Znajdź zawartość

Na Uniwersytecie Tokijskim powstał kondensat Bosego-Einsteina zbudowany z kwazicząstek. Kwazicząstki nie są cząstkami elementarnymi, ale posiadają niektóre z ich cech, jak ładunek czy spin. Przez dziesięciolecia nie było wiadomo, czy kwazicząstki mogą utworzyć kondensat Bosego-Einsteina tak, jak czynią to cząstki. Japońscy naukowcy dowiedli, że mogą, a ich odkrycie może mieć duży wpływ na rozwój technologii kwantowych. Kondensaty Bosego-Eisteina są czasem opisywane jako piąty – obok ciał stałych, cieczy, gazów i plazm – stan materii. Ich istnienie zostało przewidziane na początku XX wieku. Pierwszy kondensat uzyskano w 1995 roku. Kondensat Bosego-Einsteina pojawia się, gdy grupa atomów zostanie schłodzona do temperatury o miliardowe części stopnia wyższe od zera absolutnego. Naukowcy zwykle wykorzystują lasery i pułapki magnetyczne do stopniowego chłodzenia gazu, zwykle atomów rubidu. W niezwykle niskich temperaturach atomy niemal się nie poruszają i wykazują zadziwiające zachowania. Znajdują się w tym samym stanie kwantowym i zaczynają „sklejać się” ze sobą, zajmując tę samą przestrzeń, tworząc „superatom” zachowujący się jak pojedyncza cząstka. Dotychczas kondensaty Bosego-Einsteina uzyskiwano ze zwykłych atomów. Japończycy stworzyli kondensat z atomów egzotycznych, czyli takich, w których jedną cząstkę subatomową – np. elektron czy proton – zastąpiono inną cząstką subatomową o takim samym ładunku. Na przykład pozytonium to atom egzotyczny zbudowany z elektronu i pozytonu. Innym takim przykładem może być ekscyton. Gdy światło trafia w półprzewodnik, prowadzi to do pobudzenia elektronów, pojawia się ich swobodny przepływ, w ten sposób zamieniamy energię światła w energię elektryczną. Miejsce opuszczone przez wzbudzony elektron to dziura, którą można traktować jak cząstkę o ładunku dodatnim. Przyciąga ona elektron o ładunku ujemnym, tworząc parę dziura-elektron. W ten sposób powstaje kwazicząstka zwana ekscytonem. Możemy traktować ją jak atom egzotyczny, a konkretnie atom wodoru, w którym proton został zastąpiony przez dziurę. Japończycy uwięzili ekscytony – a konkretne paraekscytony, czyli ekscytony o spinach antyrównoległych – w tlenku miedzi (Cu2O), który schłodzili do 400 mK. Następnie wizualizowali powstały w ten sposób kondensat Bosego-Einsteina i określili różnice i podobieństwa między kondensatem uzyskanym z ekscytonów, a standardowym kondensatem atomowym. Uczeni już zapowiadają, że zajmą się badaniami dynamiki formowania kondensatu Bosego-Einsteina w półprzewodnikach i badaniami kolektywnego wzbudzenia ekscytonów w kondensacie. Ich celem jest stworzenie platformy do badań kondensatu z ekscytonów. « powrót do artykułu

Fizycy donoszą o zdobyciu pierwszego bezsprzecznego dowodu na istnienie anyonów, cząstek, których istnienie zostało zaproponowane przed ponad 40 laty. Anyony to kwazicząstki, które nie są ani fermionami, ani bozonami zatem podlegają statystyce innej niż statystyka Fermiego-Diraca i Bosego-Einsteina. Anyony mogą istnieć w przestrzeni dwuwymiarowej. Odkrycie, którego dokonano za pomocą elektronicznego urządzenia 2D, może być pierwszym krokiem na drodze wykorzystania anyonów w przyszłych komputerach kwantowych. Wszystkie cząstki elementarne są albo fermionami albo bozonami. Anyony nie należą do żadnej z tych kategorii. Fermiony są definiowane przez statystykę Fermiego-Diraca. Gdy dwa identyczne fermiony zamieniają się miejscem w przestrzeni ich funkcja falowa zmienia pozycję o 180 stopni. W przypadku zaś bozonów, definiowanych przez statystykę Bosego-Einsteina, nie dochodzi w takim przypadku do zmiany funkcji falowej. Innymi słowy, cząstki o spinach połówkowych (fermiony) dążą do pozostawania osobno od siebie, natomiast cząstki o spinach całkowitych (bozony) dążą do gromadzenia się. Anyony znajdują się gdzieś po środku. Zmiana pozycji anyonów powinna doprowadzić do zmiany funkcji falowej o kąt pośredni. Podlegają one statystyce cząstkowej. Jeśli jedna kwazicząstka wykona pełen obrót wokół drugiej, co jest odpowiednikiem dwukrotnej zamiany pozycji pomiędzy nimi, informacja o tym ruchu zostanie zachowana w stanie kwantowym cząstki. I to właśnie ten zapamiętany stan jest jedną z cech charakterystycznych statystyki cząstkowej, której poszukiwali obecnie naukowcy, by potwierdzić istnienie anyonów. Fizyk eksperymentalny Michael Manfra i jego zespół z Purdue University, stworzyli strukturę złożoną z cienkich warstw arsenku galu i arsenku aluminiowo-galowego. Struktura taka wymusza ruch elektronów w dwóch wymiarach. Urządzenie zostało schłodzone do 1/10 000 stopnia powyżej zera absolutnego i poddano je działaniu silnego pola magnetycznego. W ten sposób pojawił się tzw. izolator cząstkowego kwantowego efektu Halla. W izolatorze takim prąd elektryczny nie może przemieszczać się w wewnątrz urządzenia, a wyłącznie po jego krawędziach. Urządzenie może przechowywać kwazicząstki, których ładunek elektryczny nie jest wielokrotnością ładunku elektronów. Naukowcy podejrzewali, że kwazicząstki te to właśnie anyony. By udowodnić, że istotnie mają do czynienia z anyonami, uczeni połączyli swoje urządzenie do elektrod w ten sposób, że ładunki mogły przepływać tylko po krawędziach. Właściwości urządzenia były dobierane za pomocą pola magnetycznego i elektrycznego. Spodziewano się, że manipulacja tymi polami albo zniszczy ani utworzy anyony wewnątrz urządzenia i spowoduje, że anyony będą przemieszczały się pomiędzy elektrodami. Jako, że poruszające się anyony mogą poruszać się dwiema możliwymi ścieżkami, a każda z nich powoduje pojawienie się innego skrętu ich fal, gdy anyony docierają do celu dochodzi do interferencji i pojawienia się wzorca określanego jako paski na piżamie. Wzorzec ten pokazywał relatywną wartość skrętu fal anyonów pomiędzy obiema ścieżkami i był zależny od zmian napięcia i siły pola magnetycznego. Ostatecznym dowodem zaś były wyraźnie widoczne przeskoki, świadczące o znikaniu i pojawianiu się anyonów w urządzeniu. Zespół Manfry nie jest jedynym, który przedstawił dowody na istnienie statystyki cząstkowej, zatem na istnienie anyonów. Jednak w wielu poprzednich przypadkach uzyskane wyniki dawało się wytłumaczyć również w inny sposób, mówi Bernard Rosenow, fizyk-teoretyk z Uniwersytetu w Lipsku specjalizujący się w badaniu materii skontensowanej. Tymczasem, jak sam przyznaje, nie znam innego wyjaśnienia dla wyników uzyskanych przez Manfrę, jak interpretacji mówiącej o statystyce cząstkowej. Jeśli więc inny zespół potwierdzi obserwacje Manfry i jego kolegów, będziemy mogli mówić o odkryciu anyonów. Anyony zaś mogą posłużyć do budowy komputerów kwantowych. Już zresztą istnieją teorie opisujące takie maszyny. W parach kwazicząstek można zapisać informacje o tym, jak krążyły one wokół siebie. Jako, że statystyka cząstkowa jest topologiczna, zależy od liczby okrążeń, jakie jeden anyon wykonał wokół drugiego, a nie od niewielkich zmian trajektorii, jest odporna na niewielkie zakłócenia. Ta odporność zaś może spowodować, że topologiczne komputery kwantowe będą łatwiejsze do skalowania niż obecnie wykorzystywane technologie komputerów kwantowych, które są bardzo podatne na błędy. Microsoft, dla którego zresztą Manfra pracuje jako zewnętrzny konsultant, jest jedyną firmą pracującą obecnie nad topologicznymi komputerami kwantowymi. Inni giganci, jak IBM, Intel Google i Honeywell, udoskonalają inne technologie. Jednak do wykorzystania anyonów w komputerach kwantowych jest jeszcze daleka droga. Obecne odkrycie jest ważniejsze z punktu widzenia fizyki niż informatyki kwantowej. Dla mnie, jako teoretyka zajmującego się materią skondensowaną, kwazicząstki są równie fascynujące i egzotyczne jak bozon Higgsa, mówi Rosenow. Ze szczegółami pracy Manfry i jego zespołu można zapoznać się na łamach arXiv. « powrót do artykułu

Fizyka zna różne typy cząstek. Mamy więc cząstki elementarne, które stanową podstawowy budulec tego, co nas otacza. Są też takie cząstki jak np. atomy, składające się w wielu mniejszych elementów. Są wreszcie i kwazicząstki, czyli wzbudzenia systemów składających się z wielu elementów, które zachowują się jak cząstki. Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu odkryli właśnie π-ton, kwazicząstkę składającą się z dwóch elektronów, dwóch dziur i światła. Najprostszą kwazicząstką jest dziura. Wyobraźmy sobie, że wiele atomów jest ułożonych w regularny wzór w krysztale i w każdym atomie jest poruszający się elektron. Tylko w jednym atomie brakuje elektronu. To właśnie jest dziura, wyjaśnia profesor Karsten Held z Instytutu Fizyki Ciała Stałego. W miejsce brakującego elektronu może przejść elektron z sąsiadującego atomu. Wówczas dziura zostanie zamknięta, ale pojawi się inne, w atomie, z którego przywędrował elektron. Naukowcom łatwiej jest w takich przypadkach badać nie ruch elektronów, a dziur. Jeśli elektrony poruszają się w prawo, dziura porusza się w lewo. Jej ruch podlega prawom fizyki, podobnie jak ruch cząstek. Jednak, w przeciwieństwie do elektronu, który można obserwować również poza naszym kryształem, dziura istnieje jedynie w odniesieniu do innych cząstek. Dlatego też mówimy tutaj o kwazicząstce. Jednak, jak dodaje Karsten Held, granica pomiędzy cząstkami a kwazicząstkami nie jest ostra. Zwykłe cząstki też mogą być rozumiane jedynie w kontekście ich otoczenia. Nawet w próżni bez przerwy dochodzi, na bardzo krótki czas, do wzbudzeń par cząstka-dziura. Bez tego masa elektronu byłaby zupełnie inne. Innymi słowy, nawet gdy eksperymentujemy ze zwykłymi elektronami, tak naprawdę obserwujemy elektron będący kwazicząstką. Jeszcze inną kwazicząstką jest ekscyton, który odgrywa ważną rolę w fizyce półprzewodników. Składa się ona z elektronu, który ma ładunek ujemny, oraz z dziury, będącej nieobecnością ładunku ujemnego, ma ona zatem ładunek dodatni. Badaliśmy takie właśnie ekscytony. Stworzyliśmy model komputerowy do obliczeń kwantowych efektów fizycznych, jakie wywierają one w ciałach stałych, mówią główne autorki badań doktor Anna Kauch i doktor Petra Pudleiner. Ich obliczenia wskazały na istnienie nowej kwazicząstki, która składa się z dwóch elektronów i dwóch dziur połączonych za pomocą fotonów. Odkrywcy nazwali nową cząstkę π-tonem. Nazwa π-ton wzięła się stąd, że dwa elektrony i dwie dziury są utrzymywane razem przez fluktuacje spinu, które zawsze zmieniają się o 180 stopni pomiędzy jednym punkcie w sieci krystalicznej, a drugim. Zatem zmieniają się o π radianów. Tę ciągłą zmianę możemy wyobrazić sobie jak przechodzenie na szachownicy z pól ciemnych na jasne, mówią odkrywczynie π-tonu. Na razie π-ton został potwierdzony i zweryfikowany za pomocą komputera. Zbadaliśmy π-ton za pomocą różnych modeli komputerowych. Pojawiał się on w każdym z nich. Powinno być zatem możliwe jego wykrycie w różnych materiałach. Niektóre eksperymenty przeprowadzone z tytanianem samaru wydają się wskazywać na istnienie π-tonu. Dodatkowe badania z wykorzystaniem fotonów i neutronów powinny dać nam jaśniejszy obraz sytuacji, dodaje Karsten Held. O nowej kwazicząstce możemy przeczytać na łamach Physical Review Letters. « powrót do artykułu