Znajdź zawartość

Po raz pierwszy udało się utworzyć i zmierzyć postulowany od dawna stan powiązania pomiędzy atomami. Naukowcy z Wiednia i Innsbrucku wykorzystali laser do spolaryzowania atomów tak bardzo, że z jednej strony miały ładunki dodatnie, z drugiej ujemne. Dzięki temu mogli związać atomy ze sobą. Oddziaływania pomiędzy nimi były znacznie słabsze niż pomiędzy atomami w standardowej molekule, ale na tyle silne, że można było mierzyć ich wartość. W atomie jądro o ładunku dodatnim otoczone jest przez chmurę elektronów o ładunku ujemnym. Całość jest obojętna. Jeśli teraz włączymy zewnętrzne pole elektryczne, rozkład ładunków nieco się zmieni. Ładunki dodatnie przemieszczą się w jednym kierunku, ujemne w w drugim i atom będzie posiadał stronę dodatnią i ujemną, stanie się spolaryzowany, mówi profesor Philipp Haslinger. Taką polaryzację atomu można uzyskać też za pomocą światła, które jest szybko zmieniającym się polem elektromagnetycznym. Gdy liczne atomy znajdują się blisko siebie, światło polaryzuje je w ten sam sposób. Więc dwa sąsiadujące ze sobą atomy będą zwrócone do siebie przeciwnymi ładunkami, co spowoduje, że będą się przyciągać. To bardzo słabe oddziaływanie, zatem eksperyment trzeba prowadzić bardzo ostrożnie, by móc zmierzyć siłę oddziaływania. Gdy atomy mają dużo energii i szybko się poruszają, to przyciąganie natychmiast znika. Dlatego też użyliśmy podczas eksperymentów ultrazimnych atomów, wyjaśnia Mira Maiwöger z Wiedeńskiego Uniwersytetu Technologicznego. Naukowcy najpierw złapali atomy w pułapkę i je schłodzili. Następnie pułapka została wyłączona, a uwolnione atomy rozpoczęły swobodny spadek. Taka chmura opadających atomów była niezwykle zimna, jej temperatura była niższa niż 1/1 000 000 kelwina, ale miała na tyle dużo energii, że podczas spadku rozszerzała się. Jeśli jednak na tym etapie atomy zostaną spolaryzowane za pomocą lasera i pojawi się pomiędzy nimi przyciąganie, rozszerzanie się chmury zostaje spowolnione. W ten właśnie sposób można zmierzyć siłę oddziaływania pomiędzy atomami. Polaryzowanie indywidualnych atomów za pomocą lasera nie jest niczym nowym. Kluczowym elementem naszego eksperymentu było jednoczesne spolaryzowanie w sposób kontrolowany wielu atomów i stworzenie mierzalnych oddziaływań pomiędzy nimi, dodaje Matthias Sonnleitner, który opracował teoretyczne założenia eksperymentu. Autorzy eksperymentu zwracają uwagę, że zmierzone przez nich oddziaływanie może odgrywać ważną rolę w astrofizyce. W pustce kosmosu małe siły mogą odgrywać duża rolę. Po raz pierwszy wykazaliśmy, że promieniowanie elektromagnetyczne może tworzyć oddziaływania pomiędzy atomami, co może rzucić nowe światło na niewyjaśnione obecnie zjawiska astrofizyczne, dodaje Haslinger. « powrót do artykułu

Splątanie kwantowe to fascynujące zjawisko leżące u podstaw tworzonych właśnie systemów do kwantowej komunikacji, kwantowych obliczeń czy kwantowych czujników środowiskowych. Stan splątany dwóch cząstek oznacza, że mierząc jedną z cząstek możemy poznać właściwości drugiej, mimo że są one od siebie znacznie oddalone i nie ma między nimi kontaktu. Naukowcy z Uniwersytetu w Kopenhadze splątali właśnie mechaniczny oscylator ze spinem grupy atomów. Ich osiągnięcie kładzie podwaliny pod osiągnięcie stanu splątanego odmiennych systemów, co z kolei może posłużyć m.in. do budowy komputerów kwantowych. Przed około dekadą zaproponowaliśmy teoretyczny sposób na splątanie mechanicznego oscylatora z oscylatorem spinowym za pomocą fotonów. Wykorzystaliśmy przy tym zasadę, która została później nazwana „wolnymi podprzestrzeniami mechaniki kwantowej” lub „trajektoriami bez kwantowych nieoznaczoności". W naszym najnowszym artykule donosimy o eksperymentalnym zaimplementowaniu naszej teorii, mówi profesor Eugene S. Polzik, który stał na czele grupy badawczej. W celu uzyskania splątania pomiędzy systemem mechanicznym a spinowym Polzik i jego zespół wykorzystali fakt, że w stanie wzbudzonym dochodzi do redukcji energii spinowego oscylatora, co można postrzegać jako posiadanie przezeń jako posiadanie „ujemnej masy”. Splątanie pomiędzy systemem mechanicznym a spinowym uzyskujemy poprzez wysłanie światła pomiędzy oboma systemami: mechanicznym oscylatorem o masie dodatniej i spinowym oscylatorem o efektywnej masie ujemnej. Wykonanie pomiaru tego światła wprowadza oba systemy w stan splątany. Kolejne powtarzalne pomiary potwierdzają splątanie pokazując, że kwantowe fluktuacje w obu systemach są silnie ze sobą skorelowane, mówi Polzik. Eksperyment może też wskazywać, iż możliwe jest poradzenie sobie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Jak mówi profesor Polzik, wykorzystanie „masy ujemnej” może bowiem pozwolić na osiągnięcie nieograniczonej dokładności pomiaru. Zespół Polzika przygotowuje teraz eksperyment, którego celem będzie wykazanie potencjalnej przydatności opisanych powyżej badań do udoskonalenia wykrywaczy fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO. Szczegóły badań zostały opublikowane w artykule Entanglement between distant macroscopic mechanical and spin systems « powrót do artykułu

Międzynarodowy zespół naukowców odkrył, że atomy wodoru w wodorkach metalu są dużo gęściej upakowane niż uważano do tej pory. Właściwość ta może prowadzić do pojawienia się nadprzewodnictwa w temperaturach i ciśnieniach zbliżonych do panujących w warunkach pokojowych. Tego rodzaju materiał nadprzewodzący, służący do przesyłania energii elektrycznej bez strat wywołanych rezystancją, mógłby zrewolucjonizować efektywność energetyczną w szerokim zakresie zastosowań. W należącym do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych Narodowym Laboratorium Oak Ridge (ORNL) naukowcy przeprowadzili eksperymenty rozpraszania neutronów na wodorku cyrkonowo-wanadowym pod ciśnieniem atmosferycznym w zakresie temperatur sięgających od –268 stopni Celsjusza (5 K) do –23 stopni Celsjusza (250 K) – czyli znacznie powyżej temperatury, w której spodziewane jest wystąpienie nadprzewodnictwa przy takim ciśnieniu. Wyniki pomiarów w żaden sposób nie zgadzały się z istniejącymi modelami. Prof. Zbigniew Łodziana z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, jeden z członków międzynarodowego zespołu badaczy, zaproponował nowy model tego wodorku. Model ten, poddany obliczeniom na jednym z najpotężniejszych superkomputerów na świecie, pozwolił w prosty sposób wyjaśnić obserwacje eksperymentalne. Okazało się, że odległości pomiędzy atomami wodoru w badanym materiale wynoszą 1,6 angstrema, podczas gdy dotychczas ugruntowane przewidywania dla tych związków wyznaczały tę odległość na poziomie co najmniej 2,1 angstrema. Odkrycia międzynarodowego zespołu badaczy ze szwajcarskiego Laboratorium Badania Materiałów i Technologii EMPA, Uniwersytetu w Zurychu, Uniwersytetu Illinois w Chicago ORNL oraz Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie opublikowane zostały w prestiżowym czasopiśmie Proceedings of National Academy of Sciences. Uzyskana struktura atomowa posiada niezwykle obiecujące właściwości, ponieważ wodór znajdujący się w metalach wpływa na ich właściwości elektronowe. Inne materiały o podobnym upakowaniu atomów wodoru przechodzą w stan nadprzewodnictwa, ale tylko przy bardzo wysokich ciśnieniach. Na przykład niedawno odkryty dekawodorek lantanu osiąga stan nadprzewodnictwa w temperaturze około –13 stopni Celsjusza, tyle że pod ciśnieniem 150 tysięcy MPa, czyli prawie półtora miliona razy wyższym niż ciśnienie atmosferyczne! Tak wysokie ciśnienie potrzebne jest, by zbliżyć do siebie atomy wodoru na odległość mniejszą niż 2 angstremy. Nam udało się pokazać, że wodór można upakować w taki sposób również pod ciśnieniem atmosferycznym. Co ciekawe – od ponad 40 lat panowało przekonanie, iż nie jest to możliwe, stąd badano materiały pod wysokimi ciśnieniami. Znalezienie substancji, która jest nadprzewodnikiem w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym, najprawdopodobniej pozwoli inżynierom wykorzystać go do projektowania powszechnie stosowanych systemów i urządzeń elektrycznych, jak na przykład tomografów rezonansu magnetycznego. Mamy nadzieję, że tani i stabilny stop w rodzaju wodorku cyrkonowo-wanadowego można będzie łatwo zmodyfikować w taki sposób, aby uzyskać nadprzewodzący materiał – wyjaśnia prof. Zbigniew Łodziana z IFJ PAN. Badacze przeanalizowali oddziaływania atomów wodoru w dobrze poznanym wodorku metalu za pomocą wysokiej rozdzielczości wibracyjnej spektroskopii nieelastycznego rozpraszania neutronów wiązki VISION, pochodzącej ze spalacyjnego źródła neutronów laboratorium Oak Ridge w Stanach Zjednoczonych. Uzyskany sygnał widmowy, w tym znaczący wzrost intensywności przy energii około 50 milielektronowoltów, nie zgadzał się z przewidywaniami poczynionymi w ramach istniejących modeli teoretycznych. Przełom w zrozumieniu obserwacji nastąpił po wykonaniu obliczeń w Oak Ridge. Zaproponowany przez prof. Łodzianę model posłużył opracowaniu strategii analizy danych. Obliczenia wykonano na superkomputerze Titan, jednym z najszybszych tego typu urządzeń na świecie. Komputer ten zbudowany jest w oparciu o platformę Cray XK7 i działa z prędkością dochodzącą do 27 petaflopów (czyli 27 biliardów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). Wykonanie takich obliczeń na komputerze domowym trwałoby około dwudziestu lat, a na najszybszym polskim superkomputerze Prometheus w ACK Cyfronet jakieś 3–5 miesięcy. Na maszynie Titan wyniki obliczeń otrzymaliśmy w niespełna tydzień – mówi prof. Łodziana. Przeprowadzone symulacje komputerowe, wraz z dodatkowymi eksperymentami wykluczającymi alternatywne wyjaśnienia, wykazały jednoznacznie, że nieoczekiwana sygnatura widmowa występuje tylko wtedy, gdy odległości między atomami wodoru są mniejsze niż 2 angstremy. Takiego zjawiska nigdy wcześniej nie zaobserwowano w wodorkach metalu dla ciśnień i temperatur charakterystycznych dla warunków pokojowych. Odkrycia zespołu stanowią więc pierwszy znany wyjątek od kryterium Switendicka w stopie bimetalicznym – czyli zasady obowiązującej dla stabilnych wodorków w warunkach standardowych, która mówi o tym, że odstęp między atomami wodoru nie może być mniejszy niż 2,1 angstrema. W kolejnych doświadczeniach naukowcy planują wzbogacić wodorek cyrkonowo-wanadowy większą ilością wodoru pod różnymi ciśnieniami, aby ocenić potencjalne nadprzewodnictwo badanego materiału. Czy zatem znajdujemy się u progu technologicznej rewolucji polegającej na znalezieniu materiału wykazującego właściwości nadprzewodzące w temperaturze pokojowej? Tego nie wiem, ale z pewnością udało nam się poczynić istotny krok w tym kierunku – przekonuje prof. Łodziana. « powrót do artykułu