От домакински уреди като незаменимия еър фрайър до екраните с всякакви размери, които използваме за работа или за развлечение – съвременните технологии функционират благодарение на насоченото движение на електрони.
Електроните обаче се подчиняват на необичайните закони на квантовия свят и проявяват поведение, което не се среща в познатата ни макроскопична реалност. Такъв пример е квантовата суперпозиция, при която те могат да съществуват едновременно в няколко състояния, докато не бъдат наблюдавани – подобно на прочутата котка на Шрьодингер, която в мисловния експеримент е едновременно жива и мъртва.
Понякога обаче тези странни квантови явления имат аналози в реалния свят, които помагат и на хората без специализирани познания по физика да добият поне частична представа за невидимите процеси.
В новаторско изследване физици от Мичиганския университет разкриват неподозирани физични явления, като разработват устройство, наречено „електронен фар“. То създава електронен сноп, чиято посока може да се управлява чрез различни „цветове“ светлина, без да е необходимо да се прилага електрическо напрежение.
Новото устройство, създадено в Мичиганския университет, използва два пресичащи се лазерни импулса, за да генерира електронен сноп. Посоката му може да се променя чрез смяна на дължините на вълните на лазерите. (Имин Гонг)
Електронен сноп без приложено електрическо поле
„Обикновено нещата не се случват по този начин. Когато говорим за движение на електрони през даден материал, то се дължи на приложено електрическо поле. Електроните се сблъскват с различни препятствия в материала и постепенно се придвижват през него“, обяснява Стивън Къндиф, експериментален физик от Мичиганския университет и старши автор на изследването.
```„Тук обаче с помощта на светлина можем да изстреляме електроните в определена посока, без изобщо да прилагаме електрическо поле.“
```
С подкрепата на Националната научна фондация на САЩ изследователите създават устройство, което използва два лазерни лъча с различни „цветове“. Те попадат в невидимата инфрачервена част на електромагнитния спектър и управляват движението на електроните през полупроводник.
„Вероятно най-изненадващото е, че токът, генериран чрез този процес, изобщо може да бъде засечен с устройството, което създадохме“, казва Къндиф.
```„Генерираният ток е „балистичен“. Това означава, че електроните се движат по траектория, определена от първоначалната скорост, с която са били „изстреляни“. Обикновено електрическият ток не е балистичен, а дифузионен, тъй като електроните непрекъснато се разсейват при сблъсъци с примеси и дефекти в материала.“
```
Схематична илюстрация на апаратурата, използвана в изследването. Реалната експериментална установка се различава от показаната, тъй като вместо разделители на лъча използва система от призми, чрез която се отделят различните „цветове“ светлина. Електродите, изобразени долу вдясно, служат за определяне на посоката на електронния поток. (Gong et al., Physical Review Letters, 2026)
Как е създадено устройството
Изследователите изработват устройството в Центъра за нанофабрикация „Лури“ към Мичиганския университет. Те изпробват различни подходи, за да създадат експериментална установка, в която да не възникват външни електрически полета, способни да повлияят на резултатите.
„Това беше най-трудният проблем, който трябваше да реша, защото няма утвърден стандартен начин за постигането му“, казва Имин Гонг, специалист по машинно обучение, който понастоящем работи в Grainger и е водещ автор на изследването.
```„Затова работих съвместно с екипа на Центъра за нанофабрикация. Изпробвахме различни технологични процеси и температури, докато разработихме подходящ метод за производство.“
```
Предишни теоретични и експериментални изследвания вече са показали, че светлината сама по себе си може да осигури енергията, необходима за задвижването на електроните.
Светлината не само включва тока, но и определя посоката му
„Този проект всъщност е особено интересен, защото започнах да работя върху неговия предшественик преди много години. Първоначалната ми цел беше да създам фазочувствителен детектор, който да се използва за стабилизиране на честотни гребени“, казва Къндиф.
Честотните гребени са основни инструменти за прецизно управление на електромагнитните вълни. Те намират приложение при създаването на по-точни часовници и при усъвършенстването на компютърните и комуникационните системи.
Новото изследване надгражда предходните разработки, като показва, че светлината може не само да задвижва електроните, но и да ги насочва в тесен сноп. Именно тази конфигурация кара авторите да сравнят устройството с фар.
„Светлината вече не само включва тока – тя определя и посоката му“, обяснява Къндиф.
Насочването на електронния сноп обаче е далеч по-сложно от простото завъртане на прожектор. Изследователите променят посоката на снопа чрез завъртане на поляризацията на светлината – тоест чрез промяна на посоката, в която трептят светлинните вълни.
Изследването потвърждава и предвиждане на Джон Сайп – теоретичен физик от Университета в Торонто, който по-рано е работил съвместно с екипа.
Квантовата интерференция зад „електронния фар“
Сайп и колегите му предвиждат, че подобна експериментална установка би трябвало да породи ефекта на „електронен фар“ – насочен сноп от електрони, генериран без приложено електрическо напрежение.
В основата на явлението стои процесът, известен като квантова интерференция – един от най-характерните ефекти в квантовата физика.
За разлика от класическите частици, които следват ясно определени траектории, в противоречащия на ежедневната ни интуиция субатомен свят частиците проявяват и вълнови свойства. Квантовата интерференция описва начина, по който техните вълнови функции могат да се наслагват конструктивно или деструктивно.
Казано по-просто, вълните могат взаимно да се усилват или да се неутрализират. (Мартин Пецолд чрез Illinois Physics)
Какви приложения може да има откритието
В бъдеще изследването може да помогне на учените да разберат по-добре квантовата геометрия на материалите, която определя основните им свойства и поведение. Това би могло да допринесе за усъвършенстването на редица технологии, включително квантовите сензори, предназначени да измерват физични величини с все по-голяма точност.
Напредъкът в областта на квантовата интерференция може да подобри и технологиите за образна диагностика и телекомуникациите. Това би позволило сигналите да се предават по-ефективно между устройствата и да пренасят по-големи обеми информация.
Квантовата интерференция може също да доведе до значително ускоряване на изчисленията. Това става чрез повишаване на вероятността системата да достигне до търсеното решение и едновременно потискане на вероятността да бъдат получени нежелани резултати.
Бъдещето е квантово, а този своеобразен фар може да ни помогне да се ориентираме в невидимия и все още слабо изследван свят на субатомните частици и полета, които определят поведението на заобикалящата ни материя.
Изследването е публикувано в научното списание Physical Review Letters.
Източник: Science Alert; превод и редакция: Владимир Тодоров
