Τα μόρια μπορούν ν’ ανιχνεύσουν την πιθανή ύπαρξη διπολικής ροπής στα ηλεκτρόνια

Από το Physics Web 14 Φεβρουαρίου 2002

Οι φυσικοί βρίσκονται πιο κοντά στην απάντηση του ερωτήματος αν το ηλεκτρόνιο είναι ένα σημειακό φορτίο ή έχει μια εσωτερική κατανομή φορτίου και μια ηλεκτρική διπολική ροπή. Για πρώτη φορά ο Ed Hinds και οι συνεργάτες του στο πανεπιστήμιο του Sussex μέτρησαν την ηλεκτρική διπολική ροπή του ηλεκτρονίου χρησιμοποιώντας μόρια παρά άτομα. Η τεχνική τους θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να εξερευνήσει τους νόμους της φυσικής πέρα από το καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής.

Η διπολική ροπή του ηλεκτρονίου είναι ένα μέτρο της μέσης απόστασης του ηλεκτρικού φορτίου από το κέντρο μάζας του ηλεκτρονίου. Η διπολική ροπή έχει παράλληλη διεύθυνση προς το σπιν του ηλεκτρονίου διότι κάθε άλλη διεύθυνση θα έδινε μηδενική μέση τιμή εξαιτίας της ιδιοπεριστροφής του ηλεκτρονίου. Αυτό σημαίνει ότι το γινόμενο του σπιν του ηλεκτρονίου και της διπολικής του ροπής είναι μια εσωτερική ιδιότητα του ηλεκτρονίου. Επειδή το σπιν αντιστρέφεται στη συμμετρία της χρονικής αντιστροφής (αν δηλαδή ο χρόνος κυλούσε προς τα πίσω), η διπολική ροπή θα πρέπει να είναι μηδέν αν το ηλεκτρόνιο δεν παραβιάζει την συμμετρία αντιστροφής του χρόνου. Αυτό αποτελεί ένα αξίωμα του καθιερωμένου προτύπου. Κάθε άλλη τιμή για την διπολική ροπή θα σήμαινε ότι το καθιερωμένο πρότυπο πρέπει να ανασκευαστεί.

Οι μετρήσεις της ηλεκτρονικής διπολικής ροπής εκμεταλλεύονται την τάση της διπολικής ροπής να ευθυγραμμίζεται με ένα εξωτερικά εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο, και κάνουν επίσης το σπιν του ηλεκτρονίου να κάνει μια περιδίνηση γύρω από τον άξονα του ηλεκτρικού πεδίου σαν ένα γυροσκόπιο. Οι φυσικοί τότε συγκρίνουν την ενέργεια που δίνει το πεδίο στην περίπτωση που η διπολική ροπή είναι παράλληλη προς το πεδίο με αυτήν που προσδίνει όταν είναι αντιπαράλληλη. Ένα εγγενές μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι το πεδίο επιταχύνει τα ηλεκτρόνια και τα κάνει έτσι να δημιουργούν τα ίδια ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτό το πεδίο αλληλεπιδρά με την μαγνητική ροπή που οφείλεται στο σπιν και προκαλείται έτσι πρόσθετη αιτία περιδίνησης του σπιν γύρω από άξονα.

Το πλεονέκτημα της μέτρησης της διπολικής ροπής των ηλεκτρονίων που ανήκουν σε μόρια παρά σε βαριά άτομα, - τα οποία χρησιμοποιούνταν μέχρι τώρα – είναι ότι αυτά δημιουργούν πολύ ισχυρότερα ηλεκτρικά πεδία και ως εκ τούτου αποκρύπτουν τα ανεπιθύμητα μαγνητικά φαινόμενα. Οι ερευνητές του Sussex χρησιμοποίησαν φθοριούχο υττέρβιο το οποίο έχει ισχυρούς ιοντικούς δεσμούς που πολώνουν το μόριο όταν εκτεθεί ακόμη και σε μέτρια ηλεκτρικά πεδία. Το ηλεκτρικό πεδίο που αισθάνεται τότε το ιόν του υττερβίου είναι το άθροισμα του εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου και και του πολύ ισχυρού πεδίου που προκαλεί το ιόν του φθορίου, το οποίο βρίσκεται σε απόσταση μόνο μερικών νανομέτρων.

Το ανεπιθύμητο φαινόμενο των μαγνητικών πεδίων ελαττώνεται ακόμη περισσότερο γιατί τα πολωμένα μόρια έχουν κυλινδρικό σχήμα, ενώ τα άτομα έχουν σχεδόν σφαιρικά σχήματα. Αυτό κάνει τα μόρια να μην αισθάνονται τα μαγνητικά πεδία που είναι κάθετα στο ηλεκτρικό πεδίο.

Ο Hinds και οι συνεργάτες του έχουν αναπτύξει ένα συμβολόμετρο το οποίο μετράει την διπολική ροπή σε μια δέσμη μορίων φθοριούχου υττερβίου. Αυτοί χρησιμοποιούν ένα laser για να διαχωρίσουν την κυματοσυνάρτηση των μορίων σε δύο καταστάσεις με αντίθετα σπιν. Οποιαδήποτε ηλεκτρική διπολική ροπή θα προσδώσει διαφορετική ενέργεια στις δύο καταστάσεις, αλλάζοντας τις σχετικές τους φάσεις. Όταν οι δύο καταστάσεις επανασυνδεθούν συμβάλλουν αποσβεστικά, και παίρνουμε ως αποτέλεσμα μια μετρήσιμη ελάττωση του πλάτους της κυματοσυνάρτησης της δέσμης.

Οι ερευνητές έθεσαν ένα ανώτερο όριο στην τιμή της διπολικής ροπής περίπου σε 3 x 10-26 ecm, που είναι λιγότερο ακριβής από τη μέτρηση που έγινε πέρυσι και έδωσε ανώτατη τιμή 10-27 ecm. Η περυσινή μέτρηση έγινε από τους Chris Regan και Eugene Commins του πανεπιστημίου της California στο Berkeley. Η μονάδα ecm unit είναι φορτίο επί απόσταση.

Ο Hinds όμως εκτιμά ότι οι μοριακές μετρήσεις θα βελτιώσουν την ακρίβειά τους σε λίγα χρόνια και θα επιτρέψουν στους φυσικούς να διακρίνουν μεταξύ ανταγωνιστικών θεωριών της σωματιδιακής φυσικής, οι οποίες προβλέπουν διαφορετικές τιμές για την διπολική ροπή.