Η ροή των ηλεκτρονίων κινεί τη σύγχρονη ζωή μας.
Από τις οικιακές ευκολίες, όπως το απαραίτητο air fryer, μέχρι τις οθόνες κάθε μεγέθους που χρησιμοποιούμε στη δουλειά ή για ψυχαγωγία, η σύγχρονη τεχνολογία λειτουργεί χάρη στην κατευθυνόμενη κίνηση των ηλεκτρονίων.
Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια υπακούν στους παράξενους κανόνες του κβαντικού κόσμου, παρουσιάζοντας συμπεριφορές που δεν συναντάμε στον μακροσκοπικό κόσμο. Μία από αυτές είναι η υπέρθεση, που τους επιτρέπει να βρίσκονται σε πολλές καταστάσεις μέχρι να παρατηρηθούν, όπως η θεωρητικά «νεκροζώντανη» γάτα του Σρέντιγκερ.
Κάποιες φορές, όμως, οι παράξενες αυτές ιδιότητές τους έχουν και πραγματικά ανάλογα στον κόσμο γύρω μας, που βοηθούν όσους δεν είναι κβαντικοί φυσικοί να κατανοήσουν έστω και ένα μέρος από τις αόρατες διεργασίες.
Σε μια σημαντική μελέτη, φυσικοί στο University of Michigan (U-M) ανέδειξαν νέα φυσική, αναπτύσσοντας μια συσκευή-«φάρο ηλεκτρονίων» που εκπέμπει μια δέσμη ηλεκτρονίων, η οποία μπορεί να ελέγχεται με διαφορετικά «χρώματα» φωτός χωρίς να απαιτείται καμία ηλεκτρική πηγή.
«Αυτό δεν είναι ο τρόπος που λειτουργούν συνήθως τα πράγματα. Όταν σκέφτεστε τα ηλεκτρόνια να κινούνται μέσα σε ένα υλικό, κινούνται επειδή έχετε εφαρμόσει ένα ηλεκτρικό πεδίο και στην πραγματικότητα αναπηδούν και παρασύρονται μέσα στο υλικό», εξηγεί ο Steven Cundiff, πειραματικός φυσικός στο U-M και βασικός συγγραφέας της μελέτης.
«Εδώ, χρησιμοποιώντας το φως, μπορείτε στην πραγματικότητα να σπρώξετε τα ηλεκτρόνια προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση χωρίς να εφαρμόσετε ηλεκτρικό πεδίο».
Με τη στήριξη του US National Science Foundation, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια συσκευή που χρησιμοποιεί δύο δέσμες λέιζερ διαφορετικών «χρωμάτων» στο αόρατο υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, ώστε να ελέγχουν τη ροή των ηλεκτρονίων μέσα από έναν ημιαγωγό.
«Ίσως το πιο εντυπωσιακό είναι ότι τα ρεύματα που παράγονται από αυτή τη διαδικασία μπορούν πράγματι να ανιχνευθούν με τη συσκευή που φτιάξαμε», είπε ο Cundiff στο ScienceAlert.
«Το παραγόμενο ρεύμα είναι “βαλλιστικό”, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται κατά μήκος μιας τροχιάς που καθορίζεται από την αρχική τους “εκτόξευση”. Συνήθως, τα ηλεκτρικά ρεύματα δεν είναι βαλλιστικά, αλλά διαχυτικά, επειδή τα ηλεκτρόνια συγκρούονται διαρκώς με ακαθαρσίες και ατέλειες στο υλικό».
Οι ερευνητές κατασκεύασαν τη συσκευή τους στην Lurie Nanofabrication Facility (LNF) του U-M, δοκιμάζοντας διαφορετικές μεθόδους για να στήσουν ένα πειραματικό σύστημα που δεν θα εισήγαγε εξωτερικά ηλεκτρικά πεδία και δεν θα αλλοίωνε τα αποτελέσματά τους.
«Αυτό ήταν το μεγαλύτερο αίνιγμα που έπρεπε να λύσω, γιατί δεν υπάρχει τυποποιημένος τρόπος να το κάνεις», λέει ο Yiming Gong, επιστήμονας μηχανικής μάθησης στο Grainger και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
«Έτσι, συνεργάστηκα με το προσωπικό της LNF για να δοκιμάσουμε διαφορετικές συνταγές και θερμοκρασίες, ώστε να βρούμε μια διαδικασία κατασκευής».
Προηγούμενη θεωρητική και πειραματική δουλειά είχε δείξει ότι μόνο το φως μπορεί να προσφέρει την απαραίτητη ενέργεια για να αρχίσουν να κινούνται τα ηλεκτρόνια.
«Στην πραγματικότητα, αυτό το έργο είναι αρκετά ενδιαφέρον, γιατί ξεκίνησα να δουλεύω σε [τον προκάτοχό του] πολλά χρόνια πριν, ως έναν τρόπο να φτιάξω έναν ανιχνευτή ευαίσθητο στη φάση για χρήση στη σταθεροποίηση frequency combs», είπε ο Cundiff στο ScienceAlert.
Τα frequency combs αποτελούν βασικά εργαλεία για τον ακριβή έλεγχο των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, δημιουργώντας ακριβέστερα ρολόγια, υπολογιστές και συστήματα επικοινωνίας.
Η νέα έρευνα βασίζεται σε προηγούμενες εργασίες και δείχνει ότι το φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παρακινήσει τα ηλεκτρόνια να ρέουν σε μορφή δέσμης, κάτι που οι συγγραφείς παρομοιάζουν με φάρο.
«Το φως δεν απλώς ενεργοποιεί το ρεύμα· το κατευθύνει κιόλας», εξηγεί ο Cundiff.
Η στόχευση αυτής της δέσμης ηλεκτρονίων, ωστόσο, είναι πιο σύνθετη από το απλό γύρισμα ενός λαμπτήρα. Οι ερευνητές περιστρέφουν τη δέσμη ηλεκτρονίων τους περιστρέφοντας την πόλωση —ή αλλιώς την κατεύθυνση των ταλαντώσεων— του φωτός.
Η εργασία αυτή αποτελεί επίσης την επιβεβαίωση μιας πρόβλεψης που είχε κάνει νωρίτερα ένας συνεργάτης τους, ο John Sipe, θεωρητικός φυσικός στο University of Toronto.
Ο Sipe και οι συνεργάτες του είχαν προβλέψει ότι αυτή η πειραματική διάταξη θα παρήγαγε το παρατηρούμενο φαινόμενο του «ηλεκτρονικού φάρου», δημιουργώντας μια δέσμη κατευθυνόμενων ηλεκτρονίων χωρίς την εφαρμογή τάσης.
Ο μηχανισμός που βρίσκεται πίσω από αυτό είναι γνωστός ως κβαντική συμβολή, μια χαρακτηριστική κβαντική διεργασία.
Σε αντίθεση με τα κλασικά σωματίδια που έχουν σαφώς καθορισμένες τροχιές, στον παράδοξο υποατομικό κόσμο, όπου τα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν ασαφή κύματα, η κβαντική συμβολή περιγράφει πώς οι κυματοσυναρτήσεις αυτών των σωματιδίων μπορούν να ενισχύονται ή να ακυρώνονται μεταξύ τους.
Στο μέλλον, η έρευνα αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατανόηση της κβαντικής γεωμετρίας των υλικών που καθορίζουν τις θεμελιώδεις ιδιότητές τους. Ως αποτέλεσμα, ίσως συμβάλει στη βελτίωση πολλών τεχνολογιών, μεταξύ των οποίων και οι τεχνικές κβαντικής ανίχνευσης, που στοχεύουν στην περιγραφή φυσικών μεγεθών με ολοένα μεγαλύτερη ακρίβεια.
Η πρόοδος στην κβαντική συμβολή θα μπορούσε επίσης να ενισχύσει την απεικόνιση και τις τηλεπικοινωνίες, βελτιώνοντας τον τρόπο με τον οποίο μεταδίδονται τα σήματα ανάμεσα στις συσκευές και αυξάνοντας τον όγκο των δεδομένων που μεταφέρουν.
Παράλληλα, η κβαντική συμβολή μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές επιταχύνσεις στους υπολογισμούς, ενισχύοντας την πιθανότητα να προκύψουν οι επιθυμητές λύσεις και μειώνοντας την πιθανότητα να προκύψουν οι ανεπιθύμητες.
Το μέλλον είναι κβαντικό και αυτός ο φάρος ίσως μας βοηθήσει να πλοηγηθούμε στη μέχρι σήμερα ασαφή και αόρατη θάλασσα των υποατομικών σωματιδίων και πεδίων που κυβερνούν τον απτό κόσμο.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters.
