บาคาร่าเว็บตรง ธรรมชาติของคลื่นอิเล็กตรอนถูกสร้างขึ้นในห้องแล็บในที่สุด

บาคาร่าเว็บตรง นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียที่ซานตาบาร์บาราในสหรัฐอเมริกาได้สร้างการแสดงลักษณะคลื่นของอิเล็กตรอนขึ้นใหม่ ซึ่งเป็นฟังก์ชันคลื่นของ Bloch ในการทดลองในห้องปฏิบัติการเป็นครั้งแรก งานนี้อาจมีการใช้งานในการออกแบบและพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ยุคหน้า เช่นเดียวกับเรื่องอื่นๆ อิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเป็นทั้งอนุภาคและคลื่น 

เป้าหมายหลักของฟิสิกส์สสารควบแน่น

คือการทำความเข้าใจว่าการเคลื่อนที่แบบคลื่นของอิเล็กตรอนผ่านอะตอมที่จัดเรียงเป็นระยะๆ ทำให้เกิดคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสงของวัสดุที่เป็นผลึกได้อย่างไร โจเซฟ คอสเตลโลผู้ร่วมเป็นผู้นำทีม UC Santa Barbara ร่วมกับSeamus O’Hara , Mark SherwinและQile Wu อธิบาย การมีความเข้าใจดังกล่าวมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อออกแบบอุปกรณ์ที่ใช้ประโยชน์จากลักษณะคล้ายคลื่น ของอิเล็กตรอน

การเคลื่อนที่คล้ายคลื่นของอิเล็กตรอนอธิบายทางคณิตศาสตร์โดยฟังก์ชันคลื่นของ Bloch ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 20 เฟลิกซ์ บลอค ซึ่งเป็นคนแรกที่อธิบายพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในของแข็งที่เป็นผลึก ฟังก์ชันคลื่นเหล่านี้ซับซ้อน กล่าวคือ มีทั้งองค์ประกอบจริงและในจินตนาการ ด้วยเหตุนี้ ค่าของฟังก์ชันคลื่น Bloch ของอิเล็กตรอนจึงไม่สามารถวัดได้โดยตรง

หลุมหนักและเบา อย่างไรก็ตาม 

สามารถสังเกตคุณสมบัติทางกายภาพบางอย่างที่เกี่ยวข้องกับฟังก์ชันคลื่นได้ ทีม UC Santa Barbara ใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงนี้ในการคำนวณฟังก์ชันคลื่นของ Bloch ของระบบจากคุณสมบัติที่สังเกตได้เหล่านี้

ในการทำเช่นนี้ นักวิจัยได้ใช้เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระอันทรงพลังเพื่อสร้างสนามไฟฟ้าสั่นภายในสารกึ่งตัวนำ แกลเลียม อาร์เซไนด์ (GaAs) ในขณะเดียวกันก็ใช้เลเซอร์อินฟราเรดความเข้มต่ำเพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอน เมื่อใดก็ตามที่อิเล็กตรอนถูกกระตุ้น มันจะทิ้ง “รู” ที่มีประจุบวกไว้ ใน GaAs เชอร์วินอธิบายว่ารูเหล่านี้มีสองแบบ คือแบบหนักและแบบเบา ซึ่งมีลักษณะเหมือนอนุภาคที่มีมวลต่างกัน

ทีมงานพบว่าหากพวกมันสร้างอิเล็กตรอนและรูในเวลาที่เหมาะสมโดยสัมพันธ์กับการสั่นของสนามไฟฟ้า ส่วนประกอบของควอซิอนุภาคคู่เหล่านี้ (เรียกรวมกันว่า excitons) จะเร่งออกจากกัน ช้าลง หยุด แล้วเร่งความเร็ว เข้าหากันก่อนที่จะชนกันและรวมตัวกันใหม่ ที่จุดรวมตัวกันใหม่ พวกมันจะปล่อยคลื่นแสงที่เรียกว่าแถบข้าง (sideband) ด้วยพลังงานลักษณะเฉพาะ การปล่อยคลื่นไซด์แบนด์นี้มีข้อมูลเกี่ยวกับฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอน รวมถึงเฟสของอิเล็กตรอน นั่นคือระดับที่คลื่นถูกชดเชยจากกันและกัน

เนื่องจากรูที่เบาและหนักจะเร่งความเร็วในอัตราที่ต่างกันในสนามไฟฟ้า ฟังก์ชันคลื่นของ Bloch ตามลำดับจึงได้รับเฟสควอนตัมที่ต่างกันก่อนที่จะรวมเข้ากับอิเล็กตรอนอีกครั้ง ด้วยความแตกต่างของเฟสนี้ ฟังก์ชันคลื่นของพวกมันจะรบกวนการผลิตการปล่อยขั้นสุดท้าย ซึ่งสามารถวัดได้ การรบกวนยังกำหนดโพลาไรเซชันของแถบข้างสุดท้าย ซึ่งสามารถเป็นวงกลมหรือวงรีก็ได้ (แม้ว่าการโพลาไรซ์ของเลเซอร์ทั้งสองจะเป็นเส้นตรงในการเริ่มต้น)

หนึ่งพารามิเตอร์ฟรี ตามที่ Wu กล่าว 

ความสัมพันธ์ที่เรียบง่ายระหว่างการรบกวนและโพลาไรเซชันนี้เชื่อมโยงทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมพื้นฐานกับการทดลองในโลกแห่งความเป็นจริงผ่านพารามิเตอร์อิสระเพียงตัวเดียว ซึ่งเป็นตัวเลขที่มีค่าจริง พารามิเตอร์นี้อธิบายฟังก์ชันคลื่นของ Bloch ของรูที่สร้างขึ้นใน GaAs ได้ครบถ้วน O’Hara กล่าวเสริม “เราสามารถหาค่าพารามิเตอร์นี้ได้โดยการวัดโพลาไรซ์ของแถบด้านข้างแล้วสร้างฟังก์ชันคลื่นขึ้นใหม่ ซึ่งแตกต่างกันไปตามมุมที่รูขยายออกไปในคริสตัล” เขาอธิบาย

อ่านเพิ่มเติมภาพแนวความคิดของคลื่นที่โผล่ออกมาจากรอยแยกคู่หนึ่งในสิ่งกีดขวางที่มีสมการคลื่นทับอยู่ Wave–particle duality ถูกหาปริมาณเป็นครั้งแรก ก่อนหน้านี้ นักวิจัยต้องพึ่งพาทฤษฎีที่มีพารามิเตอร์ที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักมากนัก เชอร์วินกล่าวเสริม “ดังนั้น หากเราสามารถสร้างฟังก์ชันคลื่นของ Bloch ขึ้นใหม่ได้อย่างแม่นยำในวัสดุที่หลากหลาย มันก็จะแจ้งการออกแบบและวิศวกรรมของสิ่งที่มีประโยชน์และน่าสนใจทุกประเภท เช่น เลเซอร์ เครื่องตรวจจับ และแม้แต่สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ควอนตัม” เขากล่าว

นักวิจัยซึ่งรายงานผลงานของพวกเขาในNatureสังเกตว่าพวกเขาไม่ได้ตระหนักในทันทีว่าโพลาไรเซชันไซด์แบนด์เป็นกุญแจสำคัญในการสร้างฟังก์ชันคลื่นอิเล็กตรอนขึ้นใหม่ พวกเขากล่าวว่าตอนนี้พวกเขาต้องการใช้เทคนิคของพวกเขากับวัสดุที่แตกต่างกันและกับ quasiparticles ที่แปลกใหม่นอกเหนือจาก excitons นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการสร้างพัลส์ของแสงที่มองเห็นได้สั้นมากโดยใช้ระบบเลเซอร์ที่เรียบง่ายและมีจำหน่ายทั่วไป แนวทางที่เป็นนวัตกรรมใหม่ซึ่งใช้ประโยชน์จากผลกระทบที่ไม่เป็นเชิงเส้นในเส้นใยแก้วที่ส่งลำแสงที่มีโปรไฟล์เชิงพื้นที่ต่างกัน อาจทำให้ง่ายและถูกกว่าในการศึกษาปรากฏการณ์ที่เร็วมาก เช่น การสังเคราะห์แสงในพืช ไดนามิกของคู่อิเล็กตรอน-รูในเซมิคอนดักเตอร์ และเคมีของมนุษย์ วิสัยทัศน์.

เลเซอร์พัลซิ่งพลังงานสูงช่วยให้นักวิจัยสามารถศึกษาและควบคุมกระบวนการต่างๆ เช่น ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นบนมาตราส่วนเวลาเฟมโตวินาที (10 -15วินาที) เลเซอร์ดังกล่าวยังทำให้สามารถเร่งอนุภาคโดยใช้แสงเพียงอย่างเดียวได้ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิทยาศาสตร์หลายแขนง รวมถึงฟิสิกส์นิวเคลียร์และอนุภาค วัสดุศาสตร์ เวชศาสตร์นิวเคลียร์ และการถ่ายภาพรังสี การขยายความสามารถเหล่านี้ไปยังเลเซอร์ที่ความยาวคลื่นที่มองเห็นได้พิสูจน์ให้เห็นถึงความท้าทาย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเป็นการยากที่จะสร้างแสงที่มองเห็นที่สอดคล้องกันที่ความเข้มสูงในช่วงเวลาสั้นๆ เหล่านี้ อันเนื่องมาจากการโต้ตอบที่ซับซ้อนระหว่างปรากฏการณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่แตกต่างกัน บาคาร่าเว็บตรง