Ένας ερευνητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Tohoku αποκάλυψε ένα εκπληκτικό κβαντικό φαινόμενο κρυμμένο μέσα σε συνηθισμένους κρυστάλλους: η ισχύς των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ηλεκτρονίων και δονήσεων πλέγματος - γνωστές ως φωνόνια - δεν είναι συνεχής, αλλά κβαντισμένη. Ακόμα πιο αξιοσημείωτο είναι ότι αυτή η ισχύς συνδέεται παγκοσμίως με έναν από τους πιο εμβληματικούς αριθμούς στη φυσική: τη σταθερά λεπτής δομής.
Ανακάλυψη κβαντισμένης σύζευξης ηλεκτρονίου-φωνονίου
Αυτό που κάνει αυτόν τον αδιάστατο αριθμό (α ≈ 1/137) τόσο εμβληματικό είναι η ικανότητά του να εξηγεί τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, ανεξάρτητα από τις μονάδες που χρησιμοποιούνται. Φανταστείτε το σαν μια αναλογία όπου ένα μολύβι είναι διπλάσιο σε μήκος από ένα άλλο μολύβι - αυτή η αναλογία δεν θα αλλάξει ανεξάρτητα από το αν μετρήσετε το μήκος του μολυβιού σε cm, ίντσες ή πόδια.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Chemical Physics Impact και με επικεφαλής τον Masae Takahashi του Πανεπιστημίου Tohoku, αποκαλύπτει ότι η ισχύς σύζευξης ηλεκτρονίου-φωνονίου είναι πάντα ένα ακέραιο πολλαπλάσιο μιας βασικής μονάδας ίσης με τη σταθερά λεπτής δομής πολλαπλασιασμένη με τη σταθερά Boltzmann. Με άλλα λόγια, περίπου ένα μέρος στα 137 της ενέργειας του φωνονίου μεταφέρεται κατά τη διάρκεια κάθε αλληλεπίδρασης.
Χρησιμοποιώντας προηγμένη φασματοσκοπία terahertz, η οποία ανιχνεύει τις δονήσεις στην ενεργειακή περιοχή μεταξύ υπέρυθρης ακτινοβολίας και μικροκυμάτων, η σύζευξη ηλεκτρονίων-φωνονίων μετρήθηκε με πρωτοφανή ακρίβεια. Αυτή η ανακάλυψη καταδεικνύει ότι μια θεμελιώδης σταθερά που διέπει τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις ισχύει και για τον μικροσκοπικό «διάλογο» μεταξύ ηλεκτρονίων και κρυστάλλων.
Εξήγηση της κβαντικής σύνδεσης
Ο Takahashi ανίχνευσε την προέλευση σε μια διαδικασία που μοιάζει με τη σκέδαση Compton, όπου τα ηλεκτρόνια συγκρούονται όχι άμεσα με τα φωνόνια αλλά με τα φωτόνια που εκπέμπονται από τα φωνόνια. Αυτή η γνώση εξηγεί γιατί η μεταφορά ενέργειας κλιμακώνεται με α στην πρώτη δύναμη, αντί για α² όπως στις αλληλεπιδράσεις σπιν-τροχιάς. Συνολικά, αυτή η έρευνα αποκαλύπτει έναν παγκόσμιο κβαντικό κανόνα που διέπει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με τις δονήσεις πλέγματος μέσα στους κρυστάλλους.
Επιπτώσεις για την τεχνολογία και την επιστήμη
«Αυτό το νέο εύρημα ήταν συναρπαστικό, καθώς είναι η πρώτη φορά μετά από αρκετό καιρό που μπορούμε να προσθέσουμε νέες πληροφορίες στην καθιερωμένη κβαντομηχανική», σχολιάζει ο Takahashi.
Ποσοτικοποιώντας αυτές τις αλληλεπιδράσεις και τους κανόνες, οι επιστήμονες μπορούν να σχεδιάσουν υλικά με προσαρμοσμένες ιδιότητες για ταχύτερες ηλεκτρονικές και πιο αποδοτικές ενεργειακές τεχνολογίες. Για παράδειγμα, οι αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίων-φωνονίων διέπουν την απόδοση των ημιαγωγών, των υπεραγωγών και των κβαντικών συσκευών επόμενης γενιάς.
Τα κύματα Terahertz μπορούν επίσης να επηρεάσουν διαδικασίες όπως η κυτταρική διαίρεση, υπονοώντας ότι αυτό το εύρημα μπορεί τελικά να επηρεάσει μελλοντικές καινοτομίες όχι μόνο για τα καθημερινά ηλεκτρονικά όπως τα smartphone και οι υπολογιστές, αλλά και για τις βιοεπιστήμες.
«Αυτή η εργασία δείχνει ότι ακόμη και οι ψίθυροι μεταξύ ηλεκτρονίων και κρυστάλλων ακολουθούν την παγκόσμια γλώσσα των κβαντικών σταθερών», λέει ο Takahashi.
www.worldenergynews.gr
