Znajdź zawartość

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

Polsko-włoska grupa badawcza wykazała, że w polarytonowych płynach światła można uzyskać tzw. długie złącze Josephsona - czyli specjalny, dynamiczny stan cieczy kwantowej. Badania te stanowią również ważny krok na drodze do zastosowań płynów światła w praktyce. Nadprzewodnictwo i nadciekłość oraz związane z nimi zjawisko kondensacji Bosego-Einsteina to rzadko spotykane na co dzień demonstracje fizyki kwantowej, które daje się zaobserwować w skali większej od rozmiaru pojedynczych cząsteczek. Jedną z ich konsekwencji jest tzw. efekt Josephsona, który występuje na granicy dwóch ośrodków nadprzewodzących oddzielonych np. barierą w postaci cienkiej warstwy izolatora. Efekt ten ma dzisiaj zastosowania praktyczne: jest wykorzystywany m.in. w precyzyjnych magnetometrach (ang. SQUID), które są integralnym składnikiem medycznych skanerów wykorzystujących metodę ultraczułego rezonansu magnetycznego do obrazowania tkanek (ang. MRI). Wykorzystanie efektu Josephsona napotyka jednak na ograniczenia w postaci konieczności chłodzenia układu pomiarowego do temperatur kriogenicznych - to znacznie zwiększa koszt i stopień komplikacji takich urządzeń. Zainspirowało to grupę badawczą, w której znaleźli się m.in. naukowcy z IF PAN - do poszukiwania systemów, w których nadciekłość i analogiczne efekty kwantowe można by zrealizować w temperaturze pokojowej. W ostatniej dekadzie rozwój badań nanomateriałów zrodził koncepcję nowego stanu fizycznego, nazywanego kwantowym płynem światła (ang. fluid of light). Stanowi on wynik oddziaływania materii i światła i jest zazwyczaj uzyskiwany w optoelektronicznych strukturach półprzewodnikowych, w których nie tylko elektrony, ale również światło (fotony) jest zlokalizowane wewnątrz struktury - co prowadzi do ich wzajemnego sprzężenia i utraty jednoznacznej tożsamości światła i materii. Taki właśnie płyn światła ma wówczas własności analogiczne do stanów nadciekłych i nadprzewodzących. Płyny światła uzyskuje się w szczególności w przypadku quasi cząstek (wzbudzeń elementarnych w krysztale) zwanych polarytonami ekscytonowymi. Powstają one w półprzewodnikach o specjalnie zaprojektowanej strukturze, na skutek oddziaływania światła z ekscytonami - czyli parami cząstek złożonymi z elektronu i "dziury". Takie polarytony są kwantowymi quasi cząstkami, które zachowują się jak słynny "kot Schrödingera". Ich stan kwantowy zawiera dwie alternatywy: "kota żywego" - gdy ekscyton istnieje, lub "kota martwego" - gdy zamiast ekscytonu w układzie znajduje się jedynie foton. Dzięki ich specyficznym własnościom możliwe jest zaobserwowanie w cieczy polarytonowej kondensacji Bosego-Einsteina i nadciekłości nawet w temperaturze pokojowej. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Photonics badacze z IF PAN we współpracy z grupą doświadczalną z instytutu CNR Nanotec w Lecce we Włoszech pokazali, że w polarytonowych płynach światła możliwe jest uzyskanie także specjalnego, dynamicznego stanu cieczy kwantowej zwanego długim złączem Josephsona. Złącze takie charakteryzuje się rozmiarem przewyższającym wielokrotnie charakterystyczną skalę długości, odpowiadającą międzyatomowym oddziaływaniom w układzie kwantowym. Dzięki temu możliwe stało się zademonstrowanie przez autorów zjawiska wirów Josephsona, które w odróżnieniu od wirów klasycznych, charakteryzują się skwantowanym momentem pędu. Ich "wirowość" jest zawsze wielokrotnością pewnej stałej wartości. Dlatego też, ze względu na możliwość zakodowania informacji za pomocą skwantowanej wirowości, wiry cieczy stały się obiecującym kandydatem do zastosowań w komputerach kwantowych. Przedstawione badania stanowią również ważny krok na drodze do zastosowań płynów światła w praktyce, np. w interferometrach SQUID. Dzięki zastosowaniu technologii półprzewodnikowej - a zwłaszcza możliwości obserwacji zjawisk w temperaturze pokojowej - nowa technologia powinna przyczynić się do znacznego obniżenia kosztów urządzeń, a także opracowania nowych zastosowań, gdzie czułość pomiarów ma istotne znaczenie. « powrót do artykułu