Na obeh straneh grafena hkrati

Raziskovalna skupina z Univerze v Stanfordu je demonstrirala načelo superpozicije na razdalji pol metra. Opazovala je okrog sto tisoč ohlajenih atomov elementa rubidija in poustvarila interferenčni vzorec tudi, kadar so bili valovni paketi posameznih atomov ločeni za 54 centimetrov.

Načelo superpozicije preprosto pravi, da je skupni učinek dveh dražljajev enak vsoti njunih individualnih prispevkov. Tako se lahko na morju dva dolga nizka vala združita v enega večjega, višine vsote njunih amplitud. To načelo je osnovni aksiom tudi v teoriji kvantne mehanike. Kvantna superpozicija je nenavadna predvsem zaradi dvojnosti narave kvantnih sistemov, ki jih lahko obravnavamo kot delce ali kot valove.

Najbolj znana prispodoba za ta pojav je Schrödingerjeva mačka, zaprta v škatlo, v kateri lahko v eksperimentu umre ali ostane živa. Preden škatlo odpremo, lahko mačko za potrebe izračuna verjetnosti izida eksperimenta najlažje opišemo kot seštevek žive in mrtve mačke. Ta izmišljen primer je ilustracija matematične obravnave kvantnih sistemov. Četudi je mačka sestavljena iz atomov, ki jih lahko obravnavamo kot delce ali valove, pa je hkrati tudi makroskopsko telo, ki ga veliko preprosteje opišemo klasično, torej ne z metodami kvantne fizike.

Ravno ta razkorak med kvantnimi in makroskopskimi pojavi je priročna tolažba, zakaj se nam ni treba ubadati z izjemno protiintuitivnimi kvantnimi pojavi, kot je kvantna superpozicija. A v eksperimentu uporabljeni atomi rubidija lahko izzovejo našo udobno nevednost. Glede na izid eksperimenta je bilo atome namreč mogoče opisati z valovnimi paketi, ki so potovali po dveh poteh hkrati. A tokrat sta bili poti oddaljeni 54 centimetrov, eksperiment pa je trajal več kot dve sekundi. Gre torej za razdalje in časovno trajanje, ki so nam domači, kvantni pojavi pa ostajajo nelagodno tuji našim vsakdanjim izkušnjam.

V zadnji oddaji Frequenza della scienza smo govorili o grafenu, ki se pogosto omenja kot material prihodnosti. Razlog za to so njegove lastnosti, ki mu dajejo potencialno uporabnost na različnih področjih. Nedavno je skupina britanskih znanstvenikov odkrila še en način uporabe grafena, pridobivanje devterija.

Grafen je namreč ena izmed oblik ogljika in ima strukturo dvodimenzionalnega kristala. Z drugimi besedami, gre le za eno plast med seboj povezanih ogljikovih atomov. Omenjena raziskava je pokazala, da plast grafena mnogo bolje prepušča pozitivne vodikove ione od ionov njegovega izotopa devterija. Na podlagi te lastnosti bi lahko iz mešanice vodika in devterija slednjega izolirali. Tako bi se lahko razvila tudi praktično uporabna metoda pridobivanja devterija. Devterijeva spojina s kisikom, tako imenovana težka voda, je namreč pomembna v jedrski industriji.

Devterij se v obliki težke vode v majhnih količinah nahaja v morski vodi, iz katere se ga tudi pridobiva. A je tradicionalni postopek pridobivanja devterija relativno zapleten in počasen. Z novo metodo uporabe grafena bi ga lahko precej olajšali in pospešili. V praksi pa takšen način pridobivanja devterija verjetno še kar nekaj časa ne bo v rabi. Vemo namreč, da je sam grafen v večjih količinah težko pridobivati, saj industrijskega postopka danes še ne poznamo. Več o tem pa boste izvedeli s ponovnim poslušanjem oddaje naše redakcije o grafenu.

Uporabo grafena sva z metodami kvantne fizike preučila novi član znanstvene redakcije Junoš in vajenec Jure.