Dupla Fenda - Simulações Elétricas

O experimento da dupla fenda da Hitachi
Arnaldo Gunzi
Published in Analytics Avançado
Jun 13, 2020

Este é um experimento bastante didático, conduzido por Akira Tonomura, do centro de pesquisas da Hitachi.

O vídeo acima é o do experimento da dupla fenda, feito com elétrons (o experimento clássico é com luz).


fonte:
https://miro.medium.com/v2/resize:fit:640/0*5rnaHnaosocvXzNu

Um elétron é emitido por vez, e um detector marca a posição que o elétron chegou na tela.

Nota-se claramente, no começo do vídeo, o comportamento corpuscular do elétron — ou seja, é uma partícula.


fonte:
https://www.hitachi.com/rd/research/materials/quantum/doubleslit/image/fig2.gif

À medida que o experimento avança, o padrão de ondas vai se formando. Picos onde há maior concentração e vales onde há menor concentração.

Porém, se o elétron é uma partícula e não uma onda, ele interferiu com quem? A resposta: consigo mesmo.

Aqui entra a hipótese de Louis de Brouglie, de que partículas podem se comportar como ondas e vice-versa. O experimento acima é uma comprovação disso.

Veja o vídeo, é bastante interessante.

https://www.hitachi.com/rd/research/materials/quantum/doubleslit/index.html

Experimento de fenda dupla
Medição Quântica

Hitachi Research and Development
tradução automática


Você pode estar familiarizado com um experimento conhecido como "experimento da fenda dupla", pois é frequentemente apresentado no início dos livros de mecânica quântica. O arranjo experimental pode ser visto na Fig. 1.



fonte:
https://www.hitachi.com/rd/research/materials/quantum/doubleslit/image/fig1.gif

Os elétrons são emitidos um a um da fonte no microscópio eletrônico. Eles passam por um dispositivo chamado "biprisma de elétrons", que consiste em duas placas paralelas e um filamento fino no centro. O filamento é mais fino que 1 mícron (1/1000 mm) de diâmetro. Os elétrons que passaram por ambos os lados do filamento são detectados um a um como partículas no detector. Este detector foi especialmente modificado para elétrons do detector de fótons produzido pela Hamamatsu Photonics (PIAS). Para nossa surpresa, ele conseguiu detectar até mesmo um único elétron com quase 100% de eficiência de detecção.

Vamos começar o experimento e olhar para o monitor.


Vídeo Resumido


Vídeo Completo

No início do experimento, podemos ver que pontos brilhantes começam a aparecer aqui e ali em posições aleatórias (Fig. 2 (a) e (b)). Estes são os elétrons. Os elétrons são detectados um a um como partículas. Tanto quanto essas micrografias mostram, você pode ter certeza de que os elétrons são partículas. Esses elétrons foram acelerados para 50.000 V e, portanto, a velocidade é de cerca de 40% da velocidade da luz, i. ou seja, é de 120.000 km/segundo. Esses elétrons podem dar a volta na Terra três vezes em um segundo. Então, eles passam por um microscópio eletrônico de um metro de comprimento em 1/100.000.000 de segundo. É correto pensar que cada elétron é detectado em um instante após sua emissão.



fonte:
https://www.hitachi.com/rd/research/materials/quantum/doubleslit/image/fig2.gif

As franjas de interferência são produzidas apenas quando dois elétrons passam por ambos os lados do biprisma de elétrons simultaneamente. Se houvesse dois elétrons no microscópio ao mesmo tempo, essa interferência poderia acontecer. Mas isso não pode ocorrer, porque não há mais de um elétron no microscópio por vez, já que apenas 10 elétrons são emitidos por segundo.

Por favor, continue assistindo o experimento um pouco mais. Quando um grande número de elétrons é acumulado, algo como franjas regulares começa a aparecer na direção perpendicular como mostra a Fig. 2(c). Claras franjas de interferência podem ser vistas na última cena do experimento após 20 minutos (Fig. 2(d)). Também deve ser notado que as franjas são feitas de pontos brilhantes, cada um dos quais registra a detecção de um elétron.

Chegamos a uma conclusão misteriosa. Embora os elétrons fossem enviados um a um, franjas de interferência puderam ser observadas. Essas franjas de interferência são formadas apenas quando as ondas de elétrons passam por ambos os lados do biprisma de elétrons ao mesmo tempo, mas nada além disso. Sempre que os elétrons são observados, eles são sempre detectados como partículas individuais. Quando acumuladas, no entanto, formam-se franjas de interferência. Lembre-se de que, em qualquer instante, havia no máximo um elétron no microscópio. Chegamos a uma conclusão que está longe do que nosso senso comum nos diz.

Verificação do efeito Aharonov-Bohm
Medição Quântica

Hitachi Research and Development
tradução automática

Em 1959, Yakir Aharonov e David Bohm afirmaram que um potencial era em si uma entidade física fundamental e afetaria uma partícula carregada mesmo em uma região em que não houvesse campo magnético e, portanto, nenhuma força atuando na partícula carregada. Eles propuseram o seguinte experimento para verificar a existência do efeito. Se uma corrente é aplicada a um solenóide de comprimento infinito, o campo magnético não existiria fora do solenóide, mas haveria um potencial vetorial. Se um feixe de elétrons passasse de um lado do solenóide e outro feixe de elétrons passasse do outro lado do solenóide, a diferença de fase entre os dois feixes seria proporcional ao fluxo magnético dentro do solenóide, embora nenhum feixe de elétrons fosse submetido a um campo magnético. Isso é conhecido como efeito Aharonov-Bohm (AB) e foi objeto de muitos debates acalorados, pois se relacionava com um fundamento da física. Aqueles que aceitavam o efeito AB insistiam que o potencial vetorial influencia fisicamente os elétrons, enquanto aqueles que argumentavam contra a existência do efeito AB afirmavam que o potencial vetorial era uma mera entidade matemática.

O potencial vetorial foi usado por James Clark Maxwell há 150 anos como uma quantidade física para descrever o eletromagnetismo. No entanto, os potenciais vetoriais logo foram considerados apenas como um auxiliar matemático que não tem significado físico, mas que é conveniente para cálculos. No entanto, no final dos anos 1970, o potencial vetorial passou por um renascimento como a quantidade física mais fundamental nas teorias unificadas das forças fundamentais da natureza. As teorias dos campos de calibre foram consideradas as candidatas mais prováveis para teorias unificadas que englobavam eletromagnetismo, forças nucleares fracas e fortes e gravidade. O exemplo mais simples de um campo de calibre é o potencial vetorial no eletromagnetismo. O efeito AB indica que o campo de calibre não é meramente um auxiliar matemático, mas uma quantidade física real que pode produzir um efeito observável. Isso aumentou a significância do efeito AB.

Em 1982, usando um microscópio eletrônico de holografia, Tonomura e seus colegas mediram a diferença de fase na forma de franjas de interferência produzidas por dois feixes de elétrons, um passando pelo interior e outro passando pelo exterior de um ferroímã em forma de rosquinha. Eles mostraram claramente que existe uma diferença de fase entre os dois feixes de elétrons que passam por um espaço onde não há campo magnético e que a extensão da diferença de fase corresponde precisamente ao valor previsto. Por este trabalho, Tonomura recebeu o Prêmio Nishina Memorial em 1982.

Logo após a publicação, uma objeção foi levantada a esse experimento: como os feixes de elétrons entravam em contato com o ímã, ou seja, havia campos magnéticos de fuga no espaço, isso criava a diferença de fase, então o experimento não provou a existência do efeito AB. Para resolver essa controvérsia, era necessário fazer uma bobina sem vazamento ou um imã sem vazamento magnético. Para superar essa dificuldade, Tonomura e seus colegas recorreram a uma técnica de microfabricação desenvolvida para produzir dispositivos semicondutores.




Em 1986, Tonomura e seus colegas fabricaram um ferroímã em forma de rosquinha (toroidal) com seis micrômetros de diâmetro (Fig. 1(a) e (b)) e o cobriram com um supercondutor de nióbio para confinar completamente o campo magnético dentro da rosquinha, de acordo com o efeito Meissner. Com o imã mantido a 5 K, eles mediram a diferença de fase das franjas de interferência entre um feixe de elétrons passando pelo orifício do donut e o outro passando do lado de fora do donut. Os resultados são mostrados na Fig. 1(a). As franjas de interferência são deslocadas com apenas meia franja de espaçamento dentro e fora da rosquinha, indicando a existência do efeito AB. Embora os elétrons passem por regiões livres de qualquer campo eletromagnético, um efeito observável foi produzido devido à existência de potenciais vetoriais. Desta forma, a longa disputa sobre o efeito AB foi encerrada por esta imagem.

Tonomura recebeu o Prêmio Asahi em 1987, o Prêmio da Academia do Japão e o Prêmio Imperial em 1991, a Medalha Benjamin Franklin em Física em 1999 e selecionado como "Pessoas de Méritos Culturais" em 2002.