|
|
Οι φυσικοί μετρούν
μεμονωμένα ηλεκτρόνια σε πραγματικό
χρόνο
|
|
Οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Rice ολοκλήρωσαν την πρώτη, σε πραγματικό χρόνο, μέτρηση μεμονωμένων ηλεκτρονίων, κάτι που δημιουργεί μια πειραματική μέθοδο, που θα επιτρέψει για πρώτη φορά στους επιστήμονες να εξετάσουν τις δυναμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μικρότερων ατομικών σωματιδίων. Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο Nature, είναι σημαντική για τους ερευνητές που αναπτύσσουν τους κβαντικούς υπολογιστές, έναν επαναστατικό τύπο υπολογιστή που θα είναι αρκετές τάξεις ισχυρότερος από τους κλασσικούς σημερινούς υπολογιστές. Μέχρι σήμερα, οι υπολογιστές χρησιμοποιούν το δυαδικό bit -- που αντιπροσωπεύεται είτε από το 1 είτε από το 0 -- ως τη θεμελιώδη μονάδα πληροφοριών τους. Σε έναν κβαντικό υπολογιστή, η θεμελιώδης μονάδα είναι ένα κβαντικό bit, ή qubit. Επειδή τα qubits μπορούν να έχουν περισσότερες από δύο καταστάσεις, οι υπολογισμοί που θα διαρκούσαν χρόνια για να τελειώσουν σε ένα υπερυπολογιστή, θα διαρκούν μόνο λίγα δευτερόλεπτα στους κβαντικούς υπολογιστές. Εξ' αιτίας της πολυπλοκότητας της κβαντικής δυναμικής, τα ηλεκτρόνια μπορούν να βοηθήσουν ως qubits. Μπορούν να υπάρξουν όχι μόνο σε καταστάσεις "πάνω" και "κάτω" -- όπως το 1 και το 0 στους κλασσικούς υπολογιστές -- αλλά και σε καταστάσεις "υπέρθεσης" της "πάνω" και της "κάτω", που είναι πρότυπα της πιθανότητας που υπάρχουν σε αρκετές θέσεις ταυτόχρονα. Τα πειράματα στο Rice πραγματοποιήθηκαν σε ένα υπέψυχρο θάλαμο, σε θερμοκρασίες ακόμη πιο κάτω από εκείνες που βρέθηκαν στο βαθύ διάστημα. Εκεί, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες ήταν σε θέση να παρατηρήσουν μεμονωμένα ηλεκτρόνια καθώς κινούνταν πάνω και μακριά ενός νανοσκοπικού κομματιού ενός ημιαγωγού που είναι γνωστό ως κβαντικό σημείο. "Δεδομένου ότι κανένας δεν έχει μετρήσει μεμονωμένα ηλεκτρόνια πριν, άνοιξε η πόρτα για νέες έρευνες", λέει ο ερευνητής Alex Rimberg, βοηθός καθηγητή της φυσικής και της αστρονομίας και της εφαρμοσμένης μηχανικής των υπολογιστών. "Αυτές θα περιλαμβάνουν μελέτες των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μεμονωμένων ηλεκτρονίων, καθώς επίσης και κβαντικά φαινόμενα που οι μηχανικοί πρέπει να τα καταλάβουν αν θέλουν ποτέ να φτιάξουν έναν κβαντικό υπολογιστή που να δουλεύει". Η ομάδα του Rimberg, έχτισε το κβαντικό σημείο της χρησιμοποιώντας ένα άκρως λεπτό στρώμα ημιαγωγικού αρσενίδιου του γαλλίου. Χρησιμοποιώντας χρυσό σαν καλωδίωση, δημιούργησαν ένα ηλεκτροστατικό πεδίο σε σχήμα δακτυλίου, απομονώνοντας μια μικρή ομάδα - δεξαμενή ηλεκτρονίων σε ένα κομμάτι 300 nm του αρσενίδιου του γαλλίου μέσα στο δακτύλιο. Τοποθετήθηκε δε μια εξαιρετικά ευαίσθητη, για φορτίο, συσκευή. Η συσκευή που ονομάζεται RF-SET ή radio-frequency single-electron transistor, τοποθετήθηκε δίπλα στη δεξαμενή. Με συχνότητα λειτουργίας όπως ένα ραδιόφωνο AM, η RF-SET καταχωρούσε τις μεταβολές στην διαμόρφωση του πλάτους των ραδιοκυμάτων που ανακλώνται από την ομάδα των ηλεκτρονίων. Οι διαμορφώσεις άλλαζαν όταν τα ηλεκτρόνια εισέρχονταν και έβγαιναν από τη δεξαμενή. Η μικρή δεξαμενή των ηλεκτρονίων περιέχει στην κανονική της κατάσταση 79 ή 80 ηλεκτρόνια. Αυξάνοντας την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου, αυξήθηκε και το φράγμα δυναμικού γύρω από τη δεξαμενή. Έτσι ήταν πολύ δύσκολο για τα ηλεκτρόνια να εισαχθούν ή να φύγουν. Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να επιβραδύνουν αρκετά την κίνηση των ηλεκτρονίων ώστε να μπορούν να μετρήσουν την είσοδο και την αναχώρηση των μεμονωμένων ηλεκτρονίων από τη δεξαμενή. Αν και οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει την τεχνολογία SET για να μετρήσουν τη μετακίνηση των μεμονωμένων ηλεκτρονίων για αρκετά χρόνια, ο χρόνος απόκρισης στα προηγούμενα πειράματα ήταν περίπου 1.000 φορές πιο αργός. Πριν, θέλαμε μερικά λεπτά για να ανιχνεύσουμε, την είσοδο ή την αναχώρηση μεμονωμένων ηλεκτρονίων. Έτσι δεν μπορούσαμε ποτέ να ξέρουμε ακριβώς πότε ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο έφθασε ή έφυγε, λέει ο Rimberg. Τα ηλεκτρόνια επίσης αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο όταν είναι κοντά. Ο Rimberg ελπίζει ότι οι φυσικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν το υπέρψυχρο σύστημα RF-SET για να εξετάσουν τις ανταγωνιστικές θεωρίες, που εξηγούν πώς επηρεάζονται τα ηλεκτρόνια το ένα τοε άλλο. |