Egyelektronos kvantumciklotron

A kvantumciklotron (vagy "mesterséges atom") ismét újabb, az eddigiektől független lehetőségeket kínál a kvantumfizika alapjelenségeinek tanulmányozására és bizonyos természeti állandóknak a meghatározására.

Elektronok gyorsítására már a harmincas évek óta használnak ciklotronokat, amelyekben a részecskéket a sebességük irányára merőleges mágneses tér tartja egyre növekvő sugarú körpályákon. Ha képzeletben egy ilyen ciklotront zsugorítani kezdünk, egy bizonyos mérethatárt elérve az elektron mozgása már nem írható le a klasszikus fizika alapján: a "pálya" sugara nem változhat folyamatosan, hanem a kvantumfizika törvényei szerint csak diszkrét, meghatározott értékeket vehet fel, ugyanakkor az elektron bizonyos valószínűséggel egyidejűleg valamennyi pályán tartózkodhat. A bizarrnak tűnő kép a kvantumfizikai szemlélet számára cseppet sem meglepő: lényegében az atomban kötött elektronok is ehhez hasonlóan viselkednek. Az ilyen apró kvantumciklotronban "keringő" elektron ennek analógiájára bízvást egy nagyon egyszerű, "mesterséges atom"-nak tekinthető. Harvardi kutatóknak most sikerült ezt a gondolatkísérletet egyetlen, csapdába zárt elektronnal ténylegesen megvalósítani.



Az első, 1931-ben megépített, mindössze 12,5 centiméter átmérőjű ciklotron parány a mai óriásgyorsítókhoz képest, de óriás a kvantumciklotronhoz viszonyítva

Az egyelektronos "mag nélküli atom", amelyet a Harvard Egyetemen dolgozó Gerald Gabrielse és Steven Peil állítottak elő, valójában egyetlen, megfelelően kialakított elektromos terekkel (úgynevezett Penning-csapdával) üregbe zárt elektron, amelyet függőleges mágneses térbe helyeztek. A tér hatására az elektron csigavonalú pályán mozog, amely két összetevőre bontható: egy függőleges, tér irányú, és egy erre merőleges síkban körpályán való mozgásra. E körök sugara azonban csak bizonyos értékeket vehet fel, és ennek megfelelően az elektron energiája egy legkisebb érték többszöröseivel lehet egyenlő (Landau-szintek).
Ahhoz, hogy az elektront a lehető legkisebb energiájú állapotba (alapállapotba) juttassák, a kutatók a Penning-csapdát először néhány fokkal az abszolút nulla fok fölé hűtötték. De még 2 kelvinen is azt tapasztalták, hogy az elektron annyi hőenergiát tud felvenni, ami elegendő a gerjesztéséhez. Egészen 80 mK-re kellett hűteni a csapdát ahhoz, hogy az elektron több órán át stabilan alapállapotban maradjon, ahonnan mikrohullámú gerjesztéssel ellenőrizhető módon tudták magasabb energiájú állapotokba emelni.
A kísérletben egy ügyes "trükkel" az elektron állapotát sikerült annak megzavarása nélkül meghatározni. Ez látszólag ellentmond a kvantumfizikai méréselmélet alaptételének, miszerint a lehetséges állapotok keverékében (szuperpozíciójában) lévő rendszert a mérés valamelyik sajátállapotába billenti, s egyúttal az eredeti állapotot megsemmisíti. Gabrielse és Peil ezt úgy kerülték meg, hogy a csapdára egy a mágneses térrel párhuzamos, időben lassan változó elektromos teret kapcsoltak, amely az elektront függőleges irányú oszcillációra kényszerítette, amely egy a csapda mellett elhelyezett rezgőkörben áramot indukált. Mivel ez nem hatott vissza az elektronra, az indukált áram változásai révén követni tudták az elektron állapotváltozásait anélkül, hogy megzavarták volna. Így sikerült pontosan kimérni az energiaszintek lépcsőzetes változását, és a fotonok elnyelésének vagy kibocsátásának következtében köztük fellépő átmeneteket. Sőt, a gerjesztett állapotokba való átmenetek számának meghatározásával még az elektron hőmérsékletét is sikerült "megmérniük"!
Gabrielse és Peil most az elektron mágneses momentumát akarják az új rendszerben meghatározni. A kvantumciklotron (vagy "mesterséges atom") ismét újabb, az eddigiektől független lehetőségeket kínál a kvantumfizika alapjelenségeinek tanulmányozására és bizonyos természeti állandóknak a meghatározására. Mivel a rendszer nagyon egyszerű felépítésű (egyetlen, üregbe zárt elektron) a mérésekben kevés zavaró mellékhatást kell figyelembe venni, ami nagymértékben növelheti a mérések pontosságát.

(ÉT)

Ajánló: