De-a lungul secolelor, natura luminii a fost un subiect fierbinte de discuție în rândul oamenilor de știință. Până la începutul secolului XX, ei se întrebau dacă lumina ar trebui privită ca particule sau ca unde. Abia cu puțin peste o sută de ani în urmă s-a găsit răspunsul la această dilemă, când s-a stabilit definitiv că lumina are atât proprietăți de particulă, cât și de undă.
La scurt timp după această descoperire, conceptul a fost extins de la lumină la toată materia care, conform teoriei lui Louis de Broglie, are și ea caracteristici de undă. Această idee revoluționară a primit mai târziu confirmare experimentală.
Oamenii de știință au demonstrat că electronii pot suferi difracție, adică se pot îndoi când trec prin deschideri foarte înguste, la fel ca undele luminoase. Această descoperire uimitoare s-a dovedit cu adevărat revoluționară și a dus, printre altele, la crearea unor dispozitive precum microscopul electronic.
În cazul atomilor și moleculelor, demonstrarea fenomenului numit dualism undă-particulă s-a dovedit mult mai dificilă. Motivul este că atomii sunt mult mai grei decât electronii – cel mai ușor atom este de aproape două mii de ori mai masiv decât un electron – și este mult mai greu să fie difractați.
Da, cu timpul, cercetătorii au reușit să obțină difracția prin reflectarea atomilor de pe o suprafață special pregătită, dar nimeni nu reușise până acum să obțină difracția prin trecerea prin cristal.
Dificultățile în acest caz au fost legate în principal de natura extrem de complexă a cristalelor. Acestea sunt formate din atomi aranjați într-o ordine regulată, repetitivă. Cu toate acestea, pentru ca un atom să poată fi difractat, spațiile dintre elementele „rețelei cristaline” trebuie să fie comparabile ca dimensiune cu lungimea de undă a atomului.
Crearea unor astfel de structuri subțiri a fost mult timp dincolo de capacitățile noastre tehnologice.
Cum trec atomii prin cristale groase cât un atom
Situația s-a schimbat relativ recent datorită creării unui material unic – grafenul.
Prin definiție, grafenul este un strat de carbon modificat cu grosimea de doar un atom. Un astfel de strat de grafen, în opinia cercetătorilor, reprezintă materialul ideal pentru experimente care vizează difracția atomilor.
În cadrul noilor experimente, fizicieni din centre de cercetare din diferite țări au direcționat către un astfel de strat de grafen atomi individuali de hidrogen și heliu, cei mai ușori atomi disponibili. Desigur, exista riscul ca atomii care se deplasau cu viteză mare să deterioreze stratul de grafen la impact. Acest lucru nu s-a întâmplat însă.
În schimb, datorită particularităților mecanicii cuantice, atomii au fost difractați în timp ce treceau prin structura stratului de grafen, fără să o deterioreze. Și după o sută de ani s-a confirmat experimental că până și atomii pot manifesta un comportament ondulatoriu în cristale în anumite condiții.
Pe de o parte, aceasta este o realizare care ne confirmă ipotezele despre natura materiei, pe de altă parte – o contribuție la noi direcții tehnologice. Dacă difracția electronilor a dus la crearea microscopului electronic, difracția atomică a materiei ar putea duce la dezvoltarea unor noi metode de manipulare a substanței la nivel atomic.
Cercetătorii de la Universitatea din Manchester, unde a fost descoperit grafenul, continuă să studieze acest material remarcabil și proprietățile sale unice. De asemenea, studii recente publicate în Nature Physics demonstrează comportamentul dual undă-particulă al materiei la scară atomică.
Te pasionează fizica cuantică și noile descoperiri științifice? Distribuie acest articol prietenilor tăi și hai să discutăm în comentarii despre implicațiile acestor descoperiri fascinante pentru viitorul tehnologiei!
Sursa imaginii: Unsplash
Etichete: fizică cuantică, grafen, difracție atomică, mecanică cuantică, dualism undă-particulă, microscopie electronică
