Elektrony objevují svou individualitu

Vědci pozorují změny z kooperativní na individuální chování s různými rychlými elektrony

Elektrony mezi kooperativním (koherentním) a samoobslužným chováním: Pokud je elektron katapultován z molekuly dusíku při relativně nízké rychlosti, stává se kooperativním: vlny, které jsou emitovány oběma atomy jako pseudopár, se překrývají. To zůstává stejné, když je jedna z těchto elektronových vln rozptýlena na atom. Když se elektron rychle spojí nebo jako jednotlivec, chová se, když rychle opouští molekulu. Pokud elektron nyní zasáhne sousední atom a je na něm rozptýlen, rozpozná, od kterého atomu začal. Poté se překrývá s rozptýlenou vlnou. © Fritz Haber Institute / Uwe Becker
číst nahlas

Elektrony mají s lidmi něco společného: čím více informací získají o své situaci, tím více si uvědomují svou individualitu a čím větší je kolektivita. Tím se ztratí kooperativní souhláska, která váže elektrony v pevném vztahu k jejich prostředí. To vědci zjistili, když pomocí rentgenového záření katapultovali elektrony z molekul dvou atomů dusíku.

Pokud elektron zrychluje jen nepatrně, podle vědců Fritz Haber Institute of Max Planck Society v časopise Nature Physics nerozpozná, ze kterých dvou atomů byl emitován. Pak se chová, jako by pocházel z obou atomů: Vypadá to jako pseudopár, který se chová zcela kooperativně. Pokud je elektron dostatečně rychlý, zná jeho původ. Pak ukazuje charakteristiky jednotlivce.

Při přechodu mezi kooperativním a individuálním chováním elektronu lze také studovat změnu režimu mezi kvantovou fyzikou a klasickou fyzikou. Kromě toho tyto přechody hrají roli v technicky zajímavých materiálech, jako jsou supravodiče a magnety, jakož i v umělých molekulách, které - vytvořené z kvantových teček - mají zpracovávat data jako součásti budoucích kvantových počítačů.

Molekula dusíku ionizovala rentgenovými paprsky

V supravodičích se elektrony vzdávají svého osamělého chování a slučují se v párech. Tyto „Cooperovy páry“ vedou elektřinu bez odporu. V magnetických materiálech jsou dokonce všechny elektrony, z nichž každý se podobá malému tyčovému magnetu, usměrněny, jako by byly nastaveny pro vojenskou formaci. Abychom lépe porozuměli těmto materiálům a případně zlepšili jejich vlastnosti, fyzikové chtějí zjistit, jak elektrony přecházejí z kooperativního na individuální chování a naopak.

Uwe Becker a jeho kolegové z Fritz-Haber-Institutu společnosti Max Planck v Berlíně tento přechod nyní studovali na jednotlivých elektronech. Ionizovali molekulu dusíku rentgenovým zářením a postupně zvyšovali energii záření. S energií ozářených rentgenových paprsků se zvyšuje kinetická energie vypuzovaných elektronů - zvyšují rychlost. V kvantovém mechanickém obrazu, ve kterém se elektrony prezentují jako částice a jako vlny, to znamená, že jejich vlnové délky, které fyzici nazývají de Broglieho vlnové délky, se zkrátily. Čím více energie vlna obsahuje, tím kratší je její délka. zobrazit

Vnímatelnost elektronů před vědci

Analogicky, jak vlnová délka elektromagnetických vln rozhoduje, které detaily mohou vnímat ve svém okolí, také zlepšuje vnímatelnost elektronů, když se jejich de Broglieova vlnová délka zmenšuje. Čím vyšší je jejich energie, tím více informací získají o svém prostředí.

V experimentu berlínských fyziků to bylo jasně patrné, protože vlnová délka elektronu klesla pod vzdálenost mezi dvěma atomy molekuly dusíku. Tyto dva atomy jsou symetrické, takže rentgen nerozlišuje, od kterého atomu katapultuje elektron. A pokud je vlnová délka létajícího elektronu větší než tato atomová vzdálenost, elektron nerozlišuje, z jakého atomu pochází. Nezná ani své místo původu.

Elektron jako pseudo pár

Navíc jeden elektron dokonce vykazuje vlastnosti dvojice elektronů, jejichž partnery začínají oba atomy. A to také odpovídá realitě, protože emitovaný elektron neustále tuneluje mezi dvěma atomy - kvantově-mechanický způsob lokomoce, který otevírá cesty k cestám, které jim podle klasické fyziky dávají energii Jsou zamčené. Při tunelování elektron velmi rychle skočí mezi dvěma atomy dusíku tam a zpět.

„Pokud tedy opustí molekulu s nízkou kinetickou energií, tj. Relativně pomalu, už nedokáže zjistit, z jakého atomu vlastně začala, “ vysvětluje Becker. Jinými slovy, jediný elektron se objevuje jako pseudopár, z něhož polovina začíná od jednoho atomu v čase - jeden z rozmarných jevů, který je možný pouze v kvantové fyzice.

Skutečnost, že se elektron skutečně vydává na svou cestu jako elektronový pseudopár, je fyzikem rozpoznávána charakteristickým vzorem intenzity, který obě poloviny elektronu generují, když jsou detekovány. Když se chovají jako vlny, překrývají se do charakteristického interferenčního vzoru - stejně jako se vlny dvou kamenů překrývají a současně padají do rybníka. Taková interferenční struktura nejen dokazuje, že jeden elektron začal ze dvou atomů. Ukazuje také fázově uzamčené a tedy kooperativní chování dvou „polovin“ elektronů.

Když elektrony znají svůj původ

„Tento speciální interferenční obrazec již nebudeme pozorovat, když rychlost emitovaného elektronu překročí určitou hodnotu, “ říká Becker. Pak se de Broglieova vlnová délka elektronu zmenšuje pod vzdálenost atomů dusíku a elektron nyní může vnímat jako „horský železný mikroskop“, ze kterého byl atom vyzařován.

Myšlenka na takový mikroskop byl formulován Wernerem Heisenbergem, kde předpokládal, že částice mohou být lokalizovány pomocí dopadového procesu závislého na energii prostřednictvím vztahu neurčitosti, a tak mohou být lokálně vyřešeny. může. Protože takový mikroskop nemohl být realizován během jeho života, později se distancoval od svého návrhu. „Náš experiment je jedním ze vzácných příkladů takového mikroskopu, “ říká Becker.

Protože elektrony nyní znají svůj původ vysokou rychlostí, výsledkem je rozdílný efekt. Krátce poté, co elektron začne létat nebo se vlní, zasáhne druhý atom - ale nyní dokáže rozlišit mezi dvěma atomy. Taková překážka na cestě vlnou funguje jako výchozí bod pro nový front vlny. Fyzici označují tento jev jako rozptyl. To způsobí, že jeden elektron běží ve stejném směru ve své původní nerozptýlené a rozptýlené verzi.

Vysvětlete strukturu pevných látek

Dvě vlny původního a rozptýleného elektronu ze stejného atomu jsou nyní překryty namísto dvou vln emitovaných různými atomy. Fyzici používají tento efekt k objasnění struktury pevných látek v procesu zvaném „Rozšířená rentgenová jemná struktura“, zkráceně EXAFS. To také vytváří interferenční obrazec, který poskytuje informace o povaze a uspořádání atomů rozptylu. Tento vzorec se však liší od vzoru dvou „polovin“ elektronů, které jsou emitovány při nízkých energiích dvou atomů. Protože rozptýlený elektron se chová již nespolupracující k sousednímu elektronu, ale pouze ke svému předchůdci.

Becker to říká takto: „Vlny z obou stran již nejsou koherentní, a proto již nejsou v pevném fázovém vztahu k sobě navzájem.“ Posledně uvedené znamená jednoduše říci, že hory a údolí obou vln nemají vzájemně pevnou vzdálenost. Soudržnost je ztracena, protože elektron nyní rozpoznává, z jakého atomu pochází: chová se samo-střed.

Paralely mezi fyzikou a společností

Becker nejenže živě ilustruje přechod od družstva k soběstačnému chování elektronů, ale zároveň vytváří paralelu mezi tímto fyzickým jevem a určitým sociálním vývojem: „Jakmile lidé získají více informací o sobě a svém prostředí, začnou přemýšlet o své situaci“ vysvětluje fyzik. Jejich chování, které bylo dříve určeno výhradně soudržnou harmonií s prostředím, tedy kolektivem, se pak více soustředí na sebe.

Tento přechod lze v současnosti pozorovat v různých kulturách, zejména na Středním východě. Důvodem, proč se například Taliban pokusil své lidi připravit o vzdělání a informace v tak jednoduchých formách, jako jsou populární hudební a zábavní filmy, je strach z tohoto nevyhnutelného procesu, který zásadně zpochybňuje existenci tradičních koherentních sociálních struktur. Tento úzkostný postoj však ignoruje příležitosti, které společnost založená na znalostech nabízí pro budoucnost sebestředné, ale přesto solidární společnosti, říká Becker.

(MPG, 25.08.2008 - DLO)