Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Kwantowe właściwości węglika krzemu
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Zwykle przyjmowano, że liczby zespolone, czyli zawierające składnik z liczbą urojoną i (i do kwadratu daje minus jeden) są wyłącznie matematycznym trikiem. Polsko-chińsko-kanadyjski zespół naukowców udowodnił jednak, że urojoną część mechaniki kwantowej można zaobserwować w akcji w rzeczywistym świecie – informuje Centrum Nowych Technologii UW.
Nasze intuicyjne wyobrażenia dotyczące zdolności liczb do opisu świata fizycznego wymagają istotnego przebudowania. Do tej pory wydawało się, że związek z mierzalnymi wielkościami fizycznymi mają wyłącznie liczby rzeczywiste. Jednak udało się znaleźć stany kwantowe splątanych fotonów, których nie da się rozróżnić bez sięgania po liczby zespolone. Co więcej, badacze przeprowadzili także eksperyment potwierdzający znaczenie liczb zespolonych dla mechaniki kwantowej
Badania prowadził zespół dr. Alexandra Streltsova z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych Uniwersytetu Warszawskiego (QOT) z udziałem naukowców z University of Science and Technology of China (USTC) w Hefei i University of Calgary (UCalgary). . Artykuły opisujące teorię i pomiary ukazały się w czasopismach Physical Review Letters i Physical Review A.
W fizyce liczby zespolone uważano za twory o czysto matematycznej naturze. Co prawda w równaniach mechaniki kwantowej pełnią rolę wręcz podstawową, traktowano je jednak po prostu jako narzędzie, coś, co fizykom ułatwia rachunki. My na drodze teoretycznej i doświadczalnej dowiedliśmy, że są takie stany kwantowe, które można rozróżnić wyłącznie wtedy, gdy obliczenia prowadzi się z nieodzownym udziałem liczb zespolonych – komentuje dr Streltsov.
Liczby zespolone są zbudowane z dwóch składników, rzeczywistego oraz urojonego. Mają postać a + bi, gdzie liczby a oraz b są rzeczywiste. Za specyficzne cechy liczb zespolonych odpowiada składnik bi. Kluczową rolę odkrywa tu liczba urojona i. Liczba i to pierwiastek kwadratowy z -1 (a więc gdyby podnieść ją do kwadratu, uzyskamy minus jeden).
W fizycznym świecie trudno wyobrazić sobie coś, co można byłoby bezpośrednio związać z liczbą i. Na stole mogą leżeć 2 czy 3 jabłka, jest to naturalne. Gdy jedno jabłko zabierzemy, możemy mówić o fizycznym braku i opisać go ujemną liczbą całkowitą -1. Jabłko możemy przekroić na dwie czy trzy części, otrzymując fizyczne odpowiedniki liczb wymiernych 1/2 czy 1/3. Gdyby stół był idealnym kwadratem, jego przekątna byłaby (niewymierny) pierwiastek kwadratowy z liczby 2 dłuższa od boku. Jednocześnie mimo najszczerszych chęci nie da się na stole położyć jabłek w liczbie i.
Zaskakująca kariera liczb zespolonych w fizyce ma związek z faktem, że wszelkiego typu oscylacje dają się opisać za ich pomocą znacznie wygodniej niż z użyciem popularnych funkcji trygonometrycznych. Obliczenia prowadzi się więc z liczbami zespolonymi, po czym na koniec bierze się pod uwagę tylko występujące w nich liczby rzeczywiste.
Na tle innych teorii fizycznych mechanika kwantowa jest szczególna, ponieważ musi opisywać obiekty, które w jednych warunkach potrafią się zachowywać jak cząstki, w innych jak fale. Podstawowe równanie tej teorii, przyjmowane jako postulat, to równanie Schrödingera. Opisuje ono zmiany w czasie pewnej funkcji, nazywanej funkcją falową, która ma związek z rozkładem prawdopodobieństwa znalezienia układu w takim a nie innym stanie. Jednak tuż obok funkcji falowej w równaniu Schrödingera jawnie występuje liczba urojona i.
Od dekad trwała debata, czy za pomocą samych liczb rzeczywistych można stworzyć spójną i kompletną mechanikę kwantową. Postanowiliśmy zatem znaleźć stany kwantowe, które można byłoby od siebie rozróżnić tylko z użyciem liczb zespolonych. Rozstrzygającym momentem było doświadczenie, gdzie wytworzyliśmy te stany i fizycznie sprawdziliśmy, czy są one rozróżnialne, czy też nie – mówi dr Streltsov, którego badania były finansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.
Eksperyment weryfikujący rolę liczb zespolonych w mechanice kwantowej można przedstawić w formie gry Alicji i Boba z udziałem prowadzącego rozgrywkę mistrza. Za pomocą urządzenia z laserami i kryształami mistrz gry wiąże dwa fotony w jeden z dwóch stanów kwantowych, których rozróżnienie bezwzględnie wymaga użycia liczb zespolonych. Następnie jeden foton wysyła do Alicji, a drugi do Boba. Każde z nich dokonuje pomiaru swojego fotonu, po czym komunikuje się z drugim w celu ustalenia istniejących korelacji.
Przypuśćmy, że wyniki pomiarów Alicji i Boba mogą przyjmować wyłącznie wartości 0 albo 1. Alicja widzi bezsensowny ciąg zer i jedynek, Bob podobnie. Jeśli jednak się skomunikują, mogą ustalić powiązania między odpowiednimi pomiarami. Jeśli mistrz gry wysłał im stan skorelowany, gdy jedno zobaczy wynik 0, drugie również. Jeśli otrzymali stan antyskorelowany, gdy Alicja zmierzy 0, u Boba będzie 1. Dzięki wzajemnym uzgodnieniom Alicja i Bob mogliby rozróżnić nasze stany, ale tylko w sytuacji, gdyby ich kwantowa natura miała charakter fundamentalnie zespolony – mówi dr Streltsov.
Do opisu teoretycznego wykorzystano podejście znane jako teoria zasobów kwantowych. Samo doświadczenie z lokalnym rozróżnianiem splątanych stanów dwufotonowych przeprowadzono w laboratorium w Hefei z użyciem technik optyki liniowej. Przygotowane przez badaczy stany kwantowe okazały się rozróżnialne, co dowodzi, że liczby zespolone są integralną, nieusuwalną częścią mechaniki kwantowej.
Osiągnięcie polsko-chińsko-kanadyjskiego zespołu badaczy ma znaczenie podstawowe, jest ono jednak tak głębokie, że może się przełożyć na nowe technologie kwantowe. W szczególności badania nad rolą liczb zespolonych w mechanice kwantowej mogą pomóc lepiej zrozumieć źródła efektywności komputerów kwantowych, jakościowo nowych maszyn liczących, zdolnych rozwiązywać niektóre problemy z szybkością nieosiągalną dla klasycznych komputerów – czytamy w komunikacie.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Od 100 lat naukowcy sprzeczają o interpretacje mechaniki kwantowej. Z jednej strony mamy interpretacje Bohra, Heisenberga i von Neumanna-Wignera, którzy uważali, że stan świadomości osoby przeprowadzającej testy wpływa na wyniki testów, z drugiej zaś strony Popper i Einstein twierdzili, że obiektywna rzeczywistość istnieje.
Kwestię tę postanowili zbadać... fińscy urzędnicy państwowi – Jussi Lindgren i Jukka Liukkonen – którzy w wolnym czasie lubią rozważać zagadnienia z zakresu mechaniki kwantowej. Panowie przyjrzeli się zasadzie nieoznaczoności, ogłoszonej przez Heisenberga w 1927 roku.
Zgodnie z tradycyjną interpretacją tej zasady, nie można jednocześnie precyzyjnie określić położenia i pędu, gdyż osoba dokonująca pomiarów zawsze wpływa na ich wynik. Jednak Lindgren i Liukkonen stwierdzili, że związek pomiędzy położeniem a pędem jest stały, a zatem rzeczywistość danego obiektu jest niezależna od osoby go badającej.
W swojej pracy panowie wykorzystali stochastyczną optymalizację dynamiczną. Z tego punktu widzenia zasada nieoznaczoności Heisenberga jest manifestacją równowagi termodynamicznej, w której korelacja pomiędzy różnymi zmiennymi nie zanika. Stochastyczna optymalizacja dynamiczna była wykorzystywana m.in. do rozwiązania takich problemów, jak wysłanie rakiety z Ziemi na Księżyc.
Uzyskane przez nas wyniki wskazują, że nie istnieje logiczny powód, dla którego wyniki miałyby być zależne od osoby przeprowadzającej pomiary. Nie istnieje nic, co sugerowałoby, że świadomość eksperymentatora zaburza wyniki czy kreuje rzeczywistość, mówi Lindgren. Interpretacja jest obiektywna i realna oraz tak prosta, jak to tylko możliwe. Lubimy jasne sytuacje i wolimy usunąć wszelki mistycyzm, dodaje Liukkonen.
Lindgren i Liukkonen to urzędnicy państwowi, a nauka to ich hobby. Obaj należeli do klubu matematycznego w liceum w Kuopio, obaj mają za sobą studia podyplomowe. Liukkonen właśnie napisał pracę doktorską na temat endoskopii ultradźwiękowej i pracuje obecnie jako inspektor w fińskim Urzędzie Bezpieczeństwa Radiologicznego i Atomowego.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Na Georgia Institute of Technology powstała technika tworzenia wysokiej jakości warstw epitaksjalnego grafenu na plastrach węgliku krzemu. Nowa technika polega na ścisłym kontrolowaniu ciśnienia gazowego krzemu.
Obecnie uzyskuje się cienkie warstwy grafenu na węgliku krzemu w warunkach próżni, w temperaturze około 1500 stopni Celsjusza. To powoduje odparowanie krzemu i pojawienie się warstwy węgla. Jednak niekontrolowane parowanie prowadzi do uzyskania grafenu niskiej jakości.
Precyzyjnie kontrolując tempo uwalniania się krzemu z plastra możemy kontrolować tempo produkcji grafenu. To pozwala nam na uzyskanie bardzo ładnych warstw epitaksjalnego grafenu - powiedział wynalazca nowej techniki, profesor Walt de Heer.
Uczony wraz z zespołem rozpoczęli od umieszczenia plastra węgliku krzemu w grafitowym opakowaniu. Znajduje się w nim niewielki otwór, który pozwala na kontrolowanie tempa parowania krzemu, utrzymując parowanie i kondensację mniej więcej w równowadze. Wzrost epitaksjalnego grafenu jest możliwy albo w próżni, albo w obecności obojętnego gazu, takiego jak argon.
Epitaksjalny grafen może stać się bazą dla nowej generacji wysoko wydajnych urządzeń tam, gdzie ich wyjątkowa wydajność usprawiedliwia wysoki koszt. Zdaniem de Heera w tańszych, mniej wydajnych urządzeniach nadal będzie dominował krzem.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Od dekad to krzem pozostaje głównym materiałem konstrukcyjnym elektroniki, mimo że jest to coraz trudniejsze, producenci coraz bardziej zwiększają gęstość upakowania krzemowych elementów, zachowując prawo Moore'a. Ale już niedługo zdolność krzemowej technologii do rozwoju skończy się nieodwracalnie: negatywne zjawiska towarzyszące miniaturyzacji zastopują ją najdalej za dziesięć lat, być może nawet wcześniej - z powodu wykładniczo rosnących kosztów wdrażania coraz precyzyjniejszych technologii.
Materiałem, w którym od lat upatruje się kandydata na następcę krzemu jest grafen. Niestety, ze względu na całkowicie odmienne właściwości (nie do końca przy tym poznane) nie da się go tak po prostu użyć w miejsce krzemu, konieczne jest opracowanie technologii dosłownie od zera. Chociaż więc po grafenie oczekuje się, że pozwoli na tworzenie układów scalonych mniejszych i szybszych, na razie gra toczy się nie o to, żeby zrobić lepiej, ale żeby w ogóle zrobić cokolwiek.
Od laboratorium do fabryki - daleka droga
Przez długie lata większość badań koncentrowała się na tzw. grafenie eksfoliowanym. Pierwsze płatki grafenu uzyskano odrywając z grafitu pojedynczą warstwę atomów przy pomocy taśmy klejącej. To co wystarcza naukowcom dla producentów jest jednak niczym - im potrzeba materiału łatwego w wytwarzaniu i obróbce, pewnego, zachowującego się przewidywalnie i skalowalnego.
Materiałem, w którym również upatrywano kandydata były węglowe nanorurki - rurki złożone z pojedynczej warstwy atomów węgla. Mimo zadziwiających właściwości ich praktyczne zastosowanie pozostaje żadne: trudno je wytwarzać w pożądany i przewidywalny sposób. Zajmujący się nanorurkami naukowiec Georgia Tech, Walt de Heer, uznał, że nigdy nie nadadzą się one do zastosowań przemysłowych, przynajmniej w dziedzinie elektroniki. Zauważył jednak, że skoro ich właściwości elektryczne wynikają głównie z istnienia pojedynczej warstwy atomów, praktyczniej będzie taką rurkę rozwinąć i rozpłaszczyć, czyli wyhodować na płaskiej powierzchni. Stąd wziął się pomysł, a potem technologia produkcji grafenu epitaksjalnego, czyli hodowanego na odpowiednio przygotowanej powierzchni. Technika ta pozwala na przeniesienie charakterystyki warstwy bazowej na strukturę atomową tworzonej warstwy epitaksjalnej. Materiałem bazowym jest powszechnie stosowany węglik krzemu, do którego można stosować znane już technologie wytwarzania elektroniki. Przez umiejętne podgrzewanie powoduje się migrację atomów krzemu, pozostawiając sam węgiel - czyli uzyskuje się precyzyjnie kontrolowaną warstwę grafenu. Tą metodą udało się wyprodukować siatkę składającą się z 10 tysięcy grafenowych tranzystorów na powierzchni 0,24 cm2 - to rekord, którym szczyci się Georgia Tech.
Warstwy grafenu, jakie wytwarzane są w laboratoriach, poddawane są skrupulatnym badaniom. Epitaksjalny grafen dra de Heera zachowuje się niemal doskonale tak, jak wynika z teoretycznych symulacji, pozwalając zaobserwować oczekiwane właściwości, na przykład występowanie kwantowego efektu Halla.
Obok prac nad skalowalnością procesu, równie ważne są prace nad tworzeniem struktur wielowarstwowych. Niedawno udało się wykazać, że dodawanie nowych warstw nie zakłóca właściwości warstw już istniejących. Ciekawostką jest to, że taki wielowarstwowy grafen jest czymś innym od grafitu: w graficie kolejne warstwy atomów obrócone są o 60º. W wielowarstwowym grafenie zaś o 30º - czyli jest to całkowicie nowy materiał.
Epitaksjalne wytwarzanie grafenowych warstw pozwoliło ominąć jeszcze jedną technologiczną trudność. Podczas wykorzystywania innych technologii problemem były nierówne krawędzie nanoelementów. Ponieważ właściwości grafenu mocno zależą od jego kształtu (potrafi on nawet być raz przewodnikiem a raz półprzewodnikiem), jeśli krawędzie grafenowych elementów nie były idealnie gładkie, pojawiały się niepożądane opory w przepływie prądu, upływy itp. Technologia epitaksji pozwala zachować idealne krawędzie.
Do ciekawostek należą odnalezione we współpracy z NIST (National Institute of Standards and Technology) właściwości grafenu pozwalające wpływać na jego właściwości przy pomocy precyzyjnie aplikowanych pól magnetycznych.
Grafen - Concorde elektroniki
Czy zatem grafen zastąpi krzem? Według zajmujących się nim naukowców po pierwsze nie tak szybko, po drugie nie do końca. Niekompatybilność właściwości starego i nowego materiału nie pozwoli tak po prostu przesiąść się na nowe technologie, które początkowo będą drogie. De Heer uważa, że przez długi czas krzem i grafen będą koegzystować - krzem w roli elektroniki popularnej i niedrogiej, grafen - do bezkompromisowych zastosowań, jak choćby bardzo zminiaturyzowane i szybkie układy, nie do osiągnięcia na bazie krzemu.
Posługując się analogią sądzi on, że wchodzenie nowej technologii podobne będzie do rywalizacji lotnictwa z transportem morskim i kolejowym. Rozwijające się lotnictwo pasażerskie, pomimo wysokich cen, miało chętnych, dla których była ważniejsza szybkość. Do dziś jednak, mimo spadku cen i coraz większej masowości, stare metody transportu nie zanikły i wciąż się rozwijają.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Eksperci pracujący pod kierunkiem uczonych z UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science udowodnili, że za pomocą metod mechaniki kwantowej można stworzyć mechanizm kryptograficzny bazujący tylko i wyłącznie na fizycznej lokalizacji odbiorcy i nadawcy wiadomości. To ogromny postęp, gdyż eliminuje jedno z najpoważniejszych wyzwań kryptografii - bezpieczną dystrybucję kluczy kryptograficznych koniecznych do zapisania i odczytania informacji.
Kryptografia opierająca się na lokalizacji zakłada wykorzystanie precyzyjnych danych o położeniu odbiorcy i nadawcy do stworzenia klucza kryptograficznego. Rozwiązanie takie ma tę olbrzymią zaletę, że daje pewność, iż wiadomość zostanie odebrana i odczytana tylko przez osobę, która znajduje się w określonym miejscu.
Szef grupy badaczy Rafail Ostrovsky, profesor z UCLA mówi, że najważniejszym elementem nowej metody jest bezpieczna weryfikacja położenia geograficznego urządzeń nadawczo-odbiorczych. Dzięki niej mamy pewność, że np. informacja wysyłana do odległej bazy wojskowej zostanie odebrana tylko przez kogoś, kto się w tej bazie znajduje.
Niezwykle ważne jest tutaj bezpieczne określenia położenia i to w taki sposób, żeby nie można było się pod to położenie podszyć oraz bezpieczna komunikacja z urządzeniem znajdującym się w tej konkretnej lokalizacji. Urządzenie jest uwiarygadniane przez swoje położenie. Stworzyliśmy metodę bezpiecznej komunikacji z urządzeniem w danej lokalizacji. Połączenie można nawiązać bez potrzeby wcześniejszego komunikowania się z tym urządzeniem - mówi Ostrovsky.
Dotychczas sądzono, że wykorzystywana w łączności bezprzewodowej triangulacja oferuje odpowiedni poziom bezpieczeństwa. Jednak w ubiegłym roku badania prowadzone pod kierunkiem Ostrovsky'ego pokazały, że grupa osób jest w stanie oszukać wszelkie dotychczasowe systemy określania położenia.
Najnowsze badania pokazały jednak, że wykorzystanie mechaniki kwantowej gwarantuje bezpieczne jednoznaczne określenie położenia, nawet wówczas, gdy mamy do czynienia z grupą próbującą oszukać systemy lokalizacji. Ostrovsky i jego zespół pokazali, że używając kwantowych bitów w miejsce bitów tradycyjnych, jesteśmy w stanie precyzyjnie określić lokalizację i zrobimy to w sposób bezpieczny. Jeśli nawet przeciwnik będzie próbował podszyć się pod naszą lokalizację, to mu się to nie uda. Jego urządzenia będą bowiem w stanie albo przechowywać przechwycony stan kwantowy, albo go wysłać. Nie mogą robić obu tych rzeczy jednocześnie.
Wysyłając zatem kwantową wiadomość szyfrujemy ją na podstawie naszej lokalizacji, a odszyfrować może ją jedynie urządzenie znajdujące się w lokalizacji docelowej.
W pracach Ostrovsky'ego brali udział jego studenci Nishanth Chandran i Ran Gelles oraz Serge Fehr z holenderskiego Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) i Vipul Goyal z Microsoft Research.
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.