Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Badały ekscytony, znalazły π-ton. Uczone z Wiednia odkryły nową kwazicząstkę
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Na Uniwersytecie Tokijskim powstał kondensat Bosego-Einsteina zbudowany z kwazicząstek. Kwazicząstki nie są cząstkami elementarnymi, ale posiadają niektóre z ich cech, jak ładunek czy spin. Przez dziesięciolecia nie było wiadomo, czy kwazicząstki mogą utworzyć kondensat Bosego-Einsteina tak, jak czynią to cząstki. Japońscy naukowcy dowiedli, że mogą, a ich odkrycie może mieć duży wpływ na rozwój technologii kwantowych.
Kondensaty Bosego-Eisteina są czasem opisywane jako piąty – obok ciał stałych, cieczy, gazów i plazm – stan materii. Ich istnienie zostało przewidziane na początku XX wieku. Pierwszy kondensat uzyskano w 1995 roku. Kondensat Bosego-Einsteina pojawia się, gdy grupa atomów zostanie schłodzona do temperatury o miliardowe części stopnia wyższe od zera absolutnego. Naukowcy zwykle wykorzystują lasery i pułapki magnetyczne do stopniowego chłodzenia gazu, zwykle atomów rubidu. W niezwykle niskich temperaturach atomy niemal się nie poruszają i wykazują zadziwiające zachowania. Znajdują się w tym samym stanie kwantowym i zaczynają „sklejać się” ze sobą, zajmując tę samą przestrzeń, tworząc „superatom” zachowujący się jak pojedyncza cząstka. Dotychczas kondensaty Bosego-Einsteina uzyskiwano ze zwykłych atomów.
Japończycy stworzyli kondensat z atomów egzotycznych, czyli takich, w których jedną cząstkę subatomową – np. elektron czy proton – zastąpiono inną cząstką subatomową o takim samym ładunku. Na przykład pozytonium to atom egzotyczny zbudowany z elektronu i pozytonu.
Innym takim przykładem może być ekscyton. Gdy światło trafia w półprzewodnik, prowadzi to do pobudzenia elektronów, pojawia się ich swobodny przepływ, w ten sposób zamieniamy energię światła w energię elektryczną. Miejsce opuszczone przez wzbudzony elektron to dziura, którą można traktować jak cząstkę o ładunku dodatnim. Przyciąga ona elektron o ładunku ujemnym, tworząc parę dziura-elektron. W ten sposób powstaje kwazicząstka zwana ekscytonem. Możemy traktować ją jak atom egzotyczny, a konkretnie atom wodoru, w którym proton został zastąpiony przez dziurę.
Japończycy uwięzili ekscytony – a konkretne paraekscytony, czyli ekscytony o spinach antyrównoległych – w tlenku miedzi (Cu2O), który schłodzili do 400 mK. Następnie wizualizowali powstały w ten sposób kondensat Bosego-Einsteina i określili różnice i podobieństwa między kondensatem uzyskanym z ekscytonów, a standardowym kondensatem atomowym.
Uczeni już zapowiadają, że zajmą się badaniami dynamiki formowania kondensatu Bosego-Einsteina w półprzewodnikach i badaniami kolektywnego wzbudzenia ekscytonów w kondensacie. Ich celem jest stworzenie platformy do badań kondensatu z ekscytonów.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Fizycy donoszą o zdobyciu pierwszego bezsprzecznego dowodu na istnienie anyonów, cząstek, których istnienie zostało zaproponowane przed ponad 40 laty. Anyony to kwazicząstki, które nie są ani fermionami, ani bozonami zatem podlegają statystyce innej niż statystyka Fermiego-Diraca i Bosego-Einsteina. Anyony mogą istnieć w przestrzeni dwuwymiarowej.
Odkrycie, którego dokonano za pomocą elektronicznego urządzenia 2D, może być pierwszym krokiem na drodze wykorzystania anyonów w przyszłych komputerach kwantowych.
Wszystkie cząstki elementarne są albo fermionami albo bozonami. Anyony nie należą do żadnej z tych kategorii. Fermiony są definiowane przez statystykę Fermiego-Diraca. Gdy dwa identyczne fermiony zamieniają się miejscem w przestrzeni ich funkcja falowa zmienia pozycję o 180 stopni. W przypadku zaś bozonów, definiowanych przez statystykę Bosego-Einsteina, nie dochodzi w takim przypadku do zmiany funkcji falowej. Innymi słowy, cząstki o spinach połówkowych (fermiony) dążą do pozostawania osobno od siebie, natomiast cząstki o spinach całkowitych (bozony) dążą do gromadzenia się. Anyony znajdują się gdzieś po środku. Zmiana pozycji anyonów powinna doprowadzić do zmiany funkcji falowej o kąt pośredni. Podlegają one statystyce cząstkowej.
Jeśli jedna kwazicząstka wykona pełen obrót wokół drugiej, co jest odpowiednikiem dwukrotnej zamiany pozycji pomiędzy nimi, informacja o tym ruchu zostanie zachowana w stanie kwantowym cząstki. I to właśnie ten zapamiętany stan jest jedną z cech charakterystycznych statystyki cząstkowej, której poszukiwali obecnie naukowcy, by potwierdzić istnienie anyonów.
Fizyk eksperymentalny Michael Manfra i jego zespół z Purdue University, stworzyli strukturę złożoną z cienkich warstw arsenku galu i arsenku aluminiowo-galowego. Struktura taka wymusza ruch elektronów w dwóch wymiarach. Urządzenie zostało schłodzone do 1/10 000 stopnia powyżej zera absolutnego i poddano je działaniu silnego pola magnetycznego. W ten sposób pojawił się tzw. izolator cząstkowego kwantowego efektu Halla. W izolatorze takim prąd elektryczny nie może przemieszczać się w wewnątrz urządzenia, a wyłącznie po jego krawędziach. Urządzenie może przechowywać kwazicząstki, których ładunek elektryczny nie jest wielokrotnością ładunku elektronów. Naukowcy podejrzewali, że kwazicząstki te to właśnie anyony.
By udowodnić, że istotnie mają do czynienia z anyonami, uczeni połączyli swoje urządzenie do elektrod w ten sposób, że ładunki mogły przepływać tylko po krawędziach. Właściwości urządzenia były dobierane za pomocą pola magnetycznego i elektrycznego. Spodziewano się, że manipulacja tymi polami albo zniszczy ani utworzy anyony wewnątrz urządzenia i spowoduje, że anyony będą przemieszczały się pomiędzy elektrodami. Jako, że poruszające się anyony mogą poruszać się dwiema możliwymi ścieżkami, a każda z nich powoduje pojawienie się innego skrętu ich fal, gdy anyony docierają do celu dochodzi do interferencji i pojawienia się wzorca określanego jako paski na piżamie.
Wzorzec ten pokazywał relatywną wartość skrętu fal anyonów pomiędzy obiema ścieżkami i był zależny od zmian napięcia i siły pola magnetycznego. Ostatecznym dowodem zaś były wyraźnie widoczne przeskoki, świadczące o znikaniu i pojawianiu się anyonów w urządzeniu.
Zespół Manfry nie jest jedynym, który przedstawił dowody na istnienie statystyki cząstkowej, zatem na istnienie anyonów. Jednak w wielu poprzednich przypadkach uzyskane wyniki dawało się wytłumaczyć również w inny sposób, mówi Bernard Rosenow, fizyk-teoretyk z Uniwersytetu w Lipsku specjalizujący się w badaniu materii skontensowanej. Tymczasem, jak sam przyznaje, nie znam innego wyjaśnienia dla wyników uzyskanych przez Manfrę, jak interpretacji mówiącej o statystyce cząstkowej. Jeśli więc inny zespół potwierdzi obserwacje Manfry i jego kolegów, będziemy mogli mówić o odkryciu anyonów.
Anyony zaś mogą posłużyć do budowy komputerów kwantowych. Już zresztą istnieją teorie opisujące takie maszyny. W parach kwazicząstek można zapisać informacje o tym, jak krążyły one wokół siebie. Jako, że statystyka cząstkowa jest topologiczna, zależy od liczby okrążeń, jakie jeden anyon wykonał wokół drugiego, a nie od niewielkich zmian trajektorii, jest odporna na niewielkie zakłócenia.
Ta odporność zaś może spowodować, że topologiczne komputery kwantowe będą łatwiejsze do skalowania niż obecnie wykorzystywane technologie komputerów kwantowych, które są bardzo podatne na błędy. Microsoft, dla którego zresztą Manfra pracuje jako zewnętrzny konsultant, jest jedyną firmą pracującą obecnie nad topologicznymi komputerami kwantowymi. Inni giganci, jak IBM, Intel Google i Honeywell, udoskonalają inne technologie.
Jednak do wykorzystania anyonów w komputerach kwantowych jest jeszcze daleka droga. Obecne odkrycie jest ważniejsze z punktu widzenia fizyki niż informatyki kwantowej. Dla mnie, jako teoretyka zajmującego się materią skondensowaną, kwazicząstki są równie fascynujące i egzotyczne jak bozon Higgsa, mówi Rosenow.
Ze szczegółami pracy Manfry i jego zespołu można zapoznać się na łamach arXiv.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Zdaniem chemików-teoretyków z University of Chicago, powinno być możliwe stworzenie materiałów, które jednocześnie przesyłają prąd elektryczny oraz energię ekscytonów i czynią to bez strat w dość wysokich temperaturach. Naukowcy obliczyli, ze takie materiały powinny istnieć w pojedynczym stanie kwantowym, jednak będą wykazywały właściwości dwóch różnych kondensatów – jednego złożonego z ekscytonów i drugiego z par fermionów.
Kondensaty Bosego-Einsteina uzyskuje się w wyniku schładzania gazów tak bardzo, że długość fal materii de Broglie'a poszczególnych cząstek jest porównywalna z odległościami pomiędzy nimi. W ten sposób całość ma ten sam podstawowy stan kwantowy. Kondensat musi składać się z bozonów, gdyż mają one spin całkowity i mogą jednocześnie przybierać ten sam stan kwantowy. Możliwe jest też stworzenie kondensatów Bosego-Einsteina z par fermionów o spinie połówkowym, gdyż taka para ma spin całkowity, jest więc bozonem.
W nadprzewodnikach pary elektronów (fermionów), zwane parami Coopera, tworzą stan nadciekły, dzięki czemu prąd może przemieszczać się nie napotykając oporu. pary Coopera mają niską energię wiązania, co oznacza, że wiązania są łatwo rozrywane przez energię termiczną. Po przekroczeniu pewnej temperatury granicznej pary ulegają rozerwaniu i materiał z nadprzewodnika staje się przewodnikiem.
Jednym ze sposobów na podniesienie temperatury granicznej kondensatu jest uzyskanie go z ekscytonów (bozonów), czyli par elektron-dziura. Ekscytony, w przeciwieństwie do par Coopera, nie niosą ze sobą ładunku elektrycznego. Są silniej ze sobą powiązane, co oznacza, że stworzony z nich kondensat może istnieć w wyższych temperaturach niż nadprzewodnik. Problem jednak w tym, że cząstki i dziury bardzo szybko ulegają anihilacji, więc kondensaty z ekscytonów są bardzo trudne do uzyskania.
Kondensaty ekscytonów można uzyskiwać umieszczając elektrony w pułapce optycznej lub wykorzystując bliźniacze warstwy materiału, takiego jak półprzewodniki czy grafen, do utrzymania elektronów i dziur z dala od siebie. Kondensaty ekscytonowe mogą też współistnieć z kondensatami stworzonymi z par fermionów. W takim systemie umożliwiają one istnienie par Coopera w wyższych temperaturach.
Autorzy najnowszych badań, LeeAnn Sager, Shiva Safaei i David Mazziotti z University of Chicago przypominają, że właściwości obu typów kondensatów wchodzących w skład takiego systemu, pozostają różne. Uczeni postanowili sprawdzić, czy jest teoretycznie możliwe stworzenie materiału, który jednocześnie wykazuje właściwości obu kondensatów. Taki materiał mógłby jednocześnie przewodzić elektryczność i energię wzbudzenia ze 100-procentową wydajnością.
Naukowcy wykorzystali model komputerowy do symulowania zachowania systemu składającego się z czterech fermionów. Z modelu wynika, że taki materiał rzeczywiście wykazywałby właściwości obu kondensatów. Uczeni nie mieli dostępu do wystarczających mocy obliczeniowych, by przeskalować swój system. Obliczyli więc, co by się stało, gdyby splątano kwantowe funkcje falowe nadprzewodnika i ekscytonowego kondensatu zawierającego dużą liczbę cząstek. Jak mówi Mazziotti, z obliczeń wynika, że istnieje dość duża rodzina funkcji falowych, łączących te właściwości. Nic nie stoi na przeszkodzie, by właściwości te wykazywały w świecie makro.
Jak czytamy na łamach Physical Review B, ten pojedynczy stan kwantowy, który nazwali kondensatem fermionowo-ekscytonowym, łączy właściwości obu kondensatów w „wysoce nietrywialny sposób”.
Teraz grupa Mazziottiego współpracuje z praktykami nad stworzeniem w laboratorium opisanego teoretycznie materiału. Na razie najbardziej oczywistym kandydatem do jego stworzenia wydaje się para nadprzewodzących warstw, chociaż naukowcy nie wiedzą jeszcze, jakiego nadprzewodnika użyją.
Uczeni nie mają jednak złudzeń, co do zadania, jakie przed sobą postawili. Jednym z problemów, z którymi będą musieli się zmierzyć, jest zarządzanie różnymi energiami wiązań par Coopera i ekscytonów. Trudno będzie zbliżyć obie warstwy do siebie tak, by pojawiło się wiązanie, a jednocześnie, by były one od siebie na tyle daleko, by nie doszło do tunelowania elektronów pomiędzy warstwami. Jeśli jednak uda się tego dokonać, możemy zyskać niezwykły materiał. Może on np. posłużyć do stworzenia urządzeń do obrazowania medycznego, w których nie będzie dochodziło do utraty światła, zatem zyskamy niezwykle dużą rozdzielczość obrazu.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.