Najlepszy przewodnik topologiczny: spiralna struktura kluczem do egzotycznych odkryć
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Po raz pierwszy udało się zmierzyć spin elektronu w materiale. Osiągnięcie uczonych z Uniwersytetów w Bolonii, Wenecji, Mediolanie, Würzburgu oraz University of St. Andrews, Boston College i University of Santa Barbara może zrewolucjonizować sposób badania i wykorzystania kwantowych materiałów w takich dziedzinach jak biomedycyna, energia odnawialna czy komputery kwantowe. Pomiar spinu w kontekście topologii materiału, w którym był mierzony, był możliwy dzięki wykorzystaniu promieniowania synchrotronowego oraz nowoczesnym technikom modelowania zachowania materii.
Profesor Domenico di Sante z Uniwersytetu w Bolonii wyjaśnia: Na zachowanie elektronów w materiałach mają wpływ pewne właściwości kwantowe, determinujące ich spin w materiale, w którym się znajdują. Tak jak na tor ruchu światła we wszechświecie ma wpływ obecność gwiazd, ciemnej materii czy czarnych dziur, które zaginają czasoprzestrzeń.
Właściwości elektronu znamy od dawna, jednak dotychczas nikt nie bezpośrednio nie zmierzył „topologicznego spinu” elektronu. Uczeni z Włoch, Niemiec, Wielkiej Brytanii i USA wykorzystali efekt znany jako dichroizm kołowy. Zjawisko to polega na różnej absorpcji przez substancje światła spolaryzowanego kołowo prawo- i lewoskrętnie. W swoich badaniach skupili się na metalach kagome. To materiały, w których atomy tworzą – znany z tradycyjnego japońskiego koszykarstwa kagome – wzór składający się z sieci trójkątów o wspólnych wierzchołkach. Ta nietypowa geometria atomów powoduje, że elektrony zachowują się w takim materiale w sposób nietypowy, co pozwala badać niezwykłe zjawiska kwantowe. Metale kagome służą m.in. do badań nad nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym. Pierwsze eksperymenty z nimi przeprowadzono w USA w 2018 roku.
Teraz dwuwarstwowe metale kagome XV6Sn6 – gdzie X oznacza pierwiastek ziem rzadkich, tutaj były to terb, skand i holm – posłużyły do badania topologicznego spinu elektronu. Było to możliwe dzięki połączeniu eksperymentu z analizą teoretyczną. Teoretycy przeprowadzili najpierw złożone symulacje kwantowe na potężnych superkomputerach i poinstruowali eksperymentatorów, w którym miejscu materiału powinni mierzyć dichroizm kołowy, wyjaśnia Di Sante.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcom po raz pierwszy udało się zaprezentować przełącznik wykonany z pojedynczej molekuły fullerenu. Dzięki precyzyjnie dostrojonemu laserowi międzynarodowy zespół uczonych był w stanie wykorzystać molekułę fullerenu do zmiany drogi elektronu w przewidywalny sposób. Przełącznik, w zależności od impulsów lasera, działał od 3 do 6 rzędów wielkości szybciej niż przełączniki wykorzystywane obecnie w układach scalonych.
Dzięki fullerenom mogą zatem powstać komputery znacznie szybsze niż to, co można osiągnąć za pomocą współczesnej elektroniki. Można je będzie wykorzystać też do obrazowania medycznego o niedostępnej obecnie rozdzielczości.
Wiele dziesięcioleci temu fizycy odkryli, że w obecności pól elektrycznych oraz światła molekuły emitują elektrony. Współautor najnowszych badań, Hirofumi Yanagisawa w Uniwersytetu Tokijskiego wraz z zespołem, najpierw stworzył hipotezę dotyczącej emisji elektronów przez wzbudzone fullereny w zależności od rodzaju wzbudzającego je impulsu laserowego. Następnie międzynarodowa grupa naukowa dowiodła jej słuszności.
Za pomocą krótkiego impulsu czerwonego lasera uzyskaliśmy kontrolę nad sposobem kierowania przez molekułę nadchodzącego elektronu. W zależności od impulsu, elektron może pozostać na swoim kursie, lub też zmienić trasę w przewidywalny sposób. [...] Sądzimy, że możemy osiągnąć tutaj milion razy krótszy czas przełączania niż za pomocą klasycznego tranzystora. To zaś może przełożyć się na zwiększenie wydajności komputerów. Jednak równie ważne byłoby dostrojenia lasera tak, by molekuła fullerenu mogła działać jednocześnie jak wiele przełączników. Uzyskalibyśmy w ten sposób odpowiednik wielu tranzystorów w pojedynczej molekule. To zwiększyłoby złożoność systemu bez zwiększania jego fizycznych rozmiarów, wyjaśnia Yanagisawa.
Fullereny to cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. O ich potencjalnym zastosowaniu w informatyce pisaliśmy już przed 15 laty. Jak się okazuje, możliwe jest precyzyjne manipulowanie orientacją fullerenów za pomocą precyzyjnych ultrakrótkich impulsów laserowych, decydując w ten sposób, jak dojdzie do emisji elektronu. To technika podobna do tego, jak w mikroskopii fotoelektronów (PEEM) uzyskuje się obrazy. Jednak rozdzielczość PEEM sięga maksymalnie około 10 nanometrów, czyli 10 miliardowych części metra. Fullerenowy przełącznik pozwoliłby na osiągnięcie rozdzielczości około 300 pikometrów, czyli 300 bilionowych części metra, dodaje Yanagisawa.
Autorzy badań dodają, że jeśli udałoby się spowodować, by pojedyncza molekuła fullerenu działała jak wiele przełączników jednocześnie, to niewielka sieć takich molekuł przeprowadzałaby obliczenia znacznie szybciej niż dzisiejsze procesory. Jednak do pokonania jest wiele przeszkód, jak np. odpowiednie zminiaturyzowanie laserów. Tak czy inaczej mogą minąć lata, zanim fullerenowe przełączniki trafią do układów scalonych.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
Podstawą nadprzewodnictwa jest łączenie się elektronów w pary. Rodzi się jednak pytanie, czy mogą wobec tego łączyć się też w czwórki. Profesor Egor Babaev przez niemal 20 lat szukał sposobu ma tworzenie nowego stanu materii, elektronowych czworaczków. Teraz w końcu mu się udało. Pracujący pod jego kierunkiem fizycy ze szwedzkiego Królewskiego Instytutu Technologii (KTH – Kungliga Tekniska högskolan) donieśli na łamach Nature Physics, że udało im się uzyskać stan przewidziany przez Babaeva przed 17 laty.
Uczony w 2004 roku opublikował artykuł, w którym teoretycznie opisał elektronowe czworaczki, a w roku 2012 opisał, w jaki sposób je uzyskać je w bazującym na żelazie materiale Ba1−xKxFe2As2.
Łączenie się elektronów w pary pozwala na pojawienie się nadprzewodnictwa, stanu, w którym ładunek elektryczny nie napotyka na przeszkody. O tym, że elektrony mogą się łączyć, a nie odpychać, dowiedzieliśmy się z teorii opracowanej przez Coopera, Bardeena i Schrieffera, którzy zostali za nią uhonorowani Nagrodą Nobla w 1972 roku.
To właśnie te tzw. pary Coopera są nośnikami ładunku w nadprzewodnikach. W normalnych warunkach dwa elektrony, które mają przecież te same ładunki, silnie się odpychają. Jednak w niskich temperaturach w kryształach łączą się w luźne pary. O parach takich wiedzieliśmy od dawna. Jednak idea łączenia się fermionów (a elektrony są fermionami) w czwórki została przez naukowców zaakceptowana dopiero niedawno. Profesor Babaev wyjaśnia, że aby doszło do zaistnienia związku czterech fermionów musi pojawić się coś, co zapobiegnie tworzeniu się par oraz ich przepływie bez oporu, a jednocześnie umożliwi tworzenie czterofermionowego kondensatu.
Problem w tym, że teoria BCS, mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa zwana też teorią Bardeena-Coopera-Shrieffera, nie pozwala na tworzenie fermionowych czworaczków. Gdy więc współpracujący z Babaevem eksperymentator Vadim Grinenko z Technische Universtät Dresden trafił przed 3 laty na ślady wskazujące na istnienie takiego stanu materii, naukowcy musieli zmierzyć się z powszechnie akceptowaną teorią.
Przez kolejne trzy lata uczeni prowadzili liczne eksperymenty i badania, mające potwierdzić odkrycie. Babaev mówi, że kluczową obserwacją jest spostrzeżenie, że czterofermionowe kondensaty spontanicznie łamią parzystość operacji odwrócenia czasu. Jest to matematyczna operacja, która pozwala zmienić znak współrzędnej czasowej na ujemny, dzięki czemu można opisać zjawisko tak, jakby czas biegł do tyłu lub cały ruch biegł w przeciwnym kierunku. Gdy użyjemy takiego zabiegu matematycznego, to wszystkie podstawowe prawa fizyki nadal działają. Działają też nadprzewodniki. Innymi słowy, jeśli obliczamy teoretycznie właściwości typowego nadprzewodnika i odwrócimy strzałkę czasu, nadal jest on takim samym nadprzewodnikiem.
Jednak w przypadku czterofermionowego kondensatu po odwróceniu strzałki czasu pojawia się inny stan. Prawdopodobnie minie wiele lat, zanim go w pełni zrozumiemy. Nasze eksperymenty prowadzą do postawienia wielu nowych pytań, ujawniają istnienie wielu niezwykłych właściwości powiązanych z reakcją na temperaturę, pole magnetyczne i ultradźwięki, dodaje Babaev.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Przez 80 lat fizycy próbowali zrealizować pomysł pioniera mechaniki kwantowej, Eugene'a Wignera, który w 1934 roku zaproponował stworzenie niezwykłego rodzaju materii – kryształu zbudowanego z elektronów. W ubiegłym miesiącu na łamach Nature poinformowano o pierwszych eksperymentalnych obserwacjach kryształów Wignera.
Pozornie może wydawać się, że zbudowanie kryształu z elektronów nie powinno być trudne. Odpychają się one od siebie, chłodzenie zmniejszyłoby ich poziom energetyczny, więc powinny tworząc odpowiedni kształt, tak jak zastyga schłodzona woda. Problem jednak w tym, że zimne elektrony podlegają zasadom mechaniki kwantowej i zachowują się jak fala. Nie zastygają w miejscu w uporządkowanej postaci, a poruszają się i zderzają ze sobą.
Zespół z Uniwersytetu Harvarda, na czele którego stał Hongkun Park, uzyskał kryształ Wignera niemal przypadkiem. Uczeni badali, jak zachowują się elektrony w bardzo cienkich warstwach półprzewodnika, oddzielonych od siebie warstwami materiału, przez który elektrony nie mogą się przedostać. Naukowcy schłodzili swój materiał poniżej -230 stopni Celsjusza i eksperymentowali z różną liczbą elektronów w każdej z warstw. W pewnym momencie zauważyli, że gdy w warstwie znajduje się określona liczba elektronów, przestają się one poruszać. Z jakiegoś powodu elektrony w półprzewodniku nie mogły się ruszyć. To nas zaskoczyło, mówi You Zhou.
Autorzy badań zwrócili się o pomoc w wyjaśnieniu tego fenomenu do teoretyków, a ci przypomnieli sobie, że Wigner obliczył, iż elektrony w cienkim dwuwymiarowym materiale powinny utworzyć trójkątny wzorzec, co uniemożliwi im poruszanie się.
W krysztale uzyskanym przez grupę Zhou siły elektrony ułożyły się w regularny krystaliczny wzór dzięki odpychaniu się zarówno w ramach jednej warstwy, jak i pomiędzy warstwami. Siła odpychania uniemożliwiła im poruszanie się. Jednak takie zachowanie elektronów miało miejsce jedynie wtedy, gdy liczba elektronów w warstwach do siebie dopasowana. Mniejsze trójkąty w jednej warstwie, musiały dokładnie wypełniać przestrzeń wewnątrz większych kryształów w innej warstwie.
Gdy naukowcy z Harvarda zdali sobie sprawę, że mają do czynienia z kryształem Wignera, doprowadzili do jego „rozpuszczenia się”, wymuszając przejście fazowe, jednak bez dodatkowego ogrzewania. Teoretycy już wcześniej opisywali warunki konieczne do zaistnienia takiego przejścia. Teraz udało się je uzyskać. To naprawdę ekscytujące, obserwować w praktyce to, o czym czytaliśmy w podręcznikach, mówi Park.
Naukowcy oświetlali warstwy półprzewodnika laserem, co doprowadziło do powstania ekscytonu. Następnie materiał albo odbijał albo emitował światło. Analiza tego światła pozwalała stwierdzić, czy ekscytony wchodziły w interakcje ze zwykłymi swobodnymi elektronami czy też elektronami zamrożonymi w kryształ Wignera. Zdobyliśmy bezpośrednie dowody na istnienie kryształu Wignera o trójkątnej strukturze, mówi Park.
Zespół z Uniwersytetu Harvarda chce wykorzystać swoje osiągnięcie do badań kryształów Wignera i silnie skorelowanych elektronów. Chcą m.in. odpowiedzieć na pytanie, co się dzieje, gdy kryształ Wignera rozpuszcza się. Ponadto już teraz udało im się zaobserwować kryształ w wyższych temperaturach i z większą liczbą elektronów, niż przewidywali to teoretycy. Zbadanie, dlaczego tak się stało może dać wiele odpowiedzi na pytania o zachowania silnie skorelowanych elektronów.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.