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

Obowiązujący od 60 lat pogląd na światło laserowe unieważniony przez mechanikę kwantową

Recommended Posts

Australijscy teoretycy kwantowi wykazali, że możliwe jest przełamanie obowiązującej od 60 lat bariery ograniczającej koherencję światła laserowego. Koherencja, czyli spójność wiązki światła, może być w przypadku laserów opisana jako liczba fotonów wyemitowanych jeden po drugim w tej samej fazie. To element decydujący o przydatności lasera do różnych zastosowań.

Obowiązujące poglądy na temat spójności światła laserowego zostały nakreślone w roku 1958 przez amerykańskich fizyków, Arthura Schawlowa i Charlesa Townesa. Obaj otrzymali zresztą Nagrodę Nobla za swoje prace nad laserami. Teoretycznie wykazali, ze koherencja wiązki lasera nie może być większa niż kwadrat liczby fotonów obecnych w laserze, mówi profesor Howard Wiseman z Griffith University. Stał on na czele grupy naukowej złożonej z Griffith University i Macquarie University.

Poczynili jednak pewne założenia odnośnie ilości energii dostarczanej do lasera oraz sposobu, w jaki jest ona uwalniana, by uformować wiązkę. Ich założenia miały wówczas sens i wciąż są prawdziwe w odniesieniu do większości laserów. Jednak mechanika kwantowa nie potrzebuje takich założeń, dodaje Wiseman.

W naszym artykule wykazaliśmy, że prawdziwa granica koherencji, nakładana przez mechanikę kwantową, to czwarta potęga liczby fotonów przechowywanych w laserze, dodaje profesor Dominic Berry.

Naukowcy zapewniają, że taką koherencję można osiągnąć w praktyce. Przeprowadzili bowiem symulację numeryczną i stworzyli oparty na mechanice kwantowej model lasera, który może osiągnąć ten nowy teoretyczny poziom spójności wiązki. Wiązka taka, poza spójnością, jest identyczna z wiązką konwencjonalnego lasera.

Trzeba będzie poczekać na pojawienie się takich laserów. Udowodniliśmy jednak, że używając nadprzewodników można będzie zbudować taki laser, którego granice będą wyznaczane przez zasady mechaniki kwantowej. Obecnie ta sama technologia jest wykorzystywana do budowy komputerów kwantowych. Nasz laser może właśnie w nich znaleźć zastosowanie, mówi doktorant Travis Baker.

Profesor Wiseman dodaje zaś, że prace jego zespołu każą postawić interesujące pytanie o możliwość skonstruowania bardziej energooszczędnych laserów. To przyniosłoby duże korzyści. Mam nadzieję, że w przyszłości będziemy mogli zbadać tę kwestię.


« 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
      Amerykańscy fizycy ostrzegają, że w przyszłości komputery kwantowe będą musiały być chronione grubą warstwą ołowiu lub... przechowywane głęboko pod ziemią. Są bowiem niezwykle wrażliwe na zewnętrzne zakłócenia, w tym na promieniowanie jonizujące. Promieniowanie to może znacząco skracać czas koherencji kubitów (kwantowych bitów), a to z kolei niekorzystnie wpłynie na możliwość praktycznego wykorzystania technologii kwantowych.
      William Oliver i jego koledzy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) oraz Pacific Northwest National Laboratory zmierzyli i modelowali wpływ promieniowania jonizującego na aluminiowe kubity umieszczone na krzemowym podłożu. Podczas swoich eksperymentów naukowcy wykorzystali dwa kubity, które poddano działaniu dobrze znanego źródła promieniowania jonizującego, cienkiego dysku wykonanego z miedzi-64. Naukowcy mierzyli tempo dekoherencji kubitów. Badali też, jak łatwo w wyniku oddziaływania promieniowania w kubitach pojawiają się kwazicząsteczki. Uzyskane w ten sposób informacje połączyli z danymi dotyczącymi promieniowania jonizującego w laboratorium MIT, pochodzącego zarówno z promieniowania kosmicznego jak i z naturalnych izotopów radioaktywnych. W tym przypadku były to głównie izotopy obecne w betonowych ścianach laboratorium.
      Okazało się, że w warunkach panujących w laboratorium górna granica czasu koherencji kubitów wynosi 3–4 milisekund. Po tym czasie następuje dekoherencja, zatem kubity stają się nieprzydatne do przeprowadzania obliczeń.
      Uczeni zweryfikowali uzyskane wyniki za pomocą dodatkowego niezależnego eksperymentu sprawdzając, jak można kubity chronić przed promieniowaniem jonizującym. W tym eksperymencie siedem kubitów – a raczej pojemnik z chłodziwem, w którym je przechowywano – zostało otoczonych 10-centymetrową warstwą ołowiu. Podnosząc i opuszczając osłonę byli w stanie zbadać wpływ promieniowania jonizującego oraz osłony na te same kubity. Potwierdzili, że limit czasu koherencji wynosi około 4 ms. Jednocześnie odkryli, że 10-centymetrowa osłona wydłuża ten czas o około 10%.
      Jednak biorąc pod uwagę fakt, że istnieją silniejsze od promieniowania jonizującego źródła dekoherencji kubitów, Oliver i jego zespół wyliczają, że 10-centymetrowa osłona wydłuża czas koherencji zaledwie o 0,2%. To niewiele, ale zdaniem naukowców stosowanie takich osłon będzie koniecznością. Zmniejszenie lub pozbycie się wpływu promieniowania jonizującego będzie krytycznym elementem praktycznego wykorzystania nadprzewodzących komputerów kwantowych, napisali na łamach Nature.
      Jedną z opcji, przynajmniej na początku rozwoju informatyki kwantowej, mogłoby być umieszczenie komputerów pod ziemią. To jednak wymaga dalszych badań. Oliver mówi, że najlepszym rozwiązaniem będzie stworzenie kubitów, które są mniej podatne na zakłócenia.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z University of Chicago’s Pritzker School of Molecular Engineering ogłosili, że za pomocą prostej modyfikacji aż o 10 000 razy wydłużyli czas trwania koherencji stanu kwantowego. Co prawda udało się to w dość szczególnym przypadku kubitów w ciele stałym, ale uczeni twierdzą, że ich technika powinna sprawdzić się też w wielu innych systemach kwantowych.
      To przełom, który kładzie podwaliny pod nowe badania w dziedzinie nauk kwantowych. Szeroka możliwość zastosowania tego odkrycia w połączeniu z niezwykle prostą implementacją wskazuje, że będzie to miało zastosowanie w wielu aspektach inżynierii kwantowej. Pozwala to na prowadzenie nowych rodzajów badań, które dotychczas były uważane za niepraktyczne, wyjaśnia główny autor badań, profesor David Awschalom.
      Stany kwantowe są niezwykle delikatne. Ulegają zniszczeniu pod wpływem oddziaływania z zewnątrz. Jeden ze sposobów na ich zachowanie jest fizyczne odizolowanie systemu od otoczenia, sposób drugi to tworzenie jak najbardziej czystych materiałów. Obie metody są trudne i kosztowne. Naukowcy z Chicago znaleźli trzeci sposób.
      Nie próbujemy wyeliminować szumu z otoczenia. Przekonujemy system, że nie doświadcza szumu, mówi jeden z badaczy, Kevin Miao. Naukowcy wykorzystali standardowe impulsy elektromagnetyczne używane do kontroli systemów kwantowych, ale dodatkowo zaaplikowali wciąż zmieniające się pole magnetyczne. Dzięki jego precyzyjnemu dostrojeniu byli w stanie szybko zmieniać spin elektronów, dzięki czemu system wyłącza szum. To tak, jakbyśmy siedzieli na karuzeli, a wokół byliby krzyczący ludzie. Jeśli karuzela się nie porusza, wszystko dobrze słyszymy. Jednak jeśli się bardzo szybko kręci, ich krzyki zlewają się z tłem, wyjaśnia Miao.
      Ta niewielka zmiana spowodowała, że koherencję systemu kwantowego udało się utrzymać przez 22 milisekundy. To 4 rzędy wielkości więcej niż dotychczasowy rekord utrzymania koherencji systemu opartego na spinie elektronu. Nowy system jest w stanie niemal całkowicie wyłączyć niektóre formy fluktuacji temperatury, wibracji czy zakłóceń elektromagnetycznych.
      Awschalom nie wyklucza, że nowy system uda się skalować. Powinno to pozwolić na opracowanie praktycznych metod przechowywania informacji w spinie elektronu. Przedłużony czas koherencji pozwoli zaś komputerowi kwantowemu na przeprowadzenie bardziej złożonych operacji, umożliwi przesłanie na dłuższe odległości informacji kantowej z urządzeń bazujących na spinie, stwierdza uczony.
      Naukowcy twierdzą też, że – w przeciwieństwie do wielu innych dotychczasowych technik – ich wynalazek można zastosować w wielu różnych systemach kwantowych. Wiele interesujących technologii kwantowych zostało odłożonych na półkę, gdyż nie udawało się w nich utrzymać koherencji przez odpowiednio długi czas. Teraz – dzięki znaczącemu wydłużeniu czasu koherencji – będzie można do nich wrócić. A najlepsze, że można to tak niewiarygodnie łatwo osiągnąć. Podstawy teoretyczne naszej techniki są bardzo skomplikowane, jednak sama technika polegająca na dodaniu zmieniającego się pola magnetycznego jest bardzo prosta, mówi Miao.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przed tygodniem w National Ignition Facility (NIF) uzyskano rekordowo silny impuls lasera. W ramach badań nad nowymi źródłami energii 192 lasery wysłały jednocześnie ultrafioletowe impulsy świetlne w kierunku centralnej komory, w której uzyskano 1,875 megadżula. Każdy z impulsów trwał 23 miliardowe części sekundy i w sumie wygenerowały one moc 411 biliardów watów (TW) czyli 1000 razy większą niż potrzebna jest do zasilenia całych Stanów Zjednoczonych.
      To ważny krok w kierunku rozpoczęcia fuzji. Podczas przygotowań do uruchomienia NIF dokonywaliśmy wielu podobnych prób, podczas których uruchamiany był jeden laser czy też zestawy po cztery. Tym razem jednak jednocześnie wystrzeliły 192 lasery - mówi Edward Moses, dyrektor NIF.
      Moc laserów NIF wynosi w sumie 2,03 MJ, jednak zanim promienie dosięgną centralnej komory ich moc nieco spada ona podczas przechodzenia przez instrumenty diagnostyczne i optykę. NIF jest zatem pierwszym ośrodkiem, w którym lasery ultrafioletowe osiągnęły moc 2 MJ. To niemal 100-krotnie więcej niż możliwości innych podobnych ośrodków.
      Podczas testu osiągnięto też bardzo dużą precyzję produkcji energii. Odchylenie nie przekraczało 1,3%. Precyzja jest niezwykle ważna, gdyż to rozkład energii pomiędzy poszczególnymi promieniami będzie decydował o symetrii implozji w kapsułach zawierających paliwo niezbędne do rozpoczęcia fuzji.
      National Ignition Facility pracuje w ramach Lawrence Livermore National Laboratory. O otwarciu zakładu oraz jego zadaniach informowaliśmy w 2009 roku.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Grupa naukowców położyła fundamenty pod skonstruowanie niezwykle dokładnego zegara atomowego. Zegara, który może pomylić się o 1/10 sekundy w ciągu 14 miliardów lat.
      Takie urządzenie byłoby przydatne do nawiązywania bezpiecznej łączności oraz posłużyłoby do zbadania postaw fizyki. Obecnie najdokładniejszy zegar atomowy świata - brytyjski CsF2 - może wykazać odchylenie o 1 sekundę na 138 milionów lat.
      Obecnie używane zegary atomowe są wystarczająco dokładne do większości zastosowań. Są jednak takie dziedziny, w których posiadanie dokładniejszego zegara jest bardzo pożądane - mówi profesor Alex Kuzmich z Georgia Institute of Technology. Oprócz fizyków z Georgii w pracach zespołu brali udział naukowcy z australijskiego University of New South Wales oraz University of Nevada.
      Zegary atomowe do pomiaru czasu wykorzystują drgania elektronów w atomach wywoływane przez działanie laserów. Jednak elektrony są podatne na oddziaływanie pola elektrycznego i magnetycznego, co zaburza ich dokładność. Naukowcy z USA i Australii wpadli na pomysł, by zamiast elektronów wykorzystać neutrony, które są cięższe i gęściej upakowane, zatem mniej podatne na wpływy zewnętrzne. Zegar neutronowy powinien być zatem dokładniejszy od opartego na elektronach.
      W naszym artykule pokazaliśmy, że za pomocą lasera można tak wpłynąć na orientację elektronów, że będziemy mogli wykorzystać neutrony w roli wahadła odmierzającego czas. Jako, że neutrony są gęsto upakowane, czynniki zewnętrzne nie będą miały niemal żadnego wpływu na ich drgania - mówi Corey Campbell, główny autor artykułu.
      Uczeni proponują wykorzystać petahercowy (1015) laser do wzbudzenia jonu toru 229. Taki zegar będzie pracował tylko w bardzo niskich temperaturach, rzędu ułamków kelwina. Zwykle takie temperatury uzyskuje się za pomocą lasera, jednak tutaj będzie to stanowiło problem, gdyż laser jest wykorzystywany do wzbudzenia jonów. Naukowcy zaproponowali użycie jonu toru 232 obok toru 229. Tor 232 reaguje na inną częstotliwość światła lasera niż tor 229. Cięższy jon miałby zostać schłodzony i schłodzić cały system, bez wpływania na oscylacje toru 229.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Doktor Julian Allwood i doktorant David Leal-Ayala z Univeristy of Cambridge udowodnili, że możliwe jest usunięcie toneru z papieru, który został zadrukowany przez drukarkę laserową. W procesie usuwania papier nie zostaje poważnie uszkodzony, dzięki czemu tę samą kartkę można wykorzystać nawet pięciokrotnie. Niewykluczone, że w niedalekiej przyszłości powstaną urządzenia, które będą potrafiły zarówno drukować jak i czyścić zadrukowany papier.
      „Teraz potrzebujemy kogoś, kto zbuduje prototyp. Dzięki niskoenergetycznym skanerom laserowym i drukarkom laserowym ponowne użycie papieru w biurze może być opłacalne“ - mówi Allwood.
      Niewykluczone, że nowa technika nie tylko przyniesie korzyści finansowe firmom i instytucjom, ale również przyczyni się do ochrony lasów, redukcji zużycia energii i emisji zanieczyszczeń, do których dochodzi w procesie produkcji papieru i jego pozbywania się, czy to w formie spalania, składowania czy recyklingu.
      Naukowcy, dzięki pomocy Bawarskiego Centrum Laserowego, przetestowali 10 różnych konfiguracji laserów. Zmieniano siłę impulsów i czas ich trwania, używając laserów pracujących w ultrafiolecie, podczerwieni i w paśmie widzialnym. Podczas eksperymentów pracowano ze standardowym papierem Canona pokrytym czarnym tuszem z drukarki laserowej HP. Takie materiały i sprzęt są najbardziej rozpowszechnione w biurach na całym świecie.
      Po oczyszczeniu z druku, papier był następnie analizowany przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego, który pozwalał zbadać jego kolor oraz właściwości mechaniczne i chemiczne.
      Wstępne analizy wykazały, że rozpowszechnienie się techniki oczyszczania i ponownego wykorzystywania papieru może o co najmniej połowę obniżyć emisję zanieczyszczeń związaną z produkcją i recyklingiem papieru.
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...