Νόμοι της κβαντικής φυσικής βρέθηκαν να κυριαρχούν και σε μακροσκοπικά φαινόμενα

Μια ομάδα ερευνητών από το Κολλέγιο του Dartmouth βρήκε σε κάποια περιστατικά διεργασίες, που ενώ τις συναντάμε σε κβαντικό επίπεδο να κυριαρχούν πάνω σε αυτές που συμβαίνουν σε μακροσκοπικό επίπεδο. Αν κι αυτό έχει ήδη παρατηρηθεί να λαμβάνουν χώρα κάτω από πολύ συγκεκριμένες συνθήκες, εξακολουθεί να είναι εξαιρετικά σπάνιο. Όπως ξέρουμε οι κβαντικές αλληλεπιδράσεις και διεργασίες συνήθως λαμβάνουν χώρα σε υποατομικό επίπεδο, όπου αλληλεπιδρούν στοιχειώδη σωματίδια.
«Ένα σημαντικό θέμα στη φυσική έχει να κάνει με τη σύνδεση μεταξύ των μικροσκοπικών και μακροσκοπικών κόσμων», εξηγεί ο Alex Rimberg του Κολλεγίου του Dartmouth. Ο καθορισμός των αλληλεπιδράσεων που αναπτύσσονται μεταξύ της «κλασικής» και της κβαντικής φυσικής είναι ένας από τους πιο μακρόχρονους στόχους σε αυτόν τον τομέα της έρευνας. Ο διάσημος δε διάλογος μεταξύ του Albert Einstein και του Niels Bohr που άρχισε πριν από 70 χρόνια, εξακολουθεί να μαίνεται ακόμα και σήμερα.

Αυτό που έκανε η ομάδα του Dartmouth ήταν να βρει έναν τρόπο για να περιγράψει ένα από αυτά τα γεγονότα λεπτομερώς. Σε μια δημοσίευση της στο περιοδικό Nature, η ομάδα διευκρινίζει ότι η βάση της δουλειάς της ήταν η θεωρία του νομπελίστα Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, ο οποίος ανακάλυψε την αρχή της αβεβαιότητας το 1927. Η ιδέα εκείνη αναφέρεται στο γεγονός ότι η ορμή και η θέση ενός στοιχειώδους σωματιδίου, όπως είναι το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να καθοριστεί με ακρίβεια συγχρόνως.

"Για να γίνει μια μέτρηση πρέπει κάτι – πχ το φως – να αλληλεπιδράσει με ό,τι πρόκειται να μετρηθεί. Αλλά η αλληλεπίδραση σε τελική ανάλυση σημαίνει ότι θα πρέπει να ασκηθεί μια δύναμη σε ό,τι πρέπει να μετρηθεί. Εάν προσπαθείτε να μετρήσετε τη θέση ενός αντικειμένου, τότε κάθε μέτρηση θα προκαλέσει την κίνηση ενός αντικειμένου με απρόβλεπτο και τυχαίο τρόπο. Αυτή η τάση για τυχαίο επηρεασμό αυτού που μετράτε ονομάζεται ‘backaction’," εξηγεί ο Rimberg. Η ομάδα του ουσιαστικά κατάφερε να αποδείξει ότι τέτοια κβαντικά γεγονότα μπορούν να επηρεάσουν και τον μακροσκοπικό κόσμο. Σε γενικές γραμμές, ο όρος αυτός δίνεται σε ό,τι είναι ορατό με γυμνό μάτι.

QPC Η επιστημονική ομάδα κατασκεύασαν μια συσκευή «επαφής κβαντικού σημείου" (QPC), η οποία είναι ουσιαστικά μια πύλη για τα στοιχειώδη σωματίδια. Η QCP μοιάζει με ένα ράμφος στο μέσον ενός τσιπ, μήκους μερικές εκατοντάδες μικρόμετρα. Δημιουργήθηκε αποθέτοντας ηλεκτρικές πύλες από χρυσό πάνω στο ολοκληρωμένο κύκλωμα, το οποίο ουσιαστικά είναι ένας πολύ μικρός ημιαγωγός κρύσταλλος.

Οι φυσικοί χρησιμοποίησαν μικροσκοπικούς ημιαγωγικούς κρυστάλλους που περιέχουν δύο χωριστές δεξαμενές ηλεκτρονίων για να διερευνήσουν τις διάφορες επιδράσεις τόσο της κλασικής όσο και της κβαντικής φυσικής.

“Βρήκαμε ότι η κίνηση των κρυστάλλων δεν κυριαρχείται από κάτι κλασικό σαν την θερμική κίνηση, αλλά, αντίθετα, από τυχαίες κβαντικές διακυμάνσεις στον αριθμό των ηλεκτρονίων που ‘ανοίγουν σήραγγα’ δια μέσω του φράγματος. Οι διακυμάνσεις ήταν περίπου 10.000 ηλεκτρόνια," αναφέρει ο Rimberg.

"Αλλά ο μακροσκοπικός κόσμος στη μελέτη αυτή επηρεάζει και τον κβαντική κόσμο, στο ότι οι δονήσεις του κρυστάλλου ανάγκασαν τα ηλεκτρόνια να ανοίξουν σήραγγα σε μεγάλες ομάδες, λιγότερο ή περισσότερο σε συγχρονισμό με τις δονήσεις του κρυστάλλου."

"Μπορείτε να σκεφτείτε την συσκευή QPC σαν ένα φράγμα μιας σήραγγας, ένα είδος τοίχου για τα ηλεκτρόνια. Όταν ο τοίχος είναι αρκετά υψηλός, τότε τα ηλεκτρόνια δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να πάνε πέρα από αυτό. Αν τα ηλεκτρόνια ήταν κλασικά αντικείμενα, τότε αυτό θα ήταν το τέλος της ιστορίας. Όμως, δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια υπακούουν στους νόμους της κβαντικής μηχανικής, αντί να υπερβούν το φράγμα, μπορούν επίσης να ανοίξουν μια κβαντική σήραγγα μέσα από αυτό το φράγμα, εξηγεί ο Rimberg.

"Η μελέτη σε αυτού του είδους τα συστήματα μας βοηθάει στην ανάπτυξη κύριων γνώσεων και ταυτόχρονα εξετάζει ορισμένα πολύ πρακτικά ζητήματα, όπως: Ποια είναι τα θεμελιώδη όρια των μετρήσεων; Και ποιά είναι η πιο ευαίσθητη συσκευή μέτρησης που μπορεί να φτιαχτεί; Ερωτήσεις αυτού του είδους γίνονται πιο πιεστικές καθώς η επιστήμη και η τεχνολογία συρρικνώνεται σε όλο και μικρότερες κλίμακες, με το όραμα ώστε οι συσκευών και τα ηλεκτρονικά να αποτελούνται ίσως από λίγα μόνο άτομα σε μία ή περισσότερες διαστάσεις”, καταλήγουν οι επιστήμονες.

http://www.physics4u.gr/blog/?p=2335