Blisko rozmieszczone atomy wodoru mogą prowadzić do nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej
-
Similar Content
-
By KopalniaWiedzy.pl
Splątanie kwantowe to fascynujące zjawisko leżące u podstaw tworzonych właśnie systemów do kwantowej komunikacji, kwantowych obliczeń czy kwantowych czujników środowiskowych. Stan splątany dwóch cząstek oznacza, że mierząc jedną z cząstek możemy poznać właściwości drugiej, mimo że są one od siebie znacznie oddalone i nie ma między nimi kontaktu.
Naukowcy z Uniwersytetu w Kopenhadze splątali właśnie mechaniczny oscylator ze spinem grupy atomów. Ich osiągnięcie kładzie podwaliny pod osiągnięcie stanu splątanego odmiennych systemów, co z kolei może posłużyć m.in. do budowy komputerów kwantowych.
Przed około dekadą zaproponowaliśmy teoretyczny sposób na splątanie mechanicznego oscylatora z oscylatorem spinowym za pomocą fotonów. Wykorzystaliśmy przy tym zasadę, która została później nazwana „wolnymi podprzestrzeniami mechaniki kwantowej” lub „trajektoriami bez kwantowych nieoznaczoności". W naszym najnowszym artykule donosimy o eksperymentalnym zaimplementowaniu naszej teorii, mówi profesor Eugene S. Polzik, który stał na czele grupy badawczej.
W celu uzyskania splątania pomiędzy systemem mechanicznym a spinowym Polzik i jego zespół wykorzystali fakt, że w stanie wzbudzonym dochodzi do redukcji energii spinowego oscylatora, co można postrzegać jako posiadanie przezeń jako posiadanie „ujemnej masy”.
Splątanie pomiędzy systemem mechanicznym a spinowym uzyskujemy poprzez wysłanie światła pomiędzy oboma systemami: mechanicznym oscylatorem o masie dodatniej i spinowym oscylatorem o efektywnej masie ujemnej. Wykonanie pomiaru tego światła wprowadza oba systemy w stan splątany. Kolejne powtarzalne pomiary potwierdzają splątanie pokazując, że kwantowe fluktuacje w obu systemach są silnie ze sobą skorelowane, mówi Polzik.
Eksperyment może też wskazywać, iż możliwe jest poradzenie sobie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Jak mówi profesor Polzik, wykorzystanie „masy ujemnej” może bowiem pozwolić na osiągnięcie nieograniczonej dokładności pomiaru.
Zespół Polzika przygotowuje teraz eksperyment, którego celem będzie wykazanie potencjalnej przydatności opisanych powyżej badań do udoskonalenia wykrywaczy fal grawitacyjnych LIGO i VIRGO.
Szczegóły badań zostały opublikowane w artykule Entanglement between distant macroscopic mechanical and spin systems
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Fizycy z University of Rochester poinformowali o stworzeniu pierwszego w historii nadprzewodnika działającego w temperaturze pokojowej. Uzyskany przez nich związek wodoru, węgla i siarki wykazuje właściwości nadprzewodzące w temperaturze dochodzącej do 15 stopni Celsjusza. Po raz pierwszy w historii można rzeczywiście stwierdzić, że osiągnięto nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej, mówi Ion Errea z Uniwersytetu Kraju Basków, fizyk-teoretyk zajmujący się materią skondensowaną. Wyniki badań opublikowano na łamach Nature.
Naukowcy od dawna poszukują nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej. Materiały takie zrewolucjonizowałyby wiele dziedzin życia. Pozwoliłyby na bezstratne przesyłanie energii liniami wysokiego napięcia, budowę lewitujących pociągów wielkich prędkości czy stworzenie znacznie bardziej wydajnych komputerów. Niestety, opracowany przez Amerykanów materiał nigdy nie posłuży do stworzenia wspomnianych urządzeń, gdyż wykazuje właściwości nadprzewodzące przy ciśnieniu sięgającym 75% ciśnienia panującego w ziemskim jądrze.
Ludzie od dawna marzą o nadprzewodnikach. Dlatego też mogą nie docenić tego, co zostało osiągnięte, gdyż potrzebujemy do tego wysokich ciśnień, mówi Chris Pickard z University of Cambridge.
Teraz, gdy udowodniono, że nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej jest możliwe, należy jeszcze znaleźć materiał, który będzie nadprzewodnikiem przy ciśnieniu atmosferycznym. Na szczęście niektóre cechy nowego związku sugerują, że możliwe będzie znalezienie odpowiedniego materiału.
Opór elektryczny to zjawisko, które ma miejsce, gdy przemieszczające się elektrony zderzają się z atomami metalu, w którym podróżują. W 1911 roku odkryto, że w niskich temperaturach elektrony wywołują drgania w sieci atomowej metallu, a w wyniku tych drgań elektrony łączą się w pary Coopera. Różne prawa fizyki kwantowej powodują, że pary takie przemieszczają się przez sieć krystaliczną metalu, nie napotykając na żaden opór. Jakby jeszcze tego było mało, tworzą one „nadprzewodzący płyn”, który posiada silne pole magnetyczne, pozwalające np. na osiągnięcie magnetycznej lewitacji nad nadprzewodzącymi szynami kolejowymi.
W 1968 Neil Ashcroft z Cornell University stwierdził, że w osiągnięciu nadprzewodnictwa powinny pomóc atomy wodoru. Co prawda potrzeba jest niezwykle wysokich ciśnień, by uzyskać sieć krystaliczną wodoru, jednak praca Ashcrofta dawała nadzieję, że uda się znaleźć taki związek wodoru, dzięki któremu będzie to możliwe przy niższych ciśnieniach.
Szybkich postępów zaczęto dokonywać w XXI wieku, kiedy to z jednej strony pojawiły się potężniejsze komputery, pozwalające na przeprowadzanie teoretycznych obliczeń i warunków, jakie powinny być spełnione, by osiągnąć nadprzewodnictwo, z drugiej zaś rozpowszechniło się użycie kompaktowych komór diamentowych, pozwalających na osiąganie bardzo wysokich ciśnień.
Badania tego typu są bardzo kosztowne, o czym świadczy chociażby przykład z Rochester. Zespół naukowy, który pochwalił się osiągnięciem nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej, posiłkował się obliczeniami i intuicją. Podczas prac testowano wiele związków wodoru, z różną zawartością wodoru. Konieczne było bowiem znalezienie odpowiednich proporcji tego pierwiastka.
Jeśli będziemy mieli zbyt mało wodoru, nie uzyskamy dobrego nadprzewodnika. Jeśli będzie go zbyt dużo, to formę metaliczną przybierze on przy ciśnieniach, które niszczą diamentowe ostrza komory. W czasie swoich badań uczeni zniszczyli dziesiątki par takich ostrzy, z których każda kosztuje 3000 USD. Budżet na diamenty to największy problem, przyznaje Ranga Dias, szef zespołu badawczego.
Dzisiejszy sukces był możliwy dzięki wykorzystaniu osiągnięć niemieckich naukowców, którzy w 2015 roku uzyskali nadprzewodzący siarkowodór w temperaturze -70 stopni Celsjusza. Amerykanie również rozpoczęli swoją pracę od siarkowodoru. Dodali do niego metan, a całość przypiekli laserem. Byliśmy w stanie wzbogacić całość i wprowadzić do systemu odpowiednią ilość wodoru, by utrzymać pary Coopera w wysokich temperaturach, wyjasnia Ashkan Salamat.
Naukowcy przyznają, że nie wiedzą dokładnie, jak wygląda ich materiał. Wodór jest zbyt mały, by było go widać w standardowym próbkowaniu struktury, nie wiadomo zatem, jak dokładnie wygląda sieć krystaliczna uzyskanego związku, ani nawet jaka jest jego dokładna formuła chemiczna. Uzyskane wyniki nie do końca zgadzają się też z wcześniejszymi teoretycznymi przewidywaniami. Niewykluczone, że wysokie ciśnienie w jakiś nieprzewidywalny sposób zmieniło badaną substancję, dzięki czemu udało się uzyskać tak dobre nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej.
Obecnie Dias i jego grupa pracują nad dokładnym określeniem budowy swojej substancji. Gdy już będą to wiedzieli, teoretycy będą mogli przystąpić do obliczeń, pozwalających na dalsze udoskonalenie przepisu na nadprzewodnik w temperaturze pokojowej.
Dotychczas udowodniono, że próba uzyskania działającego w temperaturze pokojowej nadprzewodnika złożonego z wodoru i jeszcze jednego pierwiastka to ślepy zaułek. Jednak trójskładnikowe związki mogą być rozwiązaniem problemu. Szczególnie obiecująco wygląda tutaj dodanie węgla do całości. Węgiel ma bardzo silne wiązania kowalencyjne i, jak się wydaje, zapobiega on rozpadaniu się par Coopera przy mniejszym ciśnieniu.
Ciśnienie atmosferyczne będzie tutaj bardzo dużym wyzwaniem. Ale jeśli do równania dodamy węgiel, to jest to bardzo dobry prognostyk na przyszłość, mówi Eva Zurek z zespołu obliczeniowego, który współpracuje z grupą Diasa.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Polsko-włoska grupa badawcza wykazała, że w polarytonowych płynach światła można uzyskać tzw. długie złącze Josephsona - czyli specjalny, dynamiczny stan cieczy kwantowej. Badania te stanowią również ważny krok na drodze do zastosowań płynów światła w praktyce.
Nadprzewodnictwo i nadciekłość oraz związane z nimi zjawisko kondensacji Bosego-Einsteina to rzadko spotykane na co dzień demonstracje fizyki kwantowej, które daje się zaobserwować w skali większej od rozmiaru pojedynczych cząsteczek. Jedną z ich konsekwencji jest tzw. efekt Josephsona, który występuje na granicy dwóch ośrodków nadprzewodzących oddzielonych np. barierą w postaci cienkiej warstwy izolatora.
Efekt ten ma dzisiaj zastosowania praktyczne: jest wykorzystywany m.in. w precyzyjnych magnetometrach (ang. SQUID), które są integralnym składnikiem medycznych skanerów wykorzystujących metodę ultraczułego rezonansu magnetycznego do obrazowania tkanek (ang. MRI). Wykorzystanie efektu Josephsona napotyka jednak na ograniczenia w postaci konieczności chłodzenia układu pomiarowego do temperatur kriogenicznych - to znacznie zwiększa koszt i stopień komplikacji takich urządzeń.
Zainspirowało to grupę badawczą, w której znaleźli się m.in. naukowcy z IF PAN - do poszukiwania systemów, w których nadciekłość i analogiczne efekty kwantowe można by zrealizować w temperaturze pokojowej.
W ostatniej dekadzie rozwój badań nanomateriałów zrodził koncepcję nowego stanu fizycznego, nazywanego kwantowym płynem światła (ang. fluid of light). Stanowi on wynik oddziaływania materii i światła i jest zazwyczaj uzyskiwany w optoelektronicznych strukturach półprzewodnikowych, w których nie tylko elektrony, ale również światło (fotony) jest zlokalizowane wewnątrz struktury - co prowadzi do ich wzajemnego sprzężenia i utraty jednoznacznej tożsamości światła i materii. Taki właśnie płyn światła ma wówczas własności analogiczne do stanów nadciekłych i nadprzewodzących.
Płyny światła uzyskuje się w szczególności w przypadku quasi cząstek (wzbudzeń elementarnych w krysztale) zwanych polarytonami ekscytonowymi. Powstają one w półprzewodnikach o specjalnie zaprojektowanej strukturze, na skutek oddziaływania światła z ekscytonami - czyli parami cząstek złożonymi z elektronu i "dziury". Takie polarytony są kwantowymi quasi cząstkami, które zachowują się jak słynny "kot Schrödingera". Ich stan kwantowy zawiera dwie alternatywy: "kota żywego" - gdy ekscyton istnieje, lub "kota martwego" - gdy zamiast ekscytonu w układzie znajduje się jedynie foton.
Dzięki ich specyficznym własnościom możliwe jest zaobserwowanie w cieczy polarytonowej kondensacji Bosego-Einsteina i nadciekłości nawet w temperaturze pokojowej.
W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Photonics badacze z IF PAN we współpracy z grupą doświadczalną z instytutu CNR Nanotec w Lecce we Włoszech pokazali, że w polarytonowych płynach światła możliwe jest uzyskanie także specjalnego, dynamicznego stanu cieczy kwantowej zwanego długim złączem Josephsona.
Złącze takie charakteryzuje się rozmiarem przewyższającym wielokrotnie charakterystyczną skalę długości, odpowiadającą międzyatomowym oddziaływaniom w układzie kwantowym. Dzięki temu możliwe stało się zademonstrowanie przez autorów zjawiska wirów Josephsona, które w odróżnieniu od wirów klasycznych, charakteryzują się skwantowanym momentem pędu. Ich "wirowość" jest zawsze wielokrotnością pewnej stałej wartości. Dlatego też, ze względu na możliwość zakodowania informacji za pomocą skwantowanej wirowości, wiry cieczy stały się obiecującym kandydatem do zastosowań w komputerach kwantowych.
Przedstawione badania stanowią również ważny krok na drodze do zastosowań płynów światła w praktyce, np. w interferometrach SQUID. Dzięki zastosowaniu technologii półprzewodnikowej - a zwłaszcza możliwości obserwacji zjawisk w temperaturze pokojowej - nowa technologia powinna przyczynić się do znacznego obniżenia kosztów urządzeń, a także opracowania nowych zastosowań, gdzie czułość pomiarów ma istotne znaczenie.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Grafen ma wiele niezwykłych właściwości, jednak nie jest materiałem piezoelektrycznym. Piezoelektryczność to właściwość niektórych materiałów, polegająca na tym, że przy zginaniu, ściskaniu i skręcaniu materiały te produkują ładunki elektryczne. Występuje też zależność odwrotna - pole elektryczne wywołuje odkształcenie materiału piezoelektrycznego, dając nad nim duża kontrolę.
W ACS Nano ukazał się artykuł, w którym dwóch inżynierów ze Stanford University opisuje, w jaki sposób nadali grafenowi właściwości piezoelektryczne.
Fizyczne deformacje, jakie możemy tworzyć, są wprost proporcjonalne do przyłożonego pola elektrycznego, co daje nam niedostępną wcześniej możliwość kontrolowania elektroniki w nanoskali - stwierdził Evan Reed, szef Materials Computation and Theory Group i główny autor badań. To pozwala mieć nadzieję, na zrealizowanie koncepcji ‚straintroniki’, zwanej tak ze względu na sposób, w jaki pole elektryczne w sposób przewidywalny zmienia kształt sieci krystalicznej węgla - dodał uczony.
Mitchell Ong, autor artykułu w ACS Nano, uważa, że „piezoelektryczny grafen może może zapewnić niedostępny dotychczas stopień elektrycznej, mechanicznej i optycznej kontorli nad różnymi urządzeniami, od ekranów dotykowych po nanotranzystory“.
Za pomocą symulacji przeprowadzanych na superkomputerach, inżynierowie sprawdzali skutki domieszkowania grafenu po jednej lub obu stronach sieci krystalicznej. Modelowano domieszkowanie litem, wodorem, potasem i fluorem oraz ich kombinacjami. Wyniki zaskoczyły naukowców. Sądziliśmy, że pojawi się efekt piezoelektryczny, ale będzie on słaby. Tymczasem jest on podobny do występującego w tradycyjnych materiałach - mówi Reed.
-
-
Recently Browsing 0 members
No registered users viewing this page.