Ανακαλύφθηκαν ηλεκτρόνια με «ταχύτητας φωτός» που κινούνται σε 4 διαστάσεις για πρώτη φορά

Μια απίστευτη συμπεριφορά ηλεκτρονίων, κατάφεραν να απομονώσουν επιστήμονες σε ένα υλικό στον πραγματικό κόσμο. 

Μια ομάδα φυσικών με επικεφαλής τον Ryuhei Oka του Πανεπιστημίου Ehime μέτρησε αυτά που είναι γνωστά ως ηλεκτρόνια Dirac σε ένα υπεραγώγιμο πολυμερές που ονομάζεται bis(αιθυλενοδιθιο)-τετραθειαφουλβαλένιο. Αυτά είναι ηλεκτρόνια που υπάρχουν υπό

συνθήκες που τα καθιστούν αποτελεσματικά χωρίς μάζα, επιτρέποντάς τους να συμπεριφέρονται περισσότερο σαν φωτόνια και να ταλαντώνονται με την ταχύτητα του φωτός.

Αυτή η ανακάλυψη θα επιτρέψει την καλύτερη κατανόηση των κβαντικών υλικών – τοπολογικών υλικών που συμπεριφέρονται ως ηλεκτρονικούς μονωτής στο εσωτερικό και σαν αγωγός στο εξωτερικό.

Αυτό θα δώσει μεγάλη ώθηση στους κβαντικούς υπολογιστές, καθώς οι υπεραγωγοί, οι ημιαγωγοί και τα τοπολιγικά υλικά κατανοούνται ακόμα περισσότερο. Υπάρχουν όμως αρκετά που δεν γνωρίζουμε για αυτά τα υλικά και τον τρόπο που συμπεριφέρονται.

Τα ηλεκτρόνια Dirac είναι τα απλά ηλεκτρόνια κάτω από εξαιρετικές συνθήκες που χρειάζονται μια δόση ειδικής σχετικότητας για να γίνουν κατανοητές οι κβαντικές συμπεριφορές τους. Στην συγκεκριμένη περίπτωση, μια επικάλυψη των ατόμων βάζει τα ηλεκτρόνια σε έναν περίεργο χώρο, που τους επιτρέπεται να πηδούν γύρω από υλικά με εξαιρετική ενεργειακή απόδοση.

Τα ηλεκτρόνια Dirac διατυπώθηκαν από τις εξισώσεις του θεωρητικού φυσικού Paul Dirac, έναν αιώνα πριν και τώρα γνωρίζουμε πως τα ηλεκτρόνια Dirac υπάρχουν. Καταφέραμε ήδη να τα ανιχνεύσουμε σε γραφένιο, αλλά και σε άλλα τοπολογικά υλικά.

Όμως για να αξιοποιήσουμε την δυναμική των ηλεκτρονίων Dirac, θα πρέπει να τα κατανοήσουμε καλύτερα, όμως οι φυσικοί αντιμετωπίζουν ένα πρόβλημα. Τα ηλεκτρόνια Dirac συνυπάρχουν με τα τυπικά ηλεκτρόνια, κάτι που κάνει δύσκολη την ανίχνευση και την μέτρηση τους με μεγάλη σαφήνεια.

Όμως ο Oka και οι συνάδελφοί του βρήκαν έναν τόπο για να το πετύχουν, κάνοντας χρήση μιας ιδιότητας που ονομάζεται spin ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια είναι φορτισμένα σωματίδια που περιστρέφονται. Αυτή η περιστρεφόμενη κατανομή φορτίου τα κάνει να παρουσιάζουν ένα μαγνητικό δίπολο. Για αυτό τον λόγο, όταν ένα μαγνητικό πεδίο επηρεάζει ένα υλικό, αλληλοεπιδρά και με τα spin των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων, αλλάζοντας την κατάσταση της περιστροφής τους.

Με αυτή την τεχνική οι φυσικοί θα μπορούν να ανιχνεύσουν και να παρατηρήσουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Όπως παρατήρησε όμως η ομάδα του Oka, η ίδια τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άμεση παρατήρηση των ηλεκτρονίων Dirac, στο bis(αιθυλενοδιθειο)-τετραθειαφουλβαλένιο, διακρίνοντας τα από τα απλά ηλεκτρόνια, που παρουσιάζουν διαφορετικά spin.

Μετά από μελέτη, η ομάδα διαπίστωσε πως για να κατανοηθεί πλήρως το ηλεκτρόνια Dirac, θα πρέπει να περιγράφει σε 4 διαστάσεις. Υπάρχουν οι τυπικές τρεις χωρικές διαστάσεις, οι άξονες x, y και z. και μετά υπάρχει το ενεργειακό επίπεδο του ηλεκτρονίου, το οποίο αποτελεί την τέταρτη διάσταση.

«Καθώς οι δομές 3D ζωνών δεν μπορούν να απεικονιστούν σε έναν τετραδιάστατο χώρο», εξηγούν οι ερευνητές στην εργασία τους , «η μέθοδος ανάλυσης που προτείνεται εδώ παρέχει έναν γενικό τρόπο παρουσίασης σημαντικών και εύκολα κατανοητών πληροφοριών τέτοιων δομών ζωνών που δεν μπορούν να αποκτηθεί διαφορετικά».

Τεράστια μπαταρία από άμμο θα μπορει να δώσει ενέργεια για ένα μήνα σε μια ολόκληρη πόλη

 

Από την παρατήρηση του ηλεκτρονίου Dirac, οι επιστήμονες κατάφεραν να καταλάβουν κάτι που δεν γνωρίζαμε πριν. Η ταχύτητα της κίνησής του δεν είναι σταθερή, αλλά εξαρτάται από την θερμοκρασία και την γωνία του μαγνητικού πεδίου, μέσα στο υλικό που ταξιδεύουν.

Με αυτή την ανακάλυψη ένα ακόμα κομμάτι του παζλ μπαίνει στην θέση του και μας βοηθά να κατανοήσουμε ακόμα περισσότερο τα ηλεκτρόνια Dirac και την συμπεριφορά τους. Αυτό το κομμάτι όμως, θα μπορέσει να αξιοποιηθεί στην μελλοντική μας τεχνολογία και τους κβαντικούς υπολογιστές.

techmaniacs.gr

Από το katohika