Kształt elektronów zmierzony po raz pierwszy. To przełom w fizyce

Przełom w badaniach nad światem kwantowym

Świat kwantowy przez długi czas pozostawał dla nas zagadką. Teraz jednak naukowcy zrobili duży krok, aby go lepiej zrozumieć. Dzięki nowoczesnej technice udało im się uchwycić kształt elektronów w ciele stałym. Wyniki swoich badań opublikowali w cenionym czasopiśmie naukowym Nature Physics.

Elektrony to maleńkie cząstki, które krążą wokół jądra atomu niczym planety wokół Słońca. Są naładowane ujemnie i odpowiadają za wiele kluczowych zjawisk w fizyce, chemii i technologii. Bez nich nie byłoby prądu, reakcji chemicznych ani nowoczesnej elektroniki.

Odkrycie elektronu zawdzięczamy Josephowi Johnowi Thomsonowi, który w 1897 roku przeprowadził eksperymenty z wiązkami cząstek w rurze próżniowej. Był to przełom – po raz pierwszy udowodniono, że atomy składają się z jeszcze mniejszych części. Badanie elektronów pozwala nam lepiej rozumieć budowę materii i rozwijać nowoczesne technologie. Dzięki nim mamy półprzewodniki w komputerach, ekrany w smartfonach oraz zaawansowane metody obrazowania w medycynie, takie jak tomografia. Fizycy wciąż badają elektrony, by odkrywać nowe właściwości materii i pracować nad rozwiązaniami przyszłości – od komputerów kwantowych po innowacyjne źródła energii.

Polecamy: Komputer kwantowy wyjaśni świadomość człowieka. Śmiały pomysł badaczy

Jak określić kształt elektronów?

Eksperyment przeprowadzony przez naukowców z MIT pozwolił im po raz pierwszy w historii zbadać, jak elektrony zachowują się w różnych materiałach. Główny autor badania, Riccardo Comin, twierdzi, że odkrycie to może zrewolucjonizować wiele dziedzin – od obliczeń kwantowych po produkcję elektroniki użytkowej.

Uczeni wykorzystali zaawansowane techniki badawcze, takie jak spektroskopia fotoemisyjna z rozdzielczością kątową (ARPES). Dzięki niej mogli przyjrzeć się geometrycznym właściwościom elektronów, co wcześniej było niemożliwe.

Jednym z kluczowych odkryć mechaniki kwantowej jest fakt, że elektrony mają naturę korpuskularno-falową. Oznacza to, że mogą zachowywać się zarówno jak cząstki (o określonej masie i ładunku), jak i fale, które mogą ulegać interferencji i dyfrakcji. Ich falowa natura sprawia, że mogą przybierać różne kształty, co wpływa na ich zachowanie w poszczególnych materiałach. Właśnie te geometryczne właściwości postanowili zbadać naukowcy.

Dzięki technice ARPES byli w stanie zaobserwować zachowanie elektronów podczas ich interakcji ze światłem.

„Zasadniczo opracowaliśmy metodę pozwalającą uzyskać zupełnie nowe informacje, których wcześniej nie można było zdobyć” – mówi Riccardo Comin.

Kształt elektronów a metale kagome

Zastosowana technika umożliwiła zespołowi określenie kształtu elektronów w klasie materiałów znanych jako metale kagome. To materiały, w których atomy układają się w specyficzny sześciokątny wzór, przypominający tradycyjny japoński splot bambusowy – stąd ich nazwa. W tych metalach elektrony poruszają się w nietypowy sposób, jakby nie podlegały standardowym prawom fizyki. Dzięki temu mogą wykazywać niezwykłe właściwości, takie jak nadprzewodnictwo (przewodzenie prądu bez oporu). Może też w ich przypadku zachodzić anomalny efekt Halla, który zmienia sposób, w jaki ładunki elektryczne reagują na pole magnetyczne.

Pierwsze teoretyczne przewidywania dotyczące metali kagome pojawiły się w latach 80. XX wieku, ale dopiero niedawno naukowcy potwierdzili ich istnienie i unikalne właściwości. W 2018 roku badacze z MIT, pod kierownictwem prof. Josepha G. Checkelsky’ego, odkryli pierwsze rzeczywiste materiały tego typu. Metale kagome mogą znaleźć zastosowanie w nowoczesnej elektronice, szczególnie w komputerach kwantowych, a także w badaniach nad nowymi metodami przesyłania energii i informacji bez strat.

Na podstawie swoich obserwacji zespół naukowców doszedł do wniosku, że właściwości geometryczne elektronów mają wpływ na nadprzewodnictwo. Jest to stan, w którym elektrony poruszają się w materiale bez żadnego oporu. Jeżeli badaczom uda się lepiej zrozumieć te właściwości, będą mogli zaprojektować materiały o lepszej przewodności i minimalnych stratach energii.

Nowa era technologii dzięki geometrii kwantowej

Powyższe badania mogą stać się przełomowe dla technologii przyszłości, takich jak komputery kwantowe, nadprzewodniki, energooszczędna elektronika oraz nowoczesne metody przetwarzania informacji. Dzięki nim naukowcy będą mogli projektować materiały o unikalnych właściwościach, które zrewolucjonizują elektronikę, informatykę i energetykę.

Jednym z najważniejszych zastosowań są komputery kwantowe. Na tym polu geometria kwantowa pozwala na tworzenie topologicznych kubitów, co może znacznie przyspieszyć rozwój obliczeń kwantowych. Kolejnym istotnym obszarem są nadprzewodniki, zwłaszcza te działające w wyższych temperaturach. Lepsze zrozumienie ruchu elektronów może doprowadzić do odkrycia materiałów, które przewodzą prąd bez strat energetycznych, nawet w temperaturze pokojowej.

Nowe technologie oparte na geometrii kwantowej mogą również przyczynić się do powstania bardziej energooszczędnej elektroniki. Oznacza to lepsze układy scalone, nowoczesne procesory i bardziej wydajne urządzenia. To odkrycie otwiera drogę do kolejnych przełomów, które mogą zmienić przyszłość technologii i naszego codziennego życia.

Polecamy: Teleportacja kwantowa na kablach. Uczeni użyli światłowodów