Medžiagos struktūra mokslininkus žavi jau daugelį amžių. Tačiau stebėti judančius elektronus, šias mažytes daleles, atsakingas už elektrą ir chemiją, buvo didžiulis iššūkis dėl jų neįtikėtino greičio. Dabar Kalifornijos universiteto (San Diegas) mokslininkų komanda padarė esminį proveržį šioje srityje. Taikydami naujovišką metodą, pagrįstą spiraliniais elektronų pluoštais, jie rado būdą, kaip neregėtu tikslumu atvaizduoti šiuos judesius.
Šis atradimas, paskelbtas žurnale „ Physical Review Letters“ , apibūdina naują eksperimentinį metodą, vadinamą itin greita sūkurine elektronų difrakcija. Šis metodas leidžia išskirti koherentinę elektronų dinamiką, atverdamas naujas galimybes suprasti fundamentalius kvantinius procesus. Tyrime teigiama, kad šis metodas ne tik pagerina elektronų stebėjimą, bet ir gali padėti pasiekti pažangos kontroliuojant chemines reakcijas atominiame lygmenyje.
Poreikis pamatyti nematomus dalykus
Vienas didžiausių kvantinės fizikos iššūkių buvo tiesioginis elektronų stebėjimas molekulėse. Elektronai juda neįtikėtinai trumpais laiko intervalais, siekiančiais atosekundes (atosekundė yra viena trilijoninė sekundės dalis). Dėl tokio itin didelio greičio sunku sukurti metodus, galinčius užfiksuoti jų elgseną realiuoju laiku.
Naujasis Kalifornijos universiteto San Diege mokslininkų pasiūlytas metodas sprendžia šį sunkumą naudodamas elektronų pluoštus, judančius spirale. Ši strategija leidžia tiksliai sekti elektronų trajektoriją tiek erdvėje, tiek laike. Todėl mokslininkai gali stebėti, kaip šios dalelės elgiasi molekulėse, ir gauti svarbios informacijos apie tokius procesus kaip energijos perdavimas ir elektroninė sąveika pažangiose medžiagose.
Spiralinio spindulio galia
Pagrindinis šio metodo principas yra spirale judančių elektronų naudojimas. Toks spiralinis elgesys leidžia mokslininkams itin jautriai sekti elektronų judėjimą. Mokslininkų teigimu, šis metodas ypač naudingas nustatant elektroninį koherentiškumą– kvantinį reiškinį, kai elektronai juda sinchroniškai ir tvarkingai.
Daugelio ankstesnių tyrimų problema buvo kitų elektroninių procesų trikdžiai, dėl kurių buvo sunku išskirti šiuos koherentinius judesius. Taikant naująjį metodą, koherentinę dinamiką galima atskirti nuo kitų nepageidaujamų efektų, todėl galima susidaryti aiškesnį elektronų elgsenos vaizdą. Šis gebėjimas gali būti labai svarbus būsimai pažangai nanotechnologijų srityje ir kuriant naujas kvantines medžiagas.
Poveikis chemijai ir kvantinėms technologijoms
Galimybė vizualizuoti ir valdyti elektronų judesius turi didelę reikšmę keliose srityse. Vienas iš ilgalaikių chemijos ir kvantinės fizikos tikslų – valdyti chemines reakcijas atomų lygmeniu.Šis naujas metodas gali priartinti mus prie šio tikslo, leisdamas tiksliau valdyti molekulių elektronines būsenas.
Be to, šis metodas galėtų iš esmės pakeisti pažangių elektroninių savybių turinčių medžiagų kūrimą. Kvantinės medžiagos, pavyzdžiui, superlaidininkai ar topologiniai izoliatoriai, priklauso nuo sudėtingų elektroninių sąveikų.Šių procesų supratimas fundamentaliu lygmeniu gali padėti pagerinti jų savybes ir sukurti naujus technologinius taikymus.
Geresnės kvantinių procesų kontrolės link
Vienas iš daugiausiai žadančių šio atradimo aspektų yra jo potencialas valdyti kvantinius procesus. Tyrime mokslininkai teigia, kad šis metodas pasižymi „išskirtiniu jautrumu elektroninėms koherencijoms“, todėl jis yra galinga priemonė vizualizuoti itin greitus reiškinius.
Tai reiškia, kad ateityje mokslininkai galėtų ne tik stebėti, bet ir valdyti elektronų elgseną sudėtingose sistemose. Šio metodo pritaikymo galimybės yra labai įvairios ir daug žadančios – nuo saulės elementų efektyvumo didinimo iki kvantinės kompiuterijos tobulinimo.
