Χρονομετρώντας τα ηλεκτρόνια

Πηγή: PhysicsWeb, Ιουλίου 2005

Πόσο χρόνο θέλει ένα ηλεκτρόνιο για να πηδήσει από ένα άτομο σε ένα άλλο; Σύμφωνα με μια ομάδα των φυσικών στη Γερμανία και την Ισπανία, η απάντηση είναι ακριβώς 320 attoseconds (1 attosecond=10^-18 δευτερόλεπτα). Για να καταλήξουν σε αυτό το συμπέρασμα χρησιμοποίησαν παλμούς ακτίνων X για να παρατηρήσουν ένα ηλεκτρόνιο καθώς ταξίδευε από ένα άτομο θείου στην επιφάνεια του στοιχείου ρουθήνιου. Η διαδικασία ήταν μία από τις πιο γρήγορες που μελετήθηκε ποτέ (Nature 436 373).

Οι δυναμικές διαδικασίες μελετώνται συνήθως διεγείροντας ένα σύστημα με ένα παλμό λέιζερ που λειτουργεί στα ορατά μήκη κύματος και που παρακολουθεί πώς εξελίσσεται το σύστημα χρησιμοποιώντας ένα δευτερεύοντα παλμό ελέγχου. Εντούτοις, αυτοί οι παλμοί διαρκούν συνήθως μερικά femotseconds (1 femotsecond=10^-15 δευτερόλεπτα) και δεν μπορούν έτσι να χρησιμοποιηθούν σε διαδικασίες όπου μελετούνται πολύ γρηγορότερες. Η πολύ γρήγορη μεταφορά ηλεκτρονίων - σε κλίμακες attosecond - είναι, παραδείγματος χάριν, σημαντική στη φωτογραφία - και την ηλεκτροχημεία και αξιοποιείται στα στερεάς κατάστασης ηλιακά κύτταρα, τη μοριακή ηλεκτρονική και τις συσκευές απλού ηλεκτρονίου. Διαδραματίζει επίσης έναν βασικό ρόλο σε πολλές βιολογικές διαδικασίες όπως η φωτοσύνθεση.

Ο Wilfried Wurth και οι συνάδελφοι του στο πανεπιστήμιο του Αμβούργου, στο Μόναχο και στο Κέντρο Φυσικής του Πανεπιστημίου της Χώρας των Βάσκων βρήκαν τώρα έναν τρόπο για να παρακολουθήσουν τις διαδικασίες που διαρκούν μερικά attosecond. Αυτοί ξεκίνησαν πυροδοτώντας ακτίνες X στο θείο, οι οποίες διεγείρουν ένα ηλεκτρόνιο, αφήνοντας πίσω τους μια θετική οπή. Το ηλεκτρόνιο έπειτα κινείται γρήγορα από το θείο στο μέταλλο του ρουθηνίου -- σε λιγότερο χρόνο από όσο χρειάζεται η οπή να συμπληρωθεί από ένα άλλο ηλεκτρόνιο. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αποσύνθεση οπής, ή "φυσική διάρκεια ζωής" της οπής, και είναι γνωστή ότι χρειάζεται 500 attoseconds.

Με τη μέτρηση του φασματοσκοπικού σήματος που προέρχεται από το δείγμα τους, οι φυσικοί ήταν σε θέση να χρονομετρήσουν ότι η μεταφορά ηλεκτρονίων πραγματοποιείται σε λιγότερο από 320 attoseconds ή 320 X 10^-18 δευτερόλεπτα. Η τεχνική τους επομένως περιλαμβάνει τη χρησιμοποίηση της διάρκειας ζωής της οπής ως ένα εσωτερικό "χρονόμετρο με διακόπτη".

"Η φύση μας δίνει ένα ρολόι για ακόμη και τις πιο γρήγορες διαδικασίες στα άτομα και τα μόρια", λέει ο επικεφαλής Alexander Föhlisch. "Η προσέγγισή μας με τη μέθοδο του ρολογιού της οπής γίνεται για να παρακολουθήσουμε τις πολύ γρήγορες δυναμικές διαδικασίες, σε χρόνους της τάξης attosecond."

Η ομάδα από τη Γερμανία και την Ισπανία λέει ότι η μέθοδός της θα μπορούσε να επεκταθεί για να μελετήσει πώς τα ηλεκτρόνια με διαφορετικές καταστάσεις σπιν "πάνω" και "κάτω" κινούνται μέσω των υλικών, χρησιμοποιώντας πολωμένες ακτίνες-X. Το γεγονός αυτό θα είναι σημαντικό κατά την ανάπτυξη των κβαντικών υπολογιστών και των "spintronic" συσκευών που εκμεταλλεύονται το σπιν των ηλεκτρονίων καθώς επίσης και του φορτίου τους.

Το αττοδευτερόλεπτο (10^-18 sec), είναι η χρονική κλίμακα των ατομικών γεγονότων. Στο μοντέλο του Niels Bohr του 1913 ενός ατόμου υδρογόνου, το ηλεκτρόνιο έχει περίοδο περιστροφής, περίπου, 150 αττοδευτερόλεπτα.