Για πρώτη φορά στην ιστορία, ερευνητές κατάφεραν να μετρήσουν το σχήμα ενός ηλεκτρονίου, καθώς κινείται μέσα σε ένα στερεό. Πρόκειται για ένα επίτευγμα που ανοίγει νέες διαδρομές στον τρόπου που εξετάζουμε την συμπεριφορά των ηλεκτρονίων μέσα σε διάφορα υλικά. Η νέα ανακάλυψη θα έχει μεγάλες επιπτώσεις που σχετίζονται με τα πάντα, από την κβαντική επιστήμη των πληροφοριών μέχρι την κατασκευή ηλεκτρονίων.
Τα νέα ευρήματα ήρθαν από μια ομάδα με επικεφαλής τον φυσικό Riccardo Comin, Αναπληρωτή Καθηγητή Φυσικής στην Κατηγορία Επαγγελματικής Ανάπτυξης του MIT του 1947 και επικεφαλής της εργασίας, σε συνεργασία με άλλα ιδρύματα.
Ο Comin δήλωσε πως με τη νέα ανακάλυψη μπορούμε να αποκτήσουμε νέες πληροφορίες που είναι εντελώς νέες για τα ηλεκτρόνια και που μέχρι σήμερα δεν είχαμε τρόπο να τις λάβουμε.
Τα ηλεκτρόνια είναι κομβικό σημείο στην κβαντική επιστήμη και οι επιστήμονες τα εξετάζουν εδώ και δεκαετίες. Το πρόβλημα με τα ηλεκτρόνια όμως, είναι η κυματοειδής όψη αυτών των σωματιδίων, κάνει ιδιαίτερα πολύπλοκη και δύσκολη την παρατήρησή τους. Τα ηλεκτρόνια περιγράφονται όχι μόνο σαν μικρά σημεία, αλλά και ως κυμματοσυναρτήσεις, που είναι και ο λόγος της αυξημένης πολυπλοκότητας. Αυτές οι κυματοσυναρτήσεις μοιάζουν με σχήματα ή επιφάνειες σε χώρους υψηλότερων διαστάσεων. Μερικές φορές αυτά τα σχήματα είναι σχετικά απλά. Άλλες φορές, είναι μπερδεμένα και δύσκολα στη μέτρηση.
Οι ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με ανάλυση γωνίας (ή ARPES), ώστε να καταγράψει με λεπτομέρεια το πως συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια, όταν τα χτυπάει το φως. Μέσα από αυτό ανακάλυψαν μια νέα συμπεριφορά των ηλεκτρονίων, που ήταν άγνωστη μέχρι σήμερα και που ξεκλειδώνει την καλύτερη κατανόηση της γεωμετρίας τους.
Στα συνηθισμένα περιβάλλοντα, μιλάμε για την ενέργεια ή την ταχύτητα ενός ηλεκτρονίου, έννοιες που μας είναι οικείες. Όμως η γεωμετρία ενός ηλεκτρονίου, δείχνει τα μοτίβα και τις μορφές που μπορούν να λάβουν τα κύματα του ηλεκτρονίου, όταν βρίσκεται και κινείται σε ένα στερεό.
Μάλιστα, η κβαντική γεωμετρία επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα βασικά σωματίδια αλληλεπιδρούν και σχηματίζουν ζεύγη. Για παράδειγμα, η υπεραγωγιμότητα, όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται πολύ γρήγορα κατά μήκος ενός υλικού με μηδενική αντίσταση.
Κάτι άλλο που παρατηρούμε είναι πως τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν οργανωμένα μοτίβα, όταν συγχρονίζονται απόλυτα. Το να μπορούμε όμως να παρατηρήσουμε τη γεωμετρία τους, θα μας βοηθήσει να σχεδιάσουμε νέα υλικά, με νέα ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά. Αυτό θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στα chips.
Η ομάδα πίσω από την ανακάλυψη, μέτρησε το γεωμετρικό φαινόμενο σε μια κατηγορία υλικών που ονομάζεται μέταλλα Kagome. Τα μέταλλα kagome ονομάζονται έτσι από ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο ατόμων που μοιάζει με μια σειρά από αλληλοσυνδεόμενα τρίγωνα. Αυτή η δομή πλέγματος μπορεί να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια προηγούνται και μοιράζονται την ενέργεια.
Τα μέταλλα Kagome είναι ιδιαίτερα ενδιαφέροντα, λόγω των ειδικών συμπεριφορών που δεν συναντάμε εύκολα σε άλλα υλικά. Έτσι, η παρατήρηση της γεωμετρίας στο εσωτερικό τους, ίσως εξηγήσει τους λόγους που τα ηλεκτρόνια σε αυτά, θα μπορούσαν να ευθυγραμμίζονται με ιδιόρρυθμούς τρόπους. Με αυτό τον τρόπο ενδέχεται να προκαλούν προηγμένη υπεραγωγιμότητα και άλλα περίεργα φαινόμενα.
Οι επιστήμονες στα πειράματά τους ARPES που πραγματοποίησαν, φώτισαν έναν κρύσταλλο με μια δέσμη φωτονίων. Όταν το φως πέφτει στον κρύσταλλο, ωθεί τα ηλεκτρόνια έξω από το υλικό και αυτό επιτρέπει στους επιστήμονες να μετρήσουν της γωνίες και τα σπιν των ηλεκτρονίων που διαφεύγουν. Μέσω αυτών των δεδομένων, οι ερευνητές μπορούν να ανακατασκευάσουν τον τρόπο με τον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια στον κρύσταλλο και τους σχηματισμούς που δημιουργούν.
Όμως, αυτή η μέθοδος για την μέτρηση ηλεκτρονίου απαιτεί ειδικό και περίπλοκο εξοπλισμό, όπως επίσης και εξειδικευμένες καταστάσεις, που κάνουν αυτά τα πειράματα δύσκολα. Όταν όμως πραγματοποιούνται, έχουμε μια σπάνια εικόνα για το συμβαίνει σε αποστάσεις κάτω του ενός δισεκατομμυριοστού του εκατοστού.
Το ότι μπορούμε να μετρήσουμε την ακριβή κβαντική γεωμετρία των ηλεκτρονίων, είναι ένα από ορόσημα της κβαντικής φυσικής που μπορεί να φέρει την επανάσταση σε μια σειρά από νέες τεχνολογίας. Μας προσφέρει την δυνατότητα ελέγχου των ηλεκτρονίων, που είναι ένα πολύ σημαντικό προσόν στην κβαντική υπολογιστική, ώστε να μπορούμε να διατηρήσουμε σταθερές ηλεκτρικές καταστάσεις στην εκτέλεση υπολογισμών.
Εκτός αυτού όμως, θα μπορούμε να δημιουργήσουμε νέα υλικά που θα διατηρούν αυτές τις καταστάσεις αξιόπιστα και χωρίς απρόβλεπτες και ανεπιθύμητες διαταραχές. Θα μας επιτρέψουν να βελτιώσουμε και να δημιουργήσουμε καλύτερους υπεραγωγούς, αλλά και να δημιουργήσουμε νέες συσκευές που θα έχουν ελάχιστη απώλεια ενέργειας, από την μετατροπή της σε θερμότητα.
Με την ενεργειακή απόδοση θα είναι κρίσιμη στις μέρες μας, το να μπορούμε να κατασκευάσουμε νέα υλικά για τις συσκευές μας, που θα έχουν χαμηλές ενεργειακές απώλειες, θα είναι επανάσταση σε κάθε τι που χρησιμοποιούμε. Όσο κατανοούμε περισσότερο την φύση και την γεωμετρία των σωματιδίων, τόσο πιο μεγάλο έλεγχο θα έχουμε στη ροή τους σε τόσο μικροσκοπικές κλίμακες.
Για αυτό, οι επιστήμονες στοχεύουν να χρησιμοποιήσουν τεχνικές όπως η ARPES σε μια σειρά διαφορετικών υλικών, ώστε να δουν πως επηρεάζεται η αγωγιμότητα από την κβαντική γεωμετρία, τον μαγνητισμό και άλλες συνθήκες. Οι επιστήμονες ελπίζουν πως μα αυτό τον τρόπο θα κάνουμε τα ηλεκτρόνια να αλλάζουν τη συνήθη συμπεριφορά τους, ξεκλειδώνοντας αμέτρητες επιλογές, πλήρως ελεγχόμενες από τον άνθρωπο.
Αυτός ο συγχρονισμός είναι σημαντικός για τεχνολογίες που βασίζονται στον ταυτόχρονο έλεγχο πολλαπλών ηλεκτρονίων, όπως κβαντικοί αισθητήρες ή στοιχεία μνήμης.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature Physics.
https://techmaniacs.gr
