Iš pirmo žvilgsnio elektronai ir fotonai atrodo priklausantys skirtingiems pasauliams. Vienas susijęs su materija, kitas – su šviesa. Vienas turi masę, kitas – ne. Tačiau naujas eksperimentas, atliktas su tam tikros rūšies medžiagomis, atskleidė netikėtą reiškinį: kai kurie elektronai gali elgtis taip, tarsi būtų fotonai, ištrindami juos skiriančią ribą. Šis atradimas yra stebinantis ne tik dėl savo keistumo, bet ir dėl to, kad kelia esminius klausimus apie materijos prigimtį.
Straipsnyje aprašomas eksperimentas, kurio metu elektronai dvigubo sluoksnio grafeno buvo priversti tekėti taip, kad imituotų šviesos sklidimą. Tai nėra žodžių žaidimas ar perdėta interpretacija: tai realus kvantinis reiškinys, stebėtas ir išmatuotas laboratorijoje. Mokslininkams pavyko priversti elektronus „sulenkti“ dvigubo sluoksnio grafeno plokštelėje naudojant šviesą. Ši galimybė kontroliuoti elektronų trajektoriją su fotoniniu tikslumu siūlo naują būdą suprasti, kaip dalelės elgiasi tam tikrose medžiagose, ir turi potencialių ilgalaikių technologinių pritaikymų.
Dvigubas grafenas: nepaprasta medžiaga
Nuo tada, kai 2004 m. grafenas buvo išskirtas pirmą kartą, jis yra daugelio revoliucinių atradimų priešakyje. Ši medžiaga, sudaryta iš vieno sluoksnio anglies atomų, išdėstytų šešiakampiu modeliu, yra žinoma dėl savo stiprumo, lankstumo ir laidumo. Tačiau, kai du grafeno sluoksniai yra uždedami vienas ant kito, sistemos kvantinis elgesys dramatiškai pasikeičia.
Dvigubo sluoksnio grafeno konfigūracija leidžia neįprastais būdais manipuliuoti medžiagos elektroninėmis savybėmis. Aprašytame eksperimente ši struktūra buvo naudojama elektronų srautui, imituojančiam šviesos srautą, sukelti. Vietoj chaotiškų ar atsitiktinių trajektorijų, elektronai judėjo apibrėžtais keliais, kaip ir šviesos spinduliai, kai jie yra refraktuojami ar atspindimi.
Šis reiškinys nepasireiškia visomis aplinkybėmis. Būtina tiksliai sureguliuoti grafeno sluoksnių orientaciją, legiravimo lygį (t. y. į sistemą įdedamų elektronų kiekį) ir temperatūros sąlygas. Tik tada galima pasiekti norimą efektą. Šiuo atveju mokslininkai naudojo šviesą norimam elgesiui sukelti, todėl galime kalbėti apie tikrą šviesos ir materijos sąveiką, kai elektronai galiausiai įgyja optines savybes.
Elektronai, elgiantys kaip fotonai: ką tai iš tikrųjų reiškia?
Teigti, kad elektronas „elgiasi kaip fotonas“, nereiškia, kad jo prigimtis pasikeitė. Tiesiog jo judėjimas medžiagoje atkuria tipinius šviesos modelius, pvz., refrakciją ar interferenciją. Šis panašumas pasiekiamas labai specifinėmis sąlygomis, tačiau jo buvimas yra pakankamas, kad būtų galima užginčyti kai kurias tradicines idėjas.
Kvantinėje fizikoje žinoma, kad visos dalelės turi bangų savybių. Tiek fotonai, tiek elektronai gali būti apibūdinti bangų funkcijomis. Tačiau praktikoje elektronai dažnai patiria sudėtingesnes sąveikas: jie sklaidosi, susiduria ir sulėtėja. Matyti juos tekant kaip šviesą, be akivaizdaus energijos praradimo ar sklaidos, yra labai neįprasta.
Remiantis straipsniu, šis elgesys buvo sukeltas naudojant šviesą medžiagose su tam tikromis elektroninėmis savybėmis, dėl kurių elektronai judėjo „tarsi neturėtų masės“. Ši detalė yra labai svarbi, nes masė yra vienas iš pagrindinių elektronų ir fotonų skirtumų. Galimybė priversti dalelę su mase elgtis kaip dalelę be masės atveria precedento neturinčias eksperimentines galimybes sudėtingų kvantinių reiškinių tyrimams.
Nenuostabu ne bangos-dalelės dualumas, o tai, kaip jis pasireiškia.
Kiekvienas, kas studijavo kvantinę mechaniką, žino, kad visi elektronai turi bangų savybių, kaip ir fotonai. Nuo XX a. elektronų difrakcijos eksperimentų buvo pripažinta, kad medžiaga taip pat gali elgtis kaip banga. Todėl teiginys, kad „elektronai elgiasi kaip fotonai“, gali atrodyti kaip jau žinomo dalyko kartojimas. Tačiau tai nėra tikrasis šio eksperimento indėlis.
Šis atradimas išsiskiria tuo, kaip elektronai elgiasi specialiai sukurtoje medžiagoje – dvigubo sluoksnio grafeno. Čia mes nekalbame tik apie elektronus, kurie pasižymi bangos funkcija, bet apie daleles, kurios yra kontroliuojamos taip, tarsi jos būtų šviesos spinduliai. Tai reiškia, kad jos gali būti atspindėtos, išlenktos arba sufokusuotos pagal optines trajektorijas, o tai neįvyksta daugumoje medžiagų.
Be to, yra viena esminė detalė: šių elektronų elgesys yra indukuojamas naudojant šviesą, išorinį įrankį, kuris keičia elektronų judėjimo grafene būdą. Dėl šio sąveikavimo elektronai ne tik teka, bet tai daro taip, tarsi neturėtų masės, imituodami fotonų sklidimo būdą. Tokio lygio eksperimentinis kontrolė anksčiau nebuvo pasiekta taip tiksliai ir stabiliai.
Pagrindinis skirtumas yra ne bangos-dalelės dualumo egzistavimas, o tai, kaip jis buvo aktyviai manipuliuojamas. Būtent šis gebėjimas priversti elektronus elgtis tipiškai optiniu būdu – ir tai daryti pagal poreikį – atveria duris į visiškai naujas technologijas. Tai nereiškia, kad elektronai „dabar“ turi šviesos savybių, bet kad šis elgesys buvo sėkmingai atkartotas realioje ir apčiuopiamoje fizikinėje sistemoje.
Kokios galimos šio atradimo pritaikymo sritys?
Be pirminio nuostabos, eksperimentas turi ilgalaikių praktinių pasekmių. Gebėjimas nukreipti elektronus taip, tarsi jie būtų šviesos spinduliai, galėtų būti naudingas kuriant naujus elektroninius ir optinius prietaisus, ypač kvantinių skaičiavimų ar integruotos fotonikos srityje.
Viena iš dabartinės technologijos užduočių yra kontroliuoti elektronų judėjimą su kuo mažesniais energijos nuostoliais. Fotonų, kurie gali keliauti didelius atstumus nesisklaidydami, elgesio imitavimas yra pageidaujamas tikslas. Jei šis reiškinys galėtų būti atkartotas stabiliu būdu, būtų galima sukurti greitesnius ir efektyvesnius grandynus, kuriuose informacija būtų perduodama elektronais su optine dinamika.
Be to, tokie eksperimentai leidžia mums tyrinėti naujas materijos būsenas, pavyzdžiui, Dirac pusmetalius arba topologinius izoliatorius, kuriuose dalelės elgiasi egzotiškai. Šių būsenų supratimas yra būtinas naujų technologijų kūrimui ir išsamesnių teorijų apie materijos kvantinį elgesį formuluojimui.
Fizikos ribų tyrinėjimo įrankis
Šis eksperimentas yra svarbus ne tik dėl galimų technologinių pritaikymų, bet ir dėl jo vertės kaip mokslinio tyrinėjimo įrankio. Šiuolaikinėje fizikoje daugelis svarbiausių pasiekimų yra susiję su ekstremalių situacijų, kuriose žinomos taisyklės pradeda neveikti arba persidengti, stebėjimu.
Tai, kad elektronai tam tikromis sąlygomis imituoja fotonus, rodo, kad konceptualus šviesos ir materijos atskyrimas yra silpnesnis nei anksčiau manyta. Giliausiu lygmeniu abi entitės yra valdomos tų pačių kvantinių dėsnių ir skiriasi tik tam tikromis savybėmis, pvz., mase, sukinio greičiu ar krūviu.
Stebėdami tokius reiškinius, galime patikrinti esamus teorinius modelius ir, kai kuriais atvejais, juos pakoreguoti ar išplėsti. Kvantinė fizika tebėra sritis, kurioje yra daug nežinomųjų, ir kiekvienas eksperimentas, kuris iššaukia mūsų intuiciją, prideda dar vieną gabalėlį į bendrą dėlionę.
Už laboratorijos ribų: kaip keičiasi mūsų suvokimas apie materiją
Tokie atradimai turi dimensiją, kuri pranoksta techniką ar teoriją. Jie verčia mus permąstyti įsišaknijusias idėjas apie materijos, šviesos ir jų ribų prigimtį. Kasdieniame gyvenime mes linkę manyti, kad materija yra kažkas kieto, apčiuopiamo, turinčio svorį, o šviesa – kažkas neapčiuopiamo, neturinčio masės. Šis eksperimentas rodo, kad šios kategorijos gali būti labiau susipynusios, nei mes manėme.
Platiems visuomenės sluoksniams šis atradimas gali atrodyti tolimas, tačiau jis turi didelę vertę. Jis primena mums, kad visata ne visada elgiasi intuityviai ir kad mes vis dar atrandame, kaip sąveikauja pačios pagrindinės dalelės. Elektronų optinio elgesio stebėjimas nėra tik techninis detalė: tai ženklas, kad fizika toliau vystosi ir kad tai, kas šiandien atrodo akivaizdu, rytoj gali būti suabejota.
Nors šio eksperimento metu stebėti reiškiniai pasireiškia tik griežtai kontroliuojamomis sąlygomis, jų egzistavimas rodo, kad dalelių savybės nėra nekintamos, bet priklauso nuo aplinkos, veikiančių jėgų ir kvantinės būsenos, kurioje jos atsiduria. Šis lankstumas, toli gražu nėra silpnybė, bet būtent jis daro mokslo naujoves įmanomas.
