Elektroni otkrivaju svoju individualnost

Znanstvenici promatraju promjene od kooperativnog do individualnog ponašanja s različitim brzim elektronima

Elektroni između kooperativnog (koherentnog) i ponašanja vezanog za sebe: Ako se elektron katapultira iz molekule dušika s relativno malom brzinom, postaje kooperativan: valovi koje emitiraju oba atoma poput pseudo-para, prekrivaju se. Ovo ostaje isto kada se jedan od tih elektronskih valova rasprši na atom. Samorodan ili poput pojedinca, elektron se ponaša kad brzo napusti molekulu. Ako elektron sada udari u susjedni atom i rasprši se na njega, prepoznaće iz kojeg atoma je krenuo. Zatim se preklapa s raspršenim valom. © Institut Fritz Haber / Uwe Becker
čitati naglas

Elektroni imaju nešto zajedničko s ljudima: što više informacija dobivaju o svojoj situaciji, više postaju svjesni svoje individualnosti i više kolektivnosti postaje manje važno. Pri tome se gubi kooperativna konsonansa koja veže elektrone u fiksnom odnosu sa svojim okruženjem. To su otkrili znanstvenici kad su pomoću rendgenskih zraka katapultirali elektrone iz molekula dva atoma dušika.

Ako elektron ubrzava samo neznatno, on ne prepoznaje od dva atoma iz kojih je emitiran, pokazali su istraživači s Instituta Fritz Haber iz društva Max Planck u časopisu Nature Physics. Tada se ponaša kao da dolazi iz oba atoma: Pojavljuje se kao pseudo-par, koji se ponaša potpuno kooperativno. Ako je elektron dovoljno brz, zna se njegovo podrijetlo. Zatim pokazuje karakteristike pojedinca.

Na prijelazu između kooperativnog i pojedinačnog ponašanja elektrona može se proučavati i promjena režima između kvantne i klasične fizike. Pored toga, takvi prijelazi igraju ulogu u tehnički zanimljivim materijalima kao što su supravodiči i magneti, kao i umjetne molekule, koje - izgrađene od kvantnih točkica - trebaju obrađivati ​​podatke kao komponente budućih kvantnih računala.

Molekula dušika ionizirana s X-zrakama

U superprevodnicima, elektroni odustaju od samotnog ponašanja i spajaju se u parove. Ti "Cooper parovi" provode struju bez otpora. U magnetskim se materijalima čak i svi elektroni, od kojih svaki nalikuje malom magnetu bar, ispravljaju kao da su postavljeni za vojnu formaciju. Da bi bolje razumjeli takve materijale i eventualno poboljšali njihova svojstva, fizičari žele otkriti kako elektroni prelaze iz kooperativnog u pojedinačno ponašanje i obrnuto.

Uwe Becker i njegovi kolege iz Fritz-Haber-Instituta iz Instituta Max Planck u Berlinu sada su proučavali ovaj prijelaz na pojedinačne elektrone. Ionizirali su molekulu dušika s X-zrakama i postepeno povećavali energiju zračenja. S energijom ozračene X-zrake povećava se kinetička energija izbačenih elektrona - oni poprimaju veću brzinu. U kvantno mehaničkoj slici, u kojoj se elektroni predstavljaju kao čestice i kao valovi, to znači da se njihova valna duljina, koju fizičari nazivaju de Broglievim valnim duljinama, postaje kraća. Što više energije sadrži val, kraća je njegova duljina vala. prikaz

Vidljivost elektrona pred očima istraživača

Analogno tome, kako valna duljina elektromagnetskih valova odlučuje koje detalje mogu uočiti u njihovoj okolini, također poboljšava percepciju elektrona kako se smanjuje njihova de Broglieva valna duljina. Što je njihova energija veća, to više informacija dobivaju o svom okolišu.

U pokusu berlinskih fizičara, to je bilo jasno uočljivo, jer je valna duljina elektrona potonula ispod udaljenosti između dva atoma molekule dušika. Ova dva atoma su simetrična, tako da rendgenska zraka ne razlikuje od kojeg atoma katapultira elektron. I sve dok je valna duljina letećeg elektrona veća od ove atomske udaljenosti, elektron ne razlikuje od kojeg atoma dolazi. Ne zna se ni njezino mjesto podrijetla.

Elektroni kao pseudo par

Štoviše, jedan elektron čak pokazuje svojstva para elektrona čiji partneri pokreću oba atoma. A to također odgovara stvarnosti, jer se emitirani elektron neprestano tune naprijed i nazad između dva atoma - kvantno-mehanički način kretanja, koji otvara putove putovima koji im, prema klasičnoj fizici, daju energiju Zaključane su. Pri tuneliranju, elektron izuzetno brzo skače između dva dušikova atoma.

"Ako tada napusti molekulu s niskom kinetičkom energijom, tj. Relativno sporo, više ne može odrediti iz kojeg atoma je zapravo započeo", objašnjava Becker. Drugim riječima, pojedinačni se elektron pojavljuje kao pseudo-par, od kojih polovina polazi od jednog atoma, jedan od ćudljivih pojava koji je moguć samo u kvantnoj fizici.

Činjenicu da se elektron kreće na svoje putovanje kao pseudo-par elektrona, fizičari prepoznaju po karakterističnom obrascu intenziteta koji dvije polovice elektrona stvaraju kada ih otkriju. Dok se ponašaju poput valova, preklapaju se u karakterističan interferencijski obrazac - baš kao što se valovi dvaju kamena preklapaju i istovremeno padaju u ribnjak. Takav obrazac interferencije ne samo da dokazuje da je jedan elektron krenuo iz dva atoma. Također pokazuje fazno zaključeno i prema tome suradničko ponašanje dviju "polovica" elektrona.

Kad elektroni znaju svoje podrijetlo

"Više ne promatramo ovaj poseban obrazac interferencije kada brzina emitiranog elektrona premaši određenu vrijednost", kaže Becker. Tada se de Broglieva valna duljina elektrona smanjuje ispod udaljenosti dušikovih atoma i elektron se sada može percipirati kao "gorski željezni mikroskop", iz kojeg je atoma emitiran.

Ideju za takav mikroskop formulirao je Werner Heisenberg, gdje je pretpostavio da se čestice mogu lokalizirati pomoću utjecaja ovisnog o energiji putem svog odnosa nesigurnosti, te se na taj način mogu riješiti lokalno mogu. Kako takav mikroskop nije mogao biti realiziran tijekom života, kasnije se distancirao od svog prijedloga. "Naš je eksperiment jedan od rijetkih primjera takvog mikroskopa", kaže Becker.

Kako elektroni sada znaju svoje podrijetlo velikom brzinom, kao posljedica toga dolazi do drugačijeg učinka. Ubrzo nakon što elektron počne letjeti ili valoviti, on pogodi drugi atom - ali sada se može razlikovati između dva atoma. Takva prepreka na putu vala djeluje kao polazište za novi valni front. Fizičari taj fenomen nazivaju rasipanjem. To uzrokuje da jedan elektron kreće u istom smjeru u izvornoj neškropljenoj i raspršenoj verziji.

Razjasnite strukturu krutih tvari

Dva talasa originala i raspršeni elektroni iz istog atoma sada su postavljeni umjesto dva talasa koje emitiraju različiti atomi. Fizičari koriste ovaj učinak da razjasne strukturu krutih tvari u postupku koji se naziva "Proširena finska struktura rendgenskih zraka", ukratko EXAFS. To također stvara interferencijski obrazac koji pruža informacije o prirodi i rasporedu atoma raspršivanja. No, ovaj se obrazac razlikuje od onoga s dvije "polovice" elektrona koje se emitiraju pri niskoj energiji dva atoma. Zato što se raspršeni elektron ponaša više ne kooperativan sa svojim susjednim elektronom, već samo sa svojim neispričanim prethodnikom.

Becker to kaže ovako: "Valovi s obje strane više nisu koherentni i stoga više nisu u međusobnoj međusobnoj vezi." Potonji znači jednostavno izjavio da planine i doline dvaju valova nemaju međusobno udaljenu udaljenost. Koherencija je izgubljena jer elektron sada prepoznaje iz kojeg atoma je nastao: ponaša se egocentrično.

Paralele između fizike i društva

Ne samo da živopisno ilustrira prijelaz s zadružnog na samo-povezano ponašanje elektrona, Becker izvodi paralelu između ovog fizičkog fenomena i određenog društvenog razvoja: "Čim ljudi dobiju više informacija o sebi i svom okruženju, počinju razmišljati o svojoj situaciji". objašnjava fizičar. Njihovo ponašanje, koje je prethodno u potpunosti bilo određeno koherentnom harmonijom s okolinom, odnosno s kolektivom, tada postaje više usredotočeno na sebe.

Taj se prijelaz trenutno može promatrati u različitim kulturama, posebno na Bliskom Istoku. Razlog zašto su, na primjer, talibani pokušali oduzeti ljudima obrazovanje i informacije u tako jednostavnim oblicima kao što su popularni glazbeni i zabavni filmovi, strah od ovog neizbježnog procesa, koji u osnovi dovodi u pitanje postojanje tradicionalnih, koherentnih društvenih struktura. Međutim, taj zabrinuti stav zanemaruje mogućnosti koje društvo utemeljeno na znanju nudi za budućnost samosvjesnog, ali ipak solidarnog društva, kaže Becker.

(MPG, 25.08.2008 - DLO)