Istrazivaci demonstrirali kvantni haos za vreme jonizacije a

Istrazivaci demonstrirali kvantni haos za vreme jonizacije a

offline
  • Pridružio: 10 Feb 2005
  • Poruke: 3549

Scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics, investigating the chaotic behaviour of the quantum world, have been able to give the first ever demonstration of quantum chaos during atom ionisation. Using laser light, they released electrons from rubidium in a strong electromagnetic field. The researchers measured typical fluctuations in the electron current, which is subject to the frequency of the laser light, and which arose from the chaotic movement of the electrons. The experiment is based on an experiment from the early days of quantum mechanics demonstrating the photoelectric effect.

In the macroscopic world of everyday life we often have 'deterministic chaos'. Events like weather and ocean currents, the movement of heavenly bodies, or the growth of insect populations can all be described in exact formulas. They are indeed 'deterministic'. But the way they proceed in reality is highly sensitive to initial values. Even the smallest failure to measure the initial conditions can make a long-term prediction impossible. Physicists call such systems 'chaotic'.

Microscopic processes can also be very complex. Quantum mechanics rules out the idea that the world of atoms has 'deterministic chaos'. Among other reason for this, quantum mechanical systems develop non-deterministically from many simultaneous initial states. In quantum chaos research physicists are looking for similarities, in the quantum world, to the deterministic chaos of the everyday world. In this way, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics have been investigating chaos in quantum mechanical systems that would be deterministically chaotic according to the rules of macroscopic physics.

Scientists working with Gernot Stania and Herbert Walther have now succeeded in finding the first experimental evidence of quantum chaos in a system in which the components, during the experiment, in principle can disperse in any direction. They harked back to an historical experiment: demonstrating the photoelectric effect by releasing electrons onto metal when light is projected on them.

In the classical experiment, electric voltage is created across two metal plates, one of them covered with an alkali metal. The experimenter hits the alkali metal with light at a particular frequency (and thus energy). As soon as the energy moves above a certain amount, the light frees the electrons from the metal, which is observable as electric current. Albert Einstein published his explanation for this effect a hundred years ago, which was important for the development of quantum theory and recognised with a Nobel Prize in 1921.

The scientists from the Max Planck Institute of Quantum Optics adapted the classical experiment to their needs. In the modern version, the alkali metal is not applied to a metal plate, but is replaced in the experimental setup by a flying beam of rubidium atoms (compare with image 1). The atoms are then exposed to both an electrical field and a strong magnetic field. As in the historical experiment, the atoms are only hit with a light of a particular frequency which is able to cause them to release electrons. This electron beam is measured subject to the light frequency.

Between the magnetic field, the electric field, and the electrostatic forces in the atom (the attraction of protons and electrons), three different forces are acting on the electrons in the rubidium atoms, each of which provokes very different electron movements. As long as one of these forces outweighs the others, the movement of the electrons is simple and not chaotic. That is the case, for example, when the electron has not yet absorbed laser light and finds itself near the atomic nucleus. However, in the moment in which the electron takes up a light particle, it changes to a high energy state and thus falls more under the influence of the external electromagnetic field. Its movement then becomes chaotic. In the process of this movement, the electron moves farther and farther from the nucleus, until it is free.

The chaos in the movement is demonstrated through the fact that the electron beam fluctuates in a particular way which matches the energy of the light particles. These fluctuations are called 'Ericson fluctuations'. The researchers were not only able to demonstrate the Ericson fluctuations, they were also able to adjust the initial state of the strength of the electric and magnetic field, and thus how chaotically the system behaved, according to the rules of macroscopic physics. In this way, they were able to show the connection between deterministic chaos and the fluctuations of the photocurrent. The more chaotically the system reacted, according to the rules of macroscopic physics, the stronger the measured fluctuations.
Ovde



Registruj se da bi učestvovao u diskusiji. Registrovanim korisnicima se NE prikazuju reklame unutar poruka.
offline
  • DR  Male
  • Legendarni građanin
  • Pridružio: 08 Okt 2004
  • Poruke: 5450
  • Gde živiš: Beograd

Naučnici sa Maks Plank Instituta za kvantnu optiku su uspeli da po prvi put prikažu kvantni haos pri jonizaciji atoma.
Pripremio: Zoran Ristivojević
Izvor: Mladi fizičar

Slika: Pojedinačni atom iz rubidijumovog atomskog snopa prolazi kroz aparaturu u obliku kvadra u kojoj su prisutni jako magnetno i električno polje. Magnetni kalemovi stvaraju magnetno polje, dok električno polje postoji zbog unutrašnje (narandžasta) i spoljašnje elektrode (zelena). Frekvencija laserske svetlosti koja izaziva fotoelektrični efekat se može menjati. Fotoelektrični efekat se meri u tri koraka: 1) Svaki atom koji prolazi kroz laserski snop apsorbuje foton iz laserskog snopa sa verovatnoćom koja zavisi od frekvencije svetlosti, a zatim se raspada na fotoelektron i jon rubidijuma. 2) Pod uticajem električnog i magnetnog polja elektroni kruže oko unutrašnje elektrode. Za posebno izabrana polja, elektroni napuštaju aparaturu kod crvene elektrode i zbog toga su prostorno izdvojeni od jona rubidijuma. 3) Dok se rubidijumovi joni i neraspadnuti rubidijumovi atomi hvataju metalnim valjkom, struja od fotoelektrona dolazi u detektor.
Koristeći lasersku svetlost oni su oslobodili elektrone iz pojedinačnih atoma rubidijuma u jakom elektromagnetnom polju. Merili su karakteristične fluktuacije struje elektrona u zavisnosti od frekvencije laserske svetlosti i pokazali da su te fluktuacije izazvane haotičnim kretanjem elektrona. Eksperiment je zasnovan na fotoelektričnom efektu, koji je otkriven u ranim danima razvoja kvantne mehanike.

U svakodnevnom životu često se susrećemo sa ‘determinističkim haosom’. Pojave kao što su promena vremena u atmosferi, kretanje nebeskih tela ili rast populacije insekata se mogu opisati tačnim formulama koje su zbog toga ‘determinističke’. Ali, evolucija ovakvih pojava je veoma osetljiva na početno stanje. Čak i najmanja promena početnog stanja može dovesti do velike promene finalnog stanja sistema. Fizičari ovakve procese nazivaju ‘haotičnim’.

Mikroskopski procesi takodje mogu biti veoma kompleksni. Zakoni kvantne mehanike, koji vladaju svetom atoma na prvi pogled ne dozvoljavaju postojanje determinističkog haosa. Jedan od razloga za to je što kvantno-mehanički sistem evoluira nedeterministički iz mnogo istovremenih početnih stanja. U istraživanjima kvantnog haosa fizičari traže primere koji odgovaraju determinističkom haosu u svakodnevnom životu.

Tim naučnika na čelu sa Gernotom Staniom i Herbertom Valterom je uspeo da dobije prvu eksperimentalnu potvrdu kvantnog haosa u sistemima u kojima komponente mogu biti proizvoljno prostorno razdvojene tokom eksperimenta. Oni su se vratili na stari eksperiment koji je pokazao fotoelektrični efekat, tj. oslobađanje elektrona iz metala koji je ozračen svetlošću.

U klasičnom fotoefektu, električni napon je doveden na dve metalne ploče. Ploče su jedna pored druge i na jednu je nanet alkalni metal, koji se osvetli svetlošću određene frekvencije (time i energije). Čim frekvencija pređe određenu vrednost, svetlost oslobađa elektrone iz metala koji se detektuju kao električna struja. Pre jednog veka Albert Ajnštajn je objavio svoje objašnjenje ovog efekta koje je bilo veoma bitno za razvoj kvantne teorije. I mada sam Ajnštan to otkriće nije smatrao preterano značajnim, ono mu je donelo Nobelovu nagradu 1921. godine.

Naučnici sa Maks Plank Instituta za kvantnu optiku su prilagodili ovaj eksperiment za svoje potrebe. Alkalni metal nije nanet na metalnu ploču, već prolazi kroz aparaturu kao snop rubidijumovih atoma (videti sliku). Na atome deluje električno i jako magnetno polje. Kao i u standardnom eksperimentu, atomi bivaju ozračeni svetlošću određene frekvencije koja može da oslobodi elektrone iz njih. Ovakvi elektroni proizvode struju koja se meri u zavisnosti od frekvencije svetlosti. Električno polje, magnetno polje i elektrostatičke sile u atomima (privlačenje protona i elektrona) proizvode tri različite sile koje deluju na elektrone u rubidijumovim atomima i koje mogu prouzrokovati vrlo različito kretanje elektrona. Čim jedna od ovih sila nadvlada nad dvema drugim, kretanje elektrona je jednostavno i nije haotično. Na primer, to se dešava kada elektroni nisu još uvek apsorbovali lasersku svetlost i nalaze se u blizini atomskog jezgra. Kada elektron apsorbuje kvant svetlosti (foton) on dobija energiju, samim time odlazi u više energijsko stanje (i udaljava se od jezgra), pa uticaj spoljašnjih elektromagnetnih sila na njegovo kretanje biva značajan. U svom kretanju elektron biva sve dalje i dalje od jezgra sve dok ne postane slobodan.

Haos u kretanju se manifestuje na taj način što struja elektrona fluktuira na poseban način u zavisnosti od frekvencije svetlosti. Ovakve fluktuacije se zovu Eriksonove fluktuacije. Istraživači su bili u mogućnosti da identifikuju Eriksonove fluktuacije, ali i da električnim i magnetnim poljem kontrolišu haotičnost sistema prema pravilima makroskopske fizike. Na taj način su oni mogli da pokažu vezu između determinističkog haosa i fluktuacija fotostruje: ako se sistem ponašao više haotično prema pravilima makroskopske fizike, izmerene fluktuacije su bile veće.

Originalan rad:
G. Stania, H. Walther
Quantum Chaotic Scattering in Atomic Physics: Ericson Fluctuations in PhotoionizationPhysical Review Letters, 4 November 2005
http://www.b92.net/info/zivot/nauka.php



Ko je trenutno na forumu
 

Ukupno su 1051 korisnika na forumu :: 37 registrovanih, 5 sakrivenih i 1009 gosta   ::   [ Administrator ] [ Supermoderator ] [ Moderator ] :: Detaljnije

Najviše korisnika na forumu ikad bilo je 3466 - dana 01 Jun 2021 17:07

Korisnici koji su trenutno na forumu:
Korisnici trenutno na forumu: _Petar, A.R.Chafee.Jr., AleksSE, Andrija357, Arahne, Asparagus, Brana01, Cassius Clay, comi_pfc, cvrle312, draganca, Duh sa sekirom, FOX, hologram, JOntra, krangovotelo, Kriglord, Kruger, Leonov, lord sir giga, Luka Blažević, maCvele, Magistar78, Marko Marković, Milos ZA, Milos82, Misirac, nebkv, NoOneEver Dreams, procesor, suton, Toper, vasa.93, VJ, Vlada78, wolf431, Zerajic