Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Dzięki izolatorom topologicznym udało się połączyć 30 laserów w 1 o większej mocy
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej i Uniwersytetu w Würzburgu pochwalili się na łamach Nature Communications dokonaniem przełomu na polu badań kwantowych. Po raz pierwszy w historii udało się uzyskać ekscytony w izolatorze topologicznym. W skład zespołu naukowego weszli Marcin Syperek, Paweł Holewa, Paweł Wyborski i Łukasz Dusanowski z PWr., a obok naukowców z Würzburga wspomagali ich uczeni z Uniwersytetu w Bolonii i Oldenburgu.
Izolatory topologiczne to jednorodne materiały, które są izolatorami, ale mogą przewodzić ładunki elektryczne na swojej powierzchni, a wystąpienie przewodnictwa nie jest związane ze zmianą fazy materiału, np. z jego utlenianiem się. Pojawienie się przewodnictwa związane jest ze zjawiskami kwantowymi występującymi na powierzchni takich izolatorów. Istnienie izolatorów topologicznych zostało teoretycznie przewidziane w 1985 roku, a eksperymentalnie dowiedzione w 2007 roku właśnie na Uniwersytecie w Würzburgu.
Dotychczasowe prace nad wykorzystaniem izolatorów topologicznych koncentrowały się wokół prób kontroli przepływu ładunków elektrycznych za pomocą napięcia. Jeśli jednak izolator był wykonany z cząstek obojętnych elektrycznie, takie podejście nie działało. Naukowcy musieli więc wymyślić coś innego. W tym wypadku tym czymś okazało się światło.
Po raz pierwszy udało się wygenerować kwazicząstki – tak zwane ekscytony – w izolatorze topologicznym i eksperymentalnie udowodnić ich istnienie. W ten sposób uzyskaliśmy nowe narzędzie, za pomocą którego możemy – metodami optycznymi – kontrolować elektrony. Otworzyliśmy nowy kierunek badań nad izolatorami topologicznymi, mówi profesor Ralph Claessen.
Ekscyton to kwazicząstka, która stanowi parę elektron-dziura połączoną siłami elektrostatycznymi. Uzyskaliśmy ekscytony oddziałując krótkimi impulsami światła na jednoatomową warstwę materiału, mówi profesor Claessen. Przełomowy tutaj jest fakt, że materiałem tym był izolator topologiczny. Dotychczas nie udawało się w nim uzyskać ekscytonów. W tym przypadku izolator zbudowany był z bizmutu, którego atomy ułożono w strukturę plastra miodu.
Całość badań optycznych przeprowadzono w Laboratorium Optycznej Spektroskopii Nanostruktur Politechniki Wrocławskiej.
Osiągnięcie to jest o tyle istotne, że od około 10 lat specjaliści badają ekscytony w dwuwymiarowych półprzewodnikach, chcąc wykorzystać je w roli nośników informacji kontrolowanych światłem. Teraz za pomocą światła uzyskaliśmy ekscytony w izolatorze topologicznym. Reakcje zachodzące pomiędzy światłem a ekscytonami mogą prowadzić do pojawienia się nowych zjawisk w takich materiałach. To zaś można będzie wykorzystać, na przykład, do uzyskiwania kubitów, wyjaśnia Claessen. Kubity, czyli kwantowe bity, to podstawowe jednostki informacji w komputerach kwantowych. Badania polsko-niemieckiego zespołu mogą więc doprowadzić do powstania nowych kontrolowanych światłem podzespołów dla komputerów kwantowych.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Po raz pierwszy udało się utworzyć i zmierzyć postulowany od dawna stan powiązania pomiędzy atomami. Naukowcy z Wiednia i Innsbrucku wykorzystali laser do spolaryzowania atomów tak bardzo, że z jednej strony miały ładunki dodatnie, z drugiej ujemne. Dzięki temu mogli związać atomy ze sobą. Oddziaływania pomiędzy nimi były znacznie słabsze niż pomiędzy atomami w standardowej molekule, ale na tyle silne, że można było mierzyć ich wartość.
W atomie jądro o ładunku dodatnim otoczone jest przez chmurę elektronów o ładunku ujemnym. Całość jest obojętna. Jeśli teraz włączymy zewnętrzne pole elektryczne, rozkład ładunków nieco się zmieni. Ładunki dodatnie przemieszczą się w jednym kierunku, ujemne w w drugim i atom będzie posiadał stronę dodatnią i ujemną, stanie się spolaryzowany, mówi profesor Philipp Haslinger.
Taką polaryzację atomu można uzyskać też za pomocą światła, które jest szybko zmieniającym się polem elektromagnetycznym. Gdy liczne atomy znajdują się blisko siebie, światło polaryzuje je w ten sam sposób. Więc dwa sąsiadujące ze sobą atomy będą zwrócone do siebie przeciwnymi ładunkami, co spowoduje, że będą się przyciągać.
To bardzo słabe oddziaływanie, zatem eksperyment trzeba prowadzić bardzo ostrożnie, by móc zmierzyć siłę oddziaływania. Gdy atomy mają dużo energii i szybko się poruszają, to przyciąganie natychmiast znika. Dlatego też użyliśmy podczas eksperymentów ultrazimnych atomów, wyjaśnia Mira Maiwöger z Wiedeńskiego Uniwersytetu Technologicznego.
Naukowcy najpierw złapali atomy w pułapkę i je schłodzili. Następnie pułapka została wyłączona, a uwolnione atomy rozpoczęły swobodny spadek. Taka chmura opadających atomów była niezwykle zimna, jej temperatura była niższa niż 1/1 000 000 kelwina, ale miała na tyle dużo energii, że podczas spadku rozszerzała się. Jeśli jednak na tym etapie atomy zostaną spolaryzowane za pomocą lasera i pojawi się pomiędzy nimi przyciąganie, rozszerzanie się chmury zostaje spowolnione. W ten właśnie sposób można zmierzyć siłę oddziaływania pomiędzy atomami.
Polaryzowanie indywidualnych atomów za pomocą lasera nie jest niczym nowym. Kluczowym elementem naszego eksperymentu było jednoczesne spolaryzowanie w sposób kontrolowany wielu atomów i stworzenie mierzalnych oddziaływań pomiędzy nimi, dodaje Matthias Sonnleitner, który opracował teoretyczne założenia eksperymentu.
Autorzy eksperymentu zwracają uwagę, że zmierzone przez nich oddziaływanie może odgrywać ważną rolę w astrofizyce. W pustce kosmosu małe siły mogą odgrywać duża rolę. Po raz pierwszy wykazaliśmy, że promieniowanie elektromagnetyczne może tworzyć oddziaływania pomiędzy atomami, co może rzucić nowe światło na niewyjaśnione obecnie zjawiska astrofizyczne, dodaje Haslinger.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Poszukiwanie zjawisk fizycznych wykraczających poza Model Standardowy często wymaga dostępu do potężnych narzędzi, jak Wielki Zderzacz Hadronów, podziemnych wykrywaczy neutrin, ciemnej materii i egzotycznych cząstek. Urządzenia takie są niezwykle kosztowne w budowie i utrzymaniu, ich konstruowanie trwa przez wiele lat i jest ich niewiele, przez co ustawiają się do nich długie kolejki naukowców. Teraz dzięki naukowcom z Holandii może się to zmienić. Opracowali oni bowiem technikę więzienia i badania ciężkich molekuł w warunkach laboratoryjnych.
Ciężkie molekuły są świetnym obiektem do badań nad elektrycznym momentem dipolowym elektronu. Jednak dotychczas stosowane metody nie pozwalały na ich uwięzienie w warunkach niewielkiego laboratorium.
Standardowe techniki poszukiwania elektrycznego momentu dipolowego elektronu (eEDM) wykorzystują wysoce precyzyjną spektroskopię. Jednak by ją zastosować konieczne jest najpierw spowolnienie molekuł i schwytanie ich w pułapkę laserową lub elektryczną. Problem w tym, że do odkrycia zjawisk wykraczających poza Model Standardowy konieczne może okazać się przechwycenie molekuł zbyt ciężkich, by mogły uwięzić je lasery. Z kolei pułapki elektryczne pozwalają na przechwycenie ciężkich jonów, ale nie obojętnych elektrycznie molekuł.
Naukowcy z Uniwersytetu w Groningen, Vrije Universiteit Amsterdam oraz instytutu Nikhef rozpoczęli swoją pracę od stworzenie molekuł fluorku strontu (SrF), które powstały w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w kriogenicznym gazie w temperaturze około 20 kelwinów. Dzięki niskiej temperaturze molekuły te mają początkową prędkość 190 m/s, podczas gdy w temperaturze pokojowej wynosi ona ok. 500 m/s. Następnie molekuły wprowadzane są do 4,5-metrowej długości spowalniacza Stark, gdzie zmienne pola elektryczne najpierw je spowalniają, a następnie zatrzymują. Molekuły SrF pozostają uwięzione przez 50 milisekund. W tym czasie można je analizować za pomocą specjalnego systemu indukowanego laserem. Pomiary takie pozwalają badać właściwości elektronów, w tym elektryczny moment dipolowy, dzięki czemu możliwe jest poszukiwanie oznak asymetrii.
Model Standardowy przewiduje istnienie eEDM, jednak ma on niezwykle małą wartość. Dlatego też dotychczas właściwości tej nie zaobserwowano. Obserwacja i zbadanie eEDM mogłyby wskazać na istnienie fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.
Molekuły SrF, którymi zajmowali się Holendrzy, mają masę około 3-krotnie większą niż inne molekuły badane dotychczas podobnymi metodami. Naszym kolejnym celem jest uwięzienie jeszcze cięższych molekuł, jak np. fluorku baru (BaF), który ma macę 1,5 raza większą od SrF. Taka molekuła byłaby jeszcze lepszym celem do pomiarów eEDM, mówi Steven Hoekstra, fizyk z Uniwersytetu w Groningen. Im bowiem cięższa molekuła, tym dokładniejszych pomiarów można dokonać.
Jednak możliwość uwięzienia ciężkich molekuł przyda się nie tylko do badania elektrycznego momentu dipolowego elektronu. Można dzięki temu przeprowadzać też zderzenia ciężkich molekuł przy niskich energiach, symulując warunki w przestrzeni kosmicznej. To zaś przyda się podczas badań interakcji na poziomie kwantowym. Hoekstra mówi, że wraz ze swoimi kolegami będą też pracowali nad zwiększeniem czułości pomiarów poprzez zwiększenie intensywności strumienia molekuł. Spróbujemy też uwięzić bardziej złożone molekuły, jak BaOH czy BaOCH3. Dodatkowo wykorzystamy naszą technikę do badania asymetrii w molekułach chiralnych, zapowiada.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Na szczycie Mount Säntis w Alpach Szwajcarskich zainstalowano potężny laser, za pomocą którego naukowcy chcą sprawdzić, czy systemy laserowe mogą kontrolować i przekierowywać pioruny. Prototypowa instalacja – ważący pięć ton laser o długości dziewięciu metrów – została umieszczona przy 123-metrowej wieży telekomunikacyjnej.
Naturalne wyładowania atmosferyczne to wciąż poważny problem. W samych tylko Stanach Zjednoczonych powodowane nimi straty – związane głównie z zakłóceniami ruchu lotniczego, uszkodzeniami samolotów i linii wysokiego napięcia – sięgają 5 miliardów dolarów rocznie. Tymczasem wciąż korzystamy z opracowanego w 1752 roku piorunochronu pomysłu Benjamina Franklina. Nie jest to optymalne rozwiązanie. Piorunochronów nie da się instalować wszędzie, chronią one tylko przed bezpośrednim uderzeniem, a prowadząc ładunek do ziemi mogą powodować kolejne problemy, jak interferencja magnetyczna czy skoki napięcia w różnych urządzeniach.
Koncepcja „laserowego piorunochronu” pojawiła się całe dziesięciolecia temu, jednak środowisko naukowe było podzielone w kwestii jej przydatności. Przed czterema laty rozpoczęto finansowany przez Unię Europejską projekt badawczy Laser Lightning Rod (LLR). Owocem projektu jest zainstalowany niedawno na Mount Säntis wielki laser. LLR to obecnie jeden z najpotężniejszych laserów w swojej klasie, stwierdził inżynier Clemens Herkommer z firmy TRUMPF Scientiic Lasers, która była partnerem projektu.
Terawatowy laser wystrzeliwuje w stronę chmur 1000 ultrakrótkich impulsów na sekundę. W ten sposób powstaje długi kanał zjonizowanego powietrza nazwany laserowym włóknem. Zjonizowane powietrze stawia mniejszy opór elektryczny, a że wyładowania przebiegają właśnie po trasie najmniejszego oporu, naukowcy mają nadzieję, że laserowe włókno będzie stanowiło dla pioruna preferowaną ścieżkę, gdy dojdzie do wyładowania. W ten sposób energia wyładowania atmosferycznego ma zostać przekierowana tam, gdzie może wyrządzić ono jak najmniej szkód. Wystrzeliwując w chmury tysiąc impulsów na sekundę, możemy bezpiecznie rozładować ładunek elektryczny i spowodować, że świat stanie się nieco bezpieczniejszy, mówi Herkommer.
Szczyt Mount Säntis jest jednym z tych miejsc w Europie, gdzie dochodzi do najczęstszych uderzeń piorunów. Każdego roku doświadcza on około 100 takich wydarzeń, a większość z nich ma miejsce pomiędzy majem a sierpniem.
Już wkrótce powinniśmy poznać wstępne wyniki działania LLR. Jeśli system się sprawdzi, nie można wykluczyć, że w przyszłości laserowe piorunochrony będą czuwały nad bezpieczeństwem lotnisk, elektrowni atomowych i innej krytycznej infrastruktury.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Specjaliści z Niemieckiego Synchrotronu Elektronowego (DESY – Deutsches Elektronen-Synchrotron) i Uniwesytetu w Hamburgu osiągnęli ważny krok milowy na drodze do stworzenia akceleratora cząstek przyszłości. Po raz pierwszy w historii laserowy akcelerator plazmowy pracował bez przerwy dłużej niż przez dobę. Urządzenie LUX było uruchomione przez 30 godzin.
To przybliża nas do momentu, gdy ten innowacyjny akcelerator cząstek będzie mógł pracować w trybie ciągłym. Najwyższy czas, by technologia ta wyszła z laboratorium i znalazła zastosowanie w praktyce, mówi dyrektor Wydziału Akceleratora w DESY, Wim Leemans. Przed kilku laty brał on udział w stworzeniu w USA wyjątkowego lasera BELLA.
Fizycy mają nadzieję, że technologia laserowych akceleratorów plazmowych pozwoli na budowę kompaktowych akceleratorów o unikatowych właściwościach, które znajdą liczne zastosowania. W technologii tej impuls laserowy tworzy falę plazmy w cienkim zbiorniku kapilarnym. Plazma to gaz, którego molekuły zostały pozbawione elektronów. W LUX gazem tym jest wodór.
Impulsy lasera żłobią sobie drogę w gazie, pozbawiając molekuły wodoru elektronów i usuwając je na bok. Wzbudzone impulsem światła elektrony uzyskują dużą energię i są niesione przez dodatnio naładowaną falę plazmy przed nimi, wyjaśnia Andreas Maier, który stał na czele grupy badawczej DESY.
Technika ta pozwala na uzyskanie nawet 1000-krotnie większych przyspieszeń cząstek niż za pomocą najpotężniejszych tradycyjnych akceleratorów. Można więc przyspieszać je do olbrzymich prędkości na krótkich odcinkach. A to oznacza, że laserowe akceleratory plazmowe mogą być potężnymi kompaktowymi urządzeniami, które znajdą zastosowanie zarówno w naukach podstawowych jak i w medycynie.
Technika wymaga jeszcze dopracowania i przed naukowcami jest sporo problemów technicznych do rozwiązania. Teraz, gdy możemy uruchamiać nasze wiązki przez dłuższy czas, łatwiej nam będzie rozwiązać te problemy, dodaje Maier.
Podczas rekordowo długiej pracy naukowcom udało się uzyskać ponad 100 000 wiązek elektronów. Wiązka była generowana w mniej niż sekundę. Dzięki temu zdobyto olbrzymie ilości danych dotyczących pracy akceleratora. Teraz możemy na przykład precyzyjnie zidentyfikować, w którym miejscu lasera generowane są niepożądane fluktuacje wiązki. Wiemy więc, gdzie zacząć prace nad poprawą jej jakości. To zaś podstawa do opracowania aktywnych technik stabilizacji wiązki, podobnych do tych, jakie są wykorzystywane w tradycyjnych wielkich akceleratorach, stwierdza Leemans.
Naukowcy mówią, że ich system już teraz mógłby pracować dłużej niż 30 godzin, ale celowo zatrzymali go po 30 godzinach. Po pierwszym takim udanym eksperymencie powtarzali go jeszcze trzykrotnie. To dowodzi, że laserowe akceleratory plazmowe mogą generować powtarzalny i kontrolowalny impuls. To pozwala na dalszy rozwój tej technologii, podsumowuje Leemans. O szczegółach można przeczytać na łamach Physical Review X.
Zainteresowanie laserowymi akceleratorami plazmowymi szybko rośnie. Niedawno informowaliśmy, że europejskie konsorcjum EuPRAXIA chce zbudować praktyczny akcelerator plazmowy. Obecnie na świecie istnieje około 20 takich prototypowych urządzeń.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.