Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Ρέγκενσμπουργκ πέτυχαν ένα σημαντικό επίτευγμα στην κβαντική φυσική, παρατηρώντας για πρώτη φορά το θεμελιώδες όριο με το οποίο μπορούν να προσδιοριστούν ταυτόχρονα η θέση και η χρονική εξέλιξη ενός ηλεκτρονίου.
Το αποτέλεσμα ανοίγει νέους δρόμους για την ανάπτυξη υπερταχέων ηλεκτρονικών, κβαντικών τεχνολογιών και νέων μεθόδων ελέγχου χημικών αντιδράσεων.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Photonics και πραγματοποιήθηκε από ερευνητικές ομάδες του Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN), σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Max Planck στο Αμβούργο.
Το νέο όριο της κβαντικής φυσικής
Η αρχή της αβεβαιότητας του Werner Heisenberg ορίζει ότι ορισμένα ζεύγη φυσικών μεγεθών, όπως η θέση και η ορμή ενός σωματιδίου, δεν μπορούν να μετρηθούν ταυτόχρονα με απόλυτη ακρίβεια.
Ωστόσο, μέχρι σήμερα δεν υπήρχε αντίστοιχη αρχή που να συνδέει τη θέση και τον χρόνο. Οι επιστήμονες κατάφεραν τώρα να αποδείξουν ότι υπάρχει ένα θεμελιώδες «όριο χώρου-χρόνου», σύμφωνα με το οποίο ούτε η θέση ούτε η χρονική εξέλιξη ενός ηλεκτρονίου μπορούν να προσδιοριστούν ταυτόχρονα με απεριόριστη ακρίβεια.
Παρατηρώντας ηλεκτρόνια σε χρόνους αττοδευτερολέπτων
Για να πραγματοποιήσουν το πείραμα, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα νέο σύστημα λέιζερ που επιτρέπει τον έλεγχο της κίνησης των ηλεκτρονίων σε χρόνους της τάξης των αττοδευτερολέπτων – δηλαδή του ενός δισεκατομμυριοστού του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.
Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονταν από μια εξαιρετικά αιχμηρή μεταλλική ακίδα προς μια επιφάνεια αργύρου, διανύοντας απόσταση μόλις λίγων ατομικών διαμέτρων. Η κίνησή τους καταγραφόταν ως ηλεκτρικό ρεύμα, ενώ δύο διαδοχικοί παλμοί φωτός επέτρεπαν την ακριβή μέτρηση της χρονικής τους εξέλιξης.
Όπως εξηγεί ο επικεφαλής συγγραφέας Simon Maier, μεταβάλλοντας το χρονικό διάστημα μεταξύ των δύο παλμών οι επιστήμονες μπορούσαν να παρακολουθήσουν άμεσα τον τρόπο με τον οποίο αντιδρούσαν τα ηλεκτρόνια.
Τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται όπως τα κλασικά σωματίδια
Οι παρατηρήσεις έδειξαν ότι τα ηλεκτρόνια δεν ακολουθούν τους νόμους της κλασικής φυσικής. Αντίθετα, συμπεριφέρονται ως κβαντικά κύματα και μπορούν να διαπερνούν ενεργειακά εμπόδια μέσω του φαινομένου της κβαντικής σήραγγας.
Η υποψήφια διδάκτορας Katharina Glöckl εξηγεί ότι το σύστημα λειτουργεί σαν μια υπερταχεία κάμερα που επιτρέπει την παρακολούθηση των κυματοπακέτων των ηλεκτρονίων και του ακριβούς χρόνου κατά τον οποίο πραγματοποιείται η κβαντική σήραγγα.
Παράλληλα, οι θεωρητικές προσομοιώσεις της ομάδας του καθηγητή Angel Rubio έδειξαν ότι τα ηλεκτρόνια δεν ανταποκρίνονται ακαριαία στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του λέιζερ, αλλά με καθυστέρηση περίπου 500 αττοδευτερολέπτων.
Η ενέργεια επηρεάζει την ακρίβεια
Οι επιστήμονες διαπίστωσαν επίσης ότι όσο μεγαλύτερη ακρίβεια επιδιώκεται στον χρονικό προσδιορισμό της θέσης ενός ηλεκτρονίου, τόσο περισσότερη ενέργεια απαιτείται.
Αυτό όμως έχει ως συνέπεια την αύξηση της χωρικής εξάπλωσης του κυματοπακέτου του ηλεκτρονίου. Για να μελετήσουν αυτή τη σχέση, τοποθέτησαν ένα μεμονωμένο άτομο πάνω στην επιφάνεια του δείγματος, περιορίζοντας το ηλεκτρόνιο σε ατομική κλίμακα λίγο πριν από τη διέγερσή του.
Παρά την ισχυρή διέγερση, τα κυματοπακέτα παρέμειναν αρκετά καλά εντοπισμένα ώστε να είναι δυνατή η μικροσκοπία ατομικής ανάλυσης ακόμη και σε χρόνους αττοδευτερολέπτων.
Νέες προοπτικές για ηλεκτρονική και χημεία
Η νέα τεχνολογία ανοίγει σημαντικές δυνατότητες εφαρμογών. Ένα ηλεκτρόνιο που μεταφέρεται σε ένα μόριο αντιστοιχεί στη μικρότερη δυνατή μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου. Όταν όμως αυτή πραγματοποιείται σε εξαιρετικά μικρό χωροχρονικό όγκο, δημιουργούνται τοπικές πυκνότητες ρεύματος που μπορούν να φτάσουν έως και το ένα τρισεκατομμύριο αμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό.
Οι ερευνητές σκοπεύουν να αξιοποιήσουν αυτά τα υπερταχέα κυματοπακέτα για να προκαλούν ελεγχόμενες χημικές αντιδράσεις και να παρακολουθούν σε πραγματικό χρόνο το σπάσιμο ή την τροποποίηση χημικών δεσμών.
Μακροπρόθεσμα, τα ευρήματα θα μπορούσαν να συμβάλουν στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών και συστημάτων κβαντικής πληροφορικής που θα λειτουργούν στο θεμελιώδες όριο ταχύτητας της κίνησης των ηλεκτρονίων – εκατοντάδες χιλιάδες φορές ταχύτερα από τη σημερινή τεχνολογία CMOS.