Forskare fångar elektronens hopp på film
Nu har ett forskarlag vid Göteborgs universitet lyckats utföra ett experiment med så stor förstoring att en svävande droppe som absorberar en enda elektron för första gången blivit synlig för det mänskliga ögat och kunnat mätas med en vanlig millimetergraderad linjal.
Materian i universum är uppbyggd av elementpartiklar som elektroner, protoner och neutroner. De finns överallt, men är så små att det mänskliga ögat inte kan uppfatta dem. Det senaste århundradet har fysiker genom olika experiment påvisat kvantpartiklarnas existens, men i de flesta av dessa experiment har observationen av partiklarna varit indirekta.
– Elektronen är en av dessa fundamentala partiklar. 1909 visade Robert Millikan att elektronens laddning är kvantiserad, det vill säga att det finns en minsta odelbara laddning. Han visade detta genom att låta hundratals laddade droppar falla genom ett elektriskt fält och sedan göra en statistisk analys av dropparnas rörelse.
Experiment med en enda svävande droppe
– Nu har vi skapat en modern variant av detta klassiska experiment genom att fånga en enda droppe i luften med hjälp av en laser, säger Javier Marmolejo, doktorand vid institutionen för fysik på Göteborgs universitet.
I detta experiment kan man observera den elektriska laddningen direkt utan att använda avancerade experimentell utrustning eller en komplicerade statistisk analys.
– Vi placerade droppen i ett starkt elektriskt fält och adderade enskilda elektroner genom att exponera droppen med ett alfa-preparat. Droppen gjorde kvantiserade hopp när den absorberade en enda eller ett fåtal elektroner. Genom att förstora bilden av droppen med hjälp av en enkel lins kunde vi se effekten av att en enda elektron absorberades av droppen och mäta hoppet med en linjal. Ljusfläcken flyttades sig ungefär en millimeter för varje absorberad elektron (se video).
Droppen är 29 mikrometer i diameter, vilket ungefär motsvarar tjockleken på ett tunt mänskligt hårstrå. Trots detta innehåller droppen den ofattbara storken på cirka 3.7 x1015 elektroner.
– Bedriften är anmärkningsvärd med tanke på att vi nu med blotta ögat kan se hur en enda elektron adderas till de 3 700 000 000 000 000 andra elektronerna.
I och med möjligheten att ”se effekten av en enda elektron” uppenbarar sig en ny möjlighet att kommunicera vetenskap gällande partiklar till den större allmänheten, enligt forskarteamet.
Kontakt:
Javier Tello Marmolejo, doktorand vid institutionen för fysik, Göteborgs universitet, e-post. javier.marmolejo@physics.gu.se, mobil: 070 017 53 19
Dag Hanstorp, professor i experimentell fysik, telefon. 031-786 91 41, mobil: 0766-22 91 41, e-post: dag.hanstorp@physics.gu.se
Artikelns namn och tidskriftens namn: Visualizing the electron’s quantization with a ruler,Scientific Reports
Länk till artikel: www.nature.com/articles/s41598-021-89714-2
Video: Javier Marmolejo
Illustration: Javier Marmolejo
En laserfälla användes för att levitera silikondroppar i luften. Fällan bestod av en grön laser med våglängden 532 nanometer som riktades lodrätt och fokuserades, via en lins med brännvidden 100 millimeter, mellan två elektroder som hängde centralt i en experimentkub. Elektroderna var parallella och separerade med 1 mm. En 29 mikrometer stor droppe skickades in i laserstrålen och föll mot dess fokus mellan elektroderna där den bromsades och fångades. Mellan plattorna applicerades en spänning på 666 V och orsakade ett starkt elektriskt fält. Mot den nästan oladdade droppen fördes ett alfapreparat, vars strålning joniserade den omgivande luften. Då droppen fångade upp eller avgav laddningar i utbyte med den av alfastrålningen joniserade luften förändrades dess laddning, varvid dess position i det elektriska fältet förflyttades. Effekterna förstorades med hjälp av en lins, med 73 gångers förstoring, och projicerades på en vägg. Med denna förstoring kunde mikrometerstora rörelser hos droppen observeras med bara ögat. På väggen placerades en egengjord linjal och här kunde forskarna direkt observera antalet elektroner droppen tog emot då den hoppade från en linje till en annan.