksi nykyaikaisen teknologian tehtävistä on elektronien liikkeen hallinta mahdollisimman pienellä energianhävikillä . Fotoneiden käyttäytymisen jäljitteleminen, jotka voivat liikkua pitkiä matkoja ilman hajontaa, on toivottava tavoite. Jos tämä ilmiö onnistutaan toistamaan vakaasti, voidaan kehittää nopeampia ja tehokkaampia kaavioita, joissa informaatio siirretään elektronien avulla optisella dynamiikalla.
Lisäksi tällaiset kokeet antavat meille mahdollisuuden tutkia uusia aineen tiloja, kuten dirakin puolimetalleja tai topologisia eristeitä , joissa hiukkaset käyttäytyvät epätavallisesti. Näiden tilojen ymmärtäminen on välttämätöntä uusien teknologioiden kehittämiseksi ja täydellisempien teorioiden muotoilemiseksi aineen kvanttikäyttäytymisestä.
Työkalu fysiikan rajojen tutkimiseen
Tämä koe on tärkeä paitsi potentiaalisten teknologisten sovellustensa vuoksi myös sen arvokkuuden vuoksi tieteellisen tutkimuksen työkaluna. Nykyaikaisessa fysiikassa monet tärkeimmistä saavutuksista liittyvät äärimmäisten tilanteiden havainnointiin, joissa tunnetut säännöt alkavat rikkoutua tai muuttua sekaviksi .
Se, että elektronit jäljittelevät fotoneja tietyissä olosuhteissa, viittaa siihen, että valon ja aineen välinen käsitteellinen ero on vähemmän selvä kuin aiemmin on ajateltu. Syvemmällä tasolla molemmat entiteetit noudattavat samoja kvanttilakeja, eroavat toisistaan vain joissakin ominaisuuksissa, kuten massassa, spinissä tai varauksessa.
Tällaisten ilmiöiden havainnointi antaa meille mahdollisuuden tarkistaa olemassa olevia teoreettisia malleja ja joissakin tapauksissa korjata tai laajentaa niitä. Kvanttifysiikka on edelleen alue, joka on täynnä tuntematonta, ja jokainen kokeilu, joka haastaa intuitioomme, lisää palapelin palan.
Laboratorion ulkopuolella: miten käsityksemme aineesta muuttuu
Tällaisella löydöllä on merkitys, joka ulottuu tekniikan tai teorian ulkopuolelle. Se pakottaa meidät miettimään uudelleen syvään juurtuneita käsityksiä aineen ja valon luonteesta sekä niiden rajoista. Jokapäiväisessä elämässä meillä on taipumus ajatella materiaa kiinteänä, kosketeltavana ja painavana, ja valoa taas aineettomana, massattomana. Tämä kokeilu osoittaa, että nämä kategoriat voivat olla tiiviimmin toisiinsa kietoutuneita kuin olemme ajatelleet .
Suurelle yleisölle tämä löytö saattaa tuntua kaukaiselta, mutta se on erittäin arvokas. Se muistuttaa meitä siitä, että maailmankaikkeus ei aina käyttäydy intuitiivisesti ja että jatkamme edelleen perustavimpien hiukkasten vuorovaikutuksen tutkimista. Elektronien optisten ominaisuuksien havainnointi ei ole pelkkä tekninen yksityiskohta: se on merkki siitä, että fysiikka kehittyy edelleen ja että se, mikä tänään tuntuu itsestään selvältä, voi huomenna olla kyseenalaistettavaa.
Vaikka tässä kokeessa havaitut ilmiöt esiintyvät vain tarkasti kontrolloiduissa olosuhteissa, niiden olemassaolo osoittaa, että hiukkasten ominaisuudet eivät ole muuttumattomia, vaan riippuvat ympäristöstä, niihin kohdistuvista voimista ja niiden kvanttitilasta. Tämä joustavuus, joka ei suinkaan ole haitta, mahdollistaa tieteelliset innovaatiot.
