Paslaptis išspręsta po 20 metų. Fizikai pagaliau atrado tiesą apie auksą ()
Šio reiškinio mechanizmas iš mokslinės perspektyvos išties įdomus.
© James St. John (CC BY 2.0) | https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gold_nugget_%28Australia%29_2_%2817034017601%29.jpg
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
20 metų fizikų bendruomenė tarsi blaškėsi tamsoje – visi matė tą pačią problemą, tačiau ją aiškino visiškai skirtingai. Klausimas atrodė paprastas: į kurią pusę iš tikrųjų sukasi elektronai aukso paviršiuje? Prieštaringi eksperimentų rezultatai, skirtingi tyrimo metodai ir nevienodos duomenų interpretacijos sukūrė tikrą mokslinį galvosūkį, kuris atrodė nebeišnarpliojamas.
Tik dabar pagaliau pavyko padėti tašką šioje painioje istorijoje. Japonijos Molekulinių mokslų instituto komanda pasitelkė Photoelectron Momentum Microscope (PMM) mikroskopą, naudojamą UVSOR sinchrotrone. Įdomiausia tai, kad pats sumanymas nebuvo revoliucinis – svarbiausia buvo metodą ištobulinti iki absoliutaus tikslumo.
Eksperimento sąlygos priminė veikiau mokslinės fantastikos filmą nei įprastas laboratorines procedūras. Temperatūra buvo nukritusi žemiau 10 kelvinų, tai yra iki stingdančių –263 °C, o slėgis – toks mažas, kad sunku įsivaizduoti: vos 2×10⁻⁸ Pa (paskalių). Tik tokiomis ekstremaliomis sąlygomis pavyko visiškai pašalinti išorinius trikdžius, galinčius paveikti rezultatus.
|
Prieš pradėdami tikruosius matavimus, mokslininkai turėjo atlikti varginantį visos sistemos kalibravimą. Tam jie panaudojo nikelio mėginį, kurio magnetinės savybės gerai žinomos, ir šitaip įsitikino, kad įrenginys sukimosi poliarizaciją registruoja absoliučiai tiksliai. Be šio etapo visas eksperimentas būtų netekęs prasmės.
Ką elektronai veikia aukso atome?
Rezultatai, aprašyti „Journal of the Physical Society of Japan“, pasirodė esantys vienareikšmiai ir – dar svarbiau – pakartojami. Elektronai aukso paviršiuje sudaro du aiškiai išskiriamus juostų rinkinius, kurių sukimasis vyksta priešingomis kryptimis. Išorinė juosta sukasi pagal laikrodžio rodyklę, o vidinė – priešinga kryptimi. Tai tipiškas vadinamojo Rashba efekto pasireiškimas, daugelį metų nedavęs ramybės fizikams.
Šio reiškinio mechanizmas iš mokslinės perspektyvos išties įdomus. Aukso paviršius nutraukia taisyklingą kristalinę gardelę, sukeldamas stiprų elektrinį lauką, statmeną paviršiui. Šis laukas veikia tarsi savotiški spąstai, priversdami elektronus elgtis ypatingai: jų sukimasis užrakinamas statmenai judėjimo krypčiai. Taip susidaro du atskiri elektronų žiedai su priešingais sukimaisis.
Kodėl tuomet du dešimtmečius niekam nepavyko to įrodyti? Problema slypėjo skirtinguose eksperimentų išdėstymuose, kuriuos naudojo įvairios tyrėjų grupės. Kiekviena komanda taikė šiek tiek kitokius metodus, kitokias koordinačių sistemas ir analitines konvencijas, todėl gauti duomenys atrodė tarpusavyje prieštaringi. Mokslinė literatūra prisipildė publikacijų, cituojančių šiuos nesuderinamus rezultatus, ir toks chaosas tik augo.
Japonų metodologija šią problemą išsprendė elegantiškai. Matavimai išliko stabilūs labai plačiame fotonų energijos intervale – nuo 21,21 iki 100 eV. Sukimosi kryptis nesikeitė nepriklausomai nuo naudojamos energijos, todėl galutinai atmesta galimybė, kad ankstesnius prieštaravimus sukėlė eksperimentiniai artefaktai. Būtent ši pakartojamumo savybė daro rezultatus tokiais patikimais.
Kitu svarbiu pasiekimu tapo ultravioletinės šviesos, krintančios statmenai ir turinčios kontroliuojamą poliarizaciją, panaudojimas atominiams orbitalams, sudarantiems paviršinę būseną, identifikuoti. Paaiškėjo, kad paviršinės būsenos daugiausia susideda iš 6s ir vertikaliųjų 6p orbitalų. Metodas, nors techniškai sudėtingas, iš esmės pasirodė esąs paprastas ir tiesioginis – tai tik dar vienas jo privalumas.
Šio atradimo praktinė reikšmė gerokai peržengia grynosios fizikos ribas. Spintronika – technologija, išnaudojanti elektronų sukimosi, o ne elektrinio krūvio savybes – žada sukurti gerokai spartesnius ir energiškai efektyvesnius įrenginius negu dabartinė elektronika. Vis dėlto reikia pripažinti, kad tokios prognozės skamba jau daugelį metų, o tikrų proveržių vis dar nematyti.
Naujoji metodologija atveria kelią sukurti išsamų įvairių medžiagų sukimosi tekstūrų atlasą. Toks atlasas galėtų tapti pagrindu naujų įrenginių projektavimui, leisdamas inžinieriams numatyti elektronų elgseną skirtingose konfigūracijose. Tai ambicingas tikslas, tačiau jo įgyvendinimui prireiks dar daugybės metų tyrimų.
