Uwe Becker se svými kolegy z berlínského Institutu Fritze Habera Společnosti Maxe Plancka zkoumal chování elektronů vzniklých ionizací molekul dusíku rentgenovými paprsky. Při ionizaci plynu dochází k vytržení elektronů z atomových obalů, v důsledku čehož z neutrálních atomů vznikají elektricky nabité částice, tzv. ionty.
Elektrony nejsou jen částice, ale i vlny
Čím vyšší má ionizující záření energii, tím větší rychlostí elektrony atomy opouští. To zní v celku logicky, ale to zajímavé teprve přijde. Podle kvantové mechaniky se elektrony projevují nejen jako bodové částice, ale současně i jako vlny. Podobně jako u elektromagnetického záření i u elektronů délka jejich vln určuje, do jaké míry jsou schopny „vnímat“ své okolí. Kratší vlnová délka znamená lepší „rozlišovací schopnost“ (čím jemnější pravítko máme, tím přesněji můžeme měřit) a tedy i více informací o okolí. Při tom je všeobecně známo, že vlnová délka s rostoucí energií částice klesá.
Rozdíly v rozlišovacích schopnostech elektronů při různých vlnových délkách vyšly jasně najevo při experimentu, který provedli berlínští vědci. Zkoumali, jak chování individuálních elektronů, vzniklých při ionizaci, ovlivňuje jejich rostoucí energie. Během pokusu experimentátoři narazili na hranici mezi dvěma protikladnými světy - kvantovou a klasickou fyzikou.
Na vlnové délce záleží
Jakmile se vlnová délka emitovaného elektronu zmenšila natolik, že byla kratší než vzdálenost atomů v molekule dusíku, elektron začal oba atomy od sebe rozlišovat. Dokud měl delší vlnové délky, nečinil mezi nimi žádný rozdíl. Jakoby do té doby netušil, ze kterého atomu pochází.
Elektron se v tomto případě de facto chová jako falešný elektronový pár, který za svůj vznik vděčí oběma atomům zároveň. Ve skutečnosti se ale jen neustále protunelovává z jednoho atomu do druhého. „Když opustí molekulu s nižší kinetickou energií, nemůže poznat, ze kterého atomu vlastně vyletěl,“ vysvětluje Uwe Becker. Jinými slovy, individuální elektron se chová jako elektronový pseudopár. Takový stav je možný jen v kvantové fyzice, klasická fyzika o ničem takovém neuvažuje.
K tomu, že elektron svou cestu začíná v podobě elektronového pseudopáru, fyzici dospěli rozborem interferenčního obrazce. Obě poloviny páru se totiž chovají jako koherentní vlny, jež spolu vzájemně interferují, stejně jako vlny v rybníce, když do něj hodíte dva kameny. Charakteristické interferenční obrazce, které vědci pozorovali, dokazují nejenom fakt, že elektron pochází z obou atomů zároveň, nýbrž i kooperativní chování obou polovin elektronu.
Jakmile elektron ví, odkud pochází, začne se chovat individuálně
„Když rychlost emitovaného elektronu překročí jistou hodnotu, pak takový interferenční obrazec už nepozorujeme,“ tvrdí Becker. V tom okamžiku je totiž vlnová délka elektronu menší než vzdálenost mezi oběma atomy, což znamená, že elektron je nyní schopen odhalit svůj původ, tj. zjistit, ze kterého atomu byl vystřelen. K interferenci sice dochází, ale výsledný obrazec je jiný než v předchozím případě.
Od této chvíle totiž elektron vnímá druhý atom nikoliv jako možné místo svého vzniku, ale jen jako překážku, na které dochází k jeho rozptylu. Nadále jedná už zcela individuálně, se svojí fiktivní polovinou již nespolupracuje, interferuje jen a pouze sám se sebou (původní a rozptýlená vlna). Koherentní harmonie, která předtím vázala obě poloviny elektronového pseudopáru k sobě, je ztracena, neboť jak vysvětluje Becker: „elektron nyní ví, ze kterého atomu pochází: chová se egocentricky.“
To Uwe Beckerovi v jistém smyslu připomíná lidské chování – když mají lidé o sobě a svém okolí více informací, rovněž se u nich začínají projevovat jejich individuální rysy, kladou důraz na prosazování svých zájmů a spolupráce s ostatními jde často stranou.
Použití v budoucích technologiích
Změny v chování elektronů z kooperativního na individuální a naopak v závislosti na jejich energii umožňují vědcům studovat přechod mezi kvantovým a klasickým světem. Získané poznatky pak budou moct využít při vývoji nových, technicky zajímavých materiálů, například supravodičů a magnetů, jakož i umělých molekul, skládajících se z kvantových teček, se kterými se počítá při stavbě budoucích kvantových počítačů.
Zdroj: www.mpg.de
