Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Ultraczuły kwantowy czujnik pola elektrycznego pomoże wykryć ciemną materię?
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Pod wpływem pola elektrycznego w bardzo krótkim czasie zwiększa swoją lepkość i tworzy… ciało stałe. To główna właściwość cieczy elektroreologicznej. Przez lata znalazła szereg zastosowań, ale brakowało dobrego teoretycznego wyjaśnienia tego, jak powstaje. Aż do teraz. Wszystko zmieniło się za sprawą grupy z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej.
Nasi naukowcy: doktorant mgr inż. Michał Łepek, dr hab. inż. Agata Fronczak, prof. uczelni i dr hab. inż. Piotr Fronczak, prof. uczelni efekty swoich badań opisali w pracy Combinatorial solutions to coagulation kernel for linear chains, opublikowanej w czasopiśmie Physica D: Nonlinear Phenomena.
Jak zlepiają się cząstki?
Prowadzone przez badaczy z PW prace zaowocowały rozwiązaniem teoretycznym procesu koagulacji („zlepiania się” cząstek), w którym następuje tworzenie tzw. łańcuchów liniowych, czyli grup cząstek ułożonych w łańcuchy. Najbardziej znanym przykładem takiego procesu jest koagulacja cieczy elektroreologicznej. Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości zalicza się ją do tzw. materiałów inteligentnych (smart materials).
Przy obecności pola elektrycznego ciecz taka zostaje zatrzymana w postaci zestalonej pomiędzy elektrodami – wyjaśnia Michał Łepek. W momencie wyłączenia pola elektrycznego układ wraca do postaci ciekłej.
Ciecz elektroreologiczna została opatentowana w 1947 roku przez amerykańskiego naukowca Willisa Winslowa.
Przez lata znalazła różnorodne zastosowania inżynierskie, m.in. w hamulcach, sprzęgłach, amortyzatorach, zaworach hydraulicznych, polerowaniu ściernym i wyświetlaczach dotykowych – wylicza Michał Łepek.
Do tej pory brakowało jednak ścisłego i efektywnego opisu teoretycznego procesu koagulacji takiej cieczy.
W naszej pracy „Combinatorial solutions to coagulation kernel for linear chains” wyprowadziliśmy równania, pozwalające wyznaczyć średni rozkład wielkości tworzących się łańcuchów na dowolnym etapie procesu scalania cząstek – tłumaczy Michał Łepek. Rozwiązania te dostarczają także informacji na temat odchylenia standardowego od średniego rozkładu (jakże przydatne w pracy z rzeczywistymi danymi!). Rozwiązania teoretyczne porównaliśmy z wynikami symulacji numerycznych oraz z danymi eksperymentalnymi. Skorzystaliśmy z wyników eksperymentu, którym była agregacja cząstek polistyrenu w mieszaninie H2O i D2O, czyli wody i ciężkiej wody.
Naukowcy z Wydziału Fizyki PW otrzymali bardzo dobrą, niespotykaną do tej pory zgodność. W ten sposób, co podkreślili także recenzenci, po ponad 70 latach od wynalezienia cieczy elektroreologicznej w końcu uzyskano satysfakcjonujące rozwiązanie teoretyczne tego procesu.
Nasza praca daje konkretny opis statystyczny cząstek w dowolnym momencie koagulacji – mówi Michał Łepek. Można ten opis wykorzystać do lepszego zrozumienia dynamiki procesu i być może do polepszenia sprawności urządzeń, które korzystają z koagulacji elektroreologicznej (wspomniane wcześniej hamulce, zawory, sprzęgła…). Niewykluczone, że opis ten może się przydać szerzej w wyjaśnianiu zjawisk, zachodzących w zawiesinach nanocząsteczkowych, które mogą być elektrycznie lub magnetycznie aktywne. Nie można wykluczyć (ale to już czyste fantazjowanie), że za rok, dwa lub pięćdziesiąt ktoś odkryje proces w socjofizyce lub biologii, który zachodzi dokładnie według rozpracowanego przez nas schematu agregacji – takie rzeczy w nauce się zdarzają.
Praca naszych naukowców z Wydziału Fizyki ma także inną zaletę.
Wzory, które uzyskaliśmy, są (z naszego punktu widzenia) bardzo proste – zaznacza Michal Łepek. Nie potrzeba żadnej wiedzy z fizyki ani tym bardziej fizyki teoretycznej, żeby je zastosować. Wystarczy wziąć równania, wpisać, jaki rozmiar układu i czas nas interesują, i otrzymujemy wynik. Każdy inżynier (lub też nieinżynier) może to zrobić na swoim komputerze. Tym bardziej, że zamieściliśmy w Internecie bibliotekę programistyczną, napisaną właśnie na potrzeby tej pracy. Wszystko jest zatem podane na tacy. To nowość. Do tej pory teoretyczne studia nad koagulacją były tematem podejmowanym głównie przez wąską grupę naukowców. Liczę, że dzięki uproszczeniu wyników opisu teoretycznego, ktoś z politechniki naszej lub innej będzie w stanie ten opis wykorzystać do swojej pracy.
Nowe badania
Teraz zespół z PW chce zbadać, czy opracowany opis koagulacji elektroreologicznej można zastosować też do koagulacji magnetoreologicznej (czyli tej pod wpływem pola magnetycznego).
To byłoby szczególnie ciekawe, bo warunki dla koagulacji magnetoreologicznej dużo łatwiej otrzymać w rzeczywistym zastosowaniu – zwraca uwagę Michał Łepek. Ciecz magnetoreologiczna jest używana chociażby w amortyzatorach pojazdów armii amerykańskiej.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Polak, profesor Artur Ekert, wykorzystał chińskiego satelitę Micius do zabezpieczenia za pomocą splątania kwantowej dystrybucji klucza szyfrującego (QKD) na rekordową odległość 1120 kilometrów. Został on przesłany pomiędzy dwoma chińskimi obserwatoriami. Ekert już w swojej pracy doktorskiej wykazał, jak wykorzystać splątanie kwantowe do zabezpieczenia informacji. Obecnie uczony specjalizuje się w przetwarzaniu informacji w systemach kwantowo-mechanicznych.
Satelita Micius został wystrzelony w 2016 roku. Generuje on kwantowo splątane pary fotonów. Już w 2017 roku Micius udowodnił, że jest w stanie wysłać splątane fotony do odbiorców oddalonych od siebie o 1200 kilometrów. Teraz wiemy, że możliwe jest też wykorzystanie go do kwantowej dystrybucji klucza szyfrującego (QKD) zabezpieczonej za pomocą splątania kwantowego.
Ekert i jego grupa znacząco poprawili rekord w odległości kwantowej dystrybucji klucza szyfrującego. Dotychczas udało się go przesłać na odległość 100 kilometrów za pomocą światłowodu. Światłowody są dobre na średnie odległości, jakieś 30 do 50 kilometrów. Jednak generują zbyt duży szum na dłuższych dystansach, wyjaśnia uczony.
Najnowszy system komunikacji charakteryzuje odsetek błędów rzędu 4,5%. To niezwykle ważna cecha przyszłych systemów komunikacji kwantowej, gdyż jakakolwiek próba jej podsłuchania skończy się zwiększeniem odsetka błędów. Zatem niezwykle ważne jest, by znajdował się on na niskim poziomie, gdyż w ten sposób łatwo będzie wyłapać dodatkowe błędy i odkryć próbę podsłuchu.
Prace Ekerta i jego chińskich kolegów to pierwszy, ale niezwykle ważny krok w kierunku bezpiecznego kwantowego internetu. Jak czytamy na łamach Nature, QKD pozwala dobrze zabezpieczyć przesyłaną informację. W laboratoriach udało się go przesłać za pomocą światłowodu na odległość 404 kilometrów, jednak w praktyce granicą jest 100 kilometrów. Co prawda odległość tę można zwiększyć, ale wymaga to zastosowania przekaźników. Te zaś stanową słabe punkty systemu. Długodystansową kwantową dystrybucję klucza można by zabezpieczyć za pomocą splątania kwantowego, jednak to wymagałoby zastosowania kwantowych przekaźników, których technologia jest dopiero w powijakach i nie nadaje się do zastosowań w praktyce.
Stąd też pomysł na wykorzystanie satelity, który pozwala wysłać dane na większą odległość bez konieczności uciekania się do pomocy zaufanych stacji przekaźnikowych. Dzięki wyspecjalizowanemu satelicie oraz obserwatoriom wyposażonym w odpowiednie urządzenia udało się dokonać zabezpieczonej splątaniem kwantowej dystrybucji klucza pomiędzy ośrodkami oddalonymi od siebie w linii prostej o 1120 kilometrów.
Tempo przesyłania klucza wynosiło 0,12 bita na sekundę. Prędkość nie jest oczywiście imponująca, jednak Ekert i naukowcy z Hefei, Szanghaju, Chengdu i Singapuru wykazali, że można wysyłać superbezpieczne dane na duże odległości minimalizując liczbę urządzeń, przez które one przechodzą.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Eksperyment przeprowadzony na Heriot-Watt University w Edynburgu dowodzi, że obiektywna rzeczywistość nie istnieje. Zespół naukowy prowadzony przez Massimiliano Poiettiego jako pierwszy w historii przeprowadził eksperyment zwany Przyjacielem Wignera.
Ten eksperyment myślowy został zaproponowany w 1961 roku przez Eugene'a Wignera. Naukowcy przez kilkadziesiąt lat nie byli w stanie go przeprowadzić, jednak w ubiegłym roku uczeni z Edynburga stwierdzili, że ostatnie postępy w technologiach kwantowych są tak duże, że można pokusić się o próbę eksperymentalnego zweryfikowania Przyjaciela Wignera.
Eksperyment Wignera jest bardzo prosty w założeniach. Rozpoczynamy od pojedynczego fotonu, który, po dokonaniu pomiaru, będzie miał polaryzację poziomą lub pionową. Jednak przed pomiarem, zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, foton istnieje w superpozycji, czyli ma jednocześnie oba rodzaje polaryzacji. Wigner zaproponował istnienie przyjaciela, który w laboratorium dokonuje pomiaru fotonu i zachowuje informację o jego polaryzacji. Wigner obserwuje wszystko z daleka. Jako, że nie ma informacji o wynikach pomiaru, musi założyć, że wynik pomiaru to superpozycja wszystkich możliwych wyników. Z punktu widzenia Wignera, superpozycja istnieje. A jeśli tak, to pomiar nie miał miejsca. Jednak dla jego przyjaciela foton ma jedną konkretną polaryzację. Może on nawet poinformować Wignera, że dokonał pomiaru. O ile jednak nie poinformuje o jego wyniku, dla Wignera foton będzie w superpozycji.
Mamy więc tutaj do czynienia z dwiema różnymi rzeczywistościami. To zaś poddaje w wątpliwość obiektywizm faktów z punktu widzenia różnych obserwatorów, mówi Proietti.
W ubiegłym roku Caslav Brukner z Uniwersytetu w Wiedniu wpadł na pomysł, w jaki sposób można by przeprowadzić eksperyment Przyjaciela Wignera, używając wtym celu wielu splątanych cząstek. Przełomowy eksperyment został wykonany przez Proiettiego i jego zespół. Podczas wysoce zaawansowanego eksperymentu, w którym wykorzystaliśmy 6 fotonów, zrealizowaliśmy scenariusz Przyjaciela Wignera, mówi Proietti.
Naukowcy wykorzystali 6 splątanych fotonów do stworzenia dwóch odmiennych rzeczywistości. Jedna reprezentowała Wingera, druga jego przyjaciela. Przyjaciel mierzy polaryzację fotonu i zapisuje wynik. Później Wigner dokonuje pomiaru, by stwierdzić, czy wcześniejszy pomiar i foton są w superpozycji.
Eksperyment nie dał jednoznacznych wyników. Okazało się, że obie rzeczywistości, ta przyjaciela i ta Wignera mogą istnieć jednocześnie, mimo że dają sprzeczne wyniki.
Przeprowadzony w Edynburgu eksperyment każe zadać pytania o naturę rzeczywistości. Pomysł, że obserwatorzy mogą pogodzić uzyskane przez siebie wyniki opiera się na kilku założeniach. Przede wszystkim na tym, że rzeczywistość obiektywna istnieje i obserwatorzy mogą się co do niej zgodzić. Jednak istnieją też inne założenia. Na przykład takiego, że obserwatorzy mogą dokonywać dowolnych obserwacji, czy też, że wybory jednego obserwatora nie wpływają na wybory drugiego. Jeśli istnieje obiektywna rzeczywistość, to wszystkie te założenia można utrzymać.
Jednak eksperyment Proiettiego poddaje w wątpliwość istnienie obiektywnej rzeczywistości. Oznacza to, że przynajmniej jedno z założeń – że istnieje rzeczywistość, co do której możemy się umówić, że mamy wolny wybór lub też, że wybory jednego obserwatora nie wpływają na wybory drugiego – jest nieprawdziwe.
Oczywiście możemy też założyć, że w samym eksperymencie istnieje jakaś dziura, coś czego naukowcy nie zauważyli, a co wpływa na jego wynik. Fizycy od lat próbują odnaleźć i zamknąć takie dziury w podobnych eksperymentach, ale przyznają, że być może nigdy nie będzie możliwe, by je wszystkie usunąć.
Tak czy inaczej badania Proiettiego mają duże znaczenie dla nauki. Metoda naukowa bazuje na faktach ustalanych przez powtarzalne eksperymenty, których wyniki zostały szeroko zaakceptowane, niezależnie od obserwatora, mówi Proietti. Jednak jego własny eksperyment wykazał, że różni obserwatorzy mogą doświadczać różnej rzeczywistości.
Kolejnym logicznym etapem badań wydaje się projektowanie takich eksperymentów, które będą dawały coraz bardziej dziwne i coraz bardziej rozłączne wyniki dla różnych obserwatorów.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Dzięki samozasilającemy się e-bandażowi, który generuje pole elektryczne nad miejscem urazu, czas gojenia rany ulega ogromnemu skróceniu.
Do trudno gojących się przewlekłych ran należą owrzodzenie związane z zespołem stopy cukrzycowej, owrzodzenie żylakowe czy niektóre rany po zabiegach chirurgicznych. Lekarze wypróbowali wiele metod, by wspomóc ich gojenie, w tym ekspozycję na tlen czy terapię czynnikami wzrostu, ale często wykazywały one ograniczoną skuteczność.
Już w latach 60. specjaliści zaobserwowali jednak, że stymulacja elektryczna wspomaga gojenie skóry. Ponieważ sprzęt potrzebny do generowania pola elektrycznego jest często duży i zabieg może wymagać hospitalizacji, Weibo Cai, Xudong Wang i zespół postanowili opracować elastyczny, samozasilający się bandaż, który będzie przekształcać ruchy skóry w terapeutyczne pole elektryczne.
Do zasilania e-bandaża naukowcy wyprodukowali ubieralny nanogenerator. Składa się on z zachodzących na siebie arkuszy poli(tetrafluoroetylenu), folii miedzianej i poli(tereftalanu etylenu). Nanogenerator przekształca ruchy skóry, które występują podczas normalnej aktywności czy oddychania, w niewielkie pulsy elektryczne. Prąd przepływa do 2 elektrod roboczych, które są rozmieszczane po obu stronach rany, by wytwarzać słabe pole elektryczne.
E-bandaż przetestowano na ranach skóry na grzbiecie szczurów. Okazało się, że rany przykryte e-bandażami zamykały się w ciągu 3 dni (w porównaniu do 12 dni w przypadku bandaża bez pola elektrycznego).
Autorzy raportu z pisma ACS Nano uważają, że szybsze gojenie ran ma związek ze wzmożeniem migracji, namnażania i różnicowania fibroblastów pod wpływem pola elektrycznego.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Grupa naukowców z Uniwersytetu w Oksfordzie donosi o udanym splątaniu bakterii z fotonami. W październikowym numerze Journal of Physics ukazał się artykuł zespołu pracującego pod kierunkiem Chiary Marletto, który przeanalizował eksperyment przeprowadzony w 2016 roku przez Davida Colesa i jego kolegów z University of Sheffield.
Podczas wspomnianego eksperymentu Coles wraz z zespołem umieścili kilkaset chlorobakterii pomiędzy dwoma lustrami i stopniowo zmniejszali odległość pomiędzy nimi tak, aż dzieliło je zaledwie kilkaset nanometrów. Odbijając białe światło pomiędzy lustrami naukowcy chcieli spowodować, by fotosyntetyczne molekuły w bakteriach weszły w interakcje z dziurą, innymi słowy, bakterie miały ciągle absorbować, emitować i ponownie absorbować odbijające się fotony. Eksperyment okazał się sukcesem. Sześć bakterii zostało w ten sposób splątanych z dziurą.
Jednak Marletto i jej zespół twierdzą, że podczas eksperymentu zaszło coś więcej, niż jedynie połączenie bakterii z dziurą. Przeprowadzone analizy wykazały, że sygnatura energetyczna pojawiająca się podczas eksperymentu jest właściwa dla splątania molekuł wewnątrz bakterii e światłem. Wydaje się, że niektóre fotony jednocześnie trafiały w molekuły i je omijały, a to właśnie dowód na splątanie.
Nasze modele dowodzą, że zanotowano sygnaturę splątania pomiędzy światłem a bakterią, mówi pani Marletto. Po raz pierwszy udało się dokonać splątania kwantowego w żywym organizmie.
Istnieje jednak wiele zastrzeżeń, mogących podważać wnioski grupy Marletto. Po pierwsze i najważniejsze, dowód na splątanie zależy od tego, w jaki sposób zinterpretujemy interakcję światła z bakterią. Marletto i jej grupa zauważają, że zjawisko to można opisać też na gruncie klasycznego modelu, bez potrzeby odwoływania się do efektów kwantowych. Jednak, jak zauważają, nie można tego opisać modelem „półklasycznym”, w którym do bakterii stosujemy zasady fizyki newtonowskiej, a do fotonu fizykę kwantową To zaś wskazuje, że mieliśmy do czynienia z efektami kwantowymi dotyczącymi zarówno bakterii jak i fotonu. To trochę dowód nie wprost, ale sądzę, że wynika to z faktu, iż oni próbowali bardzo rygorystycznie podejść do tematu i nie wysuwali twierdzeń na wyrost, mówi James Wootton z IBM Zurich Research Laboratory, który nie był zaangażowany w badania.
Z kolei Simon Gröblacher z Uniwersytetu Technologicznego w Delft zwraca uwagę na kolejne zastrzeżenie. Otóż energię bakterii i fotonu zmierzono wspólnie, nie osobno. To pewne ograniczenie, ale wydaje się, że miały tam miejsce zjawiska kwantowe. Zwykle jednak gdy chcemy dowieść splątania, musimy osobno zbadać oba systemy.
Wiele zespołów naukowych próbuje dokonać splątania z udziałem organizmów żywych. Sam Gröblacher zaprojektował eksperyment, w którym chce umieścić niesporczaki w superpozycji. Chodzi o to, by zrozumieć nature rzeczy i sprawdzić czy efekty kwantowe są wykorzystywane przez życie. W końcu u swoich podstaw wszystko jest kwantem, wyjaśnia współpracownik Marletto, Tristan Farrow.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.