Το 1934, ο φυσικός Eugene Wigner έκανε μια θεωρητική πρόβλεψη με βάση την κβαντική μηχανική που για 87 χρόνια πέρασε αόρατη.
Η θεωρία πρότεινε πώς ένα μέταλλο που κανονικά τροφοδοτεί ηλεκτρισμό θα μπορούσε να μετατραπεί σε μη αγωγό μονωτή όταν μειώνεται η πυκνότητα των ηλεκτρονίων. Ο Wigner θεωρούσε ότι όταν τα ηλεκτρόνια σε μέταλλα φέρονται σε θερμοκρασίες υπερψύξης, αυτά τα ηλεκτρόνια θα καταψύχονταν στα ίχνη τους και θα σχηματίσουν μια άκαμπτη, μη ηλεκτρική αγώγιμη δομή - κρύσταλλο - αντί να φερμουάρ σε χιλιάδες χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο και να δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα . Από τότε που το ανακάλυψε, η δομή επινοήθηκε ως Wigner Crystal και παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1979.
Αυτό που παρέμεινε πεισματικά αόριστο στους φυσικούς, ωστόσο, ήταν η τήξη της κρυσταλλικής κατάστασης σε υγρό ως απόκριση στις κβαντικές διακυμάνσεις. Τουλάχιστον, ήταν: Τώρα, σχεδόν 90 χρόνια αργότερα, μια ομάδα φυσικών υπό την ηγεσία των Hongkun Park και Eugene Demler στη Σχολή Τεχνών και Επιστημών, τεκμηρίωσε τελικά πειραματικά αυτήν τη μετάβαση.
Το έργο περιγράφεται σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature και σηματοδοτεί ένα μεγάλο βήμα προς τη δημιουργία ενός συστήματος για τη μελέτη τέτοιων μεταβάσεων μεταξύ των καταστάσεων της ύλης σε κβαντικό επίπεδο, έναν πολύ περιζήτητο στόχο στον τομέα.
"Αυτό είναι ακριβώς στα όρια του ζητήματος της αλλαγής από μερικώς κβαντικό υλικό σε μερικώς κλασικό υλικό και έχει πολλά ασυνήθιστα και ενδιαφέροντα φαινόμενα και ιδιότητες", δήλωσε ο Eugene Demler, ανώτερος συγγραφέας στο χαρτί. "Οι ίδιοι οι κρύσταλλοι έχουν δει, αλλά αυτή η, παρθένα μετάβαση - όταν η κβαντική μηχανική και οι κλασικές αλληλεπιδράσεις ανταγωνίζονται μεταξύ τους - δεν έχει δει. Χρειάστηκαν 86 χρόνια."
Με επικεφαλής τους Park and Demler, η ερευνητική ομάδα επικεντρώθηκε στην παρατήρηση των κρυστάλλων Wigner και των μεταβάσεων φάσης τους στη μελέτη. Στη χημεία, τη φυσική και τη θερμοδυναμική, οι μεταβάσεις φάσης συμβαίνουν όταν μια ουσία αλλάζει από ένα στερεό, υγρό ή αέριο σε διαφορετική κατάσταση. Όταν οι κβαντικές διακυμάνσεις κοντά σε απόλυτη μηδενική θερμοκρασία οδηγούν αυτές τις μεταβάσεις, καλούνται μεταβολές κβαντικής φάσης. Αυτές οι κβαντικές μεταβάσεις πιστεύεται ότι παίζουν σημαντικό ρόλο σε πολλά κβαντικά συστήματα.
Στην περίπτωση ενός κρυστάλλου Wigner, η μετάβαση από κρύσταλλο σε υγρό συμβαίνει από έναν ανταγωνισμό μεταξύ των κλασικών και κβαντικών πτυχών των ηλεκτρονίων - οι πρώτοι κυριαρχούν στη στερεά φάση , στην οποία τα ηλεκτρόνια είναι "μοιάζουν με σωματίδια" και το δεύτερο κυριαρχούν στο υγρό, στο οποίο τα ηλεκτρόνια είναι «κυματοειδή». Για ένα μόνο ηλεκτρόνιο, η κβαντική μηχανική μας λέει ότι η φύση των σωματιδίων και των κυμάτων είναι συμπληρωματική.
«Είναι εντυπωσιακό ότι, σε ένα σύστημα πολλών ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν, αυτές οι διαφορετικές συμπεριφορές εκδηλώνονται σε διαφορετικές φάσεις της ύλης», δήλωσε ο Park. "Για αυτούς τους λόγους, η φύση της μετάβασης στερεού-υγρού ηλεκτρονίων έχει προκαλέσει τεράστιο θεωρητικό και πειραματικό ενδιαφέρον."
Οι επιστήμονες του Χάρβαρντ αναφέρουν τη χρήση μιας νέας πειραματικής τεχνικής που αναπτύχθηκε από τους You Zhou, Jiho Sung και Elise Brutschea - ερευνητές από την Ομάδα Έρευνας του Πάρκου και επικεφαλής συγγραφείς στο χαρτί - για να παρατηρήσουν αυτήν τη στερεή σε υγρή μετάβαση σε ατομικά λεπτές διπλές στρώσεις ημιαγωγών. Σε γενικές γραμμές, η κρυστάλλωση Wigner απαιτεί πολύ χαμηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων, καθιστώντας την πειραματική πραγματοποίησή του μια σημαντική πειραματική πρόκληση. Κατασκευάζοντας δύο αλληλεπιδρώντα στρώματα ηλεκτρονίων από δύο ατομικά λεπτούς ημιαγωγούς, οι πειραματιστές δημιούργησαν μια κατάσταση στην οποία η κρυστάλλωση σταθεροποιείται σε υψηλότερες πυκνότητες.
Για να δουν τη μετάβαση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια μέθοδο που ονομάζεται φασματοσκοπία exciton. Χρησιμοποιούν φως για να διεγείρουν ένα ηλεκτρόνιο στο σύστημα και να το συνδέουν με την κενή ηλεκτρονία, ή την τρύπα, αφήνει πίσω, σχηματίζοντας ένα ζεύγος ηλεκτρονικών οπών σαν υδρογόνο γνωστό ως exciton. Αυτό το ζεύγος αλληλεπιδρά με τα άλλα ηλεκτρόνια στο υλικό και τροποποιεί τις ιδιότητές του έτσι ώστε να είναι ορατά οπτικά.
Τα ευρήματα από την εφημερίδα ήταν σε μεγάλο βαθμό τυχαία και εκπλήσσουν, σύμφωνα με τους ερευνητές. Η ομάδα Park αρχικά ξεκίνησε με διαφορετική κατεύθυνση και μπερδεύτηκε όταν παρατήρησαν ότι τα ηλεκτρόνια στο υλικό τους εμφάνισαν μονωτική συμπεριφορά. Συζητήθηκαν με θεωρητικούς από το εργαστήριο του Ντέμλερ και σύντομα συνειδητοποίησαν τι είχαν.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν τη νέα τους μέθοδο για να συνεχίσουν να ερευνούν άλλες μεταβάσεις κβαντικής φάσης .
"Τώρα έχουμε μια πειραματική πλατφόρμα όπου όλες αυτές οι προβλέψεις [διαφορετική κβαντική μετάβαση φάσης] μπορούν πλέον να δοκιμαστούν", δήλωσε ο Ντέμλερ
No comments:
Post a Comment