Η ανακάλυψη και η χρήση των σωματιδίων που είναι γνωστά ως «οπές» ήταν ένα από τα μεγαλύτερα επιστημονικά επιτεύγματα του περασμένου αιώνα. Αποτέλεσαν το θεμέλιο του σύγχρονου τεχνολογικού πολιτισμού και άλλαξαν τον κόσμο. Επιπλέον μας υπενθυμίζουν την μακροπρόθεσμη αξία της βασικής έρευνας που καθοδηγείται από την περιέργεια.
Δεδομένου ότι οι οπές ισοδυναμούν με την απουσία ενός ηλεκτρονίου, το οποίο κατά σύμβαση φέρει μια μονάδα αρνητικού φορτίου, οι οπές φέρουν μια μονάδα θετικού φορτίου (όπως τα πρωτόνια). Σε ορισμένα υλικά, συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων και των ημιαγωγών, οι οπές μετακινούνται πολύ εύκολα. Πράγματι, δεδομένου ότι οι οπές είναι πολύ ελαφρύτερες από τα πρωτόνια, είναι πολύ πιο ευκίνητες.
Γιατί έχει σημασία η ευκινησία των οπών, αυτών των οιονεί σωματιδίων;
Η τελική πηγή σχεδόν όλης της ενέργειάς μας είναι η ακτινοβολία που ρέει από έναν γιγάντιο αντιδραστήρα σύντηξης, τον ήλιο μας. Τα δέντρα αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας το φως από τον ήλιο και εμείς ζεσταινόμαστε στο τζάκι καίγοντας ξύλα. Φυτά που έχουν πεθάνει από καιρό, διασπώνται από βακτήρια και υπό πίεση κάτω από το έδαφος, μετατρέπονται σε πετρέλαιο που μπορούμε επίσης να κάψουμε. Αλλά αυτές οι βιολογικές διεργασίες συλλαμβάνουν μόνο ένα μικρό κλάσμα της ηλιακής ενέργειας στη Γη – και η εκμετάλλευσή τους φέρνει δυσάρεστες παρενέργειες εξαιτίας του διοξειδίου του άνθρακα που απελευθερώνεται ενισχύοντας το φαινόμενο του θερμοκηπίου.
Φανταστείτε ότι ξαφνικά αφαιρείτε ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο κάποιου υλικού. Τελικά το άτομο θα βρεθεί σε μια σταθερή κατάσταση, όπου η περιοχή γύρω από το ηλεκτρόνιο που λείπει χαρακτηρίζεται από ένα κενό – μια θέση όπου ένα ηλεκτρόνιο θα έπρεπε να είναι … αλλά δεν είναι. Μια τέτοιου είδους απουσία είναι αυτό που ονομάζουμε οπή.
Ένα διαφορετικό πράγμα που μπορούμε να κάνουμε με το ηλιακό φως είναι να χρησιμοποιήσουμε την ενέργειά του για να εκδιώξουμε τα ηλεκτρόνια από τις κανονικές τους θέσεις. Το μόνο που χρειάζεται είναι να εκτεθεί ένα κατάλληλο υλικό – που συνήθως ονομάζεται φωτοβολταϊκό – στην ακτινοβολία του ήλιου. Τα ενεργητικά φωτόνιά του μπορούν να χτυπήσουν τα ηλεκτρόνια και να τα απελευθερώσουν, δημιουργώντας οπές. Αν εφαρμόσουμε ηλεκτρική τάση στο υλικό, τα ηλεκτρόνια και οι οπές θα διαχωριστούν, αφού φέρουν αντίθετα φορτία. Αυτό δεν είναι τίποτε άλλο, παρά το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει. Με έναν ‘μαγικό’ τρόπο έχουμε μετατρέψει το ηλιακό φως σε ηλεκτρικό ρεύμα και την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια.
Η ηλιακή ενέργεια είναι θαυμάσια ενέργεια. Είναι βολική, γιατί έχουμε εξαιρετικούς τρόπους αποθήκευσης και μεταφοράς, είναι καθαρή, αφού δεν υπάρχει καύση. Και το γεγονός ότι ο ήλιος μας προσφέρει δωρεάν περίπου δέκα χιλιάδες φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που καταναλώνουν οι άνθρωποι σήμερα, αποδεικνύει την δυνατότητα ενός βιώσιμου μέλλοντος με περιθώρια ανάπτυξης.
Μπορούμε επίσης να κάνουμε οπές χημικά, χρησιμοποιώντας προσμείξεις που έχουν λιγότερα χημικά ενεργά ηλεκτρόνια από τα άτομα που αντικαθιστούν. Η έξυπνη τοποθέτηση διπλα-δίπλα περιοχών πυριτίου πλούσιων σε τρύπες – «εμπλουτισμένων» με το φτωχότερο σε ηλεκτρόνια βόριο (ή γάλλιο ή ίνδιο), και περιοχών εμπλουτισμένων με φώσφορο (ή αρσενικό ή αντιμόνιο) που είναι πλούσιες σε ηλεκτρόνια, μας επιτρέπει να ελέγχουμε τις ροές ηλεκτρικής ενέργειας, όπως μας επιτρέπουν τα φράγματα και τα αυλάκια να ελέγχουμε τις ροές του νερού. Αυτή η στρατηγική βρίσκεται στο επίκεντρο των ηλεκτρονικών στερεάς κατάστασης, της βασικής τεχνολογίας των σύγχρονων επικοινωνιών και επεξεργασίας πληροφοριών.
Οι οπές ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά θεωρητικά, σε έρευνες που δεν είχαν καμία πρακτική εφαρμογή. Η απαγορευτική αρχή του Wolfgang Pauli, που διατύπωσε το 1925 μελετώντας ατομικά φάσματα, έδειξε την δυνατότητα κενών τύπου-οπών σε άτομα και μόρια. Το 1930, ο Paul Dirac, προσπαθώντας να συμφιλιώσει την κβαντική θεωρία με τη σχετικότητα, οδηγήθηκε στην εισαγωγή της έννοιας των οπών – τις οποίες ονόμασε αντι-ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια – σε ένα υποθετικό, ιδανικό κοσμικό υλικό. Από αυτή τη διανοητική ζύμωση άντλησαν έμπνευση οι πρωτοποριακές μελέτες του Rudolf Peierls και άλλων ερευνητών σχετικά με την έννοια των οπών στους ημιαγωγούς, που τελικά oδήγησαν στη σύγχρονη κατανόηση των οπών στα υλικά.
Αυτοί οι πρωτοπόροι δεν είχαν στο μυαλό τους τα τρανζίστορ ή τα φωτοβολταϊκά. Αυτές οι εφαρμογές ήρθαν δεκαετίες αργότερα. Ήταν απλά ανήσυχοι άνθρωποι με περιέργεια, που είχαν σκοπό να κατανοήσουν καλύτερα τον κόσμο. Κι αυτό είναι το σημερινό μας μάθημα.
διαβάστε περισσότερα στο άρθρο του νομπελίστα φυσικού Frank Wilczek στην The Wall Street Journal με τίτλο: ‘How Endless Energy Flows From a Hole‘
(*) Yπενθυμίζεται ότο ο Frank Wilczek το 1982 εισήγαγε – αρχικά ως νοητική άσκηση – ένα είδος οιονεί σωματιδίων – τα anyons (ενυόνια). Αργότερα τα σωματίδια αυτά συσχετίστηκαν με το κβαντικό φαινόμενο Hall.
Κατηγορίες:ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε