Cik daudz graudiņu veido kaudzi? Fiziķi noskaidro – cik elektroni nepieciešami, lai tie sāktu uzvesties kolektīvi

Nēla Institūta Francijā un Latvijas Universitātes (LU) fiziķi, sorīta jeb kaudzes paradoksa – cik daudz graudiņu veido kaudzi? – iedvesmoti, ar speciālu eksperimentu un jaunu universālu matemātisko metodi izpētījuši elektronu uzvedību un noskaidroja, cik elektroni ir nepieciešami, lai tie sāktu uzvesties kolektīvi un kādās grupās tie sadalās, atduroties pret šķērsli. Latvijas un Francijas zinātnieku kopīgā darba rezultātā ir tapusi zinātniskā publikācija, kas 25. jūnijā publicēta pasaulē prestižākajā akadēmiskajā žurnālā “Nature”.

"Par iespēju savus pētījumu rezultātus publicēt žurnālā “Nature” sapņo daudzi zinātnieki, jo tas, žurnāla redkolēģijas vārdiem, publicē izcilāko pētījumu rezultātus visās zinatnes jomās, ņemot vērā to oriģinalitāti, interesi no citu jomu zinātniekiem un negaidītus secinājumus. Biežāk tas izdodas plašiem, starptautiskiem pētījumiem, ko veicis liels autoru kolektīvs. Nelielam autoru kolektīvam tas ir izcils sasniegums!

Šī ir tikai ceturtā reize, kad autoriem no Latvijas zinātniskajām institūcijām izdevies sniegt izšķirošu devumu “Nature” publicētā rakstā. Iepriekšējā bija 2008. gadā. Prieks, ka tas izdevies tieši kvantu tehnoloģiju jomā," saka LU zinātņu prorektors Guntars Kitenbergs, uzsverot notikuma nozīmību.

Lai veiktu šo atklājumu, Nēla Institūta Francijā zinātnieki izveidoja mikroskopisku daļiņu paātrinātāju (kolaideru), kurā viņi spēja kontrolēt un “iemest” pret šķērsli no viena līdz pieciem elektroniem, pēc tam saskaitot, cik elektronu, atduroties pret šķērsli, nonāca vienā vai otrā pusē. Šajā eksperimentā atklājās pārsteidzošs rezultāts – jau tikai trīs elementārdaļiņas sāk uzvesties kā vienots kopums, nevis kā neatkarīgas daļiņas. Tas iezīmē kolektīva stāvokļa rašanos — situāciju, kurā iznākumu nevar izskaidrot, vienkārši apskatot atsevišķu daļiņu uzvedību. Savukārt LU zinātnieki radīja elementārdaļiņu kolektīvās uzvedības universālo teorētisko modeli, ar kura palīdzību bija iespējams šī eksperimenta rezultātus izskaidrot un atklāt līdzību ar kodolvielas kolektīvas uzvedības parādībām Lielajā hadronu paātrinātājā.

“Šajā darbā kopā ar Nēla Institūta zinātniekiem mums ir izdevies pielietot elementārdaļiņu fizikas metodes nanoelektronikā. Līdz šim neviens vēl nebija pētījis, kā, liekot elektronus kopā pa vienam, veidojas šķidrums.

Šī pētījuma objekts ir ļoti, ļoti mazi elektroniskā šķidruma pilieni. Piliena uzvedība ir atšķirīga no atsevišķu daļiņu uzvedības, un mēs meklējām, kā mēs varam ieraudzīt to brīdi, kā uzbūvējas šis piliens. Šī pētījuma novitāte ir tajā, ka elektroni tiek sūtīti pretī šķērslim nevis pa vienam, bet vairāki elektroni tiek saspiesti kopā ar elektrisku spēku un vienlaicīgi sūtīti pretī šķērslim. Un šeit atklājas, ka katrs elektrons “skatās” uz pārējiem, uz kuru pusi doties. Mēs ar matemātisku precizitāti esam izmērījuši, cik lielā mērā viena elektrona lēmums ir atkarīgs no pārējiem. Elektroni ir lādētas daļiņas, starp kurām darbojas Kulona jeb elektriskās atgrūšanās spēks, tāpēc brīdī, kad ārēju apstākļu dēļ elektroni tiek tik ļoti saspiesti, ir iespējams paredzēt, cik daudz elektronu ir spējīgi aiziet uz vienu pusi un cik dosies otrā virzienā,” par pētījumu stāsta LU tenūrprofesors fizikā Vjačeslavs Kaščejevs.

Lai izprastu, kurā brīdī elektroni vairs neuzvedas kā indivīdi, bet gan ir sākuši uzvesties kā šķidrums, LU zinātnieki ir izveidojuši universālu matemātisku metodi, kurā no elektronu kustības mērījumiem tiek izrēķināti t.s. “raksti” jeb korelācijas funkcijas, ko var salīdzināt ar starpbrīdi skolā un deju – starpbrīdī katrs kaut kur dodas savās darīšanās, skrien uz vienu vai otru pusi, savukārt dejā visi soļi ir izplānoti un dejotāji pa pāriem vai lielākās grupās kustas atkarīgi viens no otra.

Šī metode apraksta visas elektronu “deju kustības”, kuras var salīdzināt ar universālu likumu jeb matemātisko formulu, kā jāuzvedas elektroniem, ja tie veido nesaspiežamu šķidrumu. Divu elektronu “raksti” vēl neatbilst šim zinātnieku aprakstītajam universālajam likumam, turpretī trīs un vairāk elektroni veido universālajam likumam atbilsošu “rakstu” un tādēļ ir uzskatāmi par nesaspiežamu šķidrumu. Izstrādātā universālā matemātiskā metode parāda, ka elektronu “kaudze” veidojas jau no trīs elektroniem un šie principi ir attiecināmi gan nanoelektronikā, gan elementārdaļiņu fizikas pētījumos, piemēram, Lielajā hadronu paātrinātājā.

“Mūsu sadarbība ar Nēla Institūtu sākās pēc 2023. gada publikācijām žurnālā  “Nature Nanotechnology”. Toreiz trīs neatkarīgos eksperimentos trīs dažādas pētnieku grupas vienlaicīgi demonstrēja, ka nanoelektroniskajās shēmās vienu elektronu var izmantot, lai precīzi mainītu cita elektrona trajektoriju. Viena no šīm grupām bijām mēs, LU, sadarbībā ar kolēģiem no Vācijas. Šoreiz Francijas kolēģi veica eksperimentu un bija nonākuši pie rezultātiem, kurus bija nepieciešams izprast un izskaidrot, ko tieši šie rezultāti parāda. Šī eksperimenta rezultātā mēs izveidojām universālu metodi, ar kuras pielietošanu esam nonākuši pie secinājuma, ka trīs elektroni ir tā robeža, kad veidojas šķidruma piliens un elektroni sāk uzvesties kolektīvi, turklāt šie trīs elektroni uzvedīsies tāpat kā 103 elektroni.

Šis pētījums mums paver daudz plašākas iespējas secinājumiem par elektronu mijiedarbību nekā iepriekšējie pētījumi, kuros tika pētīti divi elektroni un kolektīvā uzvedība līdz šim nebija novērota,” atzīst LU doktorante Elīna Pavlovska.

“Nature” publikācija tapusi, sadarbojoties Nēla Institūta Francijā, LU un Rūras Universitātes Bohumā, Vācijā, pētniekiem. LU pētnieku grupu veidoja Elīna Pavlovska, Ralfs Šuba un Vjačeslavs Kaščejevs (LU Eksakto zinātņu un tehnoloģiju fakultāte). Pētījums tapis ar Eiropas Savienības Atveseļošanas fonda projekta “Kvantu tehnoloģiju iniciatīva” (Nr. 2.3.1.1.i.0/1/22/I/CFLA/001) un Latvijas Zinātnes padomes Fundamentālo un lietišķo pētījumu programmas projekta “Iespējošā pētniecība vienelektronu kvantu tehnoloģijām” (Nr. lzp-2021/1-0232) atbalstu.

Ar publikāciju var iepazīties tiešsaistē: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09139-z