ΚΟΜΠΙΟΥΤΕΡ, Κβαντική Μηχανική και Χημεία, μποζόνια και κβαντικά φαινόμενα Χολ μαζί με ηλεκτρόνια που κινούνται στον χώρο των δύο διαστάσεων, παρουσιάζοντας εντελώς διαφορετική συμπεριφορά, συνιστούν τις εργασίες για τις οποίες βραβεύθηκαν οι φετινοί νικητές των βραβείων Νομπέλ στη Φυσική και στη Χημεία. Πρόκειται για επιβεβαίωση του ενδιαφέροντός μας προς όσους κάνουν έρευνα για φαινόμενα τα οποία η ανθρωπότητα φαίνεται να μην τα έχει και πολλή ανάγκη σήμερα. Αύριο όμως θα της έχουν προσφέρει πιο διεισδυτικούς φακούς για να βλέπει τις πιο παράξενες μορφές ύλης, η οποία προς το παρόν δεν φαντάζεται ίσως ότι υπάρχουν. Τα μυστήρια των ηλεκτρονίων…
Φθάνοντας στις διαστάσεις και στους χώρους που κινούνται τα όποια σωματίδια συγκροτούν τα άτομα της ύλης, οι γνωστές συμπεριφορές των αντικειμένων του μακρόκοσμου καταργούνται. Μπαίνουμε σε κράτος με διαφορετικούς νόμους, στο κράτος της Κβαντικής Μηχανικής, που συνορεύει με την Κβαντική Χημεία, και πρέπει αναλόγως να συμπεριφερθούμε. Εκεί όπου τα μικροσκοπικά σωματίδια μπορούμε κάποιες φορές να τα θεωρούμε και σαν κύματα (!), κατανοώντας έτσι καλύτερα τη συμπεριφορά τους, εκεί όπου όμως δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε με απόλυτη ακρίβεια και την ενέργεια και τη θέση τους, αφού είναι σαν ζωντανές πεταλούδες όσο τα στριμώχνουμε στη γωνία για να βρούμε τη θέση τους τόσο η ορμή τους γίνεται πιο απροσδιόριστη , με αποτέλεσμα να υπάρχει αβεβαιότητα περί τα στοιχεία τους. Ο ένας από τους εφετεινούς τιμωμένους με το Νομπέλ Χημείας, ο Γουόλτερ Κον, με εξαιρετική διορατικότητα έδειξε ότι δεν ήταν ανάγκη να μπούμε στον κόπο να περιγράψουμε με εξισώσεις την κινηση ενός εκάστου των ηλεκτρονίων, αλλά αρκεί να γνωρίζουμε πόσα ηλεκτρόνια κατά μέσο όρο μπορεί να βρίσκονται σε κάθε σημείο του χώρου. Με τη θεωρία του το 1964, γνωστή πλέον ως Density-Functional Theory, βοήθησε τους ερευνητές να κόψουν πολύ δρόμο ως τον τελικό στόχο.
Την ίδια εποχή, ο άλλος εφετεινός τιμώμενος της Χημείας, ο Τζον Ποπλ, συνειδητοποίησε σε μια εποχή που οι περισσότεροι χημικοί δεν το πίστευαν και πολύ, ότι ο κομπιούτερ θα βοηθούσε να διεισδύσουμε ακόμη περισσότερο στη δομή των πολύπλοκων μορίων όταν και τα πειράματα δεν μπορούσαν να βοηθήσουν. Κατάρτισε ένα πρόγραμμα, το Gaussian-70, ενσωμάτωσε τα συμπεράσματα της θεωρίας του Κον και συνέχισε με τρομακτική επιμονή να το βελτιώνει επί τριάντα χρόνια. Σήμερα, έχουμε φθάσει στο σημείο να συγκεντρώνουμε πληροφορίες με τις μεθόδους αυτές, ακόμη και για τη δομή της διαστρικής ύλης!
…και το Κλασματικό Φαινόμενο Χολ
Από το 1879, ήταν γνωστό ότι αν η επιφάνεια ενός παραλληλόγραμμου λεπτού φύλλου χρυσού ή άλλου μετάλλου τοποθετηθεί σε ορθή γωνία μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, και αφήσουμε να κυκλοφορήσει ηλεκτρικό ρεύμα από τη μια πλευρά του ως την άλλη, τότε θα αναπτυχθεί ηλεκτρική τάση ανάμεσα στις δύο άλλες πλευρές του. Τα φορτισμένα δηλαδή σωματίδια, δέχονται από το μαγνητικό πεδίο μια δύναμη στον δρόμο που τα κάνει να ξεστρατίσουν κάπως προς τις δύο άλλες πλευρές. Αυτό ονομάσθηκε από τότε Φαινόμενο Χολ. Οσο ανέβαζαν οι ερευνητές την ένταση του μαγνητικού πεδίου τόσο η διαφορά δυναμικού μεγάλωνε. Μετά έναν ολόκληρο αιώνα, κάποιος Γερμανός επονόματι Κλίτζινγκ, που τιμήθηκε γι’ αυτό ήδη με Νομπέλ, σκέφθηκε να παγιδεύσει ηλεκτρόνια ανάμεσα στις επιφάνειες δύο κρυσταλλικών ημιαγωγών, ώστε τα ηλεκτρόνια αυτά να βρεθούν να κινούνται στο επίπεδο, δηλαδή σε έναν κόσμο δύο μόνο διαστάσεων. Τριακονταπλασίασε την ένταση του μαγνητικού πεδίου και κατέβασε τη θερμοκρασία κοντά στους -273 βαθμούς, στο απόλυτο μηδέν δηλαδή, οπότε διαπίστωσε ότι η Τάση Χολ σχημάτιζε πλέον μια πρωτόγνωρη σκάλα, και όταν βρισκόταν η τιμή της επάνω στα σκαλοπάτια αυτά, η αντίσταση του αγωγού εξαφανιζόταν, τα ηλεκτρόνια δηλαδή περνούσαν από τη μια άκρη στην άλλη χωρίς να συναντούν το παραμικρό εμπόδιο. Από το 1982 όμως οι Τσούι και Στέρμερ, βελτιώνοντας τις συνθήκες του πειράματος σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και με ισχυρότερα μαγνητικά πεδία, ανακάλυψαν ακόμη περισσότερα σκαλοπάτια, μεγαλώνοντας την απορία του κόσμου για το πώς εξηγούνται όλα αυτά. Ενα χρόνο αργότερα όμως ο τρίτος των εφετεινών τιμωμένων, ο Ρόμπερτ Λόχλιν, έδινε, πρώτη φορά, μια εξήγηση σε ό,τι εν τω μεταξύ είχε ονομασθεί Κλασματικό Κβαντικό Φαινόμενο Χολ.
Η κατάσταση της χαμηλής θερμοκρασίας, σε συνδυασμό με το ισχυρό μαγνητικό πεδίο, αναγκάζει το νέφος των ηλεκτρονίων να συμπυκνωθεί σε κατι που ονομάζουμε Κβαντικό Ρευστό. Και είναι αυτό πρωτοφανές για τα ηλεκτρόνια, που σε συνήθη κατάσταση δεν «δέχονται», όπως θα λέγαμε, σχηματικά να βρεθούν στον ίδιο τόπο, την ίδια χρονική στιγμή. Σε συνδυασμό όμως με τη μαγνητική ροή του πεδίου, γίνονται ζευγάρια μεταξύ τους, άρα, όπως λέμε, μετατρέπονται από φερμιόνια σε μποζόνια, όπου τα μποζόνια αντίθετα με τα φερμιόνια δεν έχουν κανένα τέτοιο πρόβλημα συνύπαρξης. Προκύπτει έτσι ένα παράξενο ασυμπίεστο Κβαντικό Ρευστό από σύνθετα σχεδόν σωματίδια με φορτίο, όσο και κάποιο κλάσμα του ηλεκτρονίου, που η συμπεριφορά του εξηγεί ακριβέστατα τα φαινόμενα των σκαλοπατιών στο Κβαντικό Φαινόμενο Χολ.
