Ανακάλυψη ενός νέου τύπου κβαντικού ρευστού -- το Nobel Φυσικής του 1998

Από το Scientific American, Ελληνική έκδοση.

Το Nobel 1998 για τη Φυσική έλαβαν οι Horst Stormer των εργαστηρίων Bell, Daniel Tsui του Πανεπιστημίου Princeton και Robert Laughlin του Πανεπιστημίου Stanford για την εργασία τους
"Πως διαιρούνται τα ηλεκτρόνια"

Η ανακάλυψη των παραπάνω επιστημόνων σχετικά με τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων, μπορεί στο μέλλον να έχει μεγάλες επιπτώσεις στο μέλλον, με τον ίδιο τρόπο που είχε η ανακάλυψη των κβαντικών πηγαδιών στη σημερινή εποχή, με τη χρήση των ακτίνων laser σε πολλές οικιακές συσκευές.  

Συγκεκριμμένα, οι Stormer και Tsui υπέβαλαν τα ηλεκτρόνια σε μεγάλη συμπίεση, ώστε να σχηματίσουν ένα τόσο λεπτό στρώμα που δεν μπορούσαν τα ηλεκτρόνια να κινηθούν προς τα πάνω ή προς τα κάτω.

Μετά το λεπτό αυτό στρώμα των ηλεκτρονίων το υπέβαλλαν σε μαγνητικό πεδίο και μετά το έψυξαν γύρω στο απόλυτο μηδέν. Και τότε είδαν οι αναφερθέντες επιστήμονες πως η ηλεκτρική αντίσταση στο ρεύμα των ηλεκτρονίων που ΄κινούνταν' στο λεπτό στρώμα αυξανόταν με την ένταση του μαγνητικού κατά βήματα και όχι γραμμικά.

Τα βήματα αυτά έδειχναν πως ένα νέο είδος σωματιδίου μετέφερε κλάσματα 1/3, 2/5, 3/7 κλπ του στοιχειώδους φορτίου του ηλεκτρονίου. Τα ηλεκτρόνια όμως δεν διαιρούνται και ο Laughlin επί ένα χρόνο έψαχνε να βρεί μια θεωρητική εξήγηση, την οποία από τότε έχουν επιβεβαιώσει από τότε πολλά πειράματα.

Στο πείραμα αυτό, που ονομάζεται κβαντικό φαινόμενο Hall (fractional quantum Hall effect), τα ηλεκτρόνια που συνήθως κινούνται άτακτα προς όλες τις διεύθύνσεις, είναι περιορισμένα, μέσα σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο  και συμπεριφέρονται σαν ένα είδους υγρό.
Στρόβιλοι στο υγρό συνταιριάζουν κβάντα μαγνητικής ροής με ηλεκτρόνια. Αν δεν υπάρχουν αρκετές μαγνητικές γραμμές για να μοιραστούν εξίσου, κάποιοι από τους στροβίλους μπορεί να αποχωριστούν από τα ηλεκτρόνια τους και να αρχίσουν να κινούνται ανεξάρτητα μεταφέροντας κλάσματα θετικού φορτίου.

Το φαινόμενο Hall που για πρώτη φορά παρατηρήθηκε το 1879, συναντάται όταν η επιφάνεια ενός λεπτού φύλλου χρυσού ή άλλου μετάλλου τοποθετηθεί κάθετα σε μαγνητικό πεδίο, και αφήσουμε να διαρρέεται από ρεύμα από τη μια μεριά ως την άλλη, τότε ανάμεσα στις  δύο άλλες πλευρές του θα αναπτυχθεί ηλεκτρική τάση. Τα φορτισμένα σωματίδια δέχονται μια δύναμη από το μαγνητικό πεδίο. Η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στις δύο πλευρές εξαρτάται από την ένταση του μαγνητικού πεδίου.

Εκατό χρόνια αργότερα, ο Γερμανός Νομπελίστας Κλίτζιγκ σκέφθηκε να παγιδεύσει τα ηλεκτρόνια ανάμεσα σε δύο επιφάνειες ημιαγωγών, ώστε να μπορούν να κινηθούν μόνο σε ένα επίπεδο   χώρο, και τοποθέτησε τη διάταξη αυτή μέσα σε τεράστιο μαγνητικό πεδίο ενώ η θερμοκρασία άγγιζε τους -273C τότε είδε τη τάση Hall να σχημάτιζε μια κλίμακα. Αν η τάση αυτή βρισκόταν στην επίπεδη περιοχή της κλίμακας τότε και αντίσταση του αγωγού εξαφανιζόταν. Το φαινόμενο αυτό   που βελτίωσαν οι νομπελίστες Φυσικής του 1998 ονομάζεται κβαντικό φαινόμενο Hall.

Στην κατάσταση αυτή, τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ένα κβαντικό ρευστό από νέφος που στις συνηθισμένες περιπτώσεις σχηματίζει. Με τη βοήθεια της μαγνητικής ροής (μαγνητικών γραμμών) τα ηλεκτρόνια ζευγαρώνουν μεταξύ τους. Και αυτό σημαίνει πως ζεύγη ηλεκτρονίων βρίσκονται στην ίδια κατάσταση, άρα από φερμιόνια μετατρέπονται σε μποζόνια. Προκύπτει έτσι ένα περίεργο ασυμπίεστο ρευστό, με σωματίδια κλασματικού φορτίου