Jak to funguje aneb kvantový tunel po česku
       
       Na úvod mého příspěvku bych rád upozornil na již tradiční skutečnost. Nedržím se již tradičně tématu.
       Nedělal jsem to ani v případě, kdy jsem ho sám vymyslel a nevidím důvod tradiční postup měnit. Rovněž se přidržím tradiční loňské metodiky a uvedu pro lepší pochopení svou prezentaci jednoduchou fyzikální studií:
       
       Dělení elektronů v ultratenkých drátcích aneb kvantový tunel po britsku
       
       Společný tým fyziků z univerzit v Cambridgi a Birminghamu experimentálně potvrdil, že elektrony nemusejí být za všech okolností nedělitelné. Pokus ukázal, že se v tenkých drátech mohou rozdělit v nové částice, spinony a holony.
       
       Představte si otáčející se kouli. Teď od sebe zkuste oddělit kouli a její otáčení. Zdá se vám, že je to nesmysl? V běžném světě něco takového není možné, ale v kvantovém ano.
       A když je dáte znovu dohromady, zase dostanete točící se kouli. Tak nějak to s elektrony v ultratenkých drátech je. Zní to dost podivně, ale kvantová fyzika bývá velmi bizarní. To, co nám radí náš úsudek vyplývající z každodenní zkušenosti, ve světě atomů a subatomárních částic obvykle neplatí.
       Na pochopení kvantových jevů nám "obyčejný selský" rozum nestačí, často pro jejich popis ani nemáme vhodná slova či pojmy. Faktem ale je, že v případě elektronu od sebe skutečně můžeme oddělit vlastní částici a její rotaci.
       
       Náboj a spin
       Elektron je považován za fundamentální stavební blok přírody, nemá žádný tvar ani velikost a jako takový by měl být už dále nedělitelný. Není možné ani určit přesné místo, na kterém se nalézá a vědci tuto svou neschopnost obchází teorii tzv. pravděpodobnostních orbitálů. Je odpovědný za vedení elektrického proudu ve vodičích a za magnetické projevy látek, přičemž jeho magnetické a elektrické vlastnosti (náboj a spin) byly až donedávna považovány rovněž za neoddělitelné.
       V roce 1981 však fyzik Duncan Haldane přišel s hypotézou, že za určitých podmínek, konkrétně v ultratenkých drátech a za velmi nízkých teplot, by mělo být možné od sebe elektrický náboj elektronu a jeho spin oddělit. Nově vzniklé hypotetické částice tehdy pojmenoval jako holony (částice nesoucí náboj) a spinony (částice nesoucí spin = rotaci).
       
       Kvantové dráty
       Britským fyzikům z Cambridge a Birminghamu se nedávno podařilo uskutečnit experiment, při kterém se Haldanovy předpoklady jednoznačně potvrdily. Spinony a holony tedy nejsou pouhým výplodem čiré fantazie, ale byly skutečně pozorovány.
       
       Elektrony v ultratenkých drátcích
       
       
       
       V obyčejných kovech se elektrony mezi sebou odpuzují, což je dáno jejich zápornými elektrickými náboji. Když se ale nalézají ve velmi tenkém, téměř jednorozměrném vodiči, jejich chování se začíná významně měnit.
       Přítomnost dalších elektronů ve svém bezprostředním okolí elektrony špatně "snášejí", je pro ně čím dál těžší držet se dál od ostatních a nakonec se tedy "raději" rozdělí, a tak vznikají holony a spinony. Holony dál nesou jen elektrický náboj a spinony spin, tedy zjednodušeně rotaci původního elektronu.
       
       Nanozařízení
       Aby bylo možné pokus provést, museli vědci elektrony v "kvantovém drátě", ultratenkém vlákénku o průměru řádově několika desítek nanometrů, co nejtěsněji uzavřít. Poté drátek umístili do blízkosti kovové desky a pozorovali, jak elektrony z kovu tzv. kvantovým tunelováním přeskakují do drátu.
       Při pokusu opakovaně zaznamenali rozpad jednotlivých elektronů na dvojice nových částic, holony a spinony. Asi není třeba dodávat, o jak náročný experiment šlo. Nejen protože měření probíhala za extrémně nízkých teplot, několik desetin stupně nad absolutní nulou.
       
       Další technologická revoluce na obzoru?
       Kromě toho, že pokus podal jasný důkaz toho, že se elektrony skutečně mohou rozštěpit na dvě částice, experiment ještě prokázal zajímavý fakt, že spinony a holony se mohou vyskytovat v mnohem větších vzdálenostech, než teorie předpovídala. To by mohlo otevřít dveře budoucím praktickým aplikacím.
       Zdroj: www.cam.ac.uk (kráceno)
       
       Jakou významnou praktickou aplikaci tento experiment otevírá, jste jistě už všichni poznali podle nám všem známého slovního spojení, užitého v původním článku. Ano, mám na mysli kvantové tunelování. Jasně se zde nabízí paralela s obdobným jevem, využívaným při kvantovém pohraničním styku mezi Ergeou a Zemí. Rovněž během něho dochází k rozpadu elementární struktury hmoty na nové částice, které jsou díky svým zcela originálním vlastnostem schopny překonat bariéru mezi oběma vesmíry. Po "vytunelování" se opět vrací do formy, odpovídající fyzikální realitě universa, ve kterém se právě nalézají.
       
       Na základě cambridgsko-birminghamského experimentu se našim vědcům podařilo rozluštit a částečně rekonstruovat princip, na kterém pracuje známý železnobrodský servisní přechod (viz ERCON 2006, Petr Súkeník: Kudy do Ertaru).
       
       Pomocí jednoduchého pokusu bych rád předvedl, jak takové kvantové pohraniční tunelování funguje. Realizovat tento jev v plném rozsahu je samozřejmě velmi náročné jak energeticky (viz původní parní kvantotron, obr. tn07), tak i operačně (viz dvoustupňové nastavování kvantonů, obr. tn06), proto budu vycházet z pokusu britských vědců s rozpadem elektronů a nechám "projít" bariérou jen kousek ledu. Tato forma experimentálního média mi zároveň umožní udržet nízkou teplotu, nutnou pro přechod subatomárních částic ledu z bloku přes tenkou vodivou fólii do ultratenkého nanodrátku. Zároveň bude celé pokusné zařízení uloženo v termostatickém chladicím obalu, abych se co nejvíce přiblížil podmínkám, které panovaly při původním britském experimentu. Naštěstí mi vysoce rozvinutá česká technologie umožnila opustit chlazení kapalným héliem na teplotu blízkou -270°C, takže vystačím s přenosným chladícím boxem, do kterého bude celé zařízení během pokusu umístěno. Jak jste si mohli při úvodní demonstraci prohlédnout, sestává tento malý experimentální nízkoenergetický kvantotron = LÍSEQ (litl ixpírimenc smólenerdžikl qantotron) z kousku vodního ledu, umístěného ve vodivém obalu a vsunutého do nitra cívky, navinuté několika tisíci metry nanodrátu. Pro urychlení jevu je napájecím zařízením do obalu dodáván nadbytek elektronů, které pak při spontánním kvantovém přeskoku z fólie do drátku strhávají i částice ledu. Ty se spolu s lídrovými elektrony (leader-e1-) v nanodrátu rozpadají na exotické subatomární částice a jako takové prochází kvantovým pohraničním přechodem do jiného universa.
       
       O úspěšném průběhu pokusu svědčí zřetelný úbytek použité ledové masy.
       
       Za použité ilustrační foto děkuji p. Petru Súkeníkovi a jeho příspěvku 0647: Kudy do Ertaru - servisní přechod u Železného Brodu (Ercon 2006):
       
        obr. tn06 - nastavení kvantových parametrů
       
       
       
       obr. tn07 - generátorová komora