Gidas po kvantinės fizikos pasaulį: kaip veikia egzotiška, bet ypač perspektyvi su­ki­nių elek­tro­ni­ka (Video)

Kai Luigi Galvani XVIII a. elektra sėkmingai judino mirusių varlių kojeles, niekas negalvojo, kad jo atrastoji „gyvūnų elektra” po kelių šimtų metų padės atlikti sudėtingus skaičiavimus, apšvies miestus ar transportuos žmones, nenaudodama iškastinio kuro. Nuo egzotiškų L. Galvani biologijos eksperimentų prasidėjusi atradimų ir išradimų grandinė mums dabar leidžia mėgautis greitais ir vis greitėjančiais kompiuteriais bei mažais, bet galingais išmaniaisiais telefonais.

Beveik visi mūsų dabar naudojami įrenginiai yra elektronikos pramonės produktai. Žodis „elektronika” naudojamas, nes šių įrenginių veikimas pagrįstas elektronų judinimu iš vienos vietos į kitą. Kiekvienas elektronas turi krūvį, o krūvį veikia stiprios elektrinės ir magnetinės (su L. Galvani varlėmis susijusios) jėgos. Šiomis jėgomis elektronus galima varinėti iš vienos vietos į kitą, idant jie dyki neslampinėtų, o, pavyzdžiui, informacijos bitus perneštų.

Daugelį elektronikos reiškinių neblogai aprašo kasdieninė intuicija. Įsivaizduojame, kad elektronas – mažas, bet turintis tam tikrą masę rutuliukas, tad jį išjudinti galima, veikiant tam tikra jėga – pirmasis Niutono dėsnis skelbia, kad masę turintis daiktas nekeis greičio, kol jo neveiks jokia jėga. Net ir mūsų kompiuterių veikimas pagrįstas daugmaž tais pačiais principais. Supaprastinant, jei tam tikroje vietoje aptinkame keletą elektronų, sakome, kad tranzistorius įkrautas, o kompiuteris rodo 1. Jei elektronų ten nėra – 0. Šių elektronų debesėlių, atitinkančių vienetukus ir nuliukus, manipuliacijomis pagrįstas dabartinių kompiuterių veikimas.

Iki šiol kompiuterių greitėjimą (tiksliau, tranzistorių procesoriuje gausėjimą) neblogai aprašė Moore’o dėsnis, laisvai performuluojant teigiantis, kad kas du metus kompiuteriai tampa dvigubai geresni. Verta atkreipti dėmesį, kad Moore’o dėsnis nėra gamtos dėsnis: jis pradėjo galioti nuo maždaug 1975 m. ir turėtų nustoti galioti maždaug dabar. Norėdami detaliai suprasti, kodėl toks dėsnis įmanomas ir kodėl jis galiojo būtent tuo metu, turėtume studijuoti puslaidininkių technologijas. Visgi, neklystume teigdami, kad procesorių pažangą žymi gebėjimas patikimai užrašyti informacijos bitus – vienetukus ir nuliukus, – tam panaudojant vis mažiau elektronų.

Nors netgi pažangiausios dabartinės mikroprocesoriaus struktūros daug didesnės už vieno elektrono matmenis, Moore’o dėsnis susiduria su rimtomis kliūtimis, susijusiomis, pavyzdžiui, su mūsų mylimų elektronų gainojimui naudojamos energijos nuostoliais. Vaizdžiai šnekant, bandant nugrūsti rutuliuką iš vienos vietos į kitą, jo tyko daug pavojų – pavyzdžiui, visokios priemaišos kristale, – galinčių rutuliuką nukreipti neteisinga kryptimi. Jei tik būtų kaip nors įmanoma perduoti informaciją, panaudojant ne elektrono krūvį ar masę, o kokią nors jo savybę…

Ir vis dėlto jis sukasi!

Jeigu judindami rutuliuką, patiriame nepageidaujamus energijos nuostolius, sprendimas aiškus – rutuliuko nejudinti. Bet informaciją perduoti vis vien norisi. Sutaikyti šiuos apribojimus galima, prisiminus, kad elektronas, be jau minėtos masės ir krūvio, turi dar ir kitą savybę – sukinį.

Sukinys (angliškai – spin) yra kvantinė dalelių savybė, neturinti tikslaus klasikinio atitikmens. Tačiau vaizdumo dėlei tarkime, kad elektronas yra įkrautas rutuliukas, kuris sukasi apie kažkokią ašį. Tas sukimasis generuoja magnetinį lauką – elektronas atrodo kaip mažas magnetukas, turintis šiaurės ir pietų polius, kaip paprasčiausias ant šaldytuvo prilipintas magnetas su paveikslėliu. Nuo bet kokio magneto šiaurės poliaus į pietų polių galime nubrėžti rodyklę. Ši rodyklė, vadinama magnetizacijos kryptimi, padeda matematiškai aprašyti magnetuko orientaciją erdvėje. Paprasčiausiu atveju, sukinį galime įsivaizduoti kaip būtent šią rodyklėlę.

Analogija nėra ideali: apskaičiavus rutuliuko sukimosi greitį, paaiškėja, kad jis didesnis už šviesos greitį vakuume, o taip būti negali (neskaitant kitų šios analogijos trūkumų!). Nepaisant kvantinės prigimties, sukinys tikrai yra elektrono savybė, susijusi su sukimusi – tai patvirtina daug eksperimentų. Be to, sukinį turi ne vien elektronas, bet ir beveik visos elementariosios dalelės (išskyrus, tikriausiai, neseniai atrastą Higgso bozoną – tam teks atlikti daugiau tyrimų).

Lyrinis nukrypimas: iš kur žinome, kad sukinys tikrai egzistuoja?

Nemažai svarbių žinių apie sukinį iliustruoja du žymūs dvidešimtojo amžiaus pradžios eksperimentai, privertę net ir skeptikus neišmesti kvantinės sukinio prigimties į istorijos šiukšlyną vien todėl, kad teorinis aprašymas tuomet atrodė keistas ir neintuityvus.

Visų pirma, du cigarų mėgėjai, Otto Stern ir Walther Gerlach, 1922 m. Vokietijoje leido sidabro garų pluoštelį tarp dviejų magneto polių (žr. paveiksliuką), už kurių pluoštelis atsitrenkdavo į metalinę plokštelę. Savo eksperimentu jie tikėjosi parodyti, kad kvantinė teorija yra niekam tikusi, o atomų elgesį puikiausiai paaiškina ir klasikinė fizika. Klasikinė teorija, kurioje elektronas įsivaizduojamas kaip įprastas magnetukas (tik labai mažas), teigia, kad ant plokštelės turėtų susidaryti linija, einanti iš viršaus į apačią. Taip turėtų būti, nes, pasak klasikinės teorijos, sidabro atomams priklausantis elektronas yra magnetukas, galintis rodyti bet kuria kryptimi. Į viršų rodantis magnetukas nuskris į viršų, į apačią rodantis – apačion, o tuo tarpu gulsčias magnetukas, kurio poliai orientuoti iš kairės į dešinę, turėtų visai niekur nenukrypti. Tarpinės magnetukų padėtys užpildys tarpus, ir taip susidarys tolygi vertikali linija.

Sensacingas šio eksperimento rezultatas – du taškai vietoje linijos, – pasak kito žymaus fiziko Wolfgango Pauli, turėtų įtikinti net ir tokius užkietėjusius kvantinės teorijos skeptikus kaip pats eksperimentatorius O. Sternas. Du taškai atsiranda dėl to, kad, pasak kvantų teorijos, elektrono sukinys kurios nors ašies atžvilgiu gali įgyti tik dvi kryptis: pagal ašies kryptį ir prieš ją. Sakoma, kad sukinio kryptis yra diskretinė, nes ji negali užimti jokių tarpinių verčių, o tik dvi kraštines.

„O kuo čia dėti cigarai?”, – paklaus atidesnis skaitytojas. Pasirodo, ant metalinės plokštelės užgarintas plonas sidabro sluoksnis beveik nepastebimas – tai vos nesutrukdė atlikti Stern-Gerlach eksperimento, nes jo rezultatų tiesiog nesimatė. Laimei, abu minėtieji eksperimentatoriai buvo cigarų mėgėjai. Dar daugiau, dėl mažų profesorių algų, jie rūkė pigius cigarus, kuriuose buvo daug sieros priemaišų. Užpūtus cigaro dūmus ant plokštelės, sidabras reaguoja su siera, susidaro juoda druska (kaip ir fotografijoje), kurią galima plika akimi matyti ant metalinės plokštelės. Taip cigarai pasitarnavo mokslui (bet ne fizikų plaučiams), ir padėjo mums sužinoti svarbią sukinio savybę – jo diskretumą.

Vienintelis Einšteino eksperimentas

Sužinojus apie tokią sukinio savybę, galima pamanyti, kad tai balažin koks keistas kvantinis daiktas, su įprastu sukimusi (fizikų vadinamu judesio kiekio momentu) neturintis visiškai nieko bendro. Kad skaitytoją dar labiau supainiotume, aprašysime ryšį tarp posūkių (judesio kiekio momento) ir sukinio iliustruojantį eksperimentą. Šį eksperimentą pasiūlė ir įgyvendino legendinis Albertas Einšteinas kartu su Wanderiu Johannesu de Haasu antrajame XX a. dešimtmetyje.

Eksperimento idėja (žr. iliustraciją) – labai paprasta. Nuolatinio magneto polius galima sukeisti vietomis, panaudojant pakankamai stiprų išorinį magnetinį lauką (pavyzdžiui, elektromagneto), nes magnetinės medžiagos poliai „nori” susilygiuoti su išoriniu lauko poliais. Šį procesą galima įsivaizduoti kaip magnete esančių sukinių apvertimą: jei eksperimento pradžioje magnetizacijos rodyklė nukreipta vertikaliai aukštyn, visi sukiniai taip pat rodo į viršų. Įjungus elektromagnetą, šis kuria magnetinį lauką, nukreiptą priešinga kryptimi. Pakankamai stiprus išorinis magnetinis laukas visus sukinius apverčia, priversdamas magnetizacijos rodyklę taip pat rodyti žemyn.

Tačiau jeigu sukiniai susiję su judesio kiekio momentu, turėtų įvykti kai kas daugiau. Kas tai galėtų būti? Jei nuolatinis magnetas pakabintas taip, kad galėtų laisvai suktis, judesio kiekio momentas šioje sistemoje yra tvarus (t.y., negali palikti nuolatinio magneto). Vadinasi, jei sukiniai yra iš tiesų susiję su judesio kiekio momentu, pakeitus jų kryptį, pats magnetas turi pradėti suktis, taip kompensuodamas iš sukinių apsivertimo kylantį judesio kiekio momento pokytį.

Galbūt neįtikėtina, bet būtent tai ir išvydo Einšteinas ir W. J. de Haasas praėjusio amžiaus pradžioje – jiems paleidus elektros srovės impulsą į elektromagnetą, nuolatinis magnetas pasisukdavo! Šis eksperimentas kartais vadinamas vieninteliu A. Einšteino eksperimentu, nes, kaip žinia, jis daugiausia užsiėmė teorine fizika. Malonu žinoti, kad nors A. Einšteinas buvo labai skeptiškai nusiteikęs kvantinės teorijos atžvilgiu („Dievas nežaidžia kauliukais”), jo atliktas eksperimentas mums padeda geriau įsivaizduoti, su kuo valgomas tas paslaptingasis kvantinis sukinys.

Žinoma, visų sukinio savybių išsiaiškinimui dviejų pavyzdžių ar trumpo straipsnelio neužtenka, bet, tikimės, kad pavyko skaitytoją įtikinti, jog elektronai nėra dalelės, turinčios vien tik masę ir krūvį. Elektronai turi dar vieną valdymui pasiduodančią savybę – sukinį. Apibendrinant, galima įsivaizduoti, kad prie kiekvieno elektrono prikabinta rodyklėlė, susijusi su sukimusi, bet besielgianti pagal kvantinės fizikos taisykles.