Elektron ışını fiziğini anlamak, yeni nesil elektron mikroskopları üzerinde çalışan araştırmacılar için kritik önem taşıyor. Bir araştırma ekibi, 1 pikosaniyeden (ps) daha kısa bir sürede bir dedektöre gelen elektron sayısını ölçerek, sürekli bir ışındaki elektronların hafif itişini şimdiye kadarki en yüksek hassasiyetle gördü.
Elektronun Hızını Ölçmede Önemli Hassasiyet İçin Önerilen Teknik
Önerilen teknik, yapılacak değişikliklerle Pauli dışlama ilkesinin neden olduğu itmeyi de tespit edebilecek. Araştırmacılar, bulgularının bir gün mühendislerin kuantum ilkelerine dayalı daha hassas elektron mikroskopları geliştirmelerine yardımcı olacağına inanıyor.
Yağmur yağması gibi birçok doğal olay birbiriyle ilişkisizdir: her bir yağmur damlası diğer yağmur damlalarından bağımsız olarak düşer.
Poissonian olarak bilinen istatistiksel bir dağılım, belirli bir zaman aralığında, örneğin bir saniye boyunca sıfır, bir, iki veya daha fazla yağmur damlasının düşme olasılığını tahmin eder.
Yağmur damlaları etkileşime girebilirse, gelişleri korelasyonlu veya antikorelasyonlu olabilir, etkileşimin çekici veya itici olmasına bağlı olarak damlalar daha fazla veya daha az sıklıkla birlikte düşebilir. Aynı zamanlı yağmurların şansı ya süper-Poissoniyen (daha sık meydana gelen) ya da alt-Poissoniyen olacaktır.
Bir ışında elektronlar birbirleriyle iki şekilde etkileşime girer. Öncelikle, hepsi negatif yüklüdür ve bu da Coulomb itmesine neden olur. İkincisi, birden fazla elektronun aynı kuantum durumunu işgal etmesini engelleyen ve aynı zamanda itme ile sonuçlanan Pauli dışlama ilkesini takip ederler. Ölçüm zaman penceresi yeterince darsa, bu faktörlerden herhangi biri elektron varış zamanlamalarında Poissonian altı istatistiklere neden olabilir. Araştırmacılar Coulomb etkisini darbeli ışınlar ve bir pikosaniyeden daha kısa zaman pencereleri kullanarak gözlemlemişlerdir, ancak Pauli etkisinin etkisini göstermeye başladığı zaman ölçeği bilinmemektedir.
Eindhoven Teknoloji Üniversitesi’nden doktora öğrencisi Simona Borrelli, “Teori tam olarak geliştirilmiş değil, ancak 1 femtosaniye (fs) veya daha az zaman aralıkları için etkili olması gerekiyor” diyor.
Elektron mikroskobu araştırmacıları, bir kuantum elektron mikroskobu yaratmak için elektron ışınlarının kuantum özelliklerini daha iyi anlamaya çalışıyorlar. Bilinen bir kuantum durumundaki elektronlar, bir örnekle etkileşimlere karşı özellikle hassas olabilir ve düşük yoğunluklu ışınlarla görüntülemeyi mümkün kılabilir. Bu tür ışınlar, günümüz elektron mikroskoplarında hayatta kalamayan biyolojik malzemeler için yararlı olabilir.
Araştırmacılar darbeli ışınlar yerine sürekli ışınlar kullanarak elektron korelasyon ölçümlerini iyileştirmeyi amaçladı. Ultra kısa atımlar çok az elektrona ve daha geniş bir enerji aralığına sahiptir, bu da onları Pauli dışlaması için uygun hale getirmez. Araştırmacılar, sürekli ışınlar için mevcut zaman çözünürlüğü kaydını (yaklaşık 10 ps) aşmak için bir yöntem geliştirdiler. Elektron ışınlarını, elektronları ışın yönüne dik olarak hem x hem de y yönlerinde saptıran dalgalanan manyetik alanlar içeren bir boşluktan geçirdiler.
X ve y salınım frekanslarının eşleşmemesi, elektronların dedektör üzerindeki nihai iniş yerlerinde karmaşık “Lissajous” desenlerine neden oldu. Alanların bilinen frekansları göz önüne alındığında, ekip her elektron tespitinin konumunu bir zamana dönüştürebildi.
Araştırmacılar 340 fs kadar kısa zaman aralıkları için istatistikler topladı. Alt Poissonian istatistiklerinin 2 ps ila 340 fs arasında değişen zaman dilimleri için belirgin olduğunu, daha büyük zaman pencerelerinin ise beklendiği gibi Poissonian istatistikleri ürettiğini keşfettiler. Borrelli’ye göre, gözlemlenen antikorelasyonlar “muhtemelen büyük ölçüde Coulomb itmesi ile açıklanabilir.” Bununla birlikte, net bir hipotez olmadan, bilim insanları Pauli etkisinin ne zaman görünür hale geleceğini tahmin edemezler.
Almanya’nın Max Planck Enstitüsü’nde ultra hızlı elektron mikroskobu araştırmacısı olan Claus Ropers, “Bu dahiyane bir deney ve çok güzel uygulanmış” diyor. Ropers, ekibin kuantum etkisini henüz tanımlayamadığına inanıyor. Kendisi ve meslektaşları kısa süre önce femtosaniye elektron darbeleri kaydettiler ve gördükleri Coulomb baskın korelasyonların en son sürekli ışın çalışmalarındaki Coulomb itmesi ile niceliksel olarak uyumlu olduğunu söylüyor.
Ekip, teknik geliştirmeler yaparak zaman aralığını daha da düşürmeyi amaçlıyor. Borrelli’ye göre, deneyin gelecekteki bir versiyonu kuantum etkisini tespit edebilirse, elektron değişim istatistiklerini incelemek için yeni yollar açabilir. Kuantum parçacıklarının bu temel özelliği, nötron yıldızlarının ve beyaz cücelerin çökmesini engelleyen basıncı yaratıyor.
