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:


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku








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