Když se elektron "rozdělí na dva"  
Máte-li doma encyklopedii, nejspíš v ní pod pojmem elektron nalistujete, že se jedná o částici s elementárním nábojem, který dělit nelze. Fyzikové to nyní doplňují o termín „elektronová frakcionalizace“. Míní tím proměnu elektronu k níž dochází při jeho průchodu polovodičem. Dokáže se pak rozdělit na menší nábojové impulsy, z nichž každý nese jen část elektronového náboje. Poznatek by se měl dát zúročit v ledasčem.


Staré zlaté časy. Biologové mívali svá zrnka hrachu a vydrželo jim to celé generace. Pak se jim začaly rozpadat na mnohem menší celky – buňky a v těch se vyjevila přehršel pohupujících se organel. Chromozomy se také neustále vrtí a dokonce i titěrná vlákna DNA v buněčném jádře jsou pěknými neposedy. Bez ustání se přeskupují a mrskají sebou, že to připomíná práskání bičem.

 

Elektron jako vlnový balík. Má svou charakteristickou vlnovou délku (horní rozměr) a velikost vlnového balíku se udává koherentní délkou.
Elektron jako vlnový balík. Má svou charakteristickou vlnovou délku (horní rozměr) a velikost vlnového balíku se udává koherentní délkou.


Fyzikové jsou na tom dost podobně. Původně měli elektrony za korpuskule. Pak u nich začali objevovat duální charakter. Na jedné straně se chovají jako částice konečných rozměrů, ale na straně druhé vykazují vlastnosti charakteristické pro vlnu. Jejich kvantově-mechanickým popisem se stal vlnový balík, který lze popsat vlnovou délkou majoritní vlny a velikostí vlnového balíku. Teď se elementární náboj elektronů začal drobit, alespoň pokud jde o průchod elektronů v některých pevných látkách. Jen tak se dá totiž řada pozorovaných věcí v nich vysvětlit. Třeba vznik Čerenkovova záření, nebo záhadné jevy v hluboko podchlazených látkách.

 

 

 

 

Thales Milétský, předsokratovský filosof 624 – 546 př.n.l.  Elektron dostal jméno podle řeckého slova pro „jantar“. Protahovalo se jím vlákno lněné příze a na něm řecký učenec, jako první, popsal elektrické jevy. (Wikipedie, volné dílo)
Thales Milétský, předsokratovský filosof 624 – 546 př.n.l. Elektron dostal jméno podle řeckého slova pro „jantar“. Protahovalo se jím vlákno lněné příze a na něm řecký učenec, jako první, popsal elektrické jevy. (Wikipedie, volné dílo)

Vysvětlení mnoha jevů se už neobejde bez pojmu kvazičástice. Nejde jen o něco zvláštního, jako je třeba luminiscence, ale kvazičástice se již používají i k popisu šíření obyčejnho zvuku. Různé kvazičástice dostávají nálepky a tak se to v odborných časopisech hemží fonony, plazmony, excitony, magnony, polarony,... a protože ne všichni fyzikové jsou technokrati bez smyslu pro recesi, jednu si pojmenovali prostě jen „díra“.

 

 

 

Frakcionalizace elektronu ve zjednodušeném uměleckém podání. Jedno-rozměrným vodič dovoluje vést elektrony trajektorií, v níž Coulombovy silné interakce mezi elektrony částici poruší – frakcionalizují. (Kredit: Freulon, a kol., Nature, 2015)
Frakcionalizace elektronu ve zjednodušeném uměleckém podání. Jedno-rozměrným vodič dovoluje vést elektrony trajektorií, v níž Coulombovy silné interakce mezi elektrony částici poruší – frakcionalizují. (Kredit: Freulon, a kol., Nature, 2015)

Zprvu  kvazičástice byly definovány jen jako jednočásticové nízkoenergetické excitace, jež mají na svědomí interagující elektrony. Teď se to poněkud zkomplikovalo zvláštním jejich chováním v látkách zvaných polovodiče. Na poli zvaném kvantová mechanika se totiž vyskytl jev, kterému se přezdívá „Hallův", a ten se dá objasnit jen kvazičásticemi s elektrickým nábojem, který už elementární není. Stává se jeho zlomkem. A právě to je obsahem nové francouzské studie, jejíž podrobnosti přinesl květnový časopis Nature Communications.

 

 

Tým fyziků vedený Gwendal Fève z  Ecole Normale Supérieure v Paříži spolu s kolegy z Laboratoře fotoniky a nanostruktur v Marcoussis, v něm popisují experiment, který spíš připomíná studii fotonů, než elektronů. Když začali zjišťovat chování elektronu v čase odpovídajícím pikosekundám, zaznamenali na jednorozměrném vodiči jakýsi "rozpad elektronu". Změnily svou elektronovou vlnu na dva zcela oddělené pakety. Každý z takto vzniklých paketů potom nese polovinu původního náboje elektronu.

 

I když se frakcionalizace elektronu zkoumá už zhruba pět let, až nyní se podařilo tento jev prokázat na úrovni jednotlivého elektronu a také ho vizualizovat v čase. Dovolila to technika nazývaná Hong-Ou-Mandelův experiment. Tento přístup se již osvědčil při měření stupně podobnosti dvou fotonů. Zde se s ním porovnávaly dva napěťové impulsy jediného elektronu. Interferometr potřebný k takovému experimentu nebyl problém, limitním faktorem byl emitor, který by byl schopný dodávat jednotlivé elektrony. Naštěstí se ho také už podařilo vyvinout. Není náhodou že při jeho zrodu asistovali někteří pracovníci nynějšího Fèveho týmu.

 

Elektron se po některých vodičích přesouvá rozdělený do dvou impulsů. Procházejícímu elektronu po vnější části vodiče, navodí interakce dva excitační párové vrcholy. Dva pulsy se stejným znaménkem (nesoucí stejný náboj) a dva pulsy lišící se znaménkem (ty jsou v součtu neutrální). Vybuzené „dvojče“ postupuje se zpožděním a je důkazem toho, že se původní elektron ve vnitřní části vodiče rozdělil na dva různé impulsy. (Kredit: V. Freulon, a kol.,  2015 Nature)
Elektron se po některých vodičích přesouvá rozdělený do dvou impulsů. Procházejícímu elektronu po vnější části vodiče, navodí interakce dva excitační párové vrcholy. Dva pulsy se stejným znaménkem (nesoucí stejný náboj) a dva pulsy lišící se znaménkem (ty jsou v součtu neutrální). Vybuzené „dvojče“ postupuje se zpožděním a je důkazem toho, že se původní elektron ve vnitřní části vodiče rozdělil na dva různé impulsy. (Kredit: V. Freulon, a kol., 2015 Nature)

 

Frakcionalizace elektronu nelze pozorovat všude. Běžnou je jen na některých materiálech. Ani vlastní podstata tohoto děje zatím není zcela objasněna. Francouzští vědci pozorovaný jev vysvětlují následovně. Z emitoru uvolněné  elektrony cestují podél jednorozměrného vodiče a Coulombova interakce (interakce mezi nabitými částicemi) zajistí excitaci na vnější a vnitřní straně vodiče. Tím vzniknou dva impulsy se stejným znaménkem (nábojem) a dva s opačným znaménkem (v součtu jsou neutrální). Protože vybuzené dvojice cestují různou rychlostí (což je také důsledek Coulombovských interakcí) vede to k tomu, že místo jednoho elektronu (vlnového paketu) čidla zaznamenají dva impulsy, časově oddělené.

Vincent Freulon byl vyzván, aby o svých výsledcích s „parcelování elektronu“ referoval na Mezinárodní konferenci fyziky polovodičů v texaském Austinu. Poznatek by se prý mohl hodit všem, kteří chtějí miniaturizovat a řídit elektronické proudy na úrovni  jednoho elektronu.
Vincent Freulon byl vyzván, aby o svých výsledcích s „parcelování elektronu“ referoval na Mezinárodní konferenci fyziky polovodičů v texaském Austinu. Poznatek by se prý mohl hodit všem, kteří chtějí miniaturizovat a řídit elektronické proudy na úrovni jednoho elektronu.

Finální stav už lze jen obtížně nazývat  jako jedno-částicový. Nově se to popisuje jako stav složený z  excitací. Pod touto destrukcí je „podepsaná“ dekoherence elektronového vlnového paketu.

 

 

 

Nynější porcování elektronu v mnohém připomíná nedávná zjištění k nimž se dospělo na poli světla. U něj se již s kvantovými stavy fotonů svižně manipuluje. Machrují s nimi výrobci mikroskopů, měřících přístrojů, šifranti a dešifranti a snaží se i  vizionáři pláště neviditelnosti.

Nynější poznatek elektronové frakcionalizace prý významně posunul hranice poznání v oblasti fyziky pevných látek. Nám prostým uživatelům elektrických vymožeností by měl dát možnost řídit jednoelektronové proudy v jednorozměrných vodičích. To je pochopitelně míněno jako nadsázka. Časem bychom  to měli pocítit v další miniaturizaci elektronických součástek a zlevnění chytrých telefonů. A když ne na jejich zlevnění, tak prý aspoň na razantním povýšení jejich inteligence.

 


Literatura
V. Freulon, et al. "Hong-Ou-Mandel experiment for temporal investigation of single-electron fractionalization." Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms7854

Datum: 13.05.2015
Tisk článku

Související články:

Rekordní koherence v křemíkové nanoelektronice     Autor: Stanislav Mihulka (14.10.2014)
Jak zachytit zběsilé elektrony v křemíku?     Autor: Stanislav Mihulka (14.12.2014)
Hrají v supravodivosti významnou roli nečástice?     Autor: Stanislav Mihulka (09.04.2015)



Diskuze:

Somma Sumárom.

Josef Hrncirik,2015-05-21 20:21:21

V čidle se uvede do chodu lavina uvolňující rafinovaně nashromážděnou labilní energii a ta se pak snadno zaeviduje.
To jde u elektonů velmi snadnou realizovat. Lavinu lze snadno spustit i jediným fotonem světla ve fotonásobiči. Tomu odpovídá spouštěcí energie cca cca 1 eV. To určitě má balisticky letící é či vlna ve vlnovodu těch external edges. Kryogenně pak nehrozí falešné spuštění z tepelného pohybu = tepelného šumu, event. dlouhodobým sběrem šum lze potlačit i u velmi nízkých frekvencí.
Vlny různých módů, event. z interakce s okolím mají různé rychlosti a vlny jsou vlastně quasi částice mající hybnost, rychlost a energii a tím pádem vlastně 2 hmoty. … . Jde jen o to, energii vlny či částice dostatečně ostře lokalizovat na spoušti, či v cíli, aby spustila očekávanou měřitelnou spoušť. Prostě trefit je do oka nebo alespoň do čenichu.
Nad é není, je nejčilejší.
Na výrobu 1 půlvlny padl 1 lt kapalného helia a kWh. To si zaostalé národy nemohou dovolit.
Publish, marketuj, zúročuj nebo perish. Je to o vlnách a lovu v kalných vodách. Jednoduché a přesné vyjadřování kazí lov.
Zbylé elektrony nekompromisně elektrofrakovat.
Lovu a vlnám zdar, elektronům zmar! Howgh. (amen).

Odpovědět

Jsem velmi spokojen s Vaším napovídáním.

Josef Hrncirik,2015-05-20 16:44:56

Domnívám se, elektron je vždy elem. částice. Její pohyb vyvolá vlnu a naopak průchod vlny ho vychýlí. Domnívám se že v external edge balisticky letěl tuctový elektron, který se převlekl a tvářil ve svém speciálním okolí jako 2 půlvlny. Jakmile ale jedna z těchto 3 entit s něčím neobvykle zinteragovala, např. vstupem do interference s entitami z 2.hého zrcadlového obvodu interferometru (tj. vlastně převlečeného detektoru, kouzlo Fouriere zrušil a byl tu opět starý známý é. Nebo jinak. Proč nelegitmovali půlvlny detektorem ještě před interferometrem? I kdyby to šlo, nebylo by to praktické, protože pro měřitelné oddělení půlvln ty musely proběhnout 3 um, tj. při jejich pomalosti věčnost. Díky. Přinutil jste mě zamyslet se nad rozdíly: náboj, vlna, proud, napětí, indukce; energetický, proudový a napěťový impulz, detekce, interference, Fourierův rozklad... . To mi ale měli vysvětlit rychle a přesvědčivě vědátoři v článcích a profesionální popularizátoři. (L. dráty je převlečená dvoulinka, risknu si, že to je ?vodič + é +?pole = ? vlnovod. Jistý je jen tuctový é).

Odpovědět

vzpomněl jsem si, že když se injektuje elektron do Lerchových drátů

Josef Hrncirik,2015-05-20 07:35:22

vzniklá vlna postupuje v obou směrech a tak je elektron půlen zcela humánně bez nepopulárního mučení v magnetickém poli a navíc se přitom ušetří mnoho helia. Je-li elektron injektován do koaxiálního kabelu, také je fragmentován na 2 půle, pro vnějšího pozorovatele jsou dokonale stealth, je tedy fragmentován na nulové supravodivé náboje. Na rautu v Austinu to zúročí.

Odpovědět


Re: vzpomněl jsem si, že když se injektuje elektron do Lerchových drátů

Milan V,2015-05-20 10:46:23

Co jsou Lerchovy dráty?
Tak jak je to s tím elektronem? Částice elektron se zastaví poblíž vstupu a dál postupuje hustotní vlna, která se rozpůlí na dvě, nebo co?

Odpovědět

Zaplať a budeš spasen

Josef Hrncirik,2015-05-19 06:56:29

Nat.phys. 4,116-119 (2008) §Frakcionace nábojů v kvantových drátech (balistickryoHallokvantočtvrtvodičích) je zřetelně vidět po zaplacení a náročném
statistickém zpracování výstřelového šumu. Vychází z kolektivního chování elektronů. Aplikace to asi nebude mít ani v topných osvětlovacích koulích. Proč marně dřu nejen na naše popularizátory a vědce? Není to dokonalé perpetum mobile?

Odpovědět

Položme si základní filozofickou otázku.

Josef Hrncirik,2015-05-18 07:44:28

Kdo mi to zaplatí? Proč jsou články tak nesrozumitelné? Proto jen heslovitě. No jo, to už v kondenzátorech vazby mezi outer a internal protékají půl elektrony e/2. Stačilo kondenzátory koherentně odpojovat a nasyslit si ½ e. Určitě se nespojují, protože se odpuzují a mají stejný poloviční spin. Stejně je to ale e + ½ pozitronu. A v internal edge tím pádem taky pobíhají půlky elektronů. A ty se nejspíš potom podobně půlí až na atomy atomů. Prostě je to mezi půlkami. Mají nahoře dva ostré? píky á e/2 a dole nic typu e/2-e/2. Proč nemají. nahoře e a dole nic typu e-e. To mohli dát zrovna čidla přímo do kapacity mezi linkami, ale i do outer či internal.
Logické by bylo nahoře e a dole -e, nebo e-ee a dole -ee-e a podobně do libosti.
Hledám-li elektron metodou pro částice, naleznu ho jako částici. A naopak pro vlnu a bavlnu.
Brzděný elektron či snad jeho poloviny polovin ad inf. v outer má pak jisté spektrum rychlostí tj. poloh k danému času. No a teď bych měl změřit zda dorazil nebo ne. Dám tam čidlo. Půlkondenzátor a buď tam bude půlvlna nebo ne. Nebo to zbaběle naženu přes dělič elektronů a porcuji si dle libosti a ženu to do interferometru, kde se těším na nic, čtvrtky, půlky, jednotky a dvojky, …
Z 0 a 1 odvodím, že mi interferovaly e/2 z outer a s děličem se nepodělím a na půlení půlek a na 2 zapomenu. Viděl někdo z živých holé půlky elektronů? Proč vůbec funguje hmotová spektroskopie a elektrony obíhaj jak vzteklé? Proč si toho Millikan nevšiml? Nejspíč se mu půlily elektrony i s kapkami.
Prosím o označení největšího bludu.

Odpovědět

tento jev vede k řádovému zvýšení platby

Josef Hrncirik,2015-05-17 10:21:09

z jističů vodičů: vnějšího, vnitřního, zpětného, nuláků, napětí, proudů, výkonů, dekoherencí, koherencí, frekvencí a fází. Zdá se, že nabídka elektronů již přestává uspokojovat poptávku. Půlelektrony jsou pak jedinou alternativou pro Ty, kteří nemají na celé.

Odpovědět

přehazováním inner a outer, edge a line

Josef Hrncirik,2015-05-17 08:13:47

zmateme balíky elektronů a čtenářů a snadno získáme jednoelektronový proud jakékoliv frekvence a trvání. To je však zbytečné, protože balíci se postupně rozsypávají samovolně a čidla na to ani nestačí reagovat.

Odpovědět


Re: přehazováním inner a outer, edge a line

Milan V,2015-05-17 09:29:36

Jojo, myslím, že jste to vysvětlil dobře.

Odpovědět


při pohledání elektronickým microscopem

Josef Hrncirik,2015-05-17 11:16:24

na modrý peacky je vidět jednotlivé kvarky pixelů

Odpovědět

elektrony běžně čtvrtím pod Wheatstoneovým mostem

Josef Hrncirik,2015-05-16 13:10:42

pomocí volského čtyřspřeží

Odpovědět

Klasická otázka

Milan V,2015-05-15 17:16:20

Takže... pochopil někdo, co se Freulonovi povidlo?
Zkusil jsem se prokousat původním článkem, ale nejsem o mnoho chytřejší.
Zdá se, že vypustili elektron do úzkého vodiče (nikoli polo-?), vytvořila se tím nějaká excitační vlna, rozdělila se na dva vrcholy a potom... se nějak rozplynula. Huhu.

Ta vlna se asi dělá kolem (částicového) elektronu, tak jak se může rozdělit? A jak rozplynout? A proč se dělí zrovna na 2 stejné poloviny?

A nebo naopak, pokud vytvořili pouze elektrickou vlnu bez elektronu, tak by asi nebyl problém udělat ji vysokou 0.3456e a nikoho by to nepřekvapilo...?

Odpovědět


Re: Klasická otázka

Milan V,2015-05-15 17:22:35

Nebo snad, ó Hrůzo, se elektron ve vodiči rozplyne jako kapka v moři, a na druhém konci vypadne kapka složená z úplně promíchaných částí původních elektronů? Snaží se nám pan Brož říct tohle?

Odpovědět

Dodatečná editace

Pavel Brož,2015-05-14 08:53:39

Josefe, prosím Tě, piš tam Ty své úpravy, člověk je pak za blbce, když kritizuje něco, co je následně smazáno aniž by o tom byla zmínka. Díky.

Odpovědět


Milý Pavle

Josef Pazdera,2015-05-15 07:47:42

jak už tady někteří poznamenali, tak před opravou čárek a stylizace věty se slovem „škrtli“, se v článku píše o několikrát zmíněném elementárním elektrickém náboji. A jak Ti tu pan Pánek napsal (děkuji mu tímto), že o vakuu v něm také nepadlo ani slovo. Bylo nás nejspíš vícero, komu nebyl jasný Tvůj výpad o naprostém nepochopení a výtkám z oblasti chování částic a ve vakuu. V článku totiž spojení „elementární částice“ nevyskytuje, zato "elementární náboj", ano. Možná jsi přehlédl i spojení „chování elektronu v jedno-rozměrném vodiči“. Ale protože jsem nebyl u PC, tak jsem se nebránil. Bát se proto nemusíš, za blba jsem tu celou dobu byl jen já :). Ale jistě se všichni Těšíme, až nám tady po dvanácti letech zase jednou o nějaké novince z fyziky také poreferuješ... :)

Odpovědět


Milý Josefe

Pavel Brož,2015-05-15 11:47:07

šáhni do svého svědomí, a řekni mi, jestli jsi před mým upozorněním věděl, že ten elektron v té pevné látce a elementární částice elektron jsou dvě naprosto rozdílné entity, které pouze spíše historicky než kvůli reálným vlastnostem sdílejí tentýž název elektron. Oba víme, že jsi to nevěděl. To není výtka vůči Tobě, on to třeba nevěděl ani náš vedoucí katedry teoretické fyziky prof. Jiří Bičák (tehdy docent), a až profesor Bedřich Velický, světově uznávaná kapacita v oboru pevných látek, nám všem ten diametrální rozdíl mezi oběma "elektrony" vysvětlil. Dodnes to většina fyziků nerozlišuje, že v jednom případě se jedná o částici, zatímco ve druhém ne. V Tvém článku toto rozlišení samozřejmě taky nebylo, čímž vznikal dojem, že se opravdu jedná o dělení elementárního elektronu, zvláště pak když jsi to opepřil svým později smazaným tvrzením o přepisování učebnic. Takže to mé upozornění, že se jedná o velké nedorozumění, bylo naprosto na místě, protože Ty sám jsi ten rozdíl mezi "elektronem a elektronem" neznal, a samozřejmě ho neznala ani drtivá většina čtenářů. Chápu ale, že mladší redakční kolega cítil potřebu se Tě vůči mě zastat, je to od něj dokonce sympatické. Nicméně to nic nemění na tom, že to původní znění bylo značně zavádějící, buď prosím té dobroty, a uznej to. Čus, Pavel

Odpovědět


Re: Milý Josefe

Radka Sladká,2015-05-15 15:18:30

Hoši... 5:3...zabalte to :-)

Odpovědět


Re: Milý Josefe

,2015-05-15 20:44:20

Josefe, tak už konečně buďte od té dobroty a napište sem co se žádá :) !

Odpovědět


Re: Milý Josefe

Josef Pazdera,2015-05-18 09:49:35

Omlouvam se, nebyl jsem teď delší dobu na síti.... Jasně, že spoustu věcí jsem nevěděl a ani teď mi není jasná. Nejspíš jako autorům v časopisech, které jsou lepší, než osel. Třeba ScienceDaily, Physorg a dalších, od nichž jsem čerpal. Děkuji Pavlovi za jeho upřesnění v diskusi. Oni tam nic takového nemají, možná to tak je, ale to už je za hranicí mé rozlišovací schopnosti. Ze mne už nikdo k tomu nic víc nevydoluje. Prostě to nevím. A dávám na moudrou radu paní Radky, balím to.

Odpovědět


omluva z mé strany

Pavel Brož,2015-05-18 10:45:39

No, cítím se teď provinile, že jsem svou přehnanou kritikou rozpoutal tohleto divadlo. Holt jak stárnu tak se stávám nesnesitelně puntičkářským, nevrlým a protivným. Josefových článků si ve skutečnosti velice vážím, protože vím, že studiu těch zdrojů věnuje opravdu velice hodně pozornosti i času. A samozřejmě se těším na další Josefovy články, i na ty z fyzikální oblasti.

Odpovědět


Re: omluva z mé strany

Radka Sladká,2015-05-21 14:02:11

A vy se Pavle styďte. Sypat si popel na hlavu umí každý. Je prostě třeba vážit slova a ne se pak omlouvat...

Odpovědět


Re: Re: omluva z mé strany

Radka Sladká,2015-05-21 14:28:24

Pavle, jestli jsem to přehnala, tak se omlouvám. Věřte, že bych to ihned smazala, kdyby to šlo. Jenže to nejde, jak víte. Vážně jsem to nemyslela nijak špatně. Opravdu !

Odpovědět


Re: Re: Milý Josefe

Radka Sladká,2015-05-21 13:57:39

Physorg je v angličtině, ten se nepočítá :-)

Odpovědět

Co tak zhurta?

Vojta Panek,2015-05-14 03:08:39

Pane Broži, co Vám udělal pan Pazdera? V článku se praví, že se pozorování týká chování elektronu průchodem polovodiče a nikde v článku se vakuum nezmiňuje. Až na nějakou tu chybějící čárku bych v článku nepovažoval za potřebné cokoliv měnit. Je dokonce lepší, než ten, co visí na Physorgu. Že nejde o chování elektronu ve vakuu je zřejmé i z toho, že je popisován děj probíhající na vodiči.

Odpovědět


Re: Co tak zhurta?

Josef Přibyl,2015-05-14 07:03:09

Také mi není jasné, proč pan Brož vytýká elementární částici, když se píše o elementárním elektrickém náboji, což není totéž. Nepřebral jste mu manželku?

Odpovědět


Re: Re: Co tak zhurta?

Pavel Brož,2015-05-14 08:50:53

Pane Přibyl, já ani Josef s našima drahýma polovičkama takové problémy neřešíme, ale z Vás asi promluvil Freud, nemám pravdu?

Odpovědět


Re: Co tak zhurta?

Pavel Brož,2015-05-14 08:45:51

Pane Panek, on mezitím Josef tu kritizovanou větu smazal, takže už tam není, to ad A, a ad B, s Josefem jsme dobří přátelé už více než deset let, spíše ještě déle, takže nebuďte tak hypersensitivní, nehodlám ho lynčovat :-)

Odpovědět

Josefe, to je naprosté nepochopení

Pavel Brož,2015-05-14 00:21:56

Tam se nejedná o "rozpad" skutečného elementárního elektronu. Základem pro toto nepochopení je babylónské zmatení jazyků, které spočívá v tom, že pro elementární elektron ve vakuu a pro elektron v pevné látce se používá stejné slovo - elektron. Ve skutečnosti ale kvantová teorie pevných látek je naprosto odlišná teorie od třeba takové kvantové elektrodynamiky, která popisuje elektrony ve vakuu. Slova prof. Bedřicha Velického, který nás tu kvantovou teorii pevných látek učil, je elektron v pevné látce úplně jinou entitou, než je elektron ve vakuu, a to proto, že je jakoby "oblečený" do interakcí s okolními částicemi. Stejným způsobem funguje i přitahování Cooperových párů v supravodiči - Cooperovy páry jsou také tvořeny elektrony, jenže jsou to elektrony v pevné látce, a výsledkem jejich kolektivních interakcí je, že se za jistých okolností mohou přitahovat, což ale zní absurdně, když mají stejné znaménko náboje.

Ve skutečnosti je elektron v pevné látce také kvazičásticí, stejně jako jsou jí polarony, magnony a všechna ta další kvazičásticová havěť, rozhodně to není táž entita, jakou je elementární částice elektron. Pro tuto kvazičástici se ale používá stejný název elektron, protože ve většině případů se chová analogicky jako elektron, tj. jako částice s pevně daným záporným elektrickým nábojem. Nicméně v určitých velice speciálních situacích se tato kvazičástice chová velice odlišně - příkladem jsou např. Cooperovy páry, kde se elektrony přitahují, anebo zrovna Tebou zmíněný případ frakcionalizace náboje. Tento jev postihuje pouze onu "kvazičástici" elektron, tj. entitu existující pouze v pevné látce, nikoliv ve vakuu, a entitu rozhodně nikoliv elementární, protože pro její existenci jsou naprosto nezbytné právě ty kolektivní interakce s okolím. Proto rozhodně není pravda, že by se snad měly přepisovat učebnice v tom smyslu, že elektron coby elementární částice už nově není elementární.

Bohužel je nutné konstatovat, že někdy i sami vědci trochu přispívají k bulvarizaci vědy tím, že rádi používají přirovnání, jejichž význam je jejich kolegům zřejmý, nicméně u nespecialistů způsobují naprostý chaos. Chápu, že v boji o granty a při publikování v impaktovaných časopisech je nutné mít občas ostřejší lokty a trochu marketingového talentu, nicméně občas z toho vyjde opravdu hodně kuriózní zpráva.

Odpovědět


Re: Josefe, to je naprosté nepochopení

Petr Nejedlý,2015-05-14 02:22:23

Děkuji za hezké dovysvětlení. Mám tomu tedy rozumět tak, že v (polo)vodičích se "elektron" říká jakoby jednotce toho skupinového proudu? Jako že když elementárním nábojem (elektronem coby fyzickou částicí) vybudím vodič a na konci mi vypadne jiný elektron - ten chudák co byl ve správnou chvíli "na konci" a kamarádi do něj tou vybuzenou vlnou akurátně šťouchli - že tomu vzruchu, lokálnímu gradientu napětí, který se rychle prožene mediem, se také říká elektron a v předneseném pokusu jde o tento?
To by pak z jistého pohledu dělalo onu frakcionalitu "náboje" v pozorování vcelku banální a ač ono štěpení gradientu vypadá zajímavě, v konečném důsledku je nápadně podobné makroskopickému povrchovému jevu (skin effect) a jeho projevům.

Odpovědět


Re: Re: Josefe, to je naprosté nepochopení

Pavel Brož,2015-05-14 10:46:50

Takhle, nejsem si jist, jestli si správně představuji to, co jste nazval jednotkou skupinového proudu, možná to myslíme stejně, ale raději to popíšu jinými slovy. Během svého pohybu v pevné látce elektron interaguje se svým okolím, nejenom s jinými elektrony a děrami, ale také s krystalickou mřížkou či obecně se strukturou danou rozmístěním atomů v případě amorfních látek. Nejenon že sám ekektron je ovlivňován svým okolím, to okolí je zase ovlivňováno tím elektronem (tak např. krystalická mřížka se mírně v okolí "nadbytečného" elektronu či díry). Za určitých podmínek se pak mohou tyto zpětné vazby dost výrazně podepsat na charakteristice toho elektronu, či dát vznik oněm kolektivním excitacím zvaným kvazičástice. Krásně je to vidět na tzv. díře, což je kvazičástice "tvořená" kolektivní excitací okolí, kde naopak jeden elektron proti "průměrnému okolí" chybí - tato kolektivní excitace se chová, jako by byla částicí s kladným nábojem a nějakou většinou dost velkou efektivní hmotností - ve skutečně tam žádná taková kladná částice není, pouze se to tak navenek chová. S elektrony v pevných látkách je to ale podobné, tak např. při jejich přechodu z jedné pevné látky do druhé se může jakoby změnit jejich hmotnost. Jak je to možné? Je to možné díky tomu, že v obou látkách je ten elektron jako oblečen do jiných interakcí, pokud jej teda urychlujete např. přiloženým vnějším napětím, tak v obou bude vykazovat jiný poměr zrychlení ke stejné vnější síle. A aby toho nebylo málo, tak dokonce ve stejné látce se bude chovat jako mající různou hmotnost při různých energiích, či ekvivalentně, disperzní vztah mezi hybností a energií je zcela odlišný od vztahu platného pro elementární elektron. Třeba v grafenu je tato závislost zdeformována až do podoby analogické s relativistickým vztahem mezi hybností a energií. Toto všechno je možné proto, že elektron v pevné látce "není sám", tzn. když se ho pokoušíte urychlovat, neurychlujete jen jeho samotného, ale i celý ten jeho "interakční oblek", učeněji pojmenovanému kolektivní excitace. To, co můžete reálně změřit, je právě ta dynamika té celé excitace, nejde ji rozdělit na sledování jeno samotného elektronu bez toho zbytku. Jazykovým problémem je pak to, že se této kolektivní excitaci stále říká elektron, stejně, jako se říká elektron elementární částici elektron. Všimněte si, že tento jazykový problém nevzniká v případě díry, protože žádnou elementární částici se jménem díra nemáme. Přitom ale mnohé pevnolátkové jevy, ke kterým dochází pro elektrony, mají své analogy v procesech, kde místo elektronů fungují díry, osobně nepochybuji že i ta frakcionalizace náboje jde udělat s děrama místo elektronů - v případě těch děr se tomu pouze nikdo nebude divit, protože u nich je na rozdíl od těch elektronů ta "kolektivnost" do očí bijící (jinými slovy, u děr nikdo nepochybuje, že jde o kolektivní excitace neboli kvazičástice, zatímco u elektronu v pevném látce naopak málokoho napadne, že to není jen ten elementární elektron).

Odpovědět


Re: Re: Josefe, to je naprosté nepochopení

Petr Hájek,2015-05-14 12:18:02

Pokud to zjednoduším na vaši otázku, jestli po připojení vodiče ke zdroji napětí vypadne na konci jiný elektron než ten, který tam na začátku vpadne, tak ano, bude to "jiná" částice. Rychlost pohybu elektronů (driftová, po připojení zdroje napětí) ve vodiči je (mnoho)řádově nižší, než rychlost šíření el. proudu. Dá se říct, že driftová rychlost elektronu je závislá na velikosti napětí.

Představte si to tak, že ve vodiči je mnoho volných elektronů, které se bez el. napětí chaoticky pohybují rychlostí cca 10^6 m.s-1 (slovy deset na šestou metru za sekundu). Po připojení el. napětí k vodiči dostane tento chaotický pohyb směr. je sice stále chaotický, ale k tomuto chaotickému pohybu se přidává driftová rychlost cca 10^-5 m.s-1 (deset na mínus pátou metru za sekundu), tedy o 11 řádů nižší, než je vlastní pohyb elektronu.
Předtavte si to jako hejno ryb v rybníce, které se choticky pohybují mezi sebou a hejno ryb v řece, které se stále chaoticky pohybují mezi sebou, ale navíc je pomalu unáší proud řeky.
Takže za nějaký čas (podle délky vodiče a velikosti napětí) na konci vypadne i ten váš elektron...

Odpovědět


driftová teorie je zde mimo

Pavel Brož,2015-05-14 13:48:34

Tady se bavíme o kvantových jevech, právě ty jsou postatné při popisu všech těch dějů, jako jsou kolektivní excitace, kvazičástice, koherentní přenos či v článku popisovaná frakcionalizace náboje. Stařičká driftová teorie vycházející z nekvantové fyziky je s odřenýma ušima použitelná pouze pro makroskopický popis elektrického proudu v obyčejných vodičích za běžné teploty, pro popis vedení proudu např. v polovodičích je už naprosto nepoužitelná, natož pak pro popis supravodivosti, kvantového Hallova jevu či zmíněné frakcionalizace náboje. Tak např. už jen pro popis pohybu děr naprosto selže - nebo si snad myslíte, že ty díry se taky pohybují jak popisujete? Kdepak, pokud chcete opravdu seriózně popsat pohyb elektronů v pevných látkách, tak s driftovou teorií nevystačíte, bez kvantové teorie to nepůjde.

Odpovědět


Re: driftová teorie je zde mimo

Petr Hájek,2015-05-14 16:32:53

Souhlasím, proto jsem na začátku příspěvku, kerý byl míněn jako odpověď na dotaz Petra Nejedlého (vysloveně se dotazoval na fyzický elektron), napsal: "Pokud to zjednoduším na vaši otázku, jestli po připojení vodiče ke zdroji napětí vypadne na konci jiný elektron..."

Máte pravdu, mé vysvětlení je zjednodušené a pro další hlubší nebo serioznější vědecké bádání nepoužitelné. Ale pro toho, kdo nepotřebuje kvanta informací by stačit mohlo.

Odpovědět


Re: driftová teorie je zde mimo

Martin Plec,2015-05-15 17:03:03

K driftové teorii: Při rychlém hledání jsem nenašel lepší stručné vysvětlení problémů driftové teorie než na Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Classical_and_quantum_conductivity

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace