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

Po 80 latach fizykom udało się stworzyć kryształ Wignera

Recommended Posts

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

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
      Krzem, jeden z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi, stanowi podstawę nowoczesnego świata. Bez niego nie mielibyśmy ani paneli fotowoltaicznych ani układów scalonych. Jednak właściwości krzemu jako półprzewodnika są dalekie od ideału. Elektrony w krzemie mogą przemieszczać się z dużymi prędkościami, ale tego samego nie można już powiedzieć o dziurach, towarzyszkach elektronów. Ponadto krzem słabo przewodzi ciepło, przez co konieczne jest stosowanie kosztownych systemów chłodzenia.
      Badacze z MIT, Uniwersytetu w Houston i innych instytucji wykazali właśnie, że krystaliczny sześcienny arsenek boru jest pozbawiony tych wad. Zapewnia dużą mobilność elektronom i dziurom oraz charakteryzuje się świetnym przewodnictwem cieplnym. Badacze twierdzą, że to najlepszy ze znanych nam półprzewodników, a może i najlepszy z możliwych półprzewodników.
      Dotychczas jednak arsenek boru był wytwarzany i testowany w niewielkich ilościach wytwarzanych na potrzeby badań naukowych. Takie próbki były niejednorodne. Opracowanie metod ekonomicznej produkcji tego związku na skalę przemysłową będzie wymagało dużo pracy.
      Już w 2018 roku David Broido, który jest współautorem najnowszych badań, teoretycznie przewidział, że arsenek boru powinien charakteryzować się świetnym przewodnictwem cieplnym. Później przewidywania te zostały dowiedzione eksperymentalnie. Wykazano m.in., że chłodzi on układy scalone lepiej niż diament. Okazało się równie, że materiał ten ma bardzo dobre pasmo wzbronione, którego istnienie jest niezbędną cechą półprzewodnika. Obecne badania dodały zaś do tego obrazu możliwość szybkiego transportu elektronów i dziur, zatem arsenek boru wydaje się mieć wszystkie cechy półprzewodnika idealnego.
      To bardzo ważna cecha, gdyż w półprzewodnikach mamy jednocześnie ładunki dodatnie i ujemne. Jeśli więc budujemy z nich urządzenie elektroniczne, chcemy, by zarówno elektrony jak i dziury napotykały jak najmniejszy opór, mówi profesor Gang Chen z MIT.
      Krzem i inne półprzewodniki, jak np. używany do budowy laserów arsenek galu, charakteryzuje się dobrą mobilnością elektronów, ale nie dziur. Poważnym problemem jest też rozpraszanie ciepła. Ciepło to poważny problem w elektronice. W samochodach elektrycznych stosuje się z tego powodu węglik krzemu. Ma on co prawda mniejszą mobilność elektronów niż krzem, ale za to jego przewodnictwo cieplne jest 3-krotnie lepsze. Wyobraźmy sobie więc, co moglibyśmy osiągnąć stosując arsenek boru, który ma 10-krotnie lepsze przewodnictwo cieplne i większość mobilność dziur oraz elektronów niż krzem. To by wszystko zmieniło, dodaje doktor Jungwoo Shin z MIT.
      Wyzwaniem jest obecnie opracowanie metod produkcji arsenku boru w ilościach, które można by praktycznie wykorzystać. Obecne metody produkcyjne pozwalają na uzyskanie bardzo niejednorodnego materiału, z którego naukowcy wydzielają niewielkie jak najbardziej jednorodne fragmenty, by badać je w laboratoriach.
      Wiele wskazuje na to, że arsenek boru jest półprzewodnikiem (niemal) idealnym, ale nie wiemy, czy będziemy w stanie go wykorzystać, dodaje Chen. Krzem stanowi podstawę całego przemysłu półprzewodnikowego, zatem od opracowania metod masowej produkcji jednorodnego arsenku boru zależy, czy trafi on pod strzechy. Badania nad krzemem trwały całe dziesięciolecia, zanim dowiedzieliśmy się, jak uzyskiwać ten materiał o czystości dochodzącej do 99,99999999%. Arsenek boru ma jeszcze przed nami wiele tajemnic. Zanim wyprodukujemy z niego elektronikę musimy np. poznać jego długookresową stabilność.

      « powrót do artykułu
    • By 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
    • By 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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Firma Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), największy na świecie producent układów scalonych na zlecenie, poinformowała, że wybuduje fabrykę półprzewodników w Japonii. To już druga tego typu zapowiedź w ostatnim czasie. Przed kilkoma miesiącami TSMC ogłosiła, że zainwestuje 12 miliardów dolarów w budowę nowej fabryki w Arizonie.
      Prace budowlane w Japonii rozpoczną się  przyszłym roku, a masowa produkcja chipów ma rozpocząć się w roku 2024. Japoński zakład będzie wyposażony w linie do produkcji w technologii 22 i 28 nanometrów. Będzie więc mniej zaawansowany technologicznie niż fabryka w Arizonie, gdzie powstanie 7-nanometrowa linia technologiczna. W Kraju Kwitnącej Wiśni z taśm produkcyjnych TSMC będą zjeżdżały podzespoły dla produktów konsumenckich, przemysłu samochodowego oraz Internet of Things.
      Dyrektor wykonawczy TSMC, C.C. Wei, poinformował, że firma otrzymała pomoc od japońskiego rządu i swoich japońskich klientów. Nie ujawnił wartości inwestycji, ale zrobił to premier Japonii Fumi Kishida, który poinformował parlament, że budowa pochłonie 8,8 miliarda USD, a część kosztów weźmie na siebie rząd.
      Japońska prasa dowiedziała się, że fabryka powstanie w prefekturze Kumamoto na zachodzie kraju, na ternie należącym do Sony i w pobliżu fabryki Sony, w której powstają matryce światłoczułe. Taka lokalizacja ma spory sens, gdyż Sony jest największym japońskim klientem TSMC.
      Światowy przemysł wciąż ma poważny problem z dostępnością półprzewodników. Niedawno Apple poinformował że najprawdopodobniej będzie zmuszony zmniejszyć tegoroczną produkcję iPhone'ów 13 nawet o 10 milionów sztuk. Do zmniejszenia produkcji została zmuszona też Toyota.
      Pandemia z pełną mocą ujawniła, jak bardzo producenci elektroniki z Europy, USA i Japonii są uzależnieni od chińskich, tajwańskich i południowokoreańskich producentów półprzewodników. Rozpoczęto więc działania, które mają zapobiegać tego typu sytuacjom w przyszłości. Sekretarz Handlu USA zaproponowała przeznaczenie 52 miliardów dolarów na badania nad półprzewodnikami i ich produkcję, Europa chce zwiększyć swoje możliwości produkcyjne, podobnie robi też Japonia. Na Uniwersytecie Tokijskim powołano dwie specjalne organizacje – Research Association for Advanced Systems (RAAS) oraz d.lab – których celem będzie ułatwienie wymiany technologicznej. W ramach RAAS, do której wstęp jest ograniczony, firmy takie jak TSMC, Hitachi czy Toppan mogą wymieniać się swoim know-how oraz korzystać z wyników zaawansowanych badań materiałowych, fizycznych i chemicznych prowadzonych na Uniwersytecie Tokijskim.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Lód kojarzy się z twardym, kruchym materiałem. I rzeczywiście taki jest w większości przypadków. Jednak okazuje się, że pojedyncze długie kryształy lodu są niezwykle elastyczne i po zgięciu powracają do oryginalnego kształtu. Takie kryształy uzyskał właśnie Limin Tong i jego koledzy z Uniwersytetu Zheijiang w Hangzhou w Chinach.
      Chińscy naukowcy uzyskali lodowe włókna wykorzystując parę wodną zamkniętą w niewielkiej komorze w temperaturze -50 stopni Celsjusza. Wykorzystali przy tym pole elektryczne, za pomocą którego przyciągali molekuły wody do wolframowej igły, gdzie krystalizowały, tworząc lodowe włókno o średnicy kilku mikrometrów.
      Następnie lód został schłodzony jeszcze bardziej. Temperaturę obniżano pomiędzy -70 a -150 stopni Celsjusza i zmierzono elastyczność włókna. Uczeni odkryli, że lód w takiej formie jest znacznie bardziej elastyczny niż jakikolwiek wcześniej uzyskany. Niektóre z włókien można było niemal zawijać w okręgi, a po zwolnieniu siły powracały one do oryginalnego kształtu.
      Dotychczas największe eksperymentalnie obserwowane odkształcenie sprężyste lodu wynosiło około 0,3%. My uzyskaliśmy 10,9% w lodowych włóknach, mówią autorzy badań. Teoretyczna granica odkształcenia lodu wynosi pomiędzy 14 a 16,2 procent.
       


      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...