Пространство напоминает шахматную доску
Физики из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (University of California, Los Angeles/UCLA) приблизились к проекту создания идеального транзистора и, в конечном итоге, открытию нового способа понимания структуры пространства.
Традиционно пространство считается бесконечно делимым: между двумя любыми положениями всегда имеется место. Однако в недавнем исследовании, направленном на развитие сверхбыстрых транзисторов, использующих графен, исследователи кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета и Института наносистем в Калифорнии показали, что деление пространства на отдельные «клетки», наподобие шахматной доски, может объяснить, как точечным электронам, которые не имеют конечного радиуса, удается осуществить свой собственный момент количества движения или «спин».
Изучая электронные свойства графена, профессор Крис Реган (Chris Regan) и его аспирант Мэтью Мекленберг (Matthew Mecklenburg) нашли, что частица может достигать вращения, существуя в пространстве с двумя типами положений - темными «клетками» и светлыми «клетками». Частица, предположительно, вращается, когда эти «клетки» настолько близки друг к другу, что их разделение выявить невозможно.
«Спин («вращение») электрона может возникнуть, поскольку пространство на очень малых расстояниях не является сплошным, а скорее сегментированным, как шахматная доска», - сказал Реган.
Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В квантовой механике «спин частицы, направленный вверх» и «спин частицы, направленный вниз» относятся к двум типам состояний, которые могут быть отнесены к электрону. То, что спин электрона может иметь лишь два значения - не один, не три и не бесконечное число - помогает объяснить устойчивость материи, природу химической связи и многие другие фундаментальные явления.
Однако, остается неясным, как электрон управляет вращательным движением. Если бы у электрона был радиус, то подразумеваемая поверхность должна была бы перемещаться быстрее, чем скорость света, нарушая теорию относительности. Эксперименты показывают, что у электрона нет радиуса; он считается чистой точечной частицей без поверхности или субструктуры, которая могла бы вращаться.
В 1928 году британский физик Пол Дирак показал, что вращение электрона тесно связано со структурой пространства-времени. Его изящный аргумент объединял квантовую механику со специальной теорией относительности, теорией Эйнштейна о пространстве-времени (известным образом представленной уравнением E=mc2).
Уравнение Дирака, далекое от простого объяснения вращения, фактически требует его. Но показывая, что релятивистская квантовая механика требует вращения, уравнение не дает механической картины, объясняющей нам то, как точечная частица справляется с угловым моментом, и почему это вращение является двузначным.
Представляя понятие, которое одновременно ново и легко обманчиво, Реган и Мекленбург обнаружили, что двузначное вращение электронов может явиться результатом «игры» двух типов «клеток» - светлой и темной - в шахматоподобном пространстве. Причем им удалось развить эту квантово-механическую модель, работая над чрезвычайно прагматичной проблемой того, как можно из нового материала под названием графен создать улучшенные транзисторы.
Графен, однослойный графитовый лист, является атомарно тонким слоем атомов углерода, размещенным в сотовидной структуре. Впервые выделенный в 2004 году Андре Геймом и Константином Новоселовым, графен обладает богатством экстраординарных электронных свойств, таких как высокая подвижность электронов и пропускная способность по току. Причем эти свойства имеют такие перспективы для революционных достижений, за которые Гейм и Новоселов были награждены Нобелевской премией всего лишь шесть лет спустя после их открытия - в 2010 году.
Так что исследование Регана и Мекленбурга - часть усилий Университета Калифорнии по развитию сверхбыстрых транзисторов, использующих новый материал.
«Мы хотели вычислить возможности усиления графенового транзистора», - сказал Мекленбург. В свою очередь, это вычисление включало понимание того, как свет взаимодействует с электронами в графене. Электроны в графене перемещаются путем перепрыгивания от одного углеродистого атома к другому, как если бы это имело место на шахматной доске. Графеновые «клетки» (поля) шахматной доски имеют треугольную форму, где темные указывают «вверх», а светлые – «вниз». В момент, когда электрон в графене поглощает (абсорбирует) фотон, он перепрыгивает со светлых «клеток» на темные. Мекленбург и Реган показали, что такое перемещение эквивалентно переворачиванию спина «сверху» «вниз».
Иными словами, удержание электронов в графене в дискретных положениях в пространстве и придает им вращение. Это вращение, вытекающее из геометрии сотовидной решетки графена, отличается от обычного вращения электрона. Вращение в графене отражает нерешенную учеными шахматоподобную структуру пространства, которой и подчиняется электрон.
По словам Мекленбурга, «это заставляет нас задаться вопросом, может ли обычное электронное вращение быть произведено таким же образом».
«Пока неясно, будет ли эта работа более полезна в физике частицы или конденсированного вещества, - отметил Реган, - но было бы странно, если сотовая структура графена была бы единственным способом генерации вращения».
Источник: Наука KM.RU
Комментарии читателей Оставить комментарий