Ζεύγη ηλεκτρονίων συμπεριφέρονται όπως τα μποζόνια

Από την ιστοσελίδα του PhysicsWeb, 10 Ιουλίου 2002

Μια νέα έξυπνη επινόηση σε ένα κλασικό πείραμα θα μπορούσε να δείξει ότι ζευγάρια ηλεκτρονίων συμπεριφέρονται ως μποζόνια, παρά το γεγονός ότι τα μοναχικά ηλεκτρόνια είναι φερμιόνια. Ο Peter Samuelsson και ο Markus Büttiker του Πανεπιστημίου της Γενεύης στην Ελβετία προτείνουν μια αναπροσαρμογή του πειράματος Hanbury Brown-Twiss, που θα εξέταζε τα ζευγάρια των ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε πολλούς υπεραγωγούς. Το πρωτοποριακό πείραμα επεξήγησε αυθεντικά μια θεμελιώδη διαφορά στην κβαντική συμπεριφορά μποζονίων και φερμιονίων.

Η κβαντική μηχανική προβλέπει ότι οποιοσδήποτε αριθμός μποζονίων σε ένα σύστημα μπορεί να καταλάβει την ίδια κβαντική κατάσταση, έτσι ώστε μπορούν να "συγκεντρωθούν μαζί". Στην δεκαετία του '50 το πείραμα, των Robert Hanbury Brown και Richard Twiss επιβεβαίωσε αυτή τη πρόβλεψη όταν αυτοί έστειλαν μια ακτίνα φωτονίων - που είμαι μποζόνια - μέσω ενός διαχωριστή ακτίνων και μέτρησαν την ένταση των δύο παραγομένων ακτίνων. Διαπίστωσαν ότι οι εντάσεις αυτών των ακτίνων "συσχετίστηκαν θετικά" - δηλαδή οι αιχμές στα σήματα συνέπεσαν, δείχνοντας ότι τα φωτόνια μπορούν πράγματι να συσσωρευτούν μαζί. Αυτή η συμπεριφορά προβλέπεται από την στατιστική Bose-Einstein .

Αντίθετα, τα φερμιόνια  - όπως τα ηλεκτρόνια - δεν μπορούν να μοιραστούν την ίδια κβαντική κατάσταση, και το πείραμα προσαρμόστηκε πρόσφατα για να εξετάσει αυτήν την πρόβλεψη με μια ακτίνα ηλεκτρονίων. Η ακτίνα διαχωρίστηκε σε δύο, και τα ρεύματα αυτών των ακτίνων βρέθηκαν ότι "συσχετίζονται αρνητικά" - όταν δεν ανιχνεύθηκε κανένα ηλεκτρόνιο σε μια από τις ακτίνες δεν υπήρχε κανένα ηλεκτρόνιο και στην άλλη ακτίνα, και αντίστροφα. Αυτό επιβεβαίωσε ότι τα ηλεκτρόνια υπακούουν στην στατιστική Fermi-Dirac.

Οι φυσικοί άρχισαν έπειτα να σκέπτονται, πώς μπορούν να συμπεριφέρονται ζευγάρια των ηλεκτρονίων. Στους συμβατικούς υπεραγωγούς, τα ηλεκτρόνια υπερνικούν την αμοιβαία άπωση τους για να σχηματίσουν "ζεύγη Cooper", τα οποία ωθούνται μέσω του υπεραγωγού από τις δονήσεις του δικτυωτού πλέγματος γνωστές ως φωνόνια. Τώρα οι Samuelsson και Büttiker λένε ότι αυτά τα ζευγάρια των ηλεκτρονίων θα μπορούσαν να εμφανίσουν θετικό συσχετισμό, που συνδέεται συνήθως με τα μποζόνια.

Οι ερευνητές προτείνουν μια οργάνωση στην οποία ένα κβαντικό σημείο συνδέεται με δύο κανονικούς αγωγούς και έναν υπεραγωγό. Μια εφαρμοζόμενη τάση θα ωθούσε τα ηλεκτρόνια από τον υπεραγωγό στους κανονικούς αγωγούς. Αλλά λόγω του "φαινομένου εγγύτητας" - στην οποία ένας υπεραγωγός επηρεάζει την υπεραγωγιμότητα σε έναν παρακείμενο αγωγό - τα ηλεκτρόνια θα ταξίδευαν πέρα από το κβαντικό σημείο όχι μοναχικά (μεμονωμένα), αλλά σε ζευγάρια.

Οι Samuelsson και Büttiker υπολόγισαν τα ρεύματα που θα έρεαν από το κβαντικό σημείο στους κανονικούς αγωγούς, και βρήκαν έναν θετικό συσχετισμό παρόμοιο με αυτόν που παρατηρήθηκε αρχικά στη διαχωρισμένη ακτίνα των φωτονίων. Αυτό αποδεικνύει ότι μερικά από τα ζευγάρια θα διαχωρίστηκαν όταν έφθασαν στους κανονικούς αγωγούς, με ένα ηλεκτρόνιο που εισέρχεται σε κάθε αγωγό. Αυτό θα έδειχνε ότι τα ζευγάρια των ηλεκτρονίων συμπεριφέρονται ως μποζόνια, ακόμα κι αν τα μοναχικά ηλεκτρόνια είναι φερμιόνια.

"Κατά ενδιαφέροντα τρόπο, οι ελλοχεύουσες στατιστικές είναι ακόμα φερμιονικές, αλλά η ένωση μεταξύ των ηλεκτρονίων καθιστά δυνατόν τους θετικούς συσχετισμούς",είπε ο  Büttiker.