Po raz pierwszy udało się uzyskać kondensat Bosego-Einsteina z kwazicząstek
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Fizycy donoszą o zdobyciu pierwszego bezsprzecznego dowodu na istnienie anyonów, cząstek, których istnienie zostało zaproponowane przed ponad 40 laty. Anyony to kwazicząstki, które nie są ani fermionami, ani bozonami zatem podlegają statystyce innej niż statystyka Fermiego-Diraca i Bosego-Einsteina. Anyony mogą istnieć w przestrzeni dwuwymiarowej.
Odkrycie, którego dokonano za pomocą elektronicznego urządzenia 2D, może być pierwszym krokiem na drodze wykorzystania anyonów w przyszłych komputerach kwantowych.
Wszystkie cząstki elementarne są albo fermionami albo bozonami. Anyony nie należą do żadnej z tych kategorii. Fermiony są definiowane przez statystykę Fermiego-Diraca. Gdy dwa identyczne fermiony zamieniają się miejscem w przestrzeni ich funkcja falowa zmienia pozycję o 180 stopni. W przypadku zaś bozonów, definiowanych przez statystykę Bosego-Einsteina, nie dochodzi w takim przypadku do zmiany funkcji falowej. Innymi słowy, cząstki o spinach połówkowych (fermiony) dążą do pozostawania osobno od siebie, natomiast cząstki o spinach całkowitych (bozony) dążą do gromadzenia się. Anyony znajdują się gdzieś po środku. Zmiana pozycji anyonów powinna doprowadzić do zmiany funkcji falowej o kąt pośredni. Podlegają one statystyce cząstkowej.
Jeśli jedna kwazicząstka wykona pełen obrót wokół drugiej, co jest odpowiednikiem dwukrotnej zamiany pozycji pomiędzy nimi, informacja o tym ruchu zostanie zachowana w stanie kwantowym cząstki. I to właśnie ten zapamiętany stan jest jedną z cech charakterystycznych statystyki cząstkowej, której poszukiwali obecnie naukowcy, by potwierdzić istnienie anyonów.
Fizyk eksperymentalny Michael Manfra i jego zespół z Purdue University, stworzyli strukturę złożoną z cienkich warstw arsenku galu i arsenku aluminiowo-galowego. Struktura taka wymusza ruch elektronów w dwóch wymiarach. Urządzenie zostało schłodzone do 1/10 000 stopnia powyżej zera absolutnego i poddano je działaniu silnego pola magnetycznego. W ten sposób pojawił się tzw. izolator cząstkowego kwantowego efektu Halla. W izolatorze takim prąd elektryczny nie może przemieszczać się w wewnątrz urządzenia, a wyłącznie po jego krawędziach. Urządzenie może przechowywać kwazicząstki, których ładunek elektryczny nie jest wielokrotnością ładunku elektronów. Naukowcy podejrzewali, że kwazicząstki te to właśnie anyony.
By udowodnić, że istotnie mają do czynienia z anyonami, uczeni połączyli swoje urządzenie do elektrod w ten sposób, że ładunki mogły przepływać tylko po krawędziach. Właściwości urządzenia były dobierane za pomocą pola magnetycznego i elektrycznego. Spodziewano się, że manipulacja tymi polami albo zniszczy ani utworzy anyony wewnątrz urządzenia i spowoduje, że anyony będą przemieszczały się pomiędzy elektrodami. Jako, że poruszające się anyony mogą poruszać się dwiema możliwymi ścieżkami, a każda z nich powoduje pojawienie się innego skrętu ich fal, gdy anyony docierają do celu dochodzi do interferencji i pojawienia się wzorca określanego jako paski na piżamie.
Wzorzec ten pokazywał relatywną wartość skrętu fal anyonów pomiędzy obiema ścieżkami i był zależny od zmian napięcia i siły pola magnetycznego. Ostatecznym dowodem zaś były wyraźnie widoczne przeskoki, świadczące o znikaniu i pojawianiu się anyonów w urządzeniu.
Zespół Manfry nie jest jedynym, który przedstawił dowody na istnienie statystyki cząstkowej, zatem na istnienie anyonów. Jednak w wielu poprzednich przypadkach uzyskane wyniki dawało się wytłumaczyć również w inny sposób, mówi Bernard Rosenow, fizyk-teoretyk z Uniwersytetu w Lipsku specjalizujący się w badaniu materii skontensowanej. Tymczasem, jak sam przyznaje, nie znam innego wyjaśnienia dla wyników uzyskanych przez Manfrę, jak interpretacji mówiącej o statystyce cząstkowej. Jeśli więc inny zespół potwierdzi obserwacje Manfry i jego kolegów, będziemy mogli mówić o odkryciu anyonów.
Anyony zaś mogą posłużyć do budowy komputerów kwantowych. Już zresztą istnieją teorie opisujące takie maszyny. W parach kwazicząstek można zapisać informacje o tym, jak krążyły one wokół siebie. Jako, że statystyka cząstkowa jest topologiczna, zależy od liczby okrążeń, jakie jeden anyon wykonał wokół drugiego, a nie od niewielkich zmian trajektorii, jest odporna na niewielkie zakłócenia.
Ta odporność zaś może spowodować, że topologiczne komputery kwantowe będą łatwiejsze do skalowania niż obecnie wykorzystywane technologie komputerów kwantowych, które są bardzo podatne na błędy. Microsoft, dla którego zresztą Manfra pracuje jako zewnętrzny konsultant, jest jedyną firmą pracującą obecnie nad topologicznymi komputerami kwantowymi. Inni giganci, jak IBM, Intel Google i Honeywell, udoskonalają inne technologie.
Jednak do wykorzystania anyonów w komputerach kwantowych jest jeszcze daleka droga. Obecne odkrycie jest ważniejsze z punktu widzenia fizyki niż informatyki kwantowej. Dla mnie, jako teoretyka zajmującego się materią skondensowaną, kwazicząstki są równie fascynujące i egzotyczne jak bozon Higgsa, mówi Rosenow.
Ze szczegółami pracy Manfry i jego zespołu można zapoznać się na łamach arXiv.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Fizyka zna różne typy cząstek. Mamy więc cząstki elementarne, które stanową podstawowy budulec tego, co nas otacza. Są też takie cząstki jak np. atomy, składające się w wielu mniejszych elementów. Są wreszcie i kwazicząstki, czyli wzbudzenia systemów składających się z wielu elementów, które zachowują się jak cząstki. Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu odkryli właśnie π-ton, kwazicząstkę składającą się z dwóch elektronów, dwóch dziur i światła.
Najprostszą kwazicząstką jest dziura. Wyobraźmy sobie, że wiele atomów jest ułożonych w regularny wzór w krysztale i w każdym atomie jest poruszający się elektron. Tylko w jednym atomie brakuje elektronu. To właśnie jest dziura, wyjaśnia profesor Karsten Held z Instytutu Fizyki Ciała Stałego. W miejsce brakującego elektronu może przejść elektron z sąsiadującego atomu. Wówczas dziura zostanie zamknięta, ale pojawi się inne, w atomie, z którego przywędrował elektron.
Naukowcom łatwiej jest w takich przypadkach badać nie ruch elektronów, a dziur. Jeśli elektrony poruszają się w prawo, dziura porusza się w lewo. Jej ruch podlega prawom fizyki, podobnie jak ruch cząstek. Jednak, w przeciwieństwie do elektronu, który można obserwować również poza naszym kryształem, dziura istnieje jedynie w odniesieniu do innych cząstek. Dlatego też mówimy tutaj o kwazicząstce.
Jednak, jak dodaje Karsten Held, granica pomiędzy cząstkami a kwazicząstkami nie jest ostra. Zwykłe cząstki też mogą być rozumiane jedynie w kontekście ich otoczenia. Nawet w próżni bez przerwy dochodzi, na bardzo krótki czas, do wzbudzeń par cząstka-dziura. Bez tego masa elektronu byłaby zupełnie inne. Innymi słowy, nawet gdy eksperymentujemy ze zwykłymi elektronami, tak naprawdę obserwujemy elektron będący kwazicząstką.
Jeszcze inną kwazicząstką jest ekscyton, który odgrywa ważną rolę w fizyce półprzewodników. Składa się ona z elektronu, który ma ładunek ujemny, oraz z dziury, będącej nieobecnością ładunku ujemnego, ma ona zatem ładunek dodatni. Badaliśmy takie właśnie ekscytony. Stworzyliśmy model komputerowy do obliczeń kwantowych efektów fizycznych, jakie wywierają one w ciałach stałych, mówią główne autorki badań doktor Anna Kauch i doktor Petra Pudleiner. Ich obliczenia wskazały na istnienie nowej kwazicząstki, która składa się z dwóch elektronów i dwóch dziur połączonych za pomocą fotonów.
Odkrywcy nazwali nową cząstkę π-tonem. Nazwa π-ton wzięła się stąd, że dwa elektrony i dwie dziury są utrzymywane razem przez fluktuacje spinu, które zawsze zmieniają się o 180 stopni pomiędzy jednym punkcie w sieci krystalicznej, a drugim. Zatem zmieniają się o π radianów. Tę ciągłą zmianę możemy wyobrazić sobie jak przechodzenie na szachownicy z pól ciemnych na jasne, mówią odkrywczynie π-tonu.
Na razie π-ton został potwierdzony i zweryfikowany za pomocą komputera. Zbadaliśmy π-ton za pomocą różnych modeli komputerowych. Pojawiał się on w każdym z nich. Powinno być zatem możliwe jego wykrycie w różnych materiałach. Niektóre eksperymenty przeprowadzone z tytanianem samaru wydają się wskazywać na istnienie π-tonu. Dodatkowe badania z wykorzystaniem fotonów i neutronów powinny dać nam jaśniejszy obraz sytuacji, dodaje Karsten Held.
O nowej kwazicząstce możemy przeczytać na łamach Physical Review Letters.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.