Поток электронов обеспечивает энергией нашу современную жизнь.
От бытовых удобств, таких как незаменимая аэрогриль, до экранов различных размеров, которые мы используем для работы и просмотра мемов в свободное время, современные технологии функционируют благодаря направленному потоку электронов.
Однако электроны подчиняются странным правилам квантовой вселенной, демонстрируя необычное поведение, невиданное в макроскопическом мире, например, суперпозицию, которая позволяет им существовать во многих состояниях до момента наблюдения, подобно теоретически «живому коту» Шрёдингера.
Однако иногда их странные явления демонстрируют реальные аналогии, которые помогают нам, не являющимся специалистами в квантовой физике, хотя бы частично понять невидимые процессы.
В ходе новаторского исследования физики из Мичиганского университета (UM) открыли новые физические явления, разработав устройство «электронный маяк», которое испускает пучок электронов, управляемый с помощью различных «цветов» света без необходимости использования источника электрического питания.
Новое электрическое устройство, созданное в Мичиганском университете, в котором два лазерных импульса сходятся, образуя пучок электронов, который можно направлять, изменяя длину волны пучков. (Имин Гонг)
«Обычно всё работает не так. Когда вы представляете себе движение электронов в материале, вы понимаете, что они движутся потому, что вы приложили электрическое поле, и на самом деле они отскакивают и дрейфуют по материалу», — объясняет Стивен Кандифф, физик-экспериментатор из Мичиганского университета и ведущий автор исследования.
«Здесь, используя свет, можно фактически направлять электроны в определенном направлении, не создавая электрического поля».
При поддержке Национального научного фонда США исследователи создали устройство, использующее два лазерных луча разных «цветов» (в невидимой инфракрасной области электромагнитного спектра) для управления потоком электронов через полупроводник.
«Пожалуй, самое удивительное то, что токи, генерируемые в результате этого процесса, вообще можно обнаружить с помощью созданного нами устройства», — сказал Кандифф изданию ScienceAlert.
«Генерируемый ток является баллистическим, то есть электроны движутся по траектории, определяемой их начальной скоростью. Обычно электрические токи не являются баллистическими, а скорее диффузионными, поскольку электроны постоянно рассеиваются на примесях и дефектах в материале».
Данное исследование развивает предыдущие работы, демонстрируя, что свет можно использовать для того, чтобы заставить электроны двигаться в пучкообразном направлении, которое авторы сравнивают с маяком.
«Светодиод теперь не просто включает ток; он также направляет его», — объясняет Кандифф.
Однако наведение этого электронного пучка сложнее, чем простое вращение лампы. Вместо этого исследователи поворачивают свой электронный пучок, изменяя поляризацию — или направление колебаний — света.
Эта работа также представляет собой воплощение предсказания, сделанного предыдущим сотрудником, Джоном Сайпом, физиком-теоретиком из Университета Торонто.
Сайп и его коллеги предсказали, что эта экспериментальная установка позволит воспроизвести наблюдаемый эффект «электронного маяка», генерируя пучок направленных электронов в отсутствие приложенного напряжения.
В основе этого механизма лежит квантовая интерференция, характерный квантовый процесс.
В отличие от классических частиц с четко определенными траекториями, в совершенно неинтуитивной субатомной области, где частицы ведут себя как нечеткие волны, квантовая интерференция описывает, как волновые функции этих частиц могут выравниваться конструктивно или деструктивно.
В разговорной речи, волны могут складываться или взаимно компенсироваться. (Мартин Пэтцольд, Illinois Physics)
В будущем это исследование может помочь прояснить квантовую геометрию материалов, определяющую их фундаментальное поведение. В результате это может способствовать совершенствованию многих технологий, включая методы квантового зондирования, направленные на описание физических величин с постоянно возрастающей точностью.
См. также: Первый в своем роде квантовый материал, работающий при комнатной температуре, получен из атомов золота.
Достижения в области квантовой интерференции также могут улучшить визуализацию и телекоммуникации, повысив качество передачи сигналов между устройствами и увеличив объем передаваемых данных.
Аналогичным образом, квантовая интерференция может привести к значительному ускорению вычислений за счет увеличения вероятности получения желаемых вычислительных решений и уменьшения вероятности получения нежелательных.
Будущее за квантовыми технологиями, и этот маяк может помочь нам ориентироваться в еще мутном, невидимом море субатомных частиц и полей, управляющих реальным миром.
Результаты данного исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters .
Статьи ScienceAlert пишутся, проверяются на достоверность и редактируются людьми, никогда не создаются искусственным интеллектом. Не пропустите ни одной статьи, подпишитесь здесь.
Новости по теме
-
Физики нашли способ «расщепить» частицы света пополам, чтобы получить бесконечное количество фотонов.
-
Ученые нарушили закон физики, существовавший 160 лет, чтобы создать программируемое тепло.
-
Первый в своем роде квантовый материал, работающий при комнатной температуре, получен из атомов золота.