Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Już kilka cząstek działa tak, jak miliardy

Recommended Posts

Mniejsze systemy mogą symulować większe, gdyż mają takie same właściwości. Większość substancji badanych przez fizyków występuje w tak wielkiej liczbie cząstek, że nie ma różnicy, czy badają oni kroplę wody czy cały basen wypełniony wodą. Nawet bowiem kropla wody zawiera ponad kwadrylion cząstek. Możliwość badania małych systemów składających się z olbrzymiej liczby cząstek pozwala na lepsze rozumienie kolektywnego zachowania się cząstek i przekładania ich zachowania na większe systemy. Na przykład zarówno kropla wody jak i woda w basenie zamarzają przy 0 stopni Celsjusza i gotują się przy 100 stopniach.

Naukowcy od dawna zajmują się przejściami fazowymi w substancjach składających się z olbrzymiej liczby cząstek. Naukowcy z Imperial College London, Uniwersytetu w Oxfordzie i Instytut Technologicznego z Karlsruhe postanowili dowiedzieć się, jaki jest najmniejszy system, w do którego stosują się takie same przejścia fazowe, co do systemów składających się z olbrzymiej liczby cząstek. Stworzyli więc systemy składające się z mniej niż 10 fotonów i zaczęli je badać. Właśnie poinformowali, na łamach Nature Physics, że przejście fazowe wciąż zachodzi już w systemie złożonym średnio z 7 cząstek.

Eksperyment nie jest podyktowany jedynie ciekawością, ale ma też praktyczne zastosowanie. Badanie właściwości kwantowych cząstek jest tym łatwiejsze, im mniej cząstek badamy. Dzięki niemiecko-brytyjskiemu zespołowi naukowcy będą teraz wiedzieli, że wystarczy stworzyć system z mniej niż 10 cząstek, by móc go badać, a uzyskane wyniki przekładać na większe systemy.

Teraz, gdy potwierdziliśmy, że koncepcja przejścia fazowego jest wciąż użyteczna w tak małych systemach, możemy prowadzić badania, których nie da się wykonać w większych systemach. Możemy badać przede wszystkim kwantowe właściwości światła i materii, odpowiadać na pytania, co dzieje się w najmniejszej skali, w której możliwe są przejścia fazowe, mówi główny autor badań, doktor Robert Nyman z Wydziału Fizyki Imperial College London.

Zespół Nymana zajmował się badaniem kondensatu Bosego-Einsteina. To stan materii różny od właściwości ciał stałych, cieczy, gazów i plazmy. Okazało się, że do przemiany fazowej kondensatu dochodzi, gdy w systemie znajduje się około 7 cząstek.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Chińscy naukowcy donieśli, że układ optyczny przeprowadził kwantowe obliczenia zwane gaussowskim próbkowaniem bozonu (Gaussian boson sampling – GBS) ok. 100 bilionów razy szybciej niż mogą to zrobić klasyczne superkomputery. Osiągnięciem takim pochwalili się na łamach Science Jian-Wei Pan i Chao-Yang Lu oraz ich koledzy z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hefei.
      Co prawda metoda GBS powstała po to, by wykazać, że komputery kwantowe mogą osiągnąć kwantową supremację – czyli wykonać obliczenia, jakich komputery klasyczne nie są w stanie wykonać w rozsądnym czasie – ale można ją przystosować do niektórych wyspecjalizowanych praktycznych obliczeń.
      Żeby zrozumieć, na czym polega próbkowanie bozonów, wyobraźmy sobie układ optyczny z wieloma wejściami i wyjściami. Do układu wpuszczamy pojedyncze fotony, które napotykają na różne komponenty optyczne, jak dzielniki wiązki czy lustra. Zadaniem metody próbkowania bozonów jest odgadnięcie, jak fotony pojawią się na wyjściu. Taki układ możemy więc postrzegać jako matrycę dokonującą transformacji konfiguracji fotonów wpuszczonych na wejściu w konfigurację wyjściową. Określenie konfiguracji wyjściowej jest bardzo trudne nawet dla niewielkiej matrycy z rozdzielaczy i lusterek.
      Układ optyczny, który wykorzystali Chińczycy, ma 100 punktów wejścia i 100 punktów wyjścia i składa się z losowo rozłożonych 300 rozdzielaczy wiązki i 75 lusterek. Wszystkie elementy były ze sobą nawzajem połączone, więc foton, który wszedł w dowolnym punkcie wejścia mógł pojawić się dowolnym punkcie wyjścia.
      Chińczycy poinformowali, że GBS wykonała odpowiednie obliczenia w ciągu około 200 sekund. Tymczasem najszybszy chiński superkomputer – Sunway TaihuLight – który jest 4. najpotężniejszym superkomputerem na świecie, potrzebowałby na wykonanie tych samych obliczeń... ok. 2,5 miliarda lat.
      Ten eksperyment to z pewnością kamień milowy w dziedzinie symulacji kwantowych opartych na liniowych układach optycznych, mówi Christine Silberhorn z niemieckiego Uniwersytetu w Paderborn. Silberhorn jest jednym z twórców zaproponowanej w 2017 roku metody GBS. Uczona dodała, że samo przygotowanie systemu o rozmiarach 100x100 musiało być bardzo trudne. Z jej opinią zgadza się Ian Walmsley z Imperial College London, który dodatkowo chwali chińskich naukowców za heroiczny wyczyn, jakim było przygotowanie stanów kwantowych, które są całkowicie nierozróżnialne i upewnienie się, że fotony nie zostały utracone.
      Chao-Yang Lu mówi, że wraz z kolegami na tyle ulepszyli GBS, że możliwe będzie przeprowadzenie eksperymentu na macierzy 144x144. W 2021 roku nasza maszyna GBS będzie łatwiejsza w dostrojeniu, mniejsza i bardziej stabilna. Zaczynamy zastanawiać się nad jej wdrożeniem do celów praktycznych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Wielki Zderzacz Hadronów odkrył nieznaną dotychczas cząstkę składającą się z czterech kwarków. Naukowcy pracujący przy eksperymencie LHCb poinformowali o zarejestrowaniu tetrakwarka, który może być pierwszą z nieznanej dotychczas klasy cząstek. Odkrycie pozwoli fizykom na zrozumienie sposobu, w jaki kwarki tworzą inne cząstki, jak protony i neutrony obecne w jądrze atomowym.
      Kwarki zwykle łączą się w grupy po dwa lub trzy tworząc hadrony. Przez dziesięciolecia teoretycy przewidywali, że istnieją hadrony złożone z czterech i pięciu kwarków, zwane tetra- i pentakwarkami. W ciągu ostatnich lat udało się potwierdzić ich istnienie. Informowaliśmy zarówno o niezwykłym tetrakwarku, jak i o pentakwarkach odkrytych przez polskiego uczonego.
      Już samo istnienie cząstek stworzonych z czterech kwarków jest czymś niezwykłym. Teraz odkryliśmy pierwszą cząstkę złożoną z czterech ciężkich kwarków tego samego typu. Jest ona zbudowana z dwóch kwarków powabnych i dwóch antykwarków powabnych, mówi Giovanni Passaleva, rzecznik prasowy LHCb. Dotychczas znaliśmy tetrakwarki składające się co najwyżej z dwóch ciężkich kwarków i nigdy nie zawierały one więcej niż dwóch kwarków tego samego typu.
      Odkrycie egzotycznych ciężkich cząstek to dla naukowców okazja, by przetestować modele teoretyczne, które następnie można będzie wykorzystać do wyjaśnienia natury materii. Dzięki niezwykłemu tetrakwarkowi możemy więcej dowiedzieć się o protonach i neutronach.
      Nową cząstkę odkryto analizując nadmiarowe sygnały pochodzące ze zderzeń. Podczas przeszukiwania pełnych danych z dwóch kampanii badawczych LHC (2009–2013 i 2015–2018) naukowcy natknęli się na skok w dystrybucji masy pary cząstek J/ψ, która zawiera kwark powabny i antykwark powabny. Istotność statystyczna przekracza w tym przypadku 5 sigma, jest więc powyżej poziomu, od którego z całą pewnością mówimy o odkryciu. Szczegółowa analiza wykazała, że za zauważony nadmiar jest związany z istnieniem wspomnianego tetrakwarka.
      Naukowcy – podobnie jak w przypadku wcześniej odkrytych tetrakwarków – nie mają jeszcze pewności, czy mamy do czynienia z „prawdziwym tetrakwarkiem”, w którym wszystkie kwarki są silnie ze sobą związane czy też z dwiema cząstkami składającymi się z dwóch kwarków każda, słabo powiąznymi w strukturze przypominającej molekukłę.
      Niezależnie jednak od tego, nowa cząstka pozwoli na testowanie modeli chromodynamiki kwantowej.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grupa amerykańskich fizyków udowodniła, że możliwe jest zarejestrowanie echa pochodzącego z fali radaru odbitej od kaskady wysokoenergetycznych cząstek. Odkrycie to może doprowadzić do skonstruowania nowego teleskopu wykrywającego neutrina o energiach, które poza zasięgiem obecnie stosowanych metod badawczych.
      Jednym z najbardziej niezwykłych instrumentów naukowych jest teleskop IceCube. W jego skład wchodzą dziesiątki kilometrów lin z umocowanymi do nich fotopowielaczami. Urządzenie wykrywa promieniowanie Czerenkowa pojawiające się, gdy kaskada naładowanych cząstek, pojawiająca się podczas podróży neutrin przez ziemską atmosferę, wchodzi w interakcje z lodem. IceCube jest w stanie wykrywać neutrina o energiach do 10 PeV (1016 eV). Ograniczenie to wynika z faktu, że w zakresie fali widzialnej promieniowanie Czerenkowa jest mocno osłabiane przez lód. Taki sygnał może przebyć w lodzie najwyżej 200 metrów.
      Inaczej działa ANITA, czyli wykrywacz neutrin, który za pomocą balonu unosi się nad Antarktydą. To właśnie ANITA zarejestrowała tajemnicze sygnały, których dotychczas fizycy nie potrafią wyjaśnić. ANITA ma z kolei inny problem niż IceCube. Nie potrafi wykryć neutrin o energiach mniejszych niż 100 PeV.
      Teraz Steven Prohira z Ohio State University wraz z kolegami wykazali, że możliwe jest aktywne wykrywanie neutrin. Można to zrobić poprzez rejestrację ech z fal emitowanych przez radar. Technika ta wykorzystuje fakt, że kaskada cząstek poruszających się przez materiał z prędkością bliską prędkości światła wyrzuca elektrony z atomów tego materiału. Przez krótką chwilę, zanim elektrony te zostaną powtórnie zaabsorbowane, możliwe jest wprowadzenie ich w oscylacje za pomocą zewnętrznych fal radiowych. Oscylacje takie generują własne fale radiowe, „echa” fal, które je wywołały. Olbrzymią zaletą tej techniki jest fakt, że działa ona niezależnie od energii badanych cząstek.
      Naukowcy wykorzystali podczas swoich badań akcelerator ze SLAC National Accelerator Laboratory. Użyli 4-metrowego kawałka plastiku, który miał symulować antarktyczny lód i potraktowali go wiązką miliarda elektronów o energii około 1010 eV każdy. Okazało się, że antena, skierowana na plastik była w stanie zarejestrować sygnał trwający około 10 ns. Zgadzał się on z teoretycznymi przewidywaniami, zatem naukowcy uznali, że zarejestrowany sygnał to echo wywołane jonizacją wewnątrz plastiku.
      Teraz Prohira i jego zespół planują przeprowadzenie eksperymentów na Antarktydzie. Chcą tam postawić eksperymentalny radar, który miałby wykrywać echa pochodzące z interakcji promieniowania kosmicznego z lodem. Jeśli ich pomysł uzyska finansowanie, taki nowatorskich radar wykrywający neutrina mógłby powstać w ciągu kilku lat. Później zaś chcieliby przed końcem dekady zbudować na Antarktydzie pełnowymiarowe obserwatorium. Najpierw chcemy udowodnić, że ta technika działa, a później chcemy wybudować pełnowymiarowy teleskop, mówi Prohira.
      Uczeni stwierdzają, że wielką zaletą takiego obserwatorium byłaby jego prostota. Prohira ocenia, że jego zbudowanie kosztowałoby kilka milinów dolarów. Na IceCube wydano 275 milionów USD.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Tibet AS-gamma Experiment zarejestrował najbardziej intensywne promieniowanie pochodzące ze źródła astrofizycznego. Energia fotonów pochodzących z Mgławicy Kraba wynosiła ponad 100 teraelektronowoltów (TEV), to około 10-krotnie więcej niże maksymalna energia uzyskiwana w Wielkim Zderzaczu Hadronów.
      Naukowcy spekulują, że źródłem tak intensywnego promieniowania jest pulsar ukryty głęboko we wnętrzu Mgławicy.
      Pojawienie się Mgławicy Kraba zostało zauważone na Ziemi w 1054 roku. Wydarzenie to odnotowały źródła historyczne. Jako, że Mgławica położona jest w odległości ponad 6500 lat świetlnych od Ziemi wiemy, że eksplozja, w wyniku której powstała, miała miejsce około 7500 lat temu.
      Nowa gwiazda została po raz pierwszy zaobserwowana 4 lipca 1054 roku. Jej pojawienie się odnotowały chińskie źródła. W ciągu kilku tygodni przygasła, a dwa lata po pojawieniu się zniknęła zupełnie. Obecnie wiemy, że jej pojawienie się odnotowano też w XIII-wiecznym japońskim dokumencie oraz w źródłach arabskich. Niewykluczone też, że jest wspominana w źródłach europejskich.
      Mgławica Kraba została po raz pierwszy odkryta w 1731 roku przez Johna Bevisa. Następnie obserwowali ją inni astronomowie. Nazwę nadal jej William Parsons w 1844 roku. W latach 20. XX wieku ostatecznie stwierdzono, że Mgławica Kraba to pozostałość supernowej z 1054 roku. Tym samym stała się ona pierwszym obiektem astronomicznym powiązanym z eksplozją supernowej.
      Mgławica Kraba emituje promieniowanie niemal w każdym zakresie fal. Wysyła zarówno niskoenergetyczne fale radiowe, wysokoenergetyczne promieniowanie gamma i rentgenowskie, emituje też światło widzialne. Jednak zarejestrowanie ultraenergetycznego promieniowania to coś nowego.
      Wysokoenergetyczne fotony, takie jak promieniowanie gamma, z trudnością przedziera się przez ziemską atmosferę. Gdy promienie gamma trafią na atomy w atmosferze, powstaje cały deszcz innych cząstek. Jednak astronomowie nauczyli się rejestrować te cząstki. Najlepiej zrobić to za pomocą narzędzi o dużej powierzchni. Takich jak Tibet AS-gamma, który składa się z 597 detektorów rozrzuconych na przestrzeni niemal 66 000 metrów kwadratowych. A kilka metrów pod detektorami znajdują się 64 betonowe zbiorniki wypełnione wodą, która służy jako dodatkowy wykrywacz.
      Dzięki rozłożeniu detektorów na dużej powierzchni można śledzić kierunek i energię wysokoenergetycznych wydarzeń, a woda pozwala na rejestrowanie specyficznych sygnatur takich zjawisk. Dzięki temu specjaliści potrafią odróżnić promieniowanie gamma od promieniowania kosmicznego.
      Dane zebrane pomiędzy lutym 2014 roku a majem roku 2017 ujawniły istnienie 24 wydarzeń o energiach przekraczających 100 TeV pochodzących z Mgławicy Kraba. Niektóre z docierających do nas promieni miały energię dochodzącą do 450 TeV.
      Obecnie nie jest jasne, w jaki sposób powstają fotony o tak wysokich energiach, ani czy istnieje jakaś granica intensywności promieniowania. Specjaliści pracujący przy Tibet AS-gamma wyznaczyli sobie ambitny cel – zarejestrowanie fotonów o energiach liczonych w petaelektronowoltach, czyli przekraczających 1000 TeV. Biorąc pod uwagę, że analizy takich zjawisk trwają całymi latami, nie można wykluczyć, iż tego typu fotony już zostały przez Tibet AS-gamma zarejestrowane. Teraz wystarczy je tylko zidentyfikować w danych.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...