Elektron nelze sledovat s neomezenou přesností zároveň v prostoru a čase. Ukázal to mezinárodní tým vedený výzkumníky z Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy a Max Planck Institute v Hamburku. Studie, zveřejněná v časopise Nature Photonics, popisuje takzvaný časoprostorový limit a jeho experimentální ověření při pohybu jednotlivých elektronů.
V kvantové fyzice se částice nechovají jako malé kuličky s přesně danou polohou a rychlostí. Jejich stav se popisuje také pomocí vlnové funkce, která udává pravděpodobnost výskytu v různých místech. Vědci nyní ukázali, že podobné omezení se týká i vztahu mezi polohou elektronu a okamžikem, kdy se pohybuje. Čím přesněji je třeba určit čas, tím více se jeho vlnový balík, tedy prostorově rozprostřený popis elektronu, rozšíří v prostoru.
Výzkumníci elektrony uvolňovali z mimořádně ostrého kovového hrotu směrem ke stříbrnému povrchu. Vzdálenost mezi oběma místy odpovídala jen několika průměrům atomu. Pohyb řídili laserovými pulzy, jejichž vzájemný časový odstup mohli přesně měnit, a sledovali elektrický proud vznikající při přesunu elektronů.
Experiment využil kvantové tunelování. Jde o jev, při němž může částice projít energetickou bariérou, přestože podle klasické fyziky nemá dost energie na její překonání. Elektrony se v pokusu chovaly jako vlny a jejich pohyb probíhal v řádu attosekund. Attosekunda je jedna triliontina sekundy, tedy 10−18 sekundy.
Naměřené výsledky odpovídaly kvantovým simulacím, které pro tým provedli spolupracovníci kolem fyzika Angela Rubia. Výpočty ukázaly také zpoždění reakce elektronů za světelným polem přibližně o 500 attosekund. Při popisu experimentu se současně projevily vlastnosti světla jako vlnění i jako proudu jednotlivých částic – fotonů.
Aby mohli vědci sledovat vztah mezi časem a prostorem s atomárním rozlišením, umístili na povrch jediný atom, který před příchodem laserových pulzů pomohl omezit prostorové rozšíření elektronového vlnového balíku. Přestože pulzy elektronům dodávaly značnou energii, zůstaly jejich stavy dostatečně lokalizované pro současné měření v prostoru i čase. Studie tak neposkytuje návod k okamžitému zrychlení běžných počítačů, ale zpřesňuje hranice, v nichž lze elektron řídit.
Autoři vidí možné využití například při zkoumání a cíleném ovlivňování chemických reakcí. Jediný elektron soustředěný do velmi malého prostoru a času může podle popisu experimentu vytvářet mimořádně vysokou místní proudovou hustotu, až přibližně 1016 ampérů na metr čtvereční. V budoucnu by takové elektronové vlnové balíky mohly pomoci sledovat změny chemických vazeb. Úvahy o elektronice a kvantovém zpracování informace statisíckrát rychlejším než technologie CMOS ale zůstávají dlouhodobým technologickým cílem, nikoli výsledkem předvedeným v této studii.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.