Η πρώτη απόδειξη για το κβαντικό χάος κατά τη διάρκεια του ιονισμού

Πηγή: Physorg, 4 Νοεμβρίου 2005

Επιστήμονες στο Ινστιτούτο Max Planck της Κβαντικής Οπτικής, ερευνώντας την χαοτική συμπεριφορά του κβαντικού κόσμου, ήταν σε θέση να παρουσιάσουν την πρώτη επίδειξη του κβαντικού χάους, κατά τη διάρκεια του ιονισμού των ατόμων. Χρησιμοποιώντας φως από λέιζερ, απελευθέρωσαν ηλεκτρόνια από ρουβίδιο μέσα σε ένα ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Οι ερευνητές τότε μέτρησαν τυπικές διακυμάνσεις στο ρεύμα των ηλεκτρονίων, το οποίο υπόκειται στη συχνότητα του φωτός του λέιζερ, κάτι που προέκυψε από τη χαοτική μετακίνηση των ηλεκτρονίων. Το πείραμα είναι βασισμένο σε ένα πείραμα από τις πρώτες μέρες της κβαντομηχανικής που δείχνει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. (Physical Review Letters) 

Στο μακροσκοπικό κόσμο της καθημερινής ζωής έχουμε συχνά το "αιτιοκρατικό χάος". Γεγονότα, όπως ο καιρός και τα ωκεάνια ρεύματα, η κίνηση των ουράνιων σωμάτων, ή η αύξηση των πληθυσμών των εντόμων μπορούν όλα τους να περιγραφούν με ακριβείς τύπους. Αυτά είναι πράγματι "αιτιοκρατικά". Αλλά ο τρόπος που προχωρούν στην πραγματικότητα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος στις αρχικές τους τιμές. Ακόμη και η μικρότερη αποτυχία να μετρηθούν οι αρχικοί όροι μπορεί να καταστήσει μια μακροπρόθεσμη πρόβλεψη αδύνατη. Οι φυσικοί ονομάζουν τέτοια συστήματα "χαοτικά".

Οι μικροσκοπικές διαδικασίες μπορούν επίσης να είναι πολύ σύνθετες. Η κβαντομηχανική αποκλείει την ιδέα ότι ο κόσμος των ατόμων έχει "αιτιοκρατικό χάος". Μεταξύ άλλων, τα κβαντομηχανικά συστήματα αναπτύσσονται μη-ντετερμινιστικά από πολλές ταυτόχρονα αρχικές καταστάσεις. Στην κβαντική έρευνα του χάους οι φυσικοί ψάχνουν για ομοιότητες, στον κβαντικό κόσμο, στο αιτιοκρατικό χάος του καθημερινού κόσμου. Κατ' αυτό τον τρόπο, οι επιστήμονες στο Ινστιτούτο Max Planck της Κβαντικής Οπτικής έχουν ερευνήσει το χάος στα κβαντομηχανικά συστήματα, που θα ήταν ντετερμινιστικά χαοτικά σύμφωνα με τους κανόνες της μακροσκοπικής φυσικής.

Επιστήμονες που συνεργάζονται με τους Gernot Stania και Herbert Walther έχουν πετύχει τώρα στην ανακάλυψη των πρώτων πειραματικών στοιχείων του κβαντικού χάους σε ένα σύστημα στο οποίο τα συστατικά, κατά τη διάρκεια του πειράματος, μπορούν σε γενικές γραμμές να διασκορπιστούν σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Αυτοί επέστρεψαν πίσω σε ένα ιστορικό πείραμα: την απόδειξη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου με την απελευθέρωση των ηλεκτρονίων από ένα μέταλλο, όταν πέφτει φως πάνω του. 

Δεξιά εικόνα: Τα μεμονωμένα άτομα από μια ακτίνα ατόμων ρουβιδίου ταξιδεύουν μέσω ενός κυβοειδούς σχηματισμού. Το εσωτερικό του περιέχει συγχρόνως ένα ισχυρό μαγνητικό και ένα ηλεκτρικό πεδίο. Οι μαγνητικές σπείρες δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο, ενώ το ηλεκτρικό πεδίο παράγεται μεταξύ του εσωτερικού ηλεκτροδίου (πορτοκαλί χρώμα) και του καλυμμένου ηλεκτροδίου (πράσινου). Το φως του λέιζερ, που προκαλεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, έχει μια ρυθμιζόμενη συχνότητα. Η μέτρηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου πραγματοποιείται σε τρία βήματα: 1) κάθε άτομο κινούμενο μέσω της ακτίνας λέιζερ παίρνει ένα φωτόνιο από την ακτίνα λέιζερ με μια ειδική πιθανότητα που εξαρτάται από την συχνότητα του φωτός. Έχουμε έπειτα το χωρισμό σε ένα φωτοηλεκτρόνιο και ένα ιόν ρουβιδίου. 2) Κάτω από την επίδραση του μαγνητικού και του ηλεκτρικού πεδίου, τα φωτοηλεκτρόνια κινούνται στο εσωτερικό ηλεκτρόδιο. Όταν τα δύο πεδία οι τομείς έχουν τη σωστή μορφή, τα ηλεκτρόνια αφήνουν τον κυβοειδή σχηματισμό στο κόκκινο ηλεκτρόδιο και χωρίζονται στο χώρο από τα ιόντα του ρουβιδίου. 3) Όπως τα ιόντα ρουβιδίου και τα μη-αποσυντεθειμένα άτομα ρουβιδίου συλλαμβάνονται από έναν μεταλλικό κύλινδρο, το φωτορεύμα που παράγεται από τα φωτοηλεκτρόνια εμφανίζεται αφού πέσει σε έναν ανιχνευτή.

Στο κλασσικό πείραμα, δημιουργείται ηλεκτρική τάση σε δύο μεταλλικές πλάκες, ενώ η μία καλύπτεται με ένα αλκαλικό μέταλλο. Ο πειραματιστής χτυπά το αλκαλικό μέταλλο με φως με μια ειδική συχνότητα (και ενέργεια). Μόλις η ενέργεια βρίσκεται πάνω από ένα ορισμένο ποσό, το φως ελευθερώνει ηλεκτρόνια από το μέταλλο, το οποίο γίνεται αισθητό ως ηλεκτρικό ρεύμα. Ο Αλβέρτος Αϊνστάιν δημοσίευσε την εξήγησή για αυτό το φαινόμενο πριν εκατό έτη, η οποία ήταν σημαντική για την ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας και αναγνωρίστηκε με ένα βραβείο Νόμπελ που κέρδισε το 1921.

Οι επιστήμονες από το Ινστιτούτο Max Planck της Κβαντικής Οπτικής προσάρμοσαν το κλασσικό πείραμα στις ανάγκες τους. Στη σύγχρονη έκδοση, το αλκαλικό μέταλλο δεν εφαρμόζεται σε μια μεταλλική πλάκα, αλλά αντικαθίσταται στην πειραματική οργάνωση από μια ακτίνα ατόμων ρουβιδίου. Τα άτομα εκτίθενται τότε και σε έναν ηλεκτρικό πεδίο και σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Όπως στο ιστορικό πείραμα, τα άτομα χτυπιούνται μόνο με ένα φως ειδικής συχνότητας, που είναι σε θέση να τα αναγκάσει να απελευθερώσουν ηλεκτρόνια. Αυτή η δέσμη των ηλεκτρονίων μετριέται υπό τον όρο της συχνότητας του φωτός.

Μεταξύ του μαγνητικού πεδίου, του ηλεκτρικού πεδίου, και των ηλεκτροστατικών δυνάμεων στο άτομο (η έλξη των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων), ενεργούν τρεις διαφορετικές δυνάμεις στα ηλεκτρόνια των ατόμων του ρουβιδίου, η κάθε μία από τις οποίες προκαλεί πολύ διαφορετικές κινήσεις στα ηλεκτρόνια. Εφ' όσον η μία ξεπερνά τις άλλες δυνάμεις, η μετακίνηση των ηλεκτρονίων είναι απλή και μη χαοτική. Αυτό συμβαίνει, παραδείγματος χάριν, όταν το ηλεκτρόνιο δεν έχει απορροφήσει ακόμα το φως του λέιζερ και βρίσκεται κοντά στον ατομικό πυρήνα. Εντούτοις, τη στιγμή στην οποία το ηλεκτρόνιο συλλαμβάνει ένα φωτόνιο, αλλάζει προς μία υψηλή ενεργειακή κατάσταση και έτσι πέφτει κάτω από την επίδραση περισσότερο του εξωτερικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Η μετακίνησή του γίνεται έπειτα χαοτική. Στο στάδιο αυτής της μετακίνησης, το ηλεκτρόνιο κινείται ολοένα και μακρύτερα από τον πυρήνα, έως ότου εξέλθει από αυτό ελεύθερο.

Το χάος στη μετακίνηση δείχνεται μέσω του γεγονότος ότι η δέσμη των ηλεκτρονίων κυμαίνεται με έναν ιδιαίτερο τρόπο που ταιριάζει με την ενέργεια των φωτονίων. Αυτές οι διακυμάνσεις καλούνται "διακυμάνσεις Ericson". Οι ερευνητές ήταν όχι μόνο ικανοί να δείξουν τις διακυμάνσεις Ericson, αλλά ήταν επίσης ικανοί να ρυθμίσουν την αρχική κατάσταση της έντασης του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Με αυτό τον τρόπο ήταν ικανοί να δουν πόσο χαοτικά συμπεριφέρθηκε το σύστημα, σύμφωνα με τους κανόνες της μακροσκοπικής φυσικής. Κατ' αυτό τον τρόπο, ήταν σε θέση να παρουσιάσουν τη σύνδεση μεταξύ του αιτιοκρατικού χάους και των διακυμάνσεων του φωτορεύματος. Όσο πιο χαοτικά αντέδρασε το σύστημα, σύμφωνα με τους κανόνες της μακροσκοπικής φυσικής, τόσο ισχυρότερες ήταν οι διακυμάνσεις που μετρήθηκαν