Falowa funkcja elektronu zrekonstruowana w laboratorium. Pozwoli udoskonalić elektronikę
Po raz pierwszy udało się zrekonstruować w laboratorium falową naturę elektronu, jego funkcję falową Blocha. Dokonali tego naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB), a ich praca może znaleźć zastosowanie w projektowaniu kolejnych generacji urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych.
Elektrony zachowują się jednocześnie jak cząstki oraz jak fala. Ich falowa natura opisywane jest przez naukowców za pomocą obiektów matematycznych zwanych funkcjami falowymi. Funkcje te zawierają zarówno składowe rzeczywiste, jak i urojone. Z tego też powodu funkcji falowej Blocha elektronu nie można bezpośrednio zmierzyć. Można jednak obserwować powiązane z nią właściwości. Fizycy od dawna próbują zrozumieć, w jaki sposób falowa natura elektronów poruszających się przez sieć krystaliczną atomów, nadaje tej sieci właściwości elektroniczne i optyczne. Zrozumienie tego zjawiska pozwoli nam projektowanie urządzeń lepiej wykorzystujących falową naturę elektronu.
Naukowcy z Santa Barbara wykorzystali silny laser na swobodnych elektronach, który posłuży im do uzyskanie oscylującego pola elektrycznego w półprzewodniku, arsenu galu. Jednocześnie za pomocą lasera podczerwonego o niskiej częstotliwości wzbudzali jego elektrony. Wzbudzone elektrony pozostawiały po sobie „dziury” o ładunku dodatnim. Jak wyjaśnia Mark Sherwin, w arsenku galu dziury te występują w dwóch odmianach – lekkiej i ciężkiej – i zachowują się jak cząstki o różnych masach.
Para elektron-dziura tworzy kwazicząstkę zwaną ekscytonem. Fizycy z UCSB odkryli, że jeśli utworzy się elektrony i dziury w odpowiednim momencie oscylacji pola elektrycznego, to oba elementy składowe ekscytonów najpierw oddalają się od siebie, następnie zwalniają, zatrzymują się, zaczynają przyspieszać w swoim kierunku, dochodzi do ich zderzenia i rekombinacji. W czasie rekombinacji emitują impuls światła – zwany wstęgą boczną – o charakterystycznej energii. Emisja ta zawiera informacje o funkcji falowej elektronów, w tym o ich fazach.
Jako, że światło i ciężkie dziury przyspieszają w różnym tempie w polu elektrycznym ich funkcje falowe Blocha mają różne fazy przed rekombinacją z elektronami. Dzięki tej różnicy fazy dochodzi do interferencji ich funkcji falowych i emisji, którą można mierzyć. Interferencja ta determinuje też polaryzację wstęgi bocznej. Może ona być kołowa lub eliptyczna.
Autorzy eksperymentu zapewniają, że sam prosty stosunek pomiędzy interferencją a polaryzacją, który można zmierzyć, jest wystarczającym warunkiem łączącym teorię mechaniki kwantowej ze zjawiskami zachodzącymi w rzeczywistości. Ten jeden parametr w pełni opisuje funkcję falową Blocha dziury uzyskanej w arsenku galu. Uzyskujemy tę wartość mierząc polaryzację wstęgi bocznej, a następnie rekonstruując funkcję falową, która może się różnić w zależności od kąta propagacji dziury w krysztale, dodaje Seamus O'Hara.
Do czego takie badania mogą się przydać? Dotychczas naukowcy musieli polegać na teoriach zawierających wiele słabo poznanych elementów. Skoro teraz możemy dokładnie zrekonstruować funkcję falową Blocha dla różnych materiałów, możemy to wykorzystać przy projektowaniu i budowie laserów, czujników i niektórych elementów komputerów kwantowych, wyjaśniają naukowcy.
Komentarze (15)
l_smolinski, 11 stycznia 2022, 13:21
To jest cały absurd. Elektron jest rzeczywisty, a parametry go opisujące są urojone/wyobrażone. Jak wiemy takie podejście nie przynosi dobrych efektów
Jest sobie cała ta teoryjka oparta o twierdzenie Blocha:
https://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/fizyka/c_teoria_pasmowa/2.html
No i po co komu to sado-macho, skoro można łatwiej i dokładniej elektron opisywać:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.100.073003
PS. Link do publikacji to gdzie ?
darekp, 11 stycznia 2022, 14:31
Po polsku część "nie-rzeczywistą" liczby zespolonej nazywamy urojoną: https://pl.wikipedia.org/wiki/Liczby_zespolone (to jest błąd tłumaczenia, że napisano "wyobrażone").
A absurdu IMHO trudno się tutaj dopatrywać, po prostu wygodniej wykonywać rachunki dot. mechaniki kwantowej (i zdaje się czasem w niektórych innych zagadnieniach zw. z falami, nie jestem pewien, czy dobrze pamiętam) za pomocą liczb zespolonych, więc się tak robi:)
Jarek Duda, 11 stycznia 2022, 14:35
Liczby zespolone są bardzo wygodne dla opisu procesów periodycznych, widocznie mamy taki związany z elektronem - tzw. zegar de Broglie'a, potwierdzony eksperymentalnie: https://link.springer.com/article/10.1007/s10701-008-9225-1
l_smolinski, 11 stycznia 2022, 14:55
Kobiecy mocz wstrzykiwano niektórym zwierzętom, mieszano go z winem, sprawdzano zabarwienie pochwy – to przykłady, jak niegdyś kobiety upewniały się, czy są w ciąży.
No, ale dzisiaj można już łatwiej i efektywniej ... a tutaj cały czas kot w pudle i liczby zespolone.
Jajcenty, 11 stycznia 2022, 15:24
Elektrycy też lubią i też w związku z częstotliwością
olamagato, 15 stycznia 2022, 19:39
Moim zdaniem powinni za to co odkryli dostać urojoną (sic!) nagrodę Nobla. Kolejne odkrycia udowadniają, że wszelkie miary w naszym wszechświecie są płaszczyznami (liczbami zespolonymi), a nie wartościami na osi rzeczywistej. Tak naprawdę wszystko jest falą, cała materia i energia są w przestrzeni, którą powinno się mierzyć liczbami zespolonymi. Ale jest jeden problem. Nie potrafimy mierzyć inaczej niż przybliżeniami liczb rzeczywistych. Wszelkie wzory fizyczne, których przewidywania nie pasują do mierzonych wartości są błędne ponieważ nie zawierają części urojonych. Matematyka jest dlatego piękna bo pokazała daleko przed fizykami, że fizyka i matematyka są jednością. Praktycznie wszystkie odkrycia teoretyczne okazują się występować w rzeczywistości jaką można zbadać kilkadziesiąt lat później. Niedługo uda się odkryć, że wszystko co rejestrują nasze oczy, to tylko składowa rzeczywista bardziej skomplikowanych zjawisk. Fotony są rejestrowane przez nasze oczy i instrumenty ponieważ rejestrowana jest tylko ich część rzeczywista. Część znajdująca się w przestrzeni mierzonej składowymi urojonymi jest dla nas właśnie niewidoczna i to jest właśnie ta ciemna energia i ciemna materia. My i to co widzimy jesteśmy tylko odpryskiem mierzalnym miarami rzeczywistymi. Ale to tylko mały fragment przestrzeni. Większość, jakieś 95% leży w przestrzeni, której nie potrafimy zmierzyć, ale potrafimy obliczyć. O ile ktoś wykombinuje brakujące urojone części wzorów fizycznych. Możliwe, że właśnie po odkryciu, że cała przestrzeń, cały wszechświat jest zespolony, okiełznamy energię termojądrową przenosząc syntezę do urojonej części przestrzeni, która nie będzie generowała kwantów ciepła, a tylko elektrony lub inne cząstki, które będziemy w stanie wykorzystać jako nośniki energii. Możliwe, że w ogóle nie będzie w ogóle sensu mówić o syntezie termojądrowej bo dzięki rozumieniu energii i materii znajdziemy dużo lepsze sposoby uzyskiwania energii użytecznej dla naszych celów. Tak samo nie będzie żadnego paradoksu korpuskularno-falowego. Po zrozumieniu czym jest energia i materia zrozumiemy też czym jest czas i wszelkie paradoksy (w tym dziadka) przestaną mieć jakikolwiek sens. Tak naprawdę dopiero za kilka lat zacznie się 21 wiek. I będzie nim odkrycie, że materia ma tyle wymiarów zespolonych ile potrzeba do jej skutecznego opisania. Jeżeli ktoś będzie chciał się matematycznie masochizować lub dalej drążyć we własnościach wszechświata, to zacznie opisywać zjawiska w kwaternionach oraz oktawach Caleya. To nie są tylko konstrukty matematyczne. Po prostu matematyka, fraktale, funkcje falowe są takim samym wytworem naszego wszechświata jak obserwowalna fizyka. Również dzięki temu powstało na Ziemi życie. Wszystko to świetnie do siebie pasuje. Teraz rozumiecie dlaczego nie widzimy innych cywilizacji? Bo jeszcze nie dorośliśmy do rozumienia tego. Obcy są, zapewne istnieją. Ale my dopiero co odkryliśmy fale grawitacyjne nie rozumiejąc nawet materii, energii i czasu. Dopóki tego nie zrozumiemy, to ani jednego obcego nie odkryjemy. Bo oni już zapewne tam są. Jednak nie w świecie widocznym i "rzeczywistym". W świecie całościowym. W przestrzeni zespolonej.
Tak na marginesie różne niezwykle rzadkie zjawiska, które są interpretowane jako ufo czy duchy, to nic innego jak odpryski przestrzeni urojonej przeplatającej się z rzeczywistą. Możliwe, że foton i elektron to jest dokładnie to samo zjawisko lecz częściej lub rzadziej przecina przestrzeń opisywaną miarami urojonymi niż rzeczywistymi.
Ninjahouse (ninjahouse at interia dot eu).
ps. Roszczę sobie prawo do teoretycznego odkrycia tego stanu rzeczy.
thikim, 15 stycznia 2022, 21:17
To nie jest tylko kwestia obliczeń.
Był już artykuł tutaj:
https://kopalniawiedzy.pl/mechanika-kwantowa-liczby-zespolone-liczby-urojone,33528
BTW. Liczby urojone mają więcej realności w sobie niż cząstki wirtualne...
l_smolinski, 15 stycznia 2022, 22:19
Do tego momentu to się zgodzę...
Nie lepiej pogodzić się z faktem, że wzory są złe, modele błędne? Ogólnie tego się już nie pomaluje. To tylko próba wyniesienia kozy, którą sami fizycy wnieśli. Sorry szukanie bozonu higgsa przez 25 lat nie można nazwać przewidywaniem (przecież to nie były kwestie techniczne tylko brak zrozumienia tematu). Radośnie odtrąbiono sukces, a sub cząsteczka, którą znaleziono ostro rozjechała się z marzeniami fizyko-matematyków (jak to się profesjonalnie mówi?). Polecam inżyniera z CERN i komentarze:
https://profmattstrassler.com/2012/10/23/does-the-higgs-field-give-the-higgs-particle-its-mass-or-not/
To nie jest kwestia narzędzi do końca, za pomocą których opisuje się model tylko polityka dokładania podpórek do podpórek.
Jednak papier przyjmie wszystko, a w związku z tym posucha w MK sprawia mi ogromną radość.
Jednak 10 wymiarów, 17 elementarnych cząsteczek, 4 przyczyny ruchu, sprawiają mi niewątpliwą radość. Z pustego i Salomon nie naleje.
Amen.
Jajcenty, 15 stycznia 2022, 22:19
Tylko jeśli dołączysz jakiś opis z co najmniej jednym nablem, laplasjanem, ale najlepiej hamiltonianem.
olamagato, 16 stycznia 2022, 01:00
Wszystko w swoim czasie. Ludzie są jeszcze zbyt głupi, żeby to dostać. Najpierw jakaś skała musi przypieprzyć i wysterylizować połowę ludzkości, żeby byli na to gotowi.
Poza tym dużo skuteczniejsze jest odkrycie zjawiska, które samo udowodni ten stan rzeczy. Tak jak było z efektem fotoelektrycznym i soczewkowaniem grawitacyjnym.
l_smolinski, 16 stycznia 2022, 09:27
Jak ktoś ma większy odlot niż ja to zapala mi się czerwona lampka ostrzegawcza.
thikim, 16 stycznia 2022, 22:16
Dość kontrowersyjna teza
Hmm. To też mnie w sumie dziwi. A przez ile lat jakby go szukano to by było przewidywanie?
l_smolinski, 17 stycznia 2022, 08:10
Przez 5 lat? To w cholerę czasu? Prosta akcja. Z modelu wynika taka a taka energia dla bozonu, walcie kulkami tak i tak i go otrzymacie. Oczywiście cwaniakuję, ale 25 lat to jednak sporo
Przykład Oganeson W 1998 propozycja jak to zrobić w 2002 otrzymano:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Oganeson
W przypadku bozonu higgsa rozstrzał energetyczny gdzie mógł się znajdować był bardzo duży - ma to mało wspólnego z przewidywaniem, a potem się okazało, że to nie to o co chodziło w tej koncepcji. Naciągnięto to tu to tam pominięto pewne niewygodne fakty i odtrąbiono sukces teorii.
Ogólnie przyczyna grawitacji i masy w MK jest tak nie spójna, że nawet ślepy widzi, że to jest bezsens
thikim, 17 stycznia 2022, 10:27
1964 przewidywania
2012 ogłoszenie odkrycia
A pomiędzy jest budowa LHC - plan od 1994, uruchomienie 2008.
Więc od uruchomienia do 2012 roku to 4 lata - z czego część czasu był wyłączony LHC. Dobry wynik moim zdaniem. I w sumie jedyny.
LHC miał więcej zadań niż tylko Higgs. Reszta zadań - klęska
Dalej jeśli chodzi o obecne modele to w zasadzie ich cechą stałą jest że masy cząstek nie są przez nie przewidywane tylko są potrzebne jako ich parametry z obserwacji.
olamagato, 17 stycznia 2022, 16:50
To, że jakieś hipotezy się nie potwierdziły to tylko fakt, a nawet poszerzenie wiedzy. Jeżeli ktoś konkretny do badań podchodzi na zasadzie sukcesu czy klęski, to chyba nie powinien się tym zajmować. Mówię oczywiście o osobach, które są uznawane za autorytety w fizyce.
Obecny stan wiedzy mechaniki kwantowej, to taki bajzel, że bez świeżego podejścia można ją tylko uznać, za jakiś kompletny chaos.