Elektronhvirvler og kvasipartikler

Nobelprisen i fysik gik i år til udforskningen af besynderlige kvanteeffekter i superledende væsker


Af Robin Engelhardt

Kvantemekanikken har vendt op og ned på mange af vores forestillinger om, hvordan verden hænger sammen.

Tid og rum er blandet sammen i en knold af afhængigheder, materie er blevet til en form for energi og omvendt, og partikler beskrives nogle gange bedst som bølger. Godt nok ved vi, at vores forståelse af naturen primært er sansebaseret, ude af stand til at kapere imaginære tal og superstrenge, men en tiltagende svimmelhed i denne ekstremt matematiserede vidensgren er alligevel ikke til at komme udenom, selv for garvede fysikere.

En trøstende bastion mod denne abstraktionens himmelflugt, er de få, men eviggyldige, universelle støttepiller i form af fundamentale konstanter: lysets hastighed, Planck's konstant og elektronens ladning.

Men hvad skal man så ikke tænke, når eksperimenter med elektroner, som er klemt inde i en sandwich af superledende metaller, pludselig producerer brøkdele af en elektrons ladning på voltmeteret? Denne eksperimentelle opdagelse og dens teoretiske forklaring er nu blevet belønnet med Nobelprisen i fysik, årgang 1998.

Modtagerne er den tyske fysiker Horst L. Strömer, der nu arbejder ved Columbia Universitetet i New York, kineser/amerikaneren Daniel C. Tsui, der arbejder på Princeton, og amerikaneren Robert B. Laughlin, som siden 1989 har arbejdet som fysikprofessor ved Stanford Universet.

Det undersøgte fænomen kaldes den 'fraktionelle kvantificerede Hall-effekt', og er kun synlig under påvirkning af ekstremt stærke magnetfelter og ved temperaturer tæt ved det absolutte nulpunkt.

Nu skal man ikke tro, at der her er tale om superstærke partikelacceleratorer, hvor den rene vold kan splitte næsten hvad som helst fra hinanden. Tværtimod, mindre opsætninger og helt andre effekter kan gøre det: brøkdelene af ladning opstår ikke ved, at elektronerne deler sig, men ved at de samler sig i grupper. Som sværmene bier samler de sig omkring hvirvelstrømme af magnetisme, hvorved de fordeler deres ladning ligeligt imellem hvirvlerne. Men når magnetismen er så stærk, at der opstår flere hvirvler, end der er elektroner, så bliver brøkdele af elektronernes ladning fordelt også på disse. På den måde brøkdelingen af elektroners elementarladning foregår.

HALL-EFFEKTEN
Så tidligt som i 1879, satte en ung student ved navn Edwin Hall fra Johns Hopkins Universitetet i Maryland i USA et lille guldblad ind i et magnetisk felt, hvorpå han lagde en let strøm hen over bladet. Guldets elektroner følte magnetfeltet som en stærk sidevind når de bevægede sig langs bladet, og derfor blev elektronerne bøjet af til én af siderne på bladet.

Det resulterede i, at der dannedes en lille spænding langs endekanten, som Hall så kunne måle størrelsen af. Jo stærkere magnetfeltet var, jo større blev spændingen, fordi elektronerne i stigende grad blev klumpet sammen i den ene ende af guldbladet. 'Hall-effekten' var opdaget, og den bliver nu til dags brugt som en standardmetode til at måle elektrontætheden på forskellige metaloverflader.

I løbet af de sidste årtier har forskerne dog trængt meget dybere ned i Hall-effekten, og dens elektroniske hemmeligheder. Nye muligheder for at danne komplicerede halvledere har resulteret i, at elektroner kan fanges i et tyndt lag mellem bestemte metallegeringer, således at deres bevægelse er begrænset til kun at foregå i to dimensioner, i lighed med Halls guldblad fra 1879, blot meget renere og med en meget større ladningstæthed.

I 1980 fandt Klaus von Klitzing fra Max Planck Instituttet i Stuttgart på noget nyt. Han kølede sådan et to-dimensionalt lag af elektroner ned til temperaturer tæt ved det absolutte nulpunkt, omkring 273 grader Celcius under frysepunktet, og efterlignede derpå Halls forøg med at sætte et magnetfelt og en strøm henover. Resultatet var ikke den forventede kontinuerlige spændingstilvækst i forhold til magnetfeltets styrke: i stedet steg spændingen i små spring, afbrudt af plateauer, hvor spændingen forblev konstant.

Forklaringen på det fænomen viste sig at være en kvante-effekt: da elektroner ifølge kvantemekanikken kun kan antage kvantiserede, det vil sige diskrete energitilstande, vil de ikke være i stand til at springe op på et højere energiniveau før magnetfeltet er stærkt nok. Elektronerne er midlertidigt låste, og det resulterer i plateauerne.

Klaus Klinzig sprang af glæde over sin nye opdagelse af denne 'heltallige kvantificerede Hall-effekt', og fik da også sin belønning i form af Nobelprisen i fysik, årgang 1985.

BRØKDELE AF LADNING
Men allerede i 1982 udvidede fysikere fra National Magnet Laboratory i Massachusetts forsøgene ved at skrue voldsomt op for magnetfeltets styrke i håb om at finde endnu flere mærkelige fysiske fænomener. Plateauerne i spændingskurven blev afbrudt af endnu mindre spring, men vel at mærke af spring, som var så små, at de ikke længere kunne forklares ud fra én enkel elektrons kvantespring fra et energiniveau til det næste. Springenes størrelse pegede på, at det var en tredjedel af en elektron, eller en femtedel af en elektron der sprang. Forskerne sprang igen af glæde, men ligesom elektronerne kun 1/3 eller 1/5 så højt, fordi der ikke forelå nogen umiddelbar teoretisk forståelse for denne 'fraktionelle kvantificerede Hall-effekt'.

I 1983 fandt Robert Laughlin fra Lawrence Livermore Laboratorierne i Californien en teoretisk forklaring: I stedet for at betragte elektroner og deres ladning enkeltvis, brugte Laughlin hele ladningstætheden af alle elektronerne i den to-dimensionale plade som udgangspunkt. Hvis man derefter antager, at det stærke magnetfelt ikke kun virker som en stærk sidevind, men snarere som en hvirvelstorm, der fyger hen over overfladen og river elektronerne med sig, så åbner der sig en mulighed for at forklare fænomenet: ligesom stærke østenvinde kan danne tornadoer og orkaner, kan magnetfelter danne hvirvler.

Hvis der er færre hvirvler end elektroner, vil elektronerne fordele deres ladning ligeligt på disse, hvorefter spændingsforskellene i forsøgsopstillingen kun viser spring, som svarer til heltallige ladninger. Men hvis antallet af hvirvler overstiger antallet af elektroner, vil elektronernes ladning fordeles brøkvis på disse. Oftest fordeler elektronerne deres ladning på tre hvirvler, men det sker, at enkelte elektronhvirvler indeholder andre brøkdele af elementarladningen, og det er alle disse elektronhvirvler, som kun indeholder brøkdele af elementarladning, Laughlin kaldte 'kvasipartikler'.

FERMIONER OG BOSONER
Eftersom Nobelpriskomitéen havde givet Klaus von Klitzig en pris for sin opdagelse af den heltallige kvantificerede Hall effekt, var det kun et spørgsmål om tid, før teoretikeren Laughlin og de to eksperimenterende fysikere Strömer og Tsui fik deres pris. Der skulle dog lige nogle mere solide eksperimentelle bekræftelser til, før sagen kunne anses som afgjort.

Efter flere års intenst eksperimentelt arbejde, skete det afgørende gennembrud i september sidste år. To forskergrupper, én i Frankrig og en anden i Israel, viste uafhængigt af hinanden, at 'Laughlins idé om kvasipartikler er den eneste mulige forklaring for de observerede resultater'. De to tests viste, at 1/3 af elementarladningen er den mest stabile af alle brøkerne, men at man 'i princippet vil kunne finde et uendeligt antal af brøkdelte kvantificerede Hall-tilstande'.

Denne eksperimentelle opdagelse af den brøkdelte kvantificerede Hall-effekt kan ifølge Laughlins teori fortolkes som opdagelsen af en helt ny og komprimérbar kvantevæske. Egentlig tilhører elektroner klassen af partikler, som kaldes fermioner, der i principet er ukomprimérbare. Men når elektronerne kombinerer sig med tre af disse hvirvler, som også kaldes 'flux-kvanter', danner de en slags sammensat partikel, som fungerer som en boson, og som derfor godt kan komprimeres.

Nobelpriskomitéens vurdering af forskernes arbejde er, at den har 'ført til endnu et gennembrud i vores forståelse af kvantefysikken, og til udviklingen af nye teoretiske koncepter inden for mange forskellige grene af den moderne fysik'. Hvad opdagelsen i sidte ende vil føre til i form af praktiske konsekvenser, er der ingen der ved. Ifølge ét af jurymedlemmerne 'vil vi måske vide mere om 50 år'.

0 comments:

There was an error in this gadget