O echipă internațională de fizicieni a demonstrat experimental că poziția unui electron și evoluția mișcării sale în timp nu pot fi determinate simultan cu o precizie nelimitată. Folosind un microscop special și impulsuri laser extrem de scurte, cercetătorii au urmărit deplasarea electronilor pe distanțe de dimensiuni atomice, în intervale de ordinul atosecundelor. Rezultatele, publicate în revista științifică Nature Photonics, oferă noi informații despre comportamentul particulelor și ar putea contribui la dezvoltarea unor dispozitive electronice mult mai rapide.
Studiul a fost realizat de cercetători de la Universitatea din Regensburg, Germania, în colaborare cu specialiști de la Institutul Max Planck pentru Structura și Dinamica Materiei din Hamburg.
Experimentul a permis observarea mișcării electronilor la o scară temporală greu de imaginat. O atosecundă reprezintă o miliardime dintr-o miliardime de secundă. La asemenea intervale, electronii pot parcurge distanțe comparabile cu dimensiunile atomilor.
Cum au fost urmăriți electronii
Pentru experiment, fizicienii au construit un sistem de microscopie care combină un vârf metalic extrem de fin, o suprafață de argint și impulsuri laser controlate cu mare precizie.
Lumina laser a fost folosită pentru a determina electronii să treacă de la vârful metalic la suprafața de argint. Distanța parcursă era de numai câteva ori mai mare decât diametrul unui atom.
Deplasarea a fost posibilă printr-un fenomen numit tunelare cuantică. În fizica cuantică, electronii nu se comportă întotdeauna ca niște particule obișnuite. Ei pot traversa anumite bariere energetice chiar și atunci când, potrivit fizicii clasice, nu ar avea suficientă energie pentru a face acest lucru.
Cercetătorii au urmărit transferul electronilor măsurând curentul electric produs. Pentru a stabili momentul în care avea loc deplasarea, au folosit două impulsuri laser, modificând intervalul dintre acestea.
„Prin modificarea intervalului dintre cele două impulsuri laser, putem observa direct cum reacționează electronii”, a explicat Simon Maier, autorul principal al studiului.
Metoda a permis identificarea unor procese care se desfășoară în mai puțin de o femtosecundă, adică o milionime dintr-o miliardime de secundă.
Simulările cuantice realizate de echipa coordonată de fizicianul Angel Rubio au indicat și o întârziere de aproximativ 500 de atosecunde între acțiunea câmpului luminos și răspunsul electronilor.
Cea mai importantă observație privește relația dintre momentul mișcării unui electron și distribuția sa în spațiu.
În mecanica cuantică, comportamentul electronilor este descris prin funcții de undă, care permit calcularea probabilității de a găsi particulele într-o anumită regiune. Atunci când fizicienii încearcă să stabilească tot mai precis momentul în care un electron traversează o barieră, distribuția sa spațială se modifică.
„Cu cât dorim să stabilim mai precis momentul în care se află electronul, cu atât trebuie să furnizăm mai multă energie. În consecință, pachetul său de unde se extinde mai mult în spațiu”, a explicat Raffael Spachtholz, unul dintre autorii cercetării.
Cu alte cuvinte, precizia mai mare a măsurării timpului poate fi însoțită de o precizie mai redusă în stabilirea regiunii ocupate de electron.
Fenomenul amintește de principiul incertitudinii formulat de Werner Heisenberg, potrivit căruia poziția și impulsul unei particule nu pot fi cunoscute simultan cu o precizie oricât de mare. Totuși, experimentul nu demonstrează existența unei relații identice între poziție și timp, ci evidențiază modul în care controlul foarte precis al mișcării electronilor influențează distribuția lor spațială.
Pentru a studia această relație, cercetătorii au plasat un singur atom pe suprafața analizată. În acest fel, au putut examina distribuția electronilor într-o regiune extrem de mică și au demonstrat că este posibilă combinarea unei rezoluții spațiale atomice cu măsurători efectuate la scara atosecundelor.
Posibile aplicații în electronică și chimie
Descoperirea ar putea permite studierea unor procese care până acum erau prea rapide pentru a fi urmărite direct, inclusiv transferul electronilor în timpul reacțiilor chimice și modificarea legăturilor dintre atomi.
„În viitor, dorim să folosim asemenea pachete de unde pentru a declanșa selectiv reacții chimice și pentru a observa, la scările de lungime și timp relevante, cum pot fi rupte sau modificate legăturile chimice”, a declarat fizicianul Jascha Repp, de la Universitatea din Regensburg.
O altă direcție de cercetare privește dezvoltarea electronicii ultrarapide. Controlul mișcării electronilor la intervale de ordinul atosecundelor ar putea permite realizarea unor componente care să funcționeze la frecvențe mult mai mari decât cele utilizate în prezent.
Rupert Huber, unul dintre coordonatorii proiectului, a declarat că, pe termen lung, rezultatele ar putea contribui la dezvoltarea unor sisteme electronice și de procesare cuantică de sute de mii de ori mai rapide decât tehnologia CMOS, folosită în majoritatea circuitelor integrate actuale.
Experimentul a demonstrat posibilitatea urmăririi și controlării mișcării electronilor la scară atomică, nu funcționarea unui procesor cu asemenea performanțe.