Najlepszy przewodnik topologiczny: spiralna struktura kluczem do egzotycznych odkryć
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Orbitalny moment pędu (OAM) elektronu uważany jest za mniej interesującą jego właściwość, gdyż w ciałach stałych zazwyczaj ulega on osłabieniu w wyniku interakcji z otaczającym elektron materiałem. Naukowcy z Centrum Badawczego Jülich (Forschungszentrum Jülich) wykazali właśnie, że w niektórych kryształach nie tylko zostaje on zachowany, ale można go też kontrolować. Jest to możliwe dzięki chiralności struktury krystalicznej. A odkrycie może doprowadzić do stworzenia nowej klasy urządzeń elektronicznych o wyjątkowej odporności na zakłócenia i dużej efektywności energetycznej.
Główną właściwością elektronu wykorzystywaną w klasycznej elektronice jest jego ładunek elektryczny. Nowoczesne technologie – jak technologie kwantowe czy spintronika – korzystają ze spinu elektronu. Jak jednak wynika z badań uczonych z Jülich, przyszłością elektroniki może być też orbitalny moment pędu, który opisuje, w jaki sposób elektron porusza się w atomie. W ten sposób może narodzić się orbitronika, która uzupełni i poszerzy możliwości, jakie dają nam elektronika i spintronika.
Przez dekady spin był uznawany za kluczowy parametr nowych technologii. Jednak orbitalny moment pędu również ma wielki potencjał jako nośnik informacji i jest przy tym znacznie bardziej stabilny, wyjaśnia doktor Christian Tusche z Instututu Petera Grünberga w Centrum Badawczym Jülich.
Jak już wspomnieliśmy, OAM jest rzadko obserwowany w kryształach, gdyż jest zwykle w nich tłumiony. Jednak naukowcy z Niemiec, we współpracy z kolegami z Tajwanu, USA, Włoch i Japonii wykazali właśnie, że w materiałach chiralnych, jak badany przez nich monokrzemek kobaltu (CoSi), sytuacja jest inna. Nasze badani pokazują, że struktura takiego kryształu bezpośrednio wpływa na moment pędu elektronu w sposób, który możemy bezpośrednio mierzyć. To otwiera nowe możliwości w dziedzinie badań materiałowych i przetwarzania informacji, dodaje fizyk eksperymentalny doktor Ying-Jiun Chen.
W przyszłości informacja może być przechowywana i przekazywane nie tylko poprzez ładunek i spin elektronu, ale również przez kierunek i orientację jego orbitalnego momentu pędu. Użycie OAM jako nośnika informacji wydaje się przekonujące. Można też będzie wykorzystać kołowo spolaryzowane światło do selektywnego wpływania na chiralność kryształów i uzyskania w ten sposób kontrolowanego światłem niemechanicznego przełącznika, alternatywy dla tranzystora. Co więcej połączenie OAM i spinu może pozwolić na zintegrowanie orbitroniki i spintroniki w hybrydowych maszynach kwantowych, stwierdza profesor Claus Michael Schneider, dyrektor Instytutu Petera Grünberga.
Źródło: Orbital Topology of Chiral Crystals for Orbitronics
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Masa neutrina jest co najmniej milion razy mniejsza niż masa elektronu, informują naukowcy z Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN). Badania określiły nową górną granicę możliwej masy neutrino na podstawie 36 milionów pomiarów. Dzięki nim wiemy, że wynosi ona nie więcej niż 0,45 elektronowolta (eV). Masa elektronu, kolejnej z najlżejszych cząstek elementarnych, to 511 000 elektronowoltów.
Neutrino jest jedyną cząstką elementarną, której masy nie znamy. Zdobycie wiedzy na jej temat pozwoli na zbadanie, w jaki sposób neutrina nabywają masę. Czy – jak inne cząstki – dzięki oddziaływaniu z polem Higgsa, czy też w jakiś inny, nieznany dotychczas sposób. Poznanie masy neutrino powinno też zdradzić, w jaki sposób neutrina narodziły się w czasie Wielkiego Wybuchu i jak wpłynęły na formowanie się galaktyk.
Nowa górna granica masy oznacza doprecyzowanie wcześniejszych badań przeprowadzonych przez KATRIN. W 2022 roku naukowcy pracujący przy tym eksperymencie stwierdzili, że górną granicą masy neutrino jest 0,8 eV. Teraz międzynarodowy zespół złożony z ponad 140 naukowców przeanalizował dane z 259 dni pracy KATRIN i jeszcze bardziej doprecyzował pomiary.
Eksperyment KATRIN Collaboration wykorzystuje rozpad beta trytu. Podczas niego dochodzi do emisji elektronu i antyneutrina. Antycząstki mają taką samą masę jak odpowiadające im cząstki, więc badania antyneutrina pozwalają określić masę neutrina. Jednak neutrina niemal nie wchodzą w interakcje z materią. Ich badanie (i badanie antyneutrin) jest niezwykle trudne. W ramach eksperymentu KATRIN badany jest więc elektron, nie neutrino.
Rozpad beta trytu to jeden z najmniej energetycznych rozpadów beta. Emitowane w jego trakcie elektron i neutrino unoszą łącznie 18,6 keV energii. Elektron trafia do 200-tonowego spektroskopu długości 23 metrów, o którego niezwykłym transporcie na miejsce montażu informowaliśmy kilka lat temu. Spektroskop bada widmo energii elektronu, jeśli precyzyjnie je poznamy, będziemy wiedzieli ile brakuje ze wspomnianych 18,6 keV, zatem ile energii przypadło na neutrino. Brzmi to prosto, ale jest niezwykle skomplikowanym zadaniem.
Eksperyment KATRIN zakończy działanie jeszcze w bieżącym roku. Naukowcy będą wówczas dysponowali danymi zebranymi z 1000 dni. Spodziewają się, że obniżą górną granicę masy neutrino do 0,3 eV, a może nawet do 0,2 eV. To i dobra, i zła wiadomość. Coraz lepiej poznajemy bowiem masę neutrino, ale nie znamy jej dokładnej wartości. Gdyby było to bliżej 1 eV, to eksperymenty takie jak KATRIN mogłyby dać nam ostateczną odpowiedź. Jednak teraz wiemy już, że potrzebne będą znacznie bardziej precyzyjne urządzenia, niż te, którymi obecnie dysponujemy.
« powrót do artykułu -
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
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.