Van deeltje naar golf: computersimulatie bevestigt overgang van klassiek naar quantumgedrag van elektronen
In 1927 voorspelde de Leidse natuurkundige Paul Ehrenfest dat elektronen zich over korte afstanden rechtlijnig voortbewegen volgens de wetten van de klassieke mechanica, zoals biljartballen over het laken rollen. De quantummechanica, die aan het elektron een golfbeweging toeschrijft, zou pas op grotere afstanden een rol gaan spelen. Deze overgang van deeltje naar golf vindt zo snel plaats, dat het bijzonder moeilijk is om die in elektrische geleiders waar te nemen. Een zeer efficiënt computeralgoritme heeft het nu mogelijk gemaakt om de voorspelling van Ehrenfest te toetsen. De resultaten bevestigen een nieuwe theorie voor de chaotische beweging van elektronen. Op dit onderzoek hoopt FOM-onderzoeker Alireza Tajic op 12 mei aanstaande in Leiden te promoveren.
Het verschil tussen chaotische en geordende beweging is in één oogopslag te zien als het elektron mag worden voorgesteld als een biljartbal. De beweging op een cirkelvormige biljarttafel levert een prachtig geordende figuur op; een vertrouwd gezicht voor wie wel eens met een spirograaf gespeeld heeft. Als twee overliggende kanten van de biljarttafel worden afgeplat, dan ontstaat een wirwar van paden, complete chaos. Volgens de inzichten van Ehrenfest is dit biljartballenverhaal alleen van toepassing op het elektron als je de beweging niet te lang laat voortduren. Na een bepaalde tijd, de zogenaamde Ehrenfesttijd, wordt de baan van het elektron onscherp, om uiteindelijk over te gaan in een golfpatroon.
De theorie van chaotische elektronen hield tot voor kort geen rekening met het bestaan van de Ehrenfesttijd. Een nieuwe theorie, die daar wel rekening mee houdt, voorspelt dat de overgang van deeltje naar golf gepaard gaat met een toename van de elektrische ruis, omdat het vervagen van de elektronenbaan voor fluctuaties in de elektrische stroom zorgt. Experimenten aan microcircuits hebben aanwijzingen gevonden voor zo'n ruistoename, maar de metingen zijn voor meerdere uitleg vatbaar. Om uitsluitsel te geven heeft de uit Iran afkomstige Leidse FOM-promovendus Alireza Tajic een zeer efficiënt computeralgoritme ontwikkeld en daarmee die hele snelle overgang van deeltje naar golf vastgelegd. De resultaten zijn volledig in overeenstemming met de nieuwe theorie van quantumchaos. Zo hebben tachtig jaar oude inzichten alsnog hun juiste plek gevonden.
Meer informatie bij prof.dr. Carlo Beenakker, Universiteit Leiden.