Πως μπορεί να μετρηθεί ο χρόνος χωρίς ρολόι

Γνωρίζουμε πως όταν ορατό ή υπεριώδες φως προσπίπτει στα μέταλλα, τότε αυτά εκπέμπουν ηλεκτρόνια. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως το φαινόμενο της Φωτοεκπομπής ή Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο. Η Φωτοεκπομπή ανακαλύφθηκε το 1887 από τον Heinrich Hertz και ερμηνεύθηκε από τον Albert Einstein το 1905. Για την ερμηνεία της Φωτοεκπομπής, η οποία και συνέβαλε καθοριστικά στην εξέλιξη της Κβαντικής Θεωρίας, ο Albert Einstein τιμήθηκε το 1921 με το βραβείο Nobel Φυσικής. Κάπου έρχεται να εμπλακεί και ο χρόνος

Με την πρόοδο που έχει σημειώσει η Τεχνολογία Laser, τα τελευταία χρόνια οι επιστήμονες έχουν καταφέρει να παρατηρήσουν το Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο σε υπερβραχέα χρονικά διαστήματα. Ωστόσο, ερευνητές από την Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή της Λωζάνης (EPFL – École Polytechnique Fédérale de Lausanne), κατάφεραν να μετρήσουν ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα καθυστέρησης της Φωτοεκπομπής, χωρίς καν να χρησιμοποιήσουν υπερβραχείς παλμούς laser! Το χρονικό διάστημα αυτό ήταν ένα πεντάκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου ή ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου (ή αλλιώς 1×10−18 δευτερόλεπτα ή ένα attosecond). Η συγκεκριμένη έρευνα δημοσιεύθηκε στις 10 Φεβρουαρίου  2017 στο Επιστημονικό Περιοδικό Physical Review Letters.

Η Φωτοεκπομπή έχει αποτελέσει βάση για τη δημιουργία τεχνολογιών αιχμής  στη Φασματοσκοπία, μέσω της οποίας οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων σε ένα σώμα. Μία από αυτές είναι το Spin (Ιδιοστροφορμή). Όταν κάποια στοιχειώδη σωμάτια κινούνται σε ένα μαγνητικό πεδίο τότε αποκλίνουν από την πορεία τους ως εάν είχαν τις ιδιότητες μικροσκοπικών μαγνητών.  Το Spin είναι μια κβαντική ιδιότητα που κάνει τα σωματίδια να μοιάζουν σαν να περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους. Ο βαθμός ευθυγράμμισης αυτού του άξονα προς μία ορισμένη κατεύθυνση είναι η Πόλωση του Spin, η οποία και δίνει σε ορισμένα υλικά όπως ο σίδηρος, τις μαγνητικές τους ιδιότητες.

Advertisement

Το φαινόμενο της Φωτοεκπομπής

Αφού προσπέσουν τα φωτόνια σε μεταλλικό υλικό, θα χρειαστεί ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα ώστε τα ηλεκτρόνια να επαναδιανεμηθούν από την επιφάνειά του. Αυτή η χρονική καθυστέρηση πριν συμβεί η Φωτοεκπομπή, εξηγείται από το μοντέλο των Eisenbud, Wigner και Smith. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, συμβαίνουν διάφορες μετατροπές πριν τη Φωτοεκπομπή, οι οποίες αποτελούν και την αιτία της Γωνιακής Πόλωσης του Spin, του φάσματος των φωτοηλεκτρονίων (των ηλεκτρονίων δηλαδή που αποσπώνται από το μέταλλο κατά το Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο). Με πρόσφατες έρευνες άλλωστε, και με τεχνολογία Laser αιχμής,  όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, έχει μετρηθεί ο χρόνος που χρειάζεται για να «ξεκινήσει» το φαινόμενο της Φωτοεκπομπής, και είναι της τάξης των attosecond.

Το πείραμα της Έρευνας

Η ερευνητική ομάδα του EPFL μαζί με ερευνητές από τη Γερμανία, έδειξε ότι κατά τη Φωτοεκπομπή, η πόλωση του Spin σχετίζεται με τη χρονική καθυστέρηση της Φωτοεκπομπής. Αυτό απεδείχθη χωρίς καν να χρειαστεί πειραματική χρονική μέτρηση. Για τη μέτρηση του χρονικού διαστήματος που «καθυστερεί» η Φωτοεκπομπή, χρησιμοποιήθηκε τεχνολογία SARPES (Spin and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy) σε έναν κρύσταλλο χαλκού, ώστε να μετρηθεί το Spin των ηλεκτρονίων του πειράματος.

Με την τεχνολογία Laser μπορεί να μετρηθεί εύκολα η χρονική καθυστέρηση μεταξύ των διαφόρων φάσεων της Φωτοεκπομπής αλλά είναι δύσκολο να καθοριστεί το πότε ακριβώς ξεκινάει η αλλαγή από φάση σε φάση. Σύμφωνα με την έρευνα των επιστημόνων από τη Λωζάνη, οι δύο μέθοδοι μετρήσεων (Spin και Laser) του χρόνου καθυστέρησης για την εκκίνηση του Φωτοηλεκτρικού Φαινομένου, είναι αλληλοσυμπληρούμενες, ενώ με τη χρήση και των δύο αυτών μεθόδων, θα μπορούσαμε να αποκτήσουμε πρόσβαση σε έναν καινούριο ορίζοντα γνώσης.

Η πληροφορία σχετικά με το πόσο χρόνο θα «καθυστερήσει» η Φωτοεκπομπή ενυπάρχει στην κυματομορφή των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων και αυτή είναι μια κβαντική περιγραφή της πιθανότητας για το πού μπορεί να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο μία δεδομένη χρονική στιγμή. Συνεπώς, χρησιμοποιώντας τεχνολογία SARPES, οι επιστήμονες ο χρόνος χωρίς ρολόικατάφεραν όχι μόνο να μετρήσουν το Spin των ηλεκτρονίων του πειράματος αλλά και να μελετήσουν τις ιδιότητες της κυματομορφής τους.

Advertisement

Η παραπάνω εργασία είναι μείζονος σημασίας όχι μόνο γιατί αφορά τη θεμελιώδη φύση που έχει ο χρόνος αλλά και γιατί θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στο Γραφένιο καθώς και σε άλλα, υπεραγώγιμα υλικά.

Για περισσότερες πληροφορίες:

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00613290/document
https://arxiv.org/abs/1401.2878
https://arxiv.org/pdf/chao-dyn/9705015.pdf
http://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.118.349
http://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.98.145

Παρόμοια άρθρα που μπορεί να σ’ενδιαφέρουν:

Advertisement

Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Σπούδασα Χρηματοοικονομικά αλλά πάντα με γοήτευαν οι επιστήμες γιατί είναι ο πιο αντικειμενικός τρόπος να καταλάβεις τον κόσμο καθώς και η ψυχολογία, γιατί είναι ο πιο αντικειμενικός τρόπος να καταλάβεις τον άνθρωπο. Λατρεύω τις γάτες, τις καρφίτσες πέτου, τη μυρωδιά του καφέ και τη Νέα Υόρκη. Εκτιμώ τους ευγενικούς ανθρώπους και τους διαλόγους με επιχειρήματα.

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;