Znajdź zawartość
Wyświetlanie wyników dla tagów 'elektron' .
Znaleziono 42 wyników
-
Po raz pierwszy udało się zrekonstruować w laboratorium falową naturę elektronu, jego funkcję falową Blocha. Dokonali tego naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB), a ich praca może znaleźć zastosowanie w projektowaniu kolejnych generacji urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych. Elektrony zachowują się jednocześnie jak cząstki oraz jak fala. Ich falowa natura opisywane jest przez naukowców za pomocą obiektów matematycznych zwanych funkcjami falowymi. Funkcje te zawierają zarówno składowe rzeczywiste, jak i urojone. Z tego też powodu funkcji falowej Blocha elektronu nie można bezpośrednio zmierzyć. Można jednak obserwować powiązane z nią właściwości. Fizycy od dawna próbują zrozumieć, w jaki sposób falowa natura elektronów poruszających się przez sieć krystaliczną atomów, nadaje tej sieci właściwości elektroniczne i optyczne. Zrozumienie tego zjawiska pozwoli nam projektowanie urządzeń lepiej wykorzystujących falową naturę elektronu. Naukowcy z Santa Barbara wykorzystali silny laser na swobodnych elektronach, który posłuży im do uzyskanie oscylującego pola elektrycznego w półprzewodniku, arsenu galu. Jednocześnie za pomocą lasera podczerwonego o niskiej częstotliwości wzbudzali jego elektrony. Wzbudzone elektrony pozostawiały po sobie „dziury” o ładunku dodatnim. Jak wyjaśnia Mark Sherwin, w arsenku galu dziury te występują w dwóch odmianach – lekkiej i ciężkiej – i zachowują się jak cząstki o różnych masach. Para elektron-dziura tworzy kwazicząstkę zwaną ekscytonem. Fizycy z UCSB odkryli, że jeśli utworzy się elektrony i dziury w odpowiednim momencie oscylacji pola elektrycznego, to oba elementy składowe ekscytonów najpierw oddalają się od siebie, następnie zwalniają, zatrzymują się, zaczynają przyspieszać w swoim kierunku, dochodzi do ich zderzenia i rekombinacji. W czasie rekombinacji emitują impuls światła – zwany wstęgą boczną – o charakterystycznej energii. Emisja ta zawiera informacje o funkcji falowej elektronów, w tym o ich fazach. Jako, że światło i ciężkie dziury przyspieszają w różnym tempie w polu elektrycznym ich funkcje falowe Blocha mają różne fazy przed rekombinacją z elektronami. Dzięki tej różnicy fazy dochodzi do interferencji ich funkcji falowych i emisji, którą można mierzyć. Interferencja ta determinuje też polaryzację wstęgi bocznej. Może ona być kołowa lub eliptyczna. Autorzy eksperymentu zapewniają, że sam prosty stosunek pomiędzy interferencją a polaryzacją, który można zmierzyć, jest wystarczającym warunkiem łączącym teorię mechaniki kwantowej ze zjawiskami zachodzącymi w rzeczywistości. Ten jeden parametr w pełni opisuje funkcję falową Blocha dziury uzyskanej w arsenku galu. Uzyskujemy tę wartość mierząc polaryzację wstęgi bocznej, a następnie rekonstruując funkcję falową, która może się różnić w zależności od kąta propagacji dziury w krysztale, dodaje Seamus O'Hara. Do czego takie badania mogą się przydać? Dotychczas naukowcy musieli polegać na teoriach zawierających wiele słabo poznanych elementów. Skoro teraz możemy dokładnie zrekonstruować funkcję falową Blocha dla różnych materiałów, możemy to wykorzystać przy projektowaniu i budowie laserów, czujników i niektórych elementów komputerów kwantowych, wyjaśniają naukowcy. « powrót do artykułu -
Rozwiązaniem problemu pomiędzy szybkością działania komputerów kwantowych a koherencją kubitów może być zastosowanie dziur, twierdzą australijscy naukowcy. To zaś może prowadzić do powstania kubitów nadających się do zastosowania w minikomputerach kwantowych. Jedną z metod stworzenia kubitu – kwantowego bitu – jest wykorzystanie spinu elektronu. Aby uczynić komputer kwantowy tak szybkim, jak to tylko możliwe, chcielibyśmy mieć możliwość manipulowania spinami wyłącznie za pomocą pola elektrycznego, dostarczanego za pomocą standardowych elektrod. Zwykle spiny nie reagują na pole elektryczne, jednak z niektórych materiałach spiny wchodzi w niebezpośrednie interakcje z polem elektrycznym. Mamy tutaj do czynienia z tzw. sprzężeniem spinowo-orbitalnym. Eksperci zajmujący się tym tematem obawiają się jednak, że gdy taka interakcja jest zbyt silna, wszelkie korzyści z tego zjawiska zostaną utracone, gdyż dojdzie do dekoherencji i utraty kwantowej informacji. Jeśli elektrony zaczynają wchodzić w interakcje z polami kwantowymi, które im aplikujemy w laboratorium, są też wystawione na niepożądane zmienne pola elektryczne, które istnieją w każdym materiale. Potocznie nazywamy to „szumem”. Ten szum może zniszczyć delikatną informację kwantową, mówi główny autor badań, profesor Dimi Culcer z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii. Nasze badania pokazują jednak, że takie obawy są nieuzasadnione. Nasze teoretyczne badania wykazały, że problem można rozwiązać wykorzystując dziury – które można opisać jako brak elektronu – zachowujące się jak elektrony z ładunkiem dodatnim, wyjaśnia uczony. Dzięki wykorzystaniu dziur kwantowy bit może być odporny na fluktuacje pochodzące z tła. Co więcej, okazało się, że punkt, w którym kubit jest najmniej wrażliwy na taki szum, jest jednocześnie punktem, w którym działa on najszybciej. Z naszych badań wynika, że w każdym kwantowym bicie utworzonym z dziur istnieje taki punkt. Stanowi to podstawę do przeprowadzenia odpowiednich eksperymentów laboratoryjnych, dodaje profesor Culcer. Jeśli w laboratorium uda się osiągnąć te punkty, będzie można rozpocząć eksperymenty z utrzymywaniem kubitów najdłużej jak to możliwe. Będzie to też stanowiło punkt wyjścia do skalowania kubitów tak, by można było je stosować w minikomputerach. Wiele wskazuje na to, że takie eksperymenty mogą zakończyć się powodzeniem. Profesor Joe Salfi z University of British Columbia przypomina bowiem: Nasze niedawne eksperymenty z kubitami utworzonymi z dziur wykazały, że w ich wypadku czas koherencji jest dłuższy, niż się spodziewaliśmy. Teraz widzimy, że nasze obserwacje mają solidne podstawy teoretyczne. To bardzo dobry prognostyk na przyszłość. Praca Australijczyków została opublikowana na łamach npj Quantum Information. « powrót do artykułu
-
Znajdujący się na Biegunie Południowym wielki detektor neutrin IceCube zarejestrował wysokoenergetyczne wydarzenie, które potwierdziło istnienie zjawiska przewidzianego przed 60 laty i wzmocniło Model Standardowy. Wydarzenie to zostało wywołane przez cząstkę antymaterii o energii 1000-krotnie większej niż cząstki wytwarzane w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Ponad 4 lata temu, 8 grudnia 2016 roku wysokoenergetyczne antyneutrino elektronowe wpadło z olbrzymią prędkością w pokrywę lodową Antarktydy. Jego energia wynosiła gigantyczne 6,3 petaelektronowoltów (PeV). Głęboko w lodzie zderzyło się ono z elektronem, doprowadzając do pojawienia się cząstki, która szybko rozpadła się na cały deszcz cząstek. Ten zaś został zarejestrowany przez czujniki IceCube Neutrino Observatory. IcCube wykrył rezonans Glashowa, zjawisko, które w 1960 roku przewidział późniejszy laureat Nagrody Nobla, Sheldon Glashow. Pracujący wówczas w Instytucie Nielsa Bohra w Kopenhadze naukowiec opublikował pracę, w której stwierdził, że antyneutrino o odpowiedniej energii może wejść w interakcje z elektronem, w wyniku czego dojdzie do pojawienia się nieznanej jeszcze wówczas cząstki. Cząstką tą był odkryty w 1983 roku bozon W. Po odkryciu okazało się, że ma on znacznie większą masę, niż przewidywał Glashow. Wyliczono też, że do zaistnienia rezonansu Glashowa konieczne jest antyneutrino o energii 6,3 PeV. To niemal 1000-krotnie większa energia niż nadawana cząstkom w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Żaden obecnie działający ani obecnie planowany akcelerator nie byłby zdolny do wytworzenia tak wysokoenergetycznej cząstki. IceCube pracuje od 2011 roku. Dotychczas obserwatorium wykryło wiele wysokoenergetycznych zdarzeń, pozwoliło na przeprowadzenie niepowtarzalnych badań. Jednak zaobserwowanie rezonansu Glashowa to coś zupełnie wyjątkowego. Musimy bowiem wiedzieć, że to dopiero trzecie wykryte przez IceCube wydarzenie o energii większej niż 5 PeV. Odkrycie jest bardzo istotne dla specjalistów zajmujących się badaniem neutrin. Wcześniejsze pomiary nie dawały wystarczająco dokładnych wyników, by można było odróżnić neutrino od antyneutrina. To pierwszy bezpośredni pomiar antyneutrina w przepływających neutrinach pochodzenia astronomicznego, mówi profesor Lu Lu, jeden z autorów analizy i artykułu, który ukazał się na łamach Nature. Obecnie nie jesteśmy w stanie określić wielu właściwości astrofizycznych źródeł neutrin. Nie możemy np. zmierzyć rozmiarów akceleratora czy mocy pól magnetycznych w rejonie akceleratora. Jeśli jednak będziemy w stanie określić stosunek neutrin do antyneutrin w całym strumieniu, bo będziemy mogli badać te właściwości, dodaje analityk Tianlu Yaun z Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center. Sheldon Glashow, który obecnie jest emerytowanym profesorem fizyki na Boston University mówi, że aby być absolutnie pewnymi wyników, musimy zarejestrować kolejne takie wydarzenie o identycznej energii. Na razie mamy jedno, w przyszłości będzie ich więcej. Niedawno ogłoszono, że przez najbliższych kilka lat IceCube będzie udoskonalany, a jego kolejna wersja – IceCube-Gen2 – będzie w stanie dokonać większej liczby tego typu pomiarów. « powrót do artykułu
-
O grafenie piszemy od lat, a przed kilkunastoma miesiącami informowaliśmy o powstaniu grafanu. Teraz do rodziny dołączył trzeci jej członek - grafyn. Symulacje komputerowe przeprowadzone przez niemieckich uczonych wskazują na możliwość istnienia pojedynczej warstwy atomów węgla, które jednak nie muszą być ułożone w kształcie sześciokąta, a mogą przyjmować bardzo różne formy. Nowy materiał może być zatem znacznie bardziej elastyczny niż grafen. Jak pamiętamy, energia elektronów poruszających się w grafenie jest wprost proporcjonalna do momentu pędu. Gdy energie takich elektronów przedstawimy na trójwymiarowym wykresie otrzymamy stożek Diraca. Te unikatowe właściwości grafenu powodują, że elektrony zachowują się w nim tak, jakby nie miały masy, co pozwala im na poruszanie się z niezwykle dużą prędkością, a to może być bardzo pożądaną cechą np. w elektronice. Grafyn tym różni się od grafenu, który ma pojedyncze lub podwójne wiązania, iż tworzy podwójne i potrójne wiązania, a atomy węgla nie układają się heksagonalnie. Niemieccy uczeni, wśród nich chemik Andreas Görling z Uniwersytetu Erlangen-Nuremberg, prowadzili komputerowe symulacje trzech różnych wzorców, w jakie mogą układać się atomy węgla w grafynie i odkryli, że we wszystkich mamy do czynienia ze stożkiem Diraca. Jednak, co ważniejsze, okazało się, że jeden z badanych wzorów 6,6,12 grafyn, w którym atomy węgla charakteryzuje prostokątna symetria, przewodzi elektrony tylko w jednym kierunku. Taki materiał nie potrzebowałby domieszkowania innymi pierwiastkami, by wykazywać właściwości pożądane w elektronice. W przeszłości uzyskiwano już niewielkie skrawki grafynu. Teraz niemieckie badania dowiodły, że warto pracować nad tym materiałem i różnymi jego odmianami.
-
Zespół profesora Xaioyanga Zhu z University of Texas odkrył, iż dzięki zastosowaniu w ogniwach słonecznych plastikowego półprzewodnika można dwukrotnie zwiększyć liczbę elektronów uzyskiwanych z pojedynczego fotonu. Tym półprzewodnikiem jest policykliczny węglowodór aromatyczny, pentacen. Przed rokiem pisaliśmy, że profesor Zhu przeprowadził badania, z których wynikało, że wydajność ogniw słonecznym można będzie zwiększyć do 66%. Obecnie najbardziej wydajne urządzenia tego typu są w stanie przekształcić w prąd elektryczny około 31% energii słonecznej. Dzieje się tak, gdyż zdecydowaną większość energii stanowią tzw. gorące elektrony, których nie potrafiliśmy przechwytywać. Zhu pokazał, w jaki sposób można to zrobić. Profesor zaznaczył wówczas, że stworzenie szeroko dostępnej technologii będzie trudne, gdyż wymaga mocnego skoncentrowania promieni słonecznych na panelach, do czego z kolei konieczne jest opracowanie sposobów produkcji ogniw z nowych materiałów. Teraz zespół pod kierunkiem uczonego znalazł alternatywę. Uczeni odkryli, że możliwe jest uzyskanie dwóch elektronów z pojedynczego fotonu i ich przechwycenie. Co więcej, ich rozwiązanie nie wymagałoby koncentrowania promieni. Okazało się bowiem, że po zaabsorbowaniu fotonu przez pentacen zachodzi zjawisko MEG, o którym informowaliśmy przed kilkoma dniami, przy okazji stworzenia ogniwa słonecznego o zewnętrznej wydajności kwantowej przekraczającej 100%. Zdaniem Zhu zastosowanie pentacenu pozwoli na zwiększenie wydajności ogniw do 44%.
-
Badacze z amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) poinformowali o stworzeniu pierwszego ogniwa słonecznego, którego zewnętrzna wydajność kwantowa wynosi ponad 100%. Dla fotoprądu wartość zewnętrznej wydajności kwantowej - podawaną w procentach - wylicza się na podstawie liczby elektronów przepływających przez obwód w ciągu sekundy podzielonej przez liczbę fotonów z określonej długości fali, wpadających w ciągu sekundy do ogniwa słonecznego. Dotychczas nie istniały ogniwa, których wydajność w jakimkolwiek zakresie fali przekraczałaby 100%. Uczonym z NREL udało się osiągnąć szczytową wydajność kwantową rzędu 114%. W przyszłości może to pozwolić na zbudowanie ogniw słonecznych, z których energia będzie równie tania, lub tańsza, od energii uzyskiwanej z paliw kopalnych czy energii jądrowej. Mechanizm uzyskania wydajności większej niż 100% bazuje na procesie zwanym Multiple Exciton Generation (MEG), podczas którego pojedynczy foton o odpowiednio wysokiej energii tworzy więcej niż jedną parę elektron-dziura. W roku 2001 pracujący w NREL Arthur J. Nozik przewidział, że MEG będzie lepiej działało w półprzewodnikowych kropkach kwantowych niż w zwykłych półprzewodnikach. Pięć lat później w pracy opublikowanej wraz z Markiem Hanną Nozik stwierdził, że kropki kwantowe użyte w ogniwach słonecznych mogą zwiększyć ich wydajność o około 35% w porównaniu z innymi nowoczesnymi rozwiązaniami. Ogniwa bazujące na kropkach kwantowych nazywane się ogniwami trzeciej (lub kolejnej) generacji. Obecnie buduje się ogniwa pierwszej i drugiej generacji. Zjawisko MEG, zwane też Carrier Multiplication (CM), zostało po raz pierwszy zaprezentowane w Los Alamos National Laboratory w 2004 roku. Od tamtej chwili wiele innych ośrodków badawczych potwierdziło jego występowanie w różnych półprzewodnikach. Teraz NREL zaprezentował MEG o wartości większej niż 100%. Badań dokonano przy niskiej intensywności symulowanego światła słonecznego, a mimo to eksperymentalne ogniwo słoneczne osiągnęło wydajność konwersji energii rzędu 4,5%. To bardzo dobry wynik, biorąc pod uwagę fakt, że ogniowo nie było optymalizowane pod kątem wydajności.
-
Specjaliści z niemieckiej firmy Namlab GmbH stworzyli podstawy tranzystora polowego, który za pomocą sygnału elektrycznego można rekonfigurować tak, by działał jak tranzystor typu p lub typu n. Koncepcyjny uniwersalny tranzystor został opisany w artykule w Nano Letters. Niemcy zaprezentowali teoretyczne założenia tranzystora, jednak twierdzą, że bez najmniejszych problemów można zbudować takie urządzenie za pomocą technologii CMOS. Nowy tranzystor składa się z pojedynczego nanokabla o strukturze metal-półprzewodnik-metal, otoczonego dwutlenkiem krzemu. Elektrony i dziury przepływają ze źródła na jednym końcu nanokabla przez dwie bramki do drenu. Bramki w różny sposób kontrolują ruch elektronów i dziur. Jedna z nich decyduje o trybie pracy tranzystora wybierając, czy wykorzystuje elektrony czy dziury. Druga z nich kontroluje ich przepływ dobierając odpowiednio rezystancję. Niemcy zaprezentowali zatem całkowicie inne podejście niż spotykamy we współczesnych tranzystorach. Obecnie o tym, czy tranzystor będzie typu p czy n decyduje się na etapie produkcji za pomocą odpowiednich domieszek. Raz wybrany typ nie może już być zmieniony. W rekonfigurowalnym tranzystorze napięcie przyłożone do jednej z bramek decyduje o jego typie. Bariera Schottky’ego, która powstaje na styku metalu i półprzewodnika blokuje albo dziury, albo elektrony. Gdy zablokowane są elektrony, dziury przepływają i mamy do czynienia z tranzystorem typu p. Nieco inne napięcie spowoduje, że zablokowane zostaną dziury, a możliwy będzie ruch elektronów. Taki tranzystor może przeprowadzać operacje logiczne właściwe dla tranzystorów p i n. To z kolei oznacza, że może je zastąpić, co pozwoli na zmniejszenie liczby tranzystorów w układzie bez ograniczania jego funkcjonalności. Za tym idzie możliwość produkcji mniejszych układów scalonych, zużywających mniej energii i łatwiejszych oraz tańszych w chłodzeniu.
-
- 1
-
-
- tranzystor polowy
- dren
- (i 4 więcej)
-
Naukowcy od dłuższego już czasu korzystają z optycznych „pęset", które pozwalają im na poruszanie niewielkich cząstek. Ostatnio informowaliśmy, że wykorzystaniem tego typu technologii zainteresowana jest też NASA, gdyż chce za jej pomocą zbierać próbki w kosmosie. Tymczasem naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii przypadkiem zaobserwowali działanie elektronowej „pęsety". Jest ona znacznie doskonalsza od jej wersji optycznej i pozwala na manipulowanie znacznie mniejszymi obiektami. Metalurg Vladimir Oleshko mówi, że teoretyczne podstawy do manipulowania niewielkimi obiektami za pomocą elektronów są takie same, jak te wykorzystywane do manipulowania nimi za pomocą fotonów. Dotychczas jednak nikomu nie udało się zaobserwować elektronowej „pęsety", gdyż praca z elektronami jest znacznie trudniejsza niż z fotonami. Oleshko i James Howe z University of Virginia badali pod mikroskopem elektronowym fazę przejściową stopu aluminiowo-krzemowego. Chcieli dowiedzieć się, jak przechodzi on z fazy płynnej do krystalicznej. Szczegółowe poznanie tego mechanizmu pozwoli na tworzenie doskonalszych stopów. Naukowcy obserwowali niewielką cząsteczkę szerokości kilkuset mikrometrów, która stanowiła część większej próbki znajdującej się w komorze próżniowej. Była ona poddawana działaniu strumienia elektronów w celu wytworzenia plazmonów powierzchniowych, które miały zdradzić naukowcom, co dzieje się na pograniczu pomiędzy fazą ciekłą a stałą. Efekt elektronowej ‚pęsety' był niespodzianką, ponieważ celem eksperymentu było badania topnienia i krystalizacji. Możemy łatwo stworzyć taką sferę wewnątrz płynnej skorupki. Obraz jaki uzyskujemy dowodzi, że jest ona już skrystalizowana. Jednak gdy przesunęliśmy strumień elektronów, skrystalizowana cząstka podążała za nim, jakby była przyklejona - mówi Oleshko. Naukowiec informuje, że elektronowa pęseta - pomimo tego, iż jest użyteczna tylko w próżni - może być niezwykle precyzyjna. Jest o trzy rzędy wielkości mniejsza od pęsety fotonowej. Pozwala zatem na bardzo precyzyjne manipulowanie pojedynczymi atomami.
-
Badania nad procesami zachodzącym we wnętrzu gwiazd mogą przyczynić się do skuteczniejszej walki z nowotworami. Astronomowie z Ohio State University współpracują ze specjalistami ds. radiologii onkologicznej w celu stworzenia urządzenia, które będzie bardziej zabójcze dla guzów nowotworowych, a jednocześnie łagodniejsze dla zdrowej tkanki. Urządzenie ma wykorzystywać zauważone w gwiazdach i wokół czarnych dziur zjawisko absorbowania i emisji promieniowania przez metale. Zauważono bowiem, że np. żelazo poddane działaniu promieni X emituje niskoenergetyczne elektrony. Niewykluczone zatem, że implant stworzony z ciężkich atomów metali umożliwi silne napromieniowanie guza, a jednocześnie zdrowa tkanka otrzyma dawkę promieniowania mniejszą niż jest to obecnie możliwe. Symulacje przeprowadzone na Ohio State University (OSU) wykazały, że poddanie oddziaływaniu promieniami X o określonej częstotliwości pojedynczego atomu złota lub platyny powoduje, że atom ten emituje ponad 20 wolnoenergetycznych elektronów. Sądzimy, że nanocząsteczki wprowadzone do guza mogą efektywnie absorbować promienie X i emitować elektrony, które zabiją guza - mówi Sultana Nahar z OSU. Nahar wraz z profesore astronomii Andile Pradhanem odkryli, że przy odpowiednich częstotliwościach promieniowania X elektrony w atomach ciężkich metali wpadają w wibracje i uwalniają się ze swoich orbit, tworząc niewielkie skupiska plazmy wokół atomów. Jeśli udałoby się w ten sposób wykorzystać promienie X, to byłby to najprawdopodobniej największy postęp tej techniki od czasu odkrycia ich pożytecznych właściwości w 1890 roku. Od dawna wiadomo, że gdy z orbity wypadnie jeden z elektronów blisko jądra, to elektron z dalszej powłoki może zająć jego miejsce. Proces ten jest związany z uwolnieniem się energii. Mamy wówczas do czynienia z samojonizacją, czyli efektem Augera. To zjawisko emisji elektronów przez atom, zachodzące dzięki energii uwalnianej podczas „opadania" elektronów z wyższych powłok walencyjnych na niższe. Często uwalniająca się energia jest na tyle duża, że dochodzi do wybicia kolejnych elektronów. Te tzw. wolne elektrony Augera mają niską energię, ale jest ich na tyle dużo, że, jak sądzą uczeni, mogą skutecznie zbombardować guza uszkadzając jego DNA. Jako, że platyna jest już używana w walce z nowotworami, profesor Pradhan ma nadzieję, że nowa metoda będzie łączyła chemio- i radioterapię. Najpierw do guza zostaną wprowadzone cząsteczki platyny, a następnie za pomocą promieni X zostaną one aktywowane i przystąpią do niszczenia nowotworu.
-
Oparzenia słoneczne leczone jednym elektronem
KopalniaWiedzy.pl dodał temat w dziale Zdrowie i uroda
W sezonie letnim oparzenia słoneczne nie należą, niestety, do rzadkości. Najlepiej ich, oczywiście, unikać, ale gdy już spieczemy się jak raki, trzeba jakoś ulżyć uszkodzonej skórze. Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Ohio ujawniają, że być może już w niedalekiej przyszłości w sukurs przyjdą nam w takiej sytuacji leki lub balsamy, które dzięki jednemu elektronowi naprawią uszkodzone przez promieniowanie ultrafioletowe DNA (Proceedings of the National Academy of Sciences). Amerykanie prowadzili badania nad fotoliazą – enzymem występującym w komórkach roślinnych i u niektórych zwierząt. U ssaków, w tym u człowieka, nie stwierdzono białek o aktywności fotoliaz. Enzymy te wiążą komplementarne nici DNA i rozbijają dimery pirymidynowe (połączenie pary tymin lub cytozyn tej samej nici DNA), które tworzą się pod wpływem promieniowania UV. Podczas eksperymentów okazało się, że "na przekór" wcześniejszym wyliczeniom teoretycznym, fotoliazy nie naprawiają obu zniekształconych miejsc naraz. Wszystko odbywa się w dwóch etapach, podczas których enzym przepuszcza przez cząsteczkę DNA elektron. Porusza się on w zamkniętym obwodzie, łączącym po okręgu oba zmienione dimerowo punkty. Prof. Dongping Zhong dostrzegł to, ponieważ posłużył się laserem i wywołał coś na kształt efektu stroboskopowego. Pierwsze kowalencyjne wiązanie rozpadło się w ciągu kilku bilionowych części sekundy, a następne po 90 bilionowych sekundy opóźnienia. Przyczyny należy szukać właśnie w wystrzelonym przez enzym elektronie, który stanowi źródło energii potrzebnej do rozbijania. Cząstka potrzebuje bowiem czasu i energii, by przebyć drogę od jednego punktu napraw do drugiego. Elektron porusza się po zewnętrznej krawędzi uszkodzonego fragmentu DNA. Zespół z Ohio prowadził badania na dimerach cyklobutanowych, które przyjmują kształt wystającego z boku nici pierścienia. Enzym musi wstrzelić elektron w uszkodzone DNA, ale jak? Są dwie możliwości. Elektron może przeskoczyć z jednej strony pierścienia na drugą, co znacznie skraca dystans, jednak zamiast tego cząstka wybiera trasę "krajoznawczą". Odkryliśmy, że podczas podróży napotyka na inną cząstkę, która działa jak rozbieg przyspieszający ruch elektronów i w ten sposób dłuższa droga jest pokonywana w krótszym czasie. Do wystrzelenia elektronu fotoliaza wykorzystuje pochłoniętą energię świetlną (preferowana jest niebieska i fioletowa część pasma). Akademicy mają nadzieję, że sztuczne fotoliazy zostaną wykorzystane np. w balsamach po opalaniu. Pomogłyby one w likwidowaniu dimerów pirymidynowych, które nie dopuszczają do prawidłowej replikacji DNA i prowadzą do mutacji genetycznych i nowotworów skóry. -
Naukowcy z University of Bristol empirycznie dowiedli, że liczące sobie ponad 150 lat prawo Wiedmanna-Franza nie zawsze jest zachowane. Prawo to mówi, że w stosunek przewodnictwa cieplnego i elektrycznego w każdym metalu jest stały przy stałej temperaturze. Przed piętnastu laty dwójka amerykańskich fizyków wysunęła teorię, że prawo Wiedmanna-Franza nie ma zastosowania w metalu tworzącym strukturę dwuwymiarową. Wówczas bowiem elektron rozpadnie się na dwa stany kwazicząsteczkowe - spinon (posiadający spin, ale nie posiadający ładunku) oraz holon (niosący ładunek, ale nie spin). Amerykanie twierdzili, że gdy holon napotka zanieczyszczenie w metalu, odbije się, a spinon będzie w stanie wędrować dalej. W takim przypadku zatem ciepło będzie się dalej rozprzestrzeniało, a ładunek już nie. Różnica w przewodnictwie cieplnym i elektrycznym będzie rosła wraz ze spadkiem temperatury. Teraz obliczenia Amerykanów potwierdziła grupa pracująca pod kierunkiem profesora Nigela Husseya. Uczeni dowiedli, że dwuwymiarowy materiał może przewodzić ciepło 100 000 razy lepiej, niż inne metale, w których prawo Wiedemanna-Franza zachowuje ważność. To nie tylko szansa na wykorzystanie tego zjawiska w nowoczesnych technologiach, ale również dowód na bardzo silną separacje spinu i ładunku w dwuwymiarowym świecie.
-
Zdaniem Rafała Oszwaldowskiego i Igora Zutica z University of Bufallo oraz Andre Petukhowa z South Dakota School of Mines and Technology, magnetyzm w najmniejszej skali podlega nieco innym zasadom niż nam się wydaje. Uczeni opublikowali w Physical Review Letters artykuł, w którym prezentują wyliczenia dowodzące, że możliwe jest stworzenie kropki kwantowej o zaskakujących właściwościach. Magnetyzm materiału jest określany przez spin elektronów. Jeśli w materiale spin większości z nich zwrócony jest w tę samą stronę, materiał posiada właściwości magnetyczne. Elektrony mogą też działać jak „magnetyczni posłańcy", którzy za pomocą własnego spinu wpływają na spin pobliskich atomów. Według obecnego stanu wiedzy, jeśli spotkają się dwa elektrony o przeciwnych spinach, to ich wpływ na otoczenie będzie się znosił. Wspomniani powyżej naukowcy twierdzą jednak, że nie wygląda to tak prosto. Ich zdaniem w kwantowych kropkach można zaobserwować pewien szczególny rodzaj magnetyzmu pojawiający się w obecności elektronów o przeciwnym spinie. W swoim artykule opisali oni teoretyczną kropkę kwantową zawierającą dwa elektrony o przeciwnych spinach oraz atomy manganu umieszczone w ściśle określonych miejscach kropki. Elektrony będą tam działały jak „magnetyczni posłańcy", wpływając na spin pobliskich atomów. Z wyliczeń Oszwaldowskiego, Zutica i Petukhova wynika, ze oba elektrony będą w odmienny sposób działały na atomy. Jeden z nich będzie bowiem preferował lokalizację na środku kropki, a drugi na jej obrzeżach. To spowoduje, że atomy manganu znajdujące się w różnych częściach kropki będą podlegały różnemu wpływowi. Ten elektron, który będzie na atomy wpływał silniej „wygra" i dostosuje ich spin do swojego, dzięki czemu kropka nabierze właściwości magnetycznych. Igor Zutic zauważa, że jeśli obliczenia się potwierdzą, to całkowicie zmienią naszą wiedzę o interakcjach magnetycznych. Uczony dodaje: gdy mamy dwa elektrony o przeciwnych spinach, założenie jest takie, że pomiędzy nimi będzie istniała równowaga, a zatem żadna magnetyczna wiadomość czyli żadne siły nie wpłyną na spin pobliskich atomów manganu. Ale naszym zdaniem tam zachodzi walka. Podstawowe zasady magnetyzmu są dla nas wciąż tajemnicą i skrywają wiele niespodzianek. Wyliczeniami już zainteresowali się fizycy z University of Bufallo, którzy chcieliby przeprowadzić odpowiednie eksperymenty. Twierdzenia Oszwaldowskiego, Zutica i Petukhova, o ile się potwierdzą, mogą mieć olbrzymi wpływ na spintronikę oraz te działy nauki i gospodarki, które wykorzystują właściwości magnetyczne - z więc na obrazowanie medyczne, elektronikę czy budowę laserów.
-
Fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB) oraz niemieckiego Uniwersytetu w Konstancji dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie wykorzystania diamentów w fizyce kwantowej. Ich prace mogą znaleźć zastosowanie w komputerach kwantowych. Uczonym udało się przesłać kwantową informację z elektronu w diamencie do sąsiedniego jądra atomu i z powrotem przy użyciu układu scalonego. Już przed dwoma laty informowaliśmy, że profesor Marshall Stoneham z Londyńskiego Centrum Nanotechnologii na University College London stwierdził, iż diament będzie dla komputerów kwantowych tym, czym krzem jest dla współczesnych maszyn. To odkrycie może być użyteczne przy opracowywaniu atomowej wielkości elementów pamięci komputera kwantowego, bazujących na diamencie. Stany subatomowe są bowiem lepiej izolowane od destrukcyjnych wpływów zewnętrznych - mówi profesor David Awschalom z UCSB. Uczony dodaje, że badania wspomniane badania dowiodły, iż możliwe jest przeprowadzenie operacji o wysokim stopniu niezawodności na kwantowej bramce, co pozwala na przesłanie w temperaturze pokojowej pełnej kwantowej informacji pomiędzy spinem elektronu a spinem jądra atomu. Cały proces jest skalowalny, co otwiera drogę do budowy kwantowych układów pamięci. Azot to jedno z najczęściej spotykanych zanieczyszczeń diamentów. Gdy atom azotu w diamencie sąsiaduje z pustym miejscem w strukturze krystalicznej, wprowadzany tam dodatkowy element zapewnia nadmiarowy elektron, który zostaje uwięziony w dziurze. Już wiele lat temu wiedziano, jak zmienić spin takiego elektronu i wykorzystać to jako kwantowy bit. Teraz profesor Awschalom odkrył, w jaki sposób można powiązać spin elektronu ze spinem sąsiadującego jądra azotu. Szczególnie interesujący jest fakt, że atom azotu jest tutaj częścią niedoskonałości, a to oznacza, że takie subatomowe elementy pamięci będą się automatycznie skalowały w zależności od liczby bitów w komputerze kwantowym - stwierdził Greg Fuchs, jeden z głównych autorów badań. Naukowców wciąż czekają poważne wyzwania. Jednym z nich jest znalezienie sposobu na szybki transfer informacji z atomów azotu, zanim ulegną one dekoherencji.
-
Uczeni z Imperial College London dokonali najdokładniejszych pomiarów elektronu w historii i dowiedzieli się, że jest on niemal idealną sferą. Eksperyment, który trwał ponad dekadę wykazał, że odchylenie od idealnej sfery wynosi w przypadku elektronu 0.000000000000000000000000001 cm. To oznacza, że jeśli powiększylibyśmy elektron do rozmiarów Układu Słonecznego, to odchylenie od ideału nie przekroczy grubości ludzkiego włosa. Fizycy z ICL badali elektrony fluorku iterbu. Za pomocą niezwykle precyzyjnego lasera mierzyli ich ruch. Gdyby elektrony nie były idealnymi sferami, zauważonoby chybotanie elektronu w czasie ruchu, a niczego takiego nie odnotowano. Teraz Brytyjczycy chcą dokonać jeszcze bardziej precyzyjnych pomiarów. Ich badania są bardzo istotne, gdyż pozwalają na poszerzenie naszej wiedzy o antymaterii. Ta bowiem powinna zachowywać się identycznie, jak zwykła materia. Odpowiednikiem elektronu w antymaterii jest pozytron. Badając elektron dowiadujemy się jak wygląda i jak zachowuje się pozytron, a zatem dowiadujemy się, jak różnią się materia i antymateria. Gdyby elektron nie był idealną sferą, oznaczałoby to, ze materia i antymateria różnią się znacznie bardziej, niż dotychczas sądzono, a to z kolei pozwoliłoby wyjaśnić, dlaczego antymateria zniknęła z wszechświata.
-
Przestrzeń jest zwykle postrzegana jako nieskończenie podzielna. Jeśli wybierzemy dwa dowolne punkty w przestrzeni, to możemy wyznaczyć pomiędzy nimi połowę odległości. Tymczasem dwóch naukowców z UCLA (Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles) zauważyło, że podzielenie przestrzeni na nieciągłe fragmenty, podobne do szachownicy, wyjaśnia pewne właściwości elektronów. Profesor Chris Regan i student Matthew Mecklenburg pracowali nad tranzystorami z grafenu gdy stwierdzili, że potraktowanie przestrzeni jak szachownicy wyjaśnia, w jaki sposób elektrony mogą otrzymywać spin. Naukowcy stwierdzili, że elektrony zyskują spin dzięki temu, że przebywają w określonej pozycji, na "czarnych" bądź "białych" polach "szachownicy". Moment własny pędu - czyli właśnie spin - pojawia się, gdy te "pola" są na tyle blisko siebie, że nie można znaleźć dzielącej ich granicy. "Spin elektronów może pojawiać się dlatego, że przestrzeń w bardzo małych wymiarach nie jest gładka, ale pofragmentowana, jak szachownica" - stwierdził Regan. Spin, dzięki temu, że może przyjmować tylko dwie wartości, pozwala wyjaśnić stabilność materii, naturę wiązań chemicznych i wiele innych zjawisk. Nie wiadomo jednak, w jaki sposób elektrony "zarządzają" spinem i związanym z nim ruchem obrotowym. Jeśli elektron ma średnicę, to jego powierzchnia musiałaby poruszać się szybciej od prędkości światła, co narusza teorię względności. Eksperymenty wykazały, że elektron nie ma średnicy, jest punktem bez powierzchni i mniejszych struktur. Już w pierwszej połowie XX wieku Paul Dirac dowiódł, że spin elektronu jest związany ze strukturą czasoprzestrzeni, łącząc mechanikę kwantową z teorią Einsteina. Jednak równanie Diraca nie wyjaśnia, w jaki sposób elektron, który jest punktem, uzyskuje moment pędu, ani dlaczego spin przyjmuje tylko dwie wartości. Teraz Regan i Mecklneburg wpadli na proste wyjaśnienie zagadki. "Chcieliśmy obliczyć wzmocnienie sygnału w grafenowym tranzystorze" - stwierdził. Do przeprowadzenia wyliczeń konieczne było zbadanie, w jaki sposób światło wpływa na elektrony w grafenie. Elektrony te przeskakują pomiędzy atomami grafenu tak, jak figury po szachownicy, z tą jednak różnicą, że grafenowa "szachownica" jest trójkątna. Pola "ciemne" wskazują na "góra", pola "jasne" na "dół". Gdy elektron w grafenie zaabsorbuje foton, przeskakuje z pola jasnego na ciemne. To prowadzi do zmiany kierunku spinu. Innymi słowy, przesunięcie elektronu na inną pozycję zmienia jego spin. Spin jest zaś określany przez układ geometryczny siatki krystalicznej grafenu i jest różny od dotychczasowego spinu elektronu. "Mój promotor doktoryzował się ze struktury elektronu. Byliśmy niezwykle podekscytowani stwierdzając, że spin zależy od siatki krystalicznej. To z kolei każe nam się zastanowić, czy zwykły spin elektronu nie powstaje w ten sam sposób" - mówi Mecklenburg. Profesor Regan dodaje, że byłoby dziwne, gdyby tylko grafen posiadał sieć krystaliczną zdolną do generowania spinu.
-
Zespół pracujący pod kierunkiem uczonych z University of Pittsburgh zbudował tranzystor stworzony za pomocą pojedynczego elektronu. Główny komponen tranzystora, wysepka o średnicy zaledwie 1,5 nanometra, działa dzięki dodaniu jednego lub dwóch elektronów. Taka konstrukcja może też posłużyć do tworzenia nowej klasy materiałów, jak np. nie spotykanych w naturze nadprzewodników. W takich materiałach wysepka byłaby sztucznym jądrem atomu. Nowy tranzystor jest dziełem Jeremy'ego Levy oraz jego zespołu, w skład którego wchodzili naukowcy z University of Pittsburgh, University of Wisconsin, HP Labs oraz brazylijskiego Uniwersytetu Stanowego w Campinas. Uczeni nazwali swoją konstrukcję SketchSET (sketch-based single-electron transistor). Nazwa pochodzi od opracowanego w 2008 roku przez Levy'ego urządzenia, które działa jak mikroskopijna zabawka Etch A Sketch. SketchSET to pierwszy tranzystor jednoelektronowy zbudowany całkowicie z tlenków. Wysepka, o której była wcześniej mowa, może przechowywać do dwóch elektronów. W zależności od tego, czy i ile elektronów się w niej znajduje, zmieniają się jej właściwości przewodzące. Od wysepki odchodzą przewody transportujące elektrony. Jedną z głównych zalet jednoelektronowego tranzystora jest jego duża wrażliwość na ładunek elektryczny. Inna to występowanie ferroelektryczności, co pozwala na użycie konstrukcji w roli pamięci nieulotnej. Ponadto w nanoskali ferroelektryczność może być wrażliwa na zmiany ciśnienia, a to być może umożliwi skonstruowanie urządzeń służących jako nanoczujnik reagujący na ładunki elektryczne i zmiany ciśnienia.
-
Na University of Utah powstał spintroniczny tranzystor, dzięki któremu udało się na rekordowo długi czas uporządkować spiny elektronów w krzemowym układzie scalonym w temperaturze pokojowej. To kolejny ważny krok, dzięki któremu mogą powstać spintroniczne układy scalone. Będą działały one szybciej i zużywały znacznie mniej energii niż układy elektroniczne. Urządzenia elektroniczne korzystają z ujemnego poruszającego się ładunku elektronów. Urządzenia spintroniczne będą używały zarówno ładunku jak i spinu elektronów. Dzięki temu powstaną mniejsze, szybsze i bardziej wydajne komputery - mówi profesor Ashutosh Tiwari, który wraz z doktorantem Nathanem Grayem stworzył spintroniczny tranzystor działający w temperaturze pokojowej. Tranzystory takie umieszczono na krzemie i uporządkowano w nich spiny. Udało się je utrzymać w uporządkowanym stanie przez rekordowo długi czas 276 bilionowych części sekundy. Tiwari i Gray wykorzystali elektryczność i pole magnetyczne do wprowadzenia elektronów z uporządkowanym spinem do krzemowej kości. Użyli przy tym tlenku magnezu jako tunelu, który umożliwił elektronom przejście od jednej niklowo-żelaznej elektrody do drugiej. Bez tlenku magnezu spiny elektronów natychmiast ułożyłyby się w sposób przypadkowy. Całość działa w temperaturze pokojowej, podczas gdy większość eksperymentalnych urządzeń spintronicznych wymaga bardzo niskich temperatur, poniżej -128 stopni Celsjusza, by uporządkować spiny - mówi profesor Tiwari. Uczeni pokryli fragment krzemu o wymiarach 2,5x0,8x0,2 centymetra cienką warstwą tlenku magnezu i umieścili na tym kilkanaście tranzystorów zbudowanych z niklu i żelaza. Każdy z tranzystorów miał trzy elektrody. Jedna z nich służyła do wprowadzenia elektronów oraz wykrycia ich obecności, a dwie pozostałe, ujemna i dodatnia, mierzyły napięcie. Podczas eksperymentu podłączono prąd elektryczny do elektrody wejściowej oraz negatywnej każdego tranzystora. To kolejny spintroniczny rekord pobity na tej uczelni. Przed kilkoma miesiącami powstał tam najmniejszy w historii układ pamięci. Następnie całość poddano działaniu pola magnetycznego i mierzono zmiany napięcia. Badając zmiany napięcia w czasie działania pola magnetycznego mogliśmy sprawdzić spin oraz czas, w jakim był on uporządkowany - mówi Tiwari. Jeśli w przyszłości chcemy wykorzystywać spintronikę w praktyce, musimy opracować takie urządzenia, w których elektrony z uporządkowanym spinem będą w stanie utrzymać porządek przez odpowiednio długi czas potrzebny do przebycia odpowiedniej odległości. Tiwariemu i Grayowi udało się przechować spin przez 276 pikosekund, co oznacza, że elektrony przebyłyby w tym czasie 328 nanometrów w układzie krzemowym. To naprawdę spora odległość. To niemal 10-krotnie więcej niż potrzebujemy i dwukrotnie więcej niż trzeba, gdybyśmy zamiast tlenku magnezu użyli tlenku aluminium - stwierdza Tiwari. Profesor mówił o tlenku aluminium, gdyż był on wykorzystywany we wcześniejszych eksperymentach przez uczonych z Holandii. Najnowsze badania pokazały jednak, że tlenek magnezu lepiej się sprawdza.
-
Należący do NASA Fermi Gamma-ray Space Telescope zaobserwował strumienie antymaterii, które powstają ponad ziemskimi burzami. Nigdy wcześniej nie widziano podobnego zjawiska. Naukowcy sądzą, że cząstki antymaterii powstają podczas ziemskich rozbłysków gamma (TGF), które obserwowano podczas burz i łączy się je z błyskawicami. Oblicza się, że codziennie na Ziemi dochodzi do około 500 przypadków TGF. Te sygnały to pierwszy bezpośredni dowód na powstawanie antymaterii podczas burz - mówi Michael Briggs z zespołu Fermi's Gamma-ray Burst Monitor na University of Alabama. Fermi, którego zadaniem jest obserwacja promieni gamma, zaobserwował wysoko energetyczne elektrony oraz pozytrony, czyli ich odpowiednik w antymaterii. Gdy elektron spotyka się z pozytronem dochodzi do anihilacji obu cząsteczek i rozbłysku gamma. GBM wykrył promienie gamma o energii 511 000 elektronowoltów, co wskazuje, że jego źródłem jest anihilacja cząsteczki i antycząsteczki. Do odkrycia antymaterii doszło przypadkiem. Fermi GBM ma za zadanie monitorowanie ziemskich rozbłysków gamma i ma w tym zakresie spore osiągnięcia. Operatorzy urządzenia starają się umieszczać je nad burzami. Jednak nie zawsze się to udaje. Tak było 14 grudnia 2009 roku, gdy Fermi znajdował się nad Egiptem, a burza miała miejsce nad położoną 4500 kilometrów dalej Zambią. Nawet mimo tego, że Fermi nie widział burzy, to był z nią magnetycznie połączony. TGF wytworzyło wysokoenergetyczne elektrony i pozytrony, które przeniosły się wzdłuż linii pola magnetycznego i trafiły w Fermi - mówi Joseph Dwyer z Florida Institute of Technology. Strumień cząstek przeszedł przez Fermi, dotarły do tzw. punktu lustrzanego, gdzie jego ruch został odwrócony i 23 milisekundy później ponownie dotarł do urządzenia. Wówczas za każdym razem, gdy pozytron z powracającego strumienia uderzył w elektron przechodzący po raz pierwszy przez urządzenie, dochodziło do anihilacji i rozbłysku gamma rejestrowanego przez GBM.
-
Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii, University of Melbourne oraz fińskiego Uniwersytetu Aalto pokazali sposób na wykrywanie spinu pojedynczego elektronu. Ich badania dają nadzieję na skonstruowanie jednego z najważniejszych elementów komputera kwantowego, czyli czytnika stanu pojedynczego elektronu. Zespół pracujący pod kierownictwem Andrei Morello i Andrew Dzuraka jako pierwszy w historii zmierzył spin pojedynczego elektronu w krzemie. Nasze urządzenie wykrywa spin pojedynczego elektronu w pojedynczym atomie fosforu umieszczonym na krzemie. Spin elektronu kontroluje przepływ elektronów w pobliskim obwodzie - mówi Morello. Teraz uczeni pracują nad skonstruowaniem urządzenia zapisującego dane w pojedynczym elektronie. Gdy im się to uda, połączą oba urządzenia, a z ich par będą budowali 2-bitowe bramki logiczne.
-
Niemieccy naukowcy dokonali pomiarów najmniejszego odstępu czasowego spotykanego w naturze. Przy okazji obalili założenie, jakoby elektrony były wybijane przez światło z orbit atomów bez żadnego opóźnienia. Fotoemisja to zjawisko opisane i wyjaśnione przez Einsteina ponad 100 lat temu. Polega ono na emisji elektronów przez atom. Dochodzi do niej w momencie, gdy światło padające na atom na tyle wzbudzi elektrony, że wypadają one ze swoich orbit. Dotychczas sądzono, że do emisji elektronów dochodzi natychmiast po uderzeniu fotonów w atom, a zatem, że pomiędzy tymi wydarzeniami nie istnieje żadna przerwa czasowa. Uczeni z Instytutu Maksa Plancka, Uniwersytetu Technicznego w Monachium oraz Uniwersytetu Ludwika Maxymiliana w Monachium wraz z kolegami z Austrii, Grecji i Arabii Saudyjskiej postanowili sprawdzić to, co dotychczas uchodziło za pewnik. Naukowcy wykorzystali laser działający w bliskiej podczerwieni, który wysyłał w kierunku atomów neonu impulsy trwające mniej niż 4 femtosekundy (10-15 sekundy). Jednocześnie atomy były bombardowane impulsami w dalekim ultrafiolecie trwającymi 180 attosekund (10-18 sekundy). Dzięki takiej konfiguracji naukowcy byli w stanie precyzyjnie określić, kiedy poszczególne elektrony opuściły swoje orbity. Okazało się, że elektrony z różnych orbit, mimo że były jednocześnie wzbudzane przez fotony, nie opuszczały ich w tym samym czasie. Opóźnienie jednych względem drugich wynosiło około 20 attosekund. Opóźnieniem tym zajęli się następnie teoretycy z Austrii i Grecji. Skomplikowane wyliczenia matematyczne potwierdziły, że ma ono miejsce, jednak wynikało z nich, że nie powinno przekraczać 5 attosekund. Eksperci wyjaśniają, że różnice pomiędzy obliczeniami a eksperymentami mogą wynikać z natury atomów neonu. W ich skład wchodzi bowiem 10 elektronów, co czyni je na tyle skomplikowanymi, że współczesne superkomputery nie radzą sobie z przeprowadzaniem precyzyjnych obliczeń. Teoretycy spekulują, że względne opóźnienie w opuszczaniu orbit może wynikać z faktu, że elektrony nie oddziałują tylko z jądrem atomu, ale też ze sobą nawzajem. A zatem położenie jednego elektronu w stosunku do innych decyduje o tym, kiedy sąsiedzi go "uwolnią" i umożliwią opuszczenie orbity.
-
Mimo, że fizyka kwantowa to wciąż wiele niewiadomych, uważa się, że najważniejsze rzeczy już wiemy i że nie ulegną one już zmianom. Tymczasem nie jest tak dobrze. Najnowsze eksperymenty pokazują, że jedna z podstawowych cząstek elementarnych - proton, jest mniejsza, niż dotąd uważano. Wprawdzie zaledwie o 4%, czyli 0,00000000000003 milimetra, ale burzy to naszą dotychczasową wiedzę o budowie atomu. Ze szkoły każdy pamięta, że atom składa się z protonów (i ewentualnie neutronów), tworzących jądro oraz krążących wokół niego elektronów, protony mają dodatni ładunek elektryczny, elektrony ujemny, neutrony go nie posiadają. Protony i neutrony składają się z bardziej elementarnych cząstek zwanych kwarkami. Średnicę protonu mierzy się wykorzystując oddziaływanie między nim a orbitującym elektronem - orbita zależy od energii elektronu i rozmiaru protonu. Wszystkie eksperymenty dawały w wyniku zawsze rozmiar protonu 0,8768 femtometra. Do czasu. Randolf Pohl, naukowiec z Instytutu Optyki Kwantowej Maksa Plancka (Max-Planck-Institut für Quantenoptik) w niemieckim Garching po zastosowaniu innej metody uzyskał odmienne wyniki. Zamiast oddziaływania protonu z elektronem wykorzystał do pomiaru inną cząstkę, 207 razy cięższą od elektronu - mion. Większy rozmiar mionu sprawia, że jest on bardziej wrażliwy na oddziaływanie protonu. Aby zmierzyć oddziaływanie tych dwóch cząstek bombarduje się atomy wodoru strumieniem mionów. W pewnej części przypadków mion wybija elektron z jego powłoki i zastępuje go na tym miejscu. Przy pomocy laserów dokonano precyzyjnych pomiarów energii orbitującego mionu i obliczono rozmiar protonu. Wynik okazał się tak zaskakujący, że wstrząsnął fundamentami fizyki. Wynik mniejszy o 4% to może się wydawać niewiele, ale wskazuje, że coś jest z naszą teorią nie tak. Jest tak sprzeczny z dotychczasową wiedzą, że mimo iż już dwukrotnie - w roku 2003 i 2007 otrzymano taką wartość, zignorowano ją, sądząc że to błąd pomiaru spowodowany złą kalibracją laserów. Dziś już jednak nikt z badaczy nie sądzi, że wynik jest błędny. Z drugiej strony nie sposób też uznać za błędne poprzednich wyników, uzyskiwanych poprzez pomiar energii elektronu. Randolf Pohl uważa, że odnaleźliśmy poważną lukę w teorii i po prostu brakuje w niej jakiegoś fragmentu cząsteczkowej „układanki". Jednym z przypuszczeń jest jakaś cząsteczka związana z mionem, która zaburza oddziaływanie między mionem a protonem. Istnienie takich „partnerów" przewiduje teoria supersymetrii. Jedno jest pewne: naukowcy otrzymali kolejną łamigłówkę do rozwiązania, które to rozwiązanie bez wątpienia będzie fascynujące.
-
Zespół złożony z naukowców z czterech uczelni wyższych dokonał przełomu, który może przyczynić się do powstania komputerów kwantowych zbudowanych z... krzemu. Uczeni z University of Surrey, University College London, Herriot-Watt University oraz Instytutu Fizyki Plazmy z Utrechtu byli w stanie, po raz pierwszy w historii, kontrolować w krzemie zdolność elektronu do przebywania w dwóch miejscach jednocześnie. Elektron umieszczono w dwóch różnych miejscach za pomocą niezwykle intensywnych, krótkotrwałych impulsów lasera pracującego w dalekiej podczerwieni. W ten sposób, dzięki laserowi Dutch Felix stworono kwantową superpozycję elektronu. Oznacza to, że zbudowanie bazującego na krzemie komputera kwantowego może być w zasięgu ręki - powiedział profesor Ben Murgin z University of Surrey. W najbliższych latach mogą powstać pierwsze urządzenia dokonujące obliczeń dzięki nowej technice opracowanej przez brytyjsko-holenderski zespół.
-
Grupa europejskich naukowców zaobserwowała ruch elektronów w molekułach. To niezwykle istotne osiągnięcie, które ułatwi obserwowanie i rozumienie reakcji chemicznych. Uczeni, pracujący pod kierunkiem profesora Marca Vrakkinga z Instytutu Maksa Borna, wykorzystali attosekundowe impulsy lasera. Dopiero to pozwoliło na przeprowadzenie niedostępnych wcześniej obserwacji. Attosekunda to 10-18 sekundy. W tym czasie światło zdąży przebyć odległość zaledwie jednej milionowej milimetra, czyli tyle, ile mierzy sobie średnica wielu molekuł. Dzięki attosekundowym impulsom światła możliwe było wykonanie "zdjęć" elektronów w molekułach. Uczeni badali molekułę wodoru, składającą się z dwóch protonów i dwóch elektronów. Laser został wykorzytany do sprawdzenia, w jaki sposób w molekule zachodzi jonizacja. Podczas tego procesu jeden elektron jest usuwany z molekuły i zmienia się stan energetyczny drugiego. Najpierw potraktowaliśmy molekułę wodoru attosekundowym impulsem lasera. To doprowadziło do usunięcia elektronu - molekuła została zjonizowana. Ponadto podzieliliśmy molekułę na dwie części za pomocą lasera podczerwonego. W ten sposób mogliśmy zbadać, jak ładunek rozkłada się pomiędzy dwoma fragmentami. Jako, że jednego elektronu brakowało, jedna z części była naładowana dodatnio, a druga była obojętna. Wiedzieliśmy, że brakujący elektron jest w części obojętnej - mówi profesor Vrakking. Od dziesiątków lat naukowcy próbowali przeprowadzić podobne obserwacje. Używano do tego celu jednak lasera femtosekundowego, którego impuls trwa 1000-krotnie dłużej niż w przypadku lasera attosekundowego. Przy tej skali można było obserwować ruch atomów i molekuł, ale nie elektronów.
-
Jak uniknąć konsekwencji wyczerpania się złóż rzadkich pierwiastków? Najbardziej oczywistym rozwiązaniem wydaje się poszukiwanie substancji o podobnych właściwościach. Jak wynika z badań przeprowadzonych przez prof. A. Welforda Castlemana z Penn State University, zadanie to może być znacznie prostsze, niż się wydaje. Ponieważ wiele właściwości chemicznych pierwiastków zależy od konfiguracji tzw. powłoki walencyjnej, czyli zgrupowania elektronów najbardziej oddalonych od jądra atomu, badacz z amerykańskiej uczelni chciał sprawdzić, czy proste związki mogą posłużyć jako "elektronowe imitacje" metali. Powodzenie takiego eksperymentu oznaczałoby, że w niektórych zastosowaniach substancje te mogłyby z powodzeniem zastępować czyste metale, przynosząc w ten sposób niemałe oszczędności. W swoich badaniach prof. Castleman poszukiwał odpowiedników niklu, palladu (6. najdroższego pierwiastka świata w przeliczeniu na masę) oraz platyny (2. miejsce na tej samej liście). Właściwości analizowanych metali oraz kandydatów do ich zastąpienia porównywano dzięki spektroskopii fotoelektronowej. Metoda ta polega na ocenie ilości energii potrzebnej do oderwania elektronów z powłok walencyjnych atomów znajdujących się w różnych stanach energetycznych. Porównywalne wyniki analiz dwóch pierwiastków bądź związków mogą być w związku z tym zapowiedzią ich podobnych właściwości chemicznych. Jak wykazano na podstawie przeprowadzonych analiz, atomy niklu wykazują w spektroskopii fotoelektronowej niemal identyczny obraz jak tlenek tytanu (II). Pallad przypomina z kolei cząsteczki tlenku cyrkonu (II), zaś platyna - molekuły węgliku wolframu. Związki "naśladujące" badane metale można więc zaliczyć do tzw. superatomów, czyli cząsteczek o właściwościach podobnych do znanych pierwiastków. Prawdopodobnie najważniejszym aspektem dokonanego odkrycia jest fakt, iż dane zebrane na podstawie badań zespołu prof. Castlemana układają się w logiczne i dające się przewidzieć serie. Oznacza to, że dla wielu drogich lub trudno dostępnych metali stosowanych np. jako elementy konstrukcyjne bądź katalizatory można znaleźć tanie i równie efektywne superatomowe zamienniki. Niewykluczone, że wdrożenie tej wiedzy do zastosowania w przemyśle może więc wywołać niemałe zamieszanie zarówno na giełdach surowcowych, jak i na rynkach produktów wytworzonych przy pomocy superatomów.
-
Naukowcy z California Institute of Technology (Caltech) niedawno opracowali nowe techniki obrazowania, które teraz pozwoliły im na wykonanie zdjęć pól elektrycznych tworzących się wskutek interakcji elektronów i fotonów. Mogli też śledzić zmiany zachodzące w strukturach w skali atomowej. Czterowymiarowa mikroskopia (4D) wykorzystuje pojedynczy elektron, który do tradycyjnej mikroskopii elektronowej wprowadza wymiar czasu, dzięki czemu możliwe jest śledzenie zmian w skali atomowej. Podczas testów naukowcy byli w stanie skupiać strumień elektronów na wybranym przez siebie obszarze obserwowanego obiektu. W tradycyjnej mikroskopii strumień elektronów uderza w obiekt, elektrony odbijają się od atomów obiektu, trafiają do detektora, dzięki któremu uzyskujemy obraz. Jeśli jednak atomy obiektu się poruszają, obraz jest zamazany, przez co części detali nie można dostrzec. Uczeni z Caltechu wykorzystali impulsy elektronów w miejsce stałego ich strumienia. Najpierw testowa próbka, w tym wypadku był to kawałek krystalicznego krzemu, jest podgrzewana za pomocą krótkiego impulsu lasera. Następnie trafia w nią femtosekundowy impuls elektronów. Dzięki temu, że trwa on niewiarygodnie krótko, atomy w próbce nie zdążą przemieścić się na zbyt dużą odległość, dzięki czemu uzyskujemy ostry obraz. Odpowiednio dobierając czas pomiędzy kolejnymi podgrzaniami próbki a bombardowaniem jej elektronami, naukowcy mogą wykonać całą serię "fotografii", którą następnie składają w "film". Technikę tą opracował wybitny naukowiec Ahmed Zewail, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Brał on też udział, wraz z Brettem Barwickiem i Davidem Flanniganem, w stworzeniu techniki nazwanej indukowaną przez fotony mikroskopią elektronową bliskiego pola (PINEM). Korzysta ona z faktu, że w nanostrukturach fotony generują zanikające pole elektryczne, które może być źródłem energii dla elektronów. Uczeni wykorzystali ten fakt do oświetlania niektórych materiałów impulsem lasera, co powodowało, że materiały te zaczynały "świecić". Rozbłysk trwał bardo krótko, od dziesiątek do setek femtosekund, wystarczająco jednak długo, by udało się go zarejestrować. Podczas swoich eksperymentów uczeni oświetlali impulsami lasera węglowe nanorurki i srebrne nanokable. Natychmiast po impulsie laserowym w kierunku próbek wysyłano elektrony, które "żywiły" się energią generowanych przez fotony pól elektrycznych. Ilość energii pobieranej przez elektrony była proporcjonalna do długości fali światła laserowego. Technika ta pozwala na obrazowanie zanikających pól elektrycznych dzięki badaniom zmian w poziomie energii poszczególnych elektronów. Jak zauważyli twórcy nowej techniki, otwiera ona nowe możliwości przed specjalistami zajmującymi się plazmoniką, fotoniką i dyscyplinami pokrewnymi. To, co jest najbardziej interesujące z punktu widzenia fizyki to fakt, że możemy obrazować fotony za pomocą elektronów. W przeszłości, z powodu trudności w odróżnieniu energii i momentu elektronów i fotonów, nie sądziliśmy, że uda się uzyskać technikę podobną do PINEM czy że uda się zwizualizować to w czasie i przestrzeni - stwierdził Zewail.