Znajdź zawartość

Po raz pierwszy udało się zmierzyć spin elektronu w materiale. Osiągnięcie uczonych z Uniwersytetów w Bolonii, Wenecji, Mediolanie, Würzburgu oraz University of St. Andrews, Boston College i University of Santa Barbara może zrewolucjonizować sposób badania i wykorzystania kwantowych materiałów w takich dziedzinach jak biomedycyna, energia odnawialna czy komputery kwantowe. Pomiar spinu w kontekście topologii materiału, w którym był mierzony, był możliwy dzięki wykorzystaniu promieniowania synchrotronowego oraz nowoczesnym technikom modelowania zachowania materii. Profesor Domenico di Sante z Uniwersytetu w Bolonii wyjaśnia: Na zachowanie elektronów w materiałach mają wpływ pewne właściwości kwantowe, determinujące ich spin w materiale, w którym się znajdują. Tak jak na tor ruchu światła we wszechświecie ma wpływ obecność gwiazd, ciemnej materii czy czarnych dziur, które zaginają czasoprzestrzeń. Właściwości elektronu znamy od dawna, jednak dotychczas nikt nie bezpośrednio nie zmierzył „topologicznego spinu” elektronu. Uczeni z Włoch, Niemiec, Wielkiej Brytanii i USA wykorzystali efekt znany jako dichroizm kołowy. Zjawisko to polega na różnej absorpcji przez substancje światła spolaryzowanego kołowo prawo- i lewoskrętnie. W swoich badaniach skupili się na metalach kagome. To materiały, w których atomy tworzą – znany z tradycyjnego japońskiego koszykarstwa kagome – wzór składający się z sieci trójkątów o wspólnych wierzchołkach. Ta nietypowa geometria atomów powoduje, że elektrony zachowują się w takim materiale w sposób nietypowy, co pozwala badać niezwykłe zjawiska kwantowe. Metale kagome służą m.in. do badań nad nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym. Pierwsze eksperymenty z nimi przeprowadzono w USA w 2018 roku. Teraz dwuwarstwowe metale kagome XV6Sn6 – gdzie X oznacza pierwiastek ziem rzadkich, tutaj były to terb, skand i holm – posłużyły do badania topologicznego spinu elektronu. Było to możliwe dzięki połączeniu eksperymentu z analizą teoretyczną. Teoretycy przeprowadzili najpierw złożone symulacje kwantowe na potężnych superkomputerach i poinstruowali eksperymentatorów, w którym miejscu materiału powinni mierzyć dichroizm kołowy, wyjaśnia Di Sante. « powrót do artykułu

Naukowcom po raz pierwszy udało się zaprezentować przełącznik wykonany z pojedynczej molekuły fullerenu. Dzięki precyzyjnie dostrojonemu laserowi międzynarodowy zespół uczonych był w stanie wykorzystać molekułę fullerenu do zmiany drogi elektronu w przewidywalny sposób. Przełącznik, w zależności od impulsów lasera, działał od 3 do 6 rzędów wielkości szybciej niż przełączniki wykorzystywane obecnie w układach scalonych. Dzięki fullerenom mogą zatem powstać komputery znacznie szybsze niż to, co można osiągnąć za pomocą współczesnej elektroniki. Można je będzie wykorzystać też do obrazowania medycznego o niedostępnej obecnie rozdzielczości. Wiele dziesięcioleci temu fizycy odkryli, że w obecności pól elektrycznych oraz światła molekuły emitują elektrony. Współautor najnowszych badań, Hirofumi Yanagisawa w Uniwersytetu Tokijskiego wraz z zespołem, najpierw stworzył hipotezę dotyczącej emisji elektronów przez wzbudzone fullereny w zależności od rodzaju wzbudzającego je impulsu laserowego. Następnie międzynarodowa grupa naukowa dowiodła jej słuszności. Za pomocą krótkiego impulsu czerwonego lasera uzyskaliśmy kontrolę nad sposobem kierowania przez molekułę nadchodzącego elektronu. W zależności od impulsu, elektron może pozostać na swoim kursie, lub też zmienić trasę w przewidywalny sposób. [...] Sądzimy, że możemy osiągnąć tutaj milion razy krótszy czas przełączania niż za pomocą klasycznego tranzystora. To zaś może przełożyć się na zwiększenie wydajności komputerów. Jednak równie ważne byłoby dostrojenia lasera tak, by molekuła fullerenu mogła działać jednocześnie jak wiele przełączników. Uzyskalibyśmy w ten sposób odpowiednik wielu tranzystorów w pojedynczej molekule. To zwiększyłoby złożoność systemu bez zwiększania jego fizycznych rozmiarów, wyjaśnia Yanagisawa. Fullereny to cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. O ich potencjalnym zastosowaniu w informatyce pisaliśmy już przed 15 laty. Jak się okazuje, możliwe jest precyzyjne manipulowanie orientacją fullerenów za pomocą precyzyjnych ultrakrótkich impulsów laserowych, decydując w ten sposób, jak dojdzie do emisji elektronu. To technika podobna do tego, jak w mikroskopii fotoelektronów (PEEM) uzyskuje się obrazy. Jednak rozdzielczość PEEM sięga maksymalnie około 10 nanometrów, czyli 10 miliardowych części metra. Fullerenowy przełącznik pozwoliłby na osiągnięcie rozdzielczości około 300 pikometrów, czyli 300 bilionowych części metra, dodaje Yanagisawa. Autorzy badań dodają, że jeśli udałoby się spowodować, by pojedyncza molekuła fullerenu działała jak wiele przełączników jednocześnie, to niewielka sieć takich molekuł przeprowadzałaby obliczenia znacznie szybciej niż dzisiejsze procesory. Jednak do pokonania jest wiele przeszkód, jak np. odpowiednie zminiaturyzowanie laserów. Tak czy inaczej mogą minąć lata, zanim fullerenowe przełączniki trafią do układów scalonych. « powrót do artykułu

Hybryda materii i antymaterii – atom helu, w którym elektron zastąpiono antyprotonem – wykazuje niespodziewaną reakcję na światło lasera, gdy zostaje zanurzony w nadciekłym helu, informują naukowcy z projektu ASACUSA na CERN. Uczeni zauważają, że ich odkrycie może stać się podstawą dla rozpoczęcia różnego rodzaju badań. Nasze eksperymenty sugerują, że hybrydowe atomy helu składające się z materii i antymaterii mogą zostać użyte do eksperymentów spoza fizyki cząstek, szczególnie zaś w badaniach fizyki materii skondensowanej, a może nawet w eksperymentach astrofizycznych, mówi rzecznik prasowy ASACUSA, Masaki Hori. Prawdopodobnie wykonaliśmy pierwszy krok w kierunku wykorzystania antyprotonów w badaniach materii skondensowanej. Naukowcy pracujący przy projekcie ASACUSA wykorzystują hybrydowe atomy helu do badania masy antyprotonu i porównywania jej z masą protonu. W takich hybrydowych atomach wokół jądra krąży antyproton i elektron, zamiast dwóch elektronów, wchodzących w skład zwykłego atomu helu. Atomy te uzyskuje się wprowadzając antyprotony do schłodzonego gazowego helu o niskiej gęstości. Dzięki niskiej temperaturze oraz gęstości możliwe jest łatwiejsze badanie reakcji hybrydowych atomów na światło lasera. Przy bardziej gęstym gazie i wyższych temperaturach linie spektralne przejścia antyprotonu lub elektronu pomiędzy poziomami energetycznymi są zbyt szerokie, przez co ich badanie jest bardzo trudne lub niemożliwe. A w ten właśnie sposób naukowcy próbują określić stosunek masy antyprotonu do elektronu. Dlatego też uczeni byli zaskoczeni, gdy okazało się, że w ciekłym helu, który ma znacznie większą gęstość niż hel w stanie gazowym, doszło do spadku szerokości linii spektralnych antyprotonu. Co więcej, gdy obniżyli temperaturę ciekłego helu do poziomu, poniżej której stał się on nadciekły, okazało się, że linie spektralne uległy dalszemu gwałtownemu zwężeniu. To było niespodziewane. Badana w paśmie optycznym reakcja hybrydowego atomu helu w nadciekłym helu jest wyraźnie różna od reakcji tego samego hybrydowego atomu w gazowym helu o wysokiej gęstości, mówi Anna Sótér ze Politechniki Federalnej w Zurichu (ETH Zurich). Uczeni sądzą, że zaskakujące zachowanie jest powiązane z promieniem orbitali, czyli odległością pomiędzy jądrem atomu a elektronami. W przeciwieństwie do wielu standardowych atomów, promień orbitali w hybrydowym atomie ulega jedynie niewielkim zmianom pod wpływem światła lasera. Dzięki temu laser nie wpływa na linie spektralne, nawet gdy atom jest zanurzony w ciekłym helu. To jednak, jak podkreślają autorzy badań, jedynie hipoteza, którą trzeba zweryfikować. Zaskakujące odkrycie niesie ze sobą liczne konsekwencje. Po pierwsze daje nadzieję na stworzenie innych hybrydowych atomów helu, jak np. pionowe (od cząstki pion) atomy helu zbudowane z różnych cząstek antymaterii i cząstek egzotycznych. Posłużyły by one do bardziej szczegółowych pomiarów masy cząstek. Po drugie, znaczące zwężenie linii spektralnych w nadciekłym helu sugeruje, że hybrydowe atomy helu mogą zostać użyte do badania materii nadciekłej i innych skondensowanych faz materii. W końcu zaś, tak wąskie linie spektralne mogą zostać wykorzystane do poszukiwania antyprotonów i antydeuteronów pochodzących z przestrzeni kosmicznej. Badania takie można by prowadzić na orbicie okołoziemskiej lub w laboratoriach umieszczonych w balonach latających na dużych wysokościach. Jednak zanim się one rozpoczną, konieczne będzie pokonanie licznych przeszkód technicznych. « powrót do artykułu

Podstawą nadprzewodnictwa jest łączenie się elektronów w pary. Rodzi się jednak pytanie, czy mogą wobec tego łączyć się też w czwórki. Profesor Egor Babaev przez niemal 20 lat szukał sposobu ma tworzenie nowego stanu materii, elektronowych czworaczków. Teraz w końcu mu się udało. Pracujący pod jego kierunkiem fizycy ze szwedzkiego Królewskiego Instytutu Technologii (KTH – Kungliga Tekniska högskolan) donieśli na łamach Nature Physics, że udało im się uzyskać stan przewidziany przez Babaeva przed 17 laty. Uczony w 2004 roku opublikował artykuł, w którym teoretycznie opisał elektronowe czworaczki, a w roku 2012 opisał, w jaki sposób je uzyskać je w bazującym na żelazie materiale Ba1−xKxFe2As2. Łączenie się elektronów w pary pozwala na pojawienie się nadprzewodnictwa, stanu, w którym ładunek elektryczny nie napotyka na przeszkody. O tym, że elektrony mogą się łączyć, a nie odpychać, dowiedzieliśmy się z teorii opracowanej przez Coopera, Bardeena i Schrieffera, którzy zostali za nią uhonorowani Nagrodą Nobla w 1972 roku. To właśnie te tzw. pary Coopera są nośnikami ładunku w nadprzewodnikach. W normalnych warunkach dwa elektrony, które mają przecież te same ładunki, silnie się odpychają. Jednak w niskich temperaturach w kryształach łączą się w luźne pary. O parach takich wiedzieliśmy od dawna. Jednak idea łączenia się fermionów (a elektrony są fermionami) w czwórki została przez naukowców zaakceptowana dopiero niedawno. Profesor Babaev wyjaśnia, że aby doszło do zaistnienia związku czterech fermionów musi pojawić się coś, co zapobiegnie tworzeniu się par oraz ich przepływie bez oporu, a jednocześnie umożliwi tworzenie czterofermionowego kondensatu. Problem w tym, że teoria BCS, mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa zwana też teorią Bardeena-Coopera-Shrieffera, nie pozwala na tworzenie fermionowych czworaczków. Gdy więc współpracujący z Babaevem eksperymentator Vadim Grinenko z Technische Universtät Dresden trafił przed 3 laty na ślady wskazujące na istnienie takiego stanu materii, naukowcy musieli zmierzyć się z powszechnie akceptowaną teorią. Przez kolejne trzy lata uczeni prowadzili liczne eksperymenty i badania, mające potwierdzić odkrycie. Babaev mówi, że kluczową obserwacją jest spostrzeżenie, że czterofermionowe kondensaty spontanicznie łamią parzystość operacji odwrócenia czasu. Jest to matematyczna operacja, która pozwala zmienić znak współrzędnej czasowej na ujemny, dzięki czemu można opisać zjawisko tak, jakby czas biegł do tyłu lub cały ruch biegł w przeciwnym kierunku. Gdy użyjemy takiego zabiegu matematycznego, to wszystkie podstawowe prawa fizyki nadal działają. Działają też nadprzewodniki. Innymi słowy, jeśli obliczamy teoretycznie właściwości typowego nadprzewodnika i odwrócimy strzałkę czasu, nadal jest on takim samym nadprzewodnikiem. Jednak w przypadku czterofermionowego kondensatu po odwróceniu strzałki czasu pojawia się inny stan. Prawdopodobnie minie wiele lat, zanim go w pełni zrozumiemy. Nasze eksperymenty prowadzą do postawienia wielu nowych pytań, ujawniają istnienie wielu niezwykłych właściwości powiązanych z reakcją na temperaturę, pole magnetyczne i ultradźwięki, dodaje Babaev. « powrót do artykułu

Przez 80 lat fizycy próbowali zrealizować pomysł pioniera mechaniki kwantowej, Eugene'a Wignera, który w 1934 roku zaproponował stworzenie niezwykłego rodzaju materii – kryształu zbudowanego z elektronów. W ubiegłym miesiącu na łamach Nature poinformowano o pierwszych eksperymentalnych obserwacjach kryształów Wignera. Pozornie może wydawać się, że zbudowanie kryształu z elektronów nie powinno być trudne. Odpychają się one od siebie, chłodzenie zmniejszyłoby ich poziom energetyczny, więc powinny tworząc odpowiedni kształt, tak jak zastyga schłodzona woda. Problem jednak w tym, że zimne elektrony podlegają zasadom mechaniki kwantowej i zachowują się jak fala. Nie zastygają w miejscu w uporządkowanej postaci, a poruszają się i zderzają ze sobą. Zespół z Uniwersytetu Harvarda, na czele którego stał Hongkun Park, uzyskał kryształ Wignera niemal przypadkiem. Uczeni badali, jak zachowują się elektrony w bardzo cienkich warstwach półprzewodnika, oddzielonych od siebie warstwami materiału, przez który elektrony nie mogą się przedostać. Naukowcy schłodzili swój materiał poniżej -230 stopni Celsjusza i eksperymentowali z różną liczbą elektronów w każdej z warstw. W pewnym momencie zauważyli, że gdy w warstwie znajduje się określona liczba elektronów, przestają się one poruszać. Z jakiegoś powodu elektrony w półprzewodniku nie mogły się ruszyć. To nas zaskoczyło, mówi You Zhou. Autorzy badań zwrócili się o pomoc w wyjaśnieniu tego fenomenu do teoretyków, a ci przypomnieli sobie, że Wigner obliczył, iż elektrony w cienkim dwuwymiarowym materiale powinny utworzyć trójkątny wzorzec, co uniemożliwi im poruszanie się. W krysztale uzyskanym przez grupę Zhou siły elektrony ułożyły się w regularny krystaliczny wzór dzięki odpychaniu się zarówno w ramach jednej warstwy, jak i pomiędzy warstwami. Siła odpychania uniemożliwiła im poruszanie się. Jednak takie zachowanie elektronów miało miejsce jedynie wtedy, gdy liczba elektronów w warstwach do siebie dopasowana. Mniejsze trójkąty w jednej warstwie, musiały dokładnie wypełniać przestrzeń wewnątrz większych kryształów w innej warstwie. Gdy naukowcy z Harvarda zdali sobie sprawę, że mają do czynienia z kryształem Wignera, doprowadzili do jego „rozpuszczenia się”, wymuszając przejście fazowe, jednak bez dodatkowego ogrzewania. Teoretycy już wcześniej opisywali warunki konieczne do zaistnienia takiego przejścia. Teraz udało się je uzyskać. To naprawdę ekscytujące, obserwować w praktyce to, o czym czytaliśmy w podręcznikach, mówi Park. Naukowcy oświetlali warstwy półprzewodnika laserem, co doprowadziło do powstania ekscytonu. Następnie materiał albo odbijał albo emitował światło. Analiza tego światła pozwalała stwierdzić, czy ekscytony wchodziły w interakcje ze zwykłymi swobodnymi elektronami czy też elektronami zamrożonymi w kryształ Wignera. Zdobyliśmy bezpośrednie dowody na istnienie kryształu Wignera o trójkątnej strukturze, mówi Park. Zespół z Uniwersytetu Harvarda chce wykorzystać swoje osiągnięcie do badań kryształów Wignera i silnie skorelowanych elektronów. Chcą m.in. odpowiedzieć na pytanie, co się dzieje, gdy kryształ Wignera rozpuszcza się. Ponadto już teraz udało im się zaobserwować kryształ w wyższych temperaturach i z większą liczbą elektronów, niż przewidywali to teoretycy. Zbadanie, dlaczego tak się stało może dać wiele odpowiedzi na pytania o zachowania silnie skorelowanych elektronów. « powrót do artykułu

Sądzimy, że to pierwszy twardy dowód na separację spinowo-ładunkową, mówi Nai Phuan Ong, profesor fizyki z Princeton University i jeden z głównych autorów badań opublikowanych właśnie na łamach Nature Physics. Dokonane przez naukowców odkrycie potwierdza dwoistą naturę elektronów w kwantowej cieczy spinowej. Pozwoli nam ono lepiej zrozumieć, jak elektrony zachowują się w ekstremalnych warunkach. Uczeni z Princeton zaprezentowali właśnie eksperymentalny dowód na to, że elektron – jedna z cząstek elementarnych – zachowuje się jakby był stworzony z dwóch cząstek, z których jedna jest nośnikiem ładunku elektrycznego, a druga właściwości magnetycznych, spinu. Wyniki eksperymentu mogą pozwolić na wyjaśnienie zachowania cieczy spinowej. We wszystkich innych materiałach spin elektronu skierowany jest w górę lub w dół. W magnesie schłodzonym poniżej pewnej temperatury granicznej spiny wszystkich elektronów mają ten sam zwrot. Jednak w spinowych cieczach kwantowych spiny nie przybierają tego samego zwrotu, nawet w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. Zamiast tego, ciągle się zmieniają w skoordynowany sposób. Wyjaśnienie tego fenomenu zaproponował w 1973 roku fizyk Philip Anderson. Uważał on, że w fizyce kwantowej elektron powinien być rozważany jako złożony z dwóch cząstek. Jednej będącej nośnikiem ładunku ujemnego i drugiej, zawierającej spin. Cząstkę zawierającą spin nazwał Anderson spinonem. Autorzy najnowszych badań postanowili poszukać spinonu z cieczy spinowej złożonej z atomów rutenu i chloru. W temperaturach ułamków kelwinów powyżej zera absolutnego i obecności silnego pola magnetyczne rutenowo-chlorowe kryształy wchodzą stan spinowej cieczy kwantowej. Podczas serii eksperymentów prowadzonych przez trzy lata przez Petera Czajkę i Tonga Gao naukowcy wykorzystali najczystsze dostępne kryształy i superczułe termometry. Wykryli dzięki temu oscylacje temperatury, świadczące o obecności spinonów. Naukowcy od czterech dekad poszukiwali tych spinonów. Jeśli nasze badania zostaną potwierdzone, będzie to znaczący postęp na polu badania kwantowych cieczy spinowych, mówi Ong. Z czysto eksperymentalnego punktu widzenia, było czymś niezwykle ekscytującym obserwowanie zjawisk zaprzeczających temu, czego uczymy się na podstawach fizyki, dodaje Czajka. Artykuł Oscillations of the thermal conductivity in the spin-liquid state of α-RuCl3 został opublikowany na łamach Nature Physics. « powrót do artykułu

Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego w Delft wykazali, że możliwe jest niezależne manipulowanie dwoma rodzajami magnetyzmu w atomach. Magnetyzm w atomach powstaje w wyniku orbitalnego oraz obrotowego ruchu elektronów. W tym pierwszym przypadku mowa jest o ruchu elektronu wokół jądra. Ruch obrotowy zaś to ruch elektronu wokół własnej osi. Jako, że każdy z tych rodzajów ruchu może odbywać się zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub w stronę przeciwną, zatem może reprezentować 0 lub 1. Teoretycznie więc w atomie możemy zapisać 2 bity danych. "W praktyce jednak jest to niezwykle trudne, gdyż jeśli zmienimy kierunek ruchu orbitalnego, niemal zawsze zmieni się kierunek ruchu obrotowego i vice versa", mówi główny autor najnowszych badań, Sander Otte. Holendrzy, we współpracy z Hiszpanami i Chilijczykami dowiedli, że można odwrócić kierunek ruchu orbitalnego elektronu bez zmiany jego ruchu obrotowego. Osiągnęli to dzięki wykorzystaniu efektu Einsteina-de Haasa. Zgodnie z nim odwrócenie kierunku ruchu orbitalnego można skompensować przez niemierzalnie mały obrót środowiska. W tym przypadku był to kawałek metalu, którego część stanowi atom. Naukowcy wykorzystali skaningowy mikroskop tunelowy, którego próbnik może manipulować pojedynczymi atomami. Zwykle atom ma kontakt z wieloma sąsiadującymi atomami, co zaburza jego magnetyzm. Otte i jego zespół odseparowali spin od ruchu orbitalnego atomu żelaza umieszczając go na pojedynczym niemagnetycznym atomie azotu. Dzięki temu mogli manipulować ruchem orbitalnym bez wpływania na spin elektronu. Możliwość przechowywania bitów w pojedynczym atomie zwiększyłaby tysiące razy pojemność obecnych układów pamięci. Do tego jeszcze bardzo długa droga. Otte mówi, że w tej chwili głównym osiągnięciem, z którego naukowcy się bardzo cieszą, jest możliwość kontrolowania pojedynczych atomów oraz elektronów krążących wokół nich. « powrót do artykułu

Gdy naukowcy z fińskiego Uniwersytetu Aalto po raz pierwszy zobaczyli wyniki badań nad wydajnością swoich detektorów z czarnego krzemu, sądzili, że to pomyłka. Trudno im bowiem było uwierzyć nie tylko w to, że stworzyli pierwsze urządzenie fotowoltaiczne, które przekroczyło limit 100% zewnętrznej wydajności kwantowej, ale i w to, że wydajność ta od razu sięgnęła 130%. Dotychczas uważano, że 100% stanowi nieprzekraczalne teoretyczne maksimum. Gdy to zobaczyliśmy nie mogliśmy uwierzyć. Od razu stwierdziliśmy, że musimy zweryfikować uzyskany wynik za pomocą niezależnych pomiarów, mówi profesor Hele Savin. Niezależne pomiary przeprowadził Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), niemiecki narodowy instytut metrologiczny, najbardziej wiarygodna w tym zakresie instytucja w UE. Obok amerykańskiego NIST i brytyjskiego NPL stanowi on ścisłą światową czołówkę w dziedzinie metrologii. Dyrektor Laboratorium Radiometrii PTB, doktor Lutz Werner stwierdził, że gdy tylko zobaczyłem wyniki pomiarów, zdałem sobie sprawę, że mamy tutaj do czynienia z olbrzymim przełomem. Zewnętrzna wydajność kwantowa urządzenia wynosząca 100% oznacza, że 1 foton wpadający do urządzenia, przyczynia się do powstania 1 elektronu w zewnętrznym obwodzie. Zatem wydajność 130% to nic innego, jak generowanie przez 1 foton około 1,3 elektronu. Analiza wykazała, że ta wyjątkowo wysoka zewnętrzna wydajność kwantowa bierze się z procesu multiplikacji zachodzącego wewnątrz nanostruktur krzemu. Proces ten uruchamiany jest obecnością wysoko energetycznego fotonu. Dotychczas zjawiska takiego nie zaobserwowano, gdyż w urządzeniach dochodziło do dużych strat zarówno fotonów jak i elektronów. Jesteśmy w stanie zebrać wszystkie zwielokrotnione nośniki ładunku, gdyż nasze urządzenie nie wywołuje strat powodowanych przez rekombinację i odbicia, mówi profesor Savin. Odkrycie to oznacza, że możliwe jest znakomite zwiększenie wydajności każdego urządzenia, którego praca polega na wykrywaniu obecności fotonu. Takie urządzenia obecne są dosłownie wszędzie, w przemyśle samochodowym, w telefonach komórkowych czy w urządzeniach medycznych. Opracowane przez Finów detektory w czarnego krzemu już spotkały się z olbrzymim zainteresowaniem ze strony przemysłu, szczególnie biotechnologicznego oraz specjalizującego się w monitorowaniu procesów produkcyjnych. « powrót do artykułu

Inżynierowe z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) w Sydney uzyskali sztuczne atomy w krzemowych kropkach kwantowych. Były one bardziej stabilne niż atomy naturalne, zatem poprawiały stabilność całego układ kwantowego. Profesor Andew Dzurak wyjaśnia, że sztuczne atomy nie posiadał y jądra, ale miały elektrony krążące wokół centrum urządzenia. Pomysł na stworzenie sztucznych atomów z elektronów nie jest niczym nowym. Teoretycznie zaproponowano je już w latach 30. ubiegłego wieku, a w latach 90. udało się je uzyskać, chociaż nie na krzemie. My po raz pierwszy wytworzyliśmy proste atomy na krzemie w roku 2013. Jednak naszym najważniejszym osiągnięciem jest uzyskanie sztucznych atomów z większą liczbą elektronów niż wcześniej było możliwe, co oznacza, że będzie można takie atomy wykorzystać do wiarygodnych obliczeń w komputerach kwantowych. To bardzo ważne, gdyż kubity bazujące na jednym elektronie są bardzo zawodne. Jak wyjaśnia profesor Dzurak okazało się, że gdy stworzymy sztuczne atomy w naszych kwantowych obwodach, one również mają dobrze zorganizowane w sposób przewidywalny powłoki elektronowe, podobnie jak naturalne atomy. Profesor Dzurak wraz z zespołem skonfigurowali kwantowe urządzenia tak, by przetestować stabilność elektronów w sztucznym atomie. Wykorzystali napięcie elektryczne, by przyciągnąć elektrony i stworzyć z nich kwantową kropkę o średnicy około 10 nanometrów. W miarę jak powoli zwiększaliśmy napięcie, przyciągaliśmy kolejne elektrony i tak, jeden po drugim, tworzyliśmy z nich sztuczny atom w kwantowej kropce, wyjaśnia doktor Andre Saraiva, który odpowiadał za teoretyczną stronę badań. W prawdziwym atomie w środku mamy ładunek dodatni, czyli jądro, wokół którego na trójwymiarowych orbitach krążą elektrony o ładunku ujemnym. W naszym przypadku nie mieliśmy dodatnio naładowanego jądra, a ładunek dodatni pochodził z elektrody oddzielonej od krzemu warstwą tlenku krzemu oraz elektrony zawieszone pod nią. Każdy z nich krąży wokół centrum kwantowej kropki. Nie tworzą tam sfery, ale raczej płaski dysk. Naukowców interesowało szczególnie, co się stanie, gdy do istniejących elektronów doda się kolejny, który zajmie najbardziej zewnętrzną powłokę. Okazało się, że taki elektron może zostać użyty w roli kubitu. Dotychczas niedoskonałości krzemu na poziomie atomowym zaburzały zachowania kubitów, prowadząc do niestabilności i błędów. Wydaje się jednak, że elektrony znajdujące się na wewnętrznych powłokach działają jak „podkład” na niedoskonałym podłożu, zapewniając stabilność elektronu na zewnętrznej powłoce, wyjaśniają. Profesor Dzurak dodaje, że wartość kubitu została zakodowana w spinie elektronu. Gdy elektrony, czy to w sztucznym czy w naturalnym atomie, utworzą powłokę, ustawiają swoje spiny w przeciwnych kierunkach, więc spin całości wynosi 0 i jest ona la nas nieprzydatna. gdy jednak dodamy nowy elektron na nowej powłoce, zyskujemy nową spin, który możemy wykorzystać jako kubit. Wykazaliśmy, ze jesteśmy w stanie kontrolować spin elektronów na zewnętrznych powłokach, zyskując w ten sposób stabilne wiarygodne kubity. To bardzo ważne, gdyż to oznacza, że możemy teraz pracować z mniej delikatnymi kubitami. Pojedynczy elektron jest niezwykle delikatny. Ale sztuczny atom z 5 czy 13 elektronami jest znacznie bardziej odporny. Zespół profesora Dzuraka był pierwszym, który już w 2015 roku zaprezentował kwantową bramkę logiczną na krzemie. Wcześniej, również jako pierwsi, uzyskali kubit na krzemie. W ubiegłym zaś roku jako pierwsi zmierzyli dokładność dwukubitowych operacji logicznych na krzemie. « powrót do artykułu

Materiały topologiczne, które wykazują egzotyczne, odporne na defekty, właściwości, mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w elektronice, optyce czy informatyce kwantowej. Opanowanie ich masowej produkcji przyniesie rewolucję na wielu polach. Obecnie naukowcy intensywnie badają kilkanaście takich materiałów znanych jako izolatory topologiczne. To materiały, których powierzchnia powinna przenosić ładunki elektryczne niemal bez żadnych oporów, jednak całość ma działać w znacznie wyższych temperaturach niż nadprzewodniki. Jednocześnie wnętrze izolatorów topologicznych nie przewodzi elektryczności. Specjaliści z Princeton University poinformowali właśnie o odkryciu najbardziej wytrzymałego izolatora topologicznego. To cienki kryształ o strukturze podobnej do DNA czy też spiralnych schodów. Odkrywcy nazwali go topologicznym kryształem chiralnym. Podczas naszych ostatnich prac udowodniliśmy, że istnieje nowy stan materii kwantowej, który jednocześnie ma niemal idealne właściwości powierzchni topologicznej, będące konsekwencją chiralności struktury krystalicznej, mówi profesor M. Zahid Hasan, jeden z pionierów badań nad materiałami topologicznymi. W nowym materiale właściwość, która definiuje przewodnictwo topologiczne, które jest powiązane z przewodnictwem elektrycznym powierzchni materiału, jest około 100-krotnie większa niż w dotychczas znanych metalach topologicznych. Właściwość ta, zwana surface Fermi arc (powierzchniowy łuk Fermiego?) została określona za pomocą spektroskopii fotoemisyjnej w synchrotronie Advanced Light Source (ALS). Po ponad 12 latach badań nad fizyką topologiczną i materiałami, sądzę, że ujrzeliśmy dopiero wierzchołek góry lodowej. Z naszych pomiarów wynika, że mamy tu do czynienia z najbardziej solidnym topologicznie chronionym przewodnikiem odkrytym do tej pory. To otwiera zupełnie nowe możliwości, mówi profesor Hasan. Pojęcie „topologicznie chroniony” oznacza, że niektóre z właściwości materiału pozostają niezmienne, nawet jeśli materiał nie jest doskonały. Będzie miało to olbrzymie znacznie w przyszłości, gdy będziemy chcieli na masową skalę wytwarzać materiały o świetnych właściwościach. Ilya Belopolski, naukowiec z Princeton University, który bierze udział zarówno w teoretycznych jak i eksperymentalnych badaniach izolatorów topologicznych zauważa inną, szczególnie interesującą właściwość badanych właśnie kryształów kobaltowo-krzemowych i rodowo-krzemowych – pod wpływem światła wytwarzają one prąd elektryczny o stałej sile. Nasze wcześniej opracowane teorie wykazały, że prąd ten powinien mieć niezmienne konkretne wartości. Nieważne, jakie rozmiary ma próbka lub czy jest zanieczyszczona, wartości te są uniwersalne. To coś niezwykłego, oznacza bowiem, że w praktycznych zastosowaniach wydajność materiału zawsze będzie taka sama, wyjaśnia uczony. Przed czterema laty informowaliśmy, że międzynarodowy zespół naukowy pracujący pod kierunkiem profesora Hasana odkrył fermiony Weyla, których istnienie przewidziano w 1929 roku. Fermiony, odkryte w syntetycznym krysztale tantalu, mają podobne właściwości elektroniczne, co kryształy będące obiektem najnowszych badań grupy Hasana, z wyjątkiem jednak chiralności. Nasze wcześniejsze badania nad półmetalami Weyla przetarło nam szlak do badań nad egzotycznymi przewodnikami topologicznymi, wyjaśnia Hasan. W listopadzie 2017 roku zespół Hasana podczas badań teoretycznych stwierdził, że elektrony w krysztale rodowo-krzemowym i innych podobnych materiałach będą zachowywały się w niespotykany sposób. Uczeni przewidywali wówczas, że kwazicząstki w takich materiałach mają właściwości elektronów pozbawionych masy i powinny zachowywać się jak spowolnione trójwymiarowe cząstki światła o  określonej chiralności. Z kolei obliczenia opublikowane na łamach Nature Materials przez Hasana i jego grupę w październiku 2018 roku wykazały, że elektrony w takich kryształach zachowują się kolektywnie jakby były magnetycznymi monopolami. Wszystkie te niezwykłe właściwości są wynikiem chiralnej struktury kryształu. Kryształy, które obecnie bada Hasan i jego koledzy, mają do kilku milimetrów długości i zostały przygotowane przez różne międzynarodowe laboratoria. Uczeni najpierw dokładnie je opisali podczas badań prowadzonych na specjalistycznym sprzęcie w Laboratory for Topological Quantum Matter and Advanced Spectroscopy na Princeton University, a następnie kryształy przetransportowano do Berkeley Lab celem dalszych badań. Tam najpierw zostały poddane specjalnym technikom polerowania w Molecular Foundry. Zwykle na potrzeby takich badań kryształy są łamane tak, by miały grubość liczoną w atomach. Jednak obecnie badane kryształy są niezwykle wytrzymałe. Dlatego też w Molecular Foundry musiano ostrzeliwać je wysoko energetycznymi atomami argonu, co pozwoliło oczyścić i spłaszczyć próbki, a następnie poddano je ponownej krystalizacji i polerowaniu. Dotychczasowe badania wykazały, że zachowanie elektronów w tych kryształach jest ściśle powiązane z chiralnością ich struktury. Dlatego też profesor Hasan uważa, że istnieją jeszcze inne sposoby badań takich materiałów. To może prowadzić do powstania nowych rodzajów nadprzewodników lub badania nowych zjawisk kwantowych, mówi Hasan. Uczony zastanawia się nawet, czy możliwe jest uzyskanie chiralnego topologicznego nadprzewodnika. Dodaje, że co prawda właściwości topologiczne, które wraz z zespołem może obserwować w kryształach rodowo-krzemowych i kobaltowo-krzemowych są uznawane z idealne, jednak nie można wykluczyć, że w wielu innych materiałach byłyby one jeszcze lepsze. Okazuje się, że te zjawiska fizyczne można będzie uzyskać w przyszłości w innych materiałach, które lepiej będą pasowały do naszych potrzeb, stwierdza profesor Hasan. « powrót do artykułu