Κυριακή, 10 Απριλίου 2016

Ερευνητές αναζητούν την διπολική ροπή του ηλεκτρονίου την τέταρτη ιδιότητα του

electric_dipole_moment_electron
Μήπως τα ηλεκτρόνια έχουν και μια τέταρτη ιδιότητα εκτός από την μάζα, το φορτίο και το σπιν, όπως προβλέπουν δημοφιλείς θεωρίες της φυσικής σαν την υπερσυμμετρία; Ερευνητές από τη Γερμανία, την Τσεχία και τις ΗΠΑ θέλουν λοιπόν να βρουν την απάντηση σε αυτό το θεμελιώδες ζήτημα της φυσικής. Έτσι, προκειμένου να βελτιωθεί η ακρίβεια των προηγούμενων μετρήσεων, δημιούργησαν ένα νέο υλικό με τη βοήθεια του υπερυπολογιστή JUROPA που εδρεύει στο ερευνητικό κέντρο Jülich της Γερμανίας.

Οι φυσικοί του Jülich θέλουν να αποδείξουν την ηλεκτρική διπολική ροπή του ηλεκτρονίου σε συνεργασία με συναδέλφους τους στις ΗΠΑ και την Τσεχία. Πολλές φυσικές θεωρίες αναμένουν την απόδειξη της ύπαρξής της – για παράδειγμα, ορισμένες θεωρίες σχετικά με τη δημιουργία του σύμπαντος. Προκειμένου να βελτιωθεί η ακρίβεια των προηγούμενων μετρήσεων, αυτοί έχουν δημιουργήσει ένα νέο κεραμικό υλικό με τη βοήθεια του υπερυπολογιστή JUROPA

Τα ηλεκτρόνια είναι σωματίδια αρνητικά φορτισμένα που σχηματίζουν φλοιούς γύρω από τα άτομα και τα ιόντα. Αυτή όμως η εικόνα ή κάποια παρόμοια θα την βρείτε σε βιβλία. Σύντομα, ωστόσο, αυτές οι πληροφορίες ενδέχεται να συμπληρωθούν. Ο λόγος είναι ότι πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι τα ηλεκτρόνια έχουν μια μόνιμη ηλεκτρική διπολική ροπή. Μια ηλεκτρική διπολική ροπή συνήθως δημιουργείται όταν θετικά και αρνητικά φορτία είναι διαχωρισμένα στον χώρο.

Όπως υπάρχουν δύο πόλοι – βόρειος και ο νότιος – σε έναν μαγνήτη, έτσι υπάρχουν και δύο ηλεκτρικοί πόλοι. Στην περίπτωση των ηλεκτρονίων, η κατάσταση είναι πιο περίπλοκη επειδή τα ηλεκτρόνια δεν θα πρέπει να έχουν στην πραγματικότητα καμιά χωρική διάσταση. Παρ ‘όλα αυτά, μια ολόκληρη σειρά από φυσικές θεωρίες που υπερβαίνουν το καθιερωμένο μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων, βασίζονται στην ύπαρξη της διπολικής ροπής. Αυτές οι θεωρίες με τη σειρά τους θα μπορούσαν να εξηγήσει πώς το σύμπαν, με τη μορφή που το γνωρίζουμε, θα μπορούσε να έχει δημιουργηθεί. Σύμφωνα με τις επικρατούσες θεωρίες, το Big Bang πριν περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια θα έπρεπε να έχει δημιουργήσει σε ίσες ποσότητες ύλη και αντιύλη. Δεδομένου ότι αυτές οι δύο μορφές εξαϋλώνουν η μία την άλλη, τίποτα δεν θα έπρεπε να είχε παραμείνει σήμερα. Στην πραγματικότητα, όμως, δημιουργήθηκε περισσότερη ύλη από ό,τι αντιύλη. Μια ηλεκτρική διπολική ροπή του ηλεκτρονίου θα μπορούσε λοιπόν να εξηγήσει αυτή την ανισορροπία.

Μέχρι σήμερα, κανείς δεν έχει αποδείξει με επιτυχία την ύπαρξη αυτής της υποτιθέμενης μικροσκοπικής διπολικής ροπής. Οι υφιστάμενες μέθοδοι απλά δεν είναι επαρκώς ευαίσθητες ώστε να την ανιχνεύσουμε. Όμως ένα μικρό κομμάτι κεραμικού πρόκειται να αλλάξει αυτή την κατάσταση σύντομα.

Η Marjana Ležaić μαζί με τον Konstantin Rushchanskii από το Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης στο Ερευνητικό Κέντρο Jülich, καθώς και ο καθηγητής Nicola Spaldin από το Πανεπιστήμιο στη Σάντα Μπάρμπαρα σχεδίασαν αυτό το κεραμικό, που έχει πολύ ειδικές ιδιότητες, σε ένα εικονικό εργαστήριο με τη χρήση του υπερυπολογιστή JUROPA. Το νέο υλικό (ευρώπιο τιτανικό βάριο) θα πρέπει να επιτρέψει μετρήσεις 10 φορές πιο ευαίσθητες από ό,τι στο παρελθόν. Σύμφωνα με τους φυσικούς του Jülich αυτή η ευαισθησία θα μπορούσε να είναι επαρκής για να βρούμε την ηλεκτρική διπολική ροπή του ηλεκτρονίου.

Καθώς η ηλεκτρικά ροπή δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα, οι φυσικοί συνεργάζονται με επιστήμονες από το αμερικανικό Πανεπιστήμιο Yale, καθώς και με ερευνητικά ιδρύματα της Τσεχίας στην Πράγα, προκειμένου να αποδείξουν εμμέσως την ύπαρξη της. Οι ερευνητές στο Yale έχουν αναπτύξει μια πειραματική διάταξη που χρησιμοποιεί ένα εξαιρετικά ευαίσθητο μαγνητόμετρο SQUID για να μετρηθεί η μαγνήτιση του κεραμικού μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Στόχος τους είναι να αποδειχθεί η αλλαγή της μαγνήτισης, όταν έχει αντιστραφεί το ηλεκτρικό πεδίο. Κι αυτή η αλλαγή θα ήταν ταυτόχρονα το περιζήτητο στοιχείο που θα αποδεικνύει ότι υπάρχει η ηλεκτρική διπολική ροπή.

Σε ένα ηλεκτρόνιο, ένα ηλεκτρικό δίπολο μπορεί να είναι προσανατολισμένο μόνο παράλληλα ή αντι-παράλληλα με το σπιν του ηλεκτρονίου. Σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, όμως, τα περισσότερα από τα ηλεκτρόνια είναι προσανατολισμένα έτσι ώστε η διπολική ροπή τους να είναι παράλληλη προς το πεδίο. Και τα λιγότερα είναι προσανατολισμένα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό θα οδηγήσει σε μια μετρήσιμη μαγνήτιση. Κι αν το ηλεκτρικό πεδίο αντιστραφεί, τότε η διπολική ροπή των ηλεκτρονίων αντιστρέφονται οδηγώντας, κατά συνέπεια, σε μια ταυτόχρονη, μετρήσιμη αλλαγή στη μαγνήτιση. Χωρίς ηλεκτρικό διπολική ροπή, από την άλλη πλευρά, η μαγνήτιση θα παραμείνει αμετάβλητη.

“Θα ήταν πολύ δύσκολο να βρεθεί ένα τέτοιο κατάλληλο υλικό για να δοκιμάσουμε την θεωρία της διπολικής ροπής”, λέει η Ležaić. Το υλικό αυτό πρέπει να έχει ένα ασυνήθιστο συνδυασμό ιδιοτήτων: υψηλή συγκέντρωση μαγνητικών ιόντων, μαγνητικές διαταραχές σε θερμοκρασίες κάτω από 4 βαθμούς Κέλβιν και μια αναστρέψιμη ηλεκτρική πόλωση.

Η ομάδα των ερευνητών στην Πράγα έχουν ήδη συνθέσει και χαρακτηρίσει το υλικό στο εργαστήριο τους και επιβεβαίωσε τις ιδιότητες όπως τις υπολόγισε το Ερευνητικό Κέντρο Jülich. Μόνο η περιζήτητη διπολική ροπή του ηλεκτρονίου παραμένει ανεξερεύνητη.

"Κάποιες ανεπιθύμητες συνέπειες εμποδίζουν ακόμη τις μετρήσεις", δήλωσε απογοητευμένη η Ležaić. "Αλλά δουλεύουμε εντατικά για την περαιτέρω βελτίωση του υλικού."

Δεν υπάρχουν σχόλια :

Δημοσίευση σχολίου