拍到了!首張電子運行圖 理論終於圖像化

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【大紀元2012年10月03日訊】(大紀元記者黃凱熙綜合報導)一組由英國和日本組成的物理研究科學團隊,上個月在《物理評論快報》(Physical Review Letters)的科學期刊上,發表由他們首次捕抓到電子在「藍道能量層」(Landau levels)運行的真實情況圖像。這也是物理科學家首次透過圖像,觀察到電子在強烈電磁範圍內運行的情況。已往電子在「藍道能量層」運行的情景,只能以理論化的文字來陳述,如今卻能以具體的圖像呈現出來。

根據Live Science科技網站的報導,來自英國沃威克大學(England’s University of Warwick)和日本東京大學的物理學家,在9月14日出版的《物理評論快報》上,發表人類首次拍到電子在高磁場下運行的量子化情形。

昔日在物理界只能用文字敘述,電子會在具有強烈電磁性的「藍道能量層」上彎曲環繞運行。這個電子運行理論是在1930年,由諾貝爾物理獎得主烈夫‧藍道(Lev Landau)博士所發表。時過80多年後的今天,拜電子顯微鏡與高速攝影結合的技術,一日千里的迅速發展所賜,如今科學家首次揭開了電子與其周圍量子場的神秘面紗,把帶電粒子運行的廬山真面目,展示在世人面前。

以往物理學家為了證實「藍道能量層」的存在,是用測量粒子帶電量從「藍道能量層」轉換到其他階層的結果,來驗證這個理論的正確性。但從理論成立至今,還沒有人真正看見過電子在「藍道能量層」運行的真實情況。直到今天研究團隊拍下這難能可貴的物理學創始圖像為止,總算替電子與量子的情況,寫下了歷史見證。

研究團隊的成員之一、來自沃威克大學的物理學家駱伊莫(Rudolf Roemer)說:「我們是首支以『掃描式穿隧顯微鏡』(scanning tunneling microscopy),拍下帶電粒子與運行範圍真實面貌的團隊。」

駱伊莫表示,截取到帶電粒子在「藍道能量層」運行的圖像,能夠加強我們對基本理論的認知理念。而且實驗結果告訴我們,這些基礎理論是真實的,我們可以真的看到這些狀態並發現它們的存在。

德國科學家路斯卡(E. Ruska),在1931年利用電子在磁場中運動方向改變的原理,用透鏡聚焦加以觀察,發明電子磁透鏡;翌年,他與諾爾(Knoll)合作,利用磁透鏡製作出真正具有放大功能的電子顯微鏡;電子顯微鏡的發明,啟發了賓尼格(G. Binnig)及羅樂爾(H. Rohrer)發明了「掃描式穿隧顯微鏡」。

發明「掃描式穿隧顯微鏡」的兩名物理學家和該領域的先驅路斯卡,於1986年共同獲得諾貝爾物理獎的殊榮。因為賓尼格及羅樂爾謙遜的不敢專美,將一半獎金分贈給電子顯微鏡的發明先驅路斯卡。

「掃描式穿隧顯微鏡」發展成功,不但具有鑑別原子大小的能力,而且觀測的樣品不必特別準備。這個技術發表後,經世界各大實驗室加以研究改進,於1985年已告成熟。

但直到27年後,物理學家才有能力結合超速攝影技巧,捕抓到電子運行的瞬間畫面,顯然人類在各層粒子間的探索,仍有一大段前進鑽研的路要走。

(責任編輯:畢儒宗)

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