Elektroner och motstånd

Ett av kännetecknen för fysik och kemi är fasförändringar mellan tillstånd. Om man skulle försöka förenkla skillnaderna mellan dem, kan man säga att det bara handlar om hur atomkärnor och elektroner är ordnade och hur mycket energi som lagras i materialet. Hur elektroner med olika atomer interagerar med varandra är vad som i slutändan påverkar fasen materialet är i för högre temperaturer. Men en annan regel spelas här: Ohms Law, eller att helt enkelt V = IR där V är spänning, I är ström och R är motstånd. Allt som har elektroner måste följa denna lag, och det är den motståndskomponent som leder till problem för den praktiska världen. Detta motstånd hindrar elektronflödet och ansvarar för att din elektronik värms upp när du använder dem. Elektrisk energi sprids genom motstånd som värme och orsakar ytterligare ineffektivitet för den utrustning som används. Så, vad kan vi göra för att ha lågt motstånd? Svaret ligger i fasen i vårt material (Sachdev 47).

Det visar sig att metaller har lågt motstånd, och om du sänker temperaturen på en till ett tillräckligt kallt område, kommer fasen för atomerna och elektronerna att bidra till en magiskt låg resistens. Dessa superledare upptäcktes först 1911 när Hecke Kamerhigh, när han frös Mercury till -269 grader Celsius och mätte sedan de elektriska egenskaperna. Dessa superledare, tillsammans med standardledare (låg resistans) och isolatorer (hög resistens) är också olika arrangemang av atomer och elektroner och kan därför betraktas som olika materiallägen. Men eftersom det inte bör överraska någon, behöver vi kvantmekanik för att gå vidare i djupet (Ibid).

Vågor och energistater

De viktigaste idéerna bakom kvantmekanik som hjälper oss i våra elektroninsatser är vågsannolikheter, snurr och energitillstånd för varje elektron. Åh, och Pauli Exclusion Principle-äpplen också, så att vi inte glömmer. Detta är helt enkelt idén att inga två elektroner kan vara i samma tillstånd runt en atom, som pinnar i ett bräde. Man börjar förhoppningsvis nu se hur komplicerade elektroner är. Och det blir galnare härifrån (Ibid).

Vad händer nu med en elektron när den lämnar en atom? Den kommer att falla i det lägsta energitillståndet, det vill säga den lägsta sinusvågen den kan svänga vid. Eftersom en vågs energi är korrelerad med dess våglängd, desto större svängning desto större är energitillståndet för elektronen. Och elektroner fyller energitillstånd som alla är mindre än fermi-energitillståndet, även den tröskel en elektron måste överträffa om den ska lämna en atom. Naturligtvis sker ett sådant avgång ofta, vanligtvis till följd av en höghastighetspåverkan som ger en elektron tillräckligt med energi för att gå sönder (Ibid).

motsägelser

Men vad händer om du har att göra med en superledare? Det visar sig att elektroner agerar väldigt annorlunda där. Vi kan inte tänka på enskilda partiklar utan istället ett bundet par som kommer att fungera som ett kollektivt system. Det borde vara en röd flagga för alla, för elektroner har samma laddning och stöter därför varandra. Så varför skulle de binda samman? Hur kunde de? I superledare är atomerna anordnade i en kristallformation, vilket är en repetitiv struktur. Vibrationer längs materialets gitter får elektronerna att lockas till varandra. De slutar agera som fermioner och blir mer som bosoner och slutar därför följa Pauli-uteslutningsprincipen. Woah! Det betyder att elektronerna kan uppta det lägsta energitillståndet samtidigt! Vi kallar detta ett Bose-Einstein-kondensat (BEC). När du applicerar en spänning på en BEC, skjuts elektronpar till en tillräckligt hög nivå för att få ström att flyta. Eftersom de högre tillstånden normalt är lediga i en BEC, är det lite som hindrar strömmen av strömmen och därmed de verkligen låga motståndsvärdena vi bevittnar och önskar (Ibid).

Massfrågor

Forskare som mätte elektronmassa fann en skillnad med vad teorin förutspådde att den borde vara, men det var på grund av en intressant störning som dök upp. Varifrån? Det visar sig att elektroniken interagerar med sitt eget elektriska fält i ett oändligt steg, men det är helt klart fritt att interagera med andra partiklar. Dessa störningar var ungefärliga med kraftserier, men vad var denna saknade bit som bara var ungefärlig? Det skulle vara "egenenergin" i elektronens interaktion med det fältet och komma ihåg förhållandet mellan energi och massa (E = mc 2 ). Därför kommer massan hos en elektron från vad vi mäter och från hans inre självenergi (Baggett).

Med hänsyn till detta kom forskare med ett nytt indirekt sätt att hitta en elektronmassa. De tog en och satte den i en bana kring en kolkärna (vars massa är känd) utan andra elektroner. De tog detta och placerade det i en penningfälla, en speciell konfiguration av ett elektromagnetiskt fält som fick partikeln att uppvisa periodisk cirkulär rörelse. Sedan exponerades fällan för mikrovågor som fick en elektron att snurra (snurra är om den roterar medurs eller moturs - en binär distinktion). Med hjälp av kvantelektrodynamik (en sammanslagning av kvantmekanik och elektromagnetism) kunde de ta denna frekvens av vändningen och den från periodrörelsen och från dessa härleda elektronens massa till en precision på "0, 03 delar per miljard, " förbättring jämfört med det gamla värdet med över en faktor 13! (Sumner, Palus)

Superledare med hög temperatur

Forskare på 1980-talet gick med all denna kunskap och kände att de hade superledare under omslag. Allt förändrades när superledare med hög temperatur upptäcktes. Vibrationer spelades inte längre här. Istället var elektronspinn den skyldige för värdena med lågt motstånd. På vilket sätt? Något som kallas sannolikheten för spindensitetsvågen spelas här. När som helst i ett av våra elektronpar kommer en av dem att vara mer benägna att ha en nedåtvridning och den andra en upp, men det vi är intresserade av är det speciella ögonblicket när vi har en 50/50 bild av en upp av en ner. Materialets egenskaper påverkar detta, men fosfor och arsin har visat sig ha den bästa potentialen för detta tillstånd, vilket gör att det blir en konstig metall, där det varken är en supraledare eller följer sannolikheten för spindensitetsvågen vid en viss temperatur . Den speciella platsen är vad vi kallar den kvantkritiska punkten, analog med den centrala punkten i traditionella materiefasdiagram (48-9).

Men vänta, det här talade om högtemperatur superledare och jag nämnde bara ett material som inte är ett! Men håll dig stämd. För du ser, vid denna kvantkritiska punkt, träder sannolikheten för spindensitetsvågen in i ett tilltrasslande tillstånd med dess vridvärden, vilket gör det svårt att avgöra om en elektron snurrar upp eller snurrar ner. När du har läst, faller elektronen i ett av de två tillstånden men fram till dess är det båda snurrar och varken samtidigt. Detta leder till några låga resistensvärden, men det gör att man undrar hur elektronen faller i tillståndet som den mäts vid. Detta leder till många oroande mysterier (49).

Stringteori och elektroner

Under de senaste åren har framstegen inom fysik i kondensat materiel lett till några konstiga och oförutsedda resultat. Några har till exempel visat skrämmande verkan, eller den kvanteffekten av nästan omedelbar reaktion mellan två sammanfiltrade partiklar. Normalt tänker vi på att detta händer med elektroner men andra partiklar har visat det inklusive metaller och superledare (vilket är meningsfullt, eftersom båda har massor av elektroner). Men varför skrämmande handling och förvirring till och med arbete är fortfarande ett mysterium, men ett fält kan hålla svar på detta och andra mysterier: vår kompisstränsteori (46).

Så hur sker detta mirakel? Det är genom en ofta använda manipulation som kallas förlängning, där vi tar matematiken i ett fält och tillämpar dem på ett liknande fält för att få nya insikter. När det gäller strängteori förutsäger den partnerpartiklar för alla vi känner till, och vi kallar dem superpartners. De finns i en kli, först teoretiserad 1990 s av Joseph Polchincki (från Kalvi Institute for Theoretical Physics vid University of California), vilket är ett sätt att beskriva ett flerdimensionellt utrymme, och genom denna kli många partiklar kan ströva. Det vi observerar här i 3D kan bara vara en 4, 5, 6 osv. Dimensionell representation av någon superpartner. Låt oss nu titta på detta med elektroner. Enligt strängteorin kan de representeras av massor av 1-D strängar som har klumpats samman, med strängar som kopplar samman klumpar. Det vi ser med elektroner är bara en 3D-bild av beteendet hos dessa elektroner i högre dimensioner. Förvirrande, har jag rätt? (46, 50)

Supraledare uppenbarelse

När det gäller överraskande egenskaper finns superledare på kortlistan. Det är superkylda material som har liten eller ingen elektrisk motstånd, vilket möjliggör enkelt flöde av elektronströmmar. Men beroende på vad man gör med superledaren kan den här egenskapen försvinna nästan omedelbart. För att undersöka detta tittade forskare på en koppar / syrevariant av en supraledare som kallas cuprates (som är isolatorer vid en normal temperatur) men när de blandats med ytterligare syre förlorar deras supraledande egenskaper tills de kyls ytterligare ned. Det visar sig att syre kommer att fixera elektroner på plats i ett tillstånd som kallas stripes som i grund och botten skapar körfält för elektronpassering, vilket därför begränsar deras rörelser. I den normala superledaren tillförde syret elektroner till de ofullständiga snäckorna runt koppar, och elektronernas rörelse skapar en nettoförändring i laddning som uppmuntrar elektronflöde. De ränderna slutar försvinna om jag får temperaturen sval nog eftersom rörelsen blir mindre kaotisk och banorna som var närvarande slutar försvinna via kvantmekanisk osäkerhet (Emspak).

Einstein och tankeexperimentet på Spooky Action

Vi kanske borde pröva något lite närmare hemma. Nu är det ingen hemlighet i den akademiska världen hur Albert Einstein kände till kvantmekanik. Han klargjorde att en del fysik saknades i en vetenskap som hade sannolikhet som sin herre, av vilken Einstein ansåg att hans mästare ovan inte skulle göra. Som reaktion på osäkerhetsprincipen började han delta i många av sina berömda tankeexperimenter med Niels Bohr, en mästare för kvantmekanik. Om och om igen kände Einstein att han äntligen hittade en motsägelse men Bohr kunde upprätthålla teorin. 1935 skulle se Einstein tillsammans med Boris Podolsky och Nathan Rosen i sitt bästa skott ännu: Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) tankeexperiment (Hossenfelder 48).

I den här installationen behöver vi joner, klockor och ljusstrålar för att skapa två sammankopplade kvanttillstånd. När vi har en instabil partikel med en snurra (vinkelmoment men inte relaterat till rotationshastigheten) på 0, kommer den så småningom att förfalla till 2 nya partiklar (kallade döttrar) som har hastigheter i motsatta riktningar. Enligt bevarandelagar måste dötternas nettospinn vara 0, så att den ena kan snurras upp och den andra kan snurras ner. Tills vi tar en mätning av en är de båda i ett okänt och därför båda / varken tillståndet. Men i det ögonblick du gör en mätning, måste den andra dottern falla i motsatt tillstånd, även om de är långt från varandra. För EPJ var detta "skrämmande åtgärder på avstånd" och det drev Einstein-nötter. Det verkade kränka hans älskade c, ljusets hastighet, men experiment har bevisat att det är sant. Men en liten varning måste nämnas: informationen om staten reser inte snabbare än c, så relativitet är okej. Hur detta är så förblir okänt. Även om spöklik handling gäller mer än elektroner, har de sett den bredaste användningen i den experimentella världen (Ibid).

Se reaktioner

Tänk dig att se en kemisk reaktion i processen att hända. Detta är vad en pumpsond-spektrometer tillåter. Det skickar av laserljus för att starta en reaktion och skickar sedan mindre intensivt ljus för att observera reaktionen när den händer. Denna process kan upptäcka händelser som händer i femtosekundskalan, men röntgenstrålar krävs på grund av deras lilla våglängd som gör att de kan studsa runt molekylerna när reaktionen sker. När du använder en fri-elektronlaser blir saker och ting svalare. Vi tar ett stort antal elektroner och accelererar dem till hög hastighet och låter dem sedan passera genom en magnet som får dem att svänga. Detta ändrar deras energinivåer och gör att fotoner släpps för varje cykel. Genom att låta gruppen flytta i samma takt säkerställer vi att fotonerna är av nästan likformig karaktär och därför kommer de utsända fotonerna inte att störa varandra. Vi kan få en kort puls som möjliggör bättre upplösning med den här metoden, men ytterligare modifieringar av lasern för att säkerställa att hastigheten minskar ljusstyrkan med 85%, en enorm koncession (Lee “Making”).

En rund elektron?

Vilken form är en elektron? Det har varit ett traditionellt tufft ämne eftersom de flesta modeller skildrar det som en punktliknande partikel "med en negativ laddning, viss vinkelmoment och en liten magnet." Men elektroner har poler som alla magneter gör, och det antydde någon inre struktur som innebar att elektronen helt enkelt inte kunde vara en dimensionell punkt. Experiment som fick elektroner att uppleva vridmoment då elektriska fält applicerades på dem avslöjade i olika riktningar. Och dipolögonblicket sågs inte, som förväntat. Detta beror på begränsningarna i våra mätverktyg - det är helt enkelt inte möjligt. Detta betyder att elektronens form inte är långsträckt - som ett mätbart ögonblick skulle vara - och istället är runt som en sfär (Lee "Physicists").

Elektronfloder! |

Elektronfloder

Ja, som denna rubrik antyder, kan elektronvägar riktas och kanaliseras som floder enligt elektronhydrodynamik. Med hjälp av PdCoO2 kunde forskare från MPI CPfS få metallkristallen att styra hur elektroner "flödade", vilket verkligen handlar om hur de studsade runt materialet. Den måste vara tillräckligt svag för att förhindra att elektronen helt enkelt införlivas men måste vara tillräckligt hög för att uppmuntra dem att riktas, och denna metalls ledande egenskaper gjorde den perfekt för detta. Vem vet hur stort flöde vi kan få och hur långt denna förlängning går till hydrodynamik, liksom förhållandet mellan detta och nuvarande (Rothe).

Elektroner agerar som ljus?

Föreställ dig snabba elektroner som reser med hög hastighet oavsett energinivå den bearbetar. Låter för bra för att vara sant, men ett speciellt material med egenskaper som grafen tillåter det. Det materialet har speciellt konfigurerade magnetfält såväl som elektronbanor som har fyllts, men är tvådimensionellt. Nu utnyttjar en 3D-version i form av Na3Bi och Cd3As2 "en stark växelverkan mellan elektronbanan och elektronspinninställningen" som möjliggör detta, vilket liknar en fotons hastighet oavsett energin den innehåller! (Manke)

En elektron i taget

Ström är flödet av elektroner och en till synes kontinuerlig hastighet, men elektroner är enkla föremål. Vad skulle hända om vi bara skulle kunna skicka diskreta elektroner istället? Forskare var nyfikna och använde sålunda ett skannatunnelmikroskop för att undersöka detta, vilket är några våglängder ovanför ett prov som använder kvantmekanik för att överföra en elektron via en tunneleffekt. Med temperaturer på bara femton tusendelar av en grad över absolut noll såg mikroskopet på en 100-watt glödlampa och kunde se de elektroner som rör sig som sandkorn över kretsen, med speciella spektrallinjer som visade denna udda aktivitet och bekräfta elektronens kvantitet (Kern).

Kärna-Exciton

Världen av kvasipartiklar kan bli komplicerad, eftersom de fungerar som en traditionell partikel men inte är en. För våra syften kommer vi att titta kort på en kärn-exciton, en kvasi-partikel som bildades av en elektron och platsen där den nyligen utrymme en atom. Att försöka kartlägga detta är tufft på grund av den tid en elektron tillbringar sin sin konfiguration innan han påskyndar. Forskare vid Max Planck Institute of Quantum Physics kunde fånga rörelsen hos en elektron som lämnar kiseldioxid med röntgenstrålar för en kort sprängning av några hundra attosekunder för att väcka elektronen till rörelse. Otroligt nog konstaterades den kvasi-partikeln och dess livslängd visade sig vara 750 attosekunder lång, vilket bekräftar den kända teorin (Meyer-Streng).

Accelerera elektroner

Att få elektroner till höga hastigheter och samtidigt säkerställa frysningsförhållanden men ändå stark kontroll är svårt. Forskning från Institute of Physics i Rostock har hittat ett sätt att uppnå detta med allt laserljus. När detta lysas på metall nanopartikelgrupper, blir elektronerna i dem upphetsade till den punkt där en resonanspuls upprättas inuti dem. Presentera ett andra laserljus så får du en slangbolleffekt, släpper en högenergi-elektron på ett förutsägbart sätt genom att bero på amplituden och tidpunkten för pulsen (möjligen uppnå attosekund precision!) (Rieck).

Nuclear Excitation by Electron Capture

Ursprungligen förutspådde för decennier sedan, kärnkraftsexcitering genom elektroninsamling (NEEC) visade sig vara sant av forskare vid EPFL efter att ha tagit attosekund energimomentförändringar noterade via Transmission Electron Microscopy. Det är idén att atomer som fångar upp elektroner också kan få kärnan att få energi. Några intressanta resultat från NEEC inkluderar bättre kontrollerade kärnreaktioner, vilket möjliggör bättre energiskörning när vi manipulerar elektronerna runt kärnan. Andra potentiella applikationer inkluderar "avancerade fält som spektroskopi, kvantinformation och laserkylning (Papageorgiou).

Citerat arbete

Baggett, Jim. Mass. Oxford University Press, 2017. Tryck. 179-181.

Emspak, Jesse. "Elektroner" uppdelade "personligheter" hjälper till att lösa Superconductor Mystery. ” HuffingtonPost.com . Huffington Post 18 maj 2014. Webb. 29 augusti 2018.

Hossenfelder, Sabine. “Head Trip.” Scientific American september 2015: 48. Skriv ut.

Kern, Klaus. "Trickling Electrons." innovation-report.com . innovationsrapport, 10 november 2016. Webben. 15 mars 2019.

Lee, Chris. ”Att skapa ljusa röntgenpulser med välformade elektrongrupper.” Arstechnica.com . Conte Nast., 23 juli 2016. Web. 05 september 2018.

---. "Fysikerna rapporterar att elektron är rund - vad betyder det?" arstechnica.com . Conte Nast., 7 november 2018. Web. 10 december 2018.

---. "Att skaka elektroner ställer atomer till stillestånd." Arstechnica.com. Conte Nast., 04. mars 2015. Webb. 31 augusti 2018.

Manke, Kristin. "Elektroner rör sig som ljus i tredimensionellt fast material." innovation-report.com . innovationsrapport, 24 april 2015. Webb. 15 mars 2019.

Meyer-Streng, Olivia. "Ultrasnabba stillbilder av avkopplande elektroner i fasta ämnen." innovation-report.com . innovationsrapport, 15 september 2017. Webben. 15 april 2019.

Palus, Shannon. "Forskare väger igen elektron, får mer exakt massa." Arstechnica.com . Conte Nast., 25 februari 2014. Webb. 30 augusti 2018.

Papageorgiou, Nik. "Kan ultrashortelektronblinkar hjälpa till att skörda kärnenergi?" innovation-report.com . innovationsrapport, 13 juli 2018. Web. 02 maj 2019.

Rieck, Ingrid. "Ljusvågstyrd nanoskalaelektronacceleration ställer in takten." innovation-report.com . innovationsrapport, 30 oktober 2017. Webben. 29 april 2019.

Rothe, Ingrid. "Elektronfloder." innovation-report.com . innovationsrapport, 17 mars 2016. Webben. 04. april 2019.

Sachdev, Subir. “Strange and Stringy.” Scientific American Jan. 2013: 46-7, 49-50. Skriva ut.

Sumner, Thomas. “Elektrons mätning mätad med rekordbrytande precision.” Huffingtonpost.com . Huffington Post, 24 februari 2014. Webb. 29 augusti 2018.