Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Ekscytujące ekscytony
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z jednych z najlepszych uczelni i instytutów badawczych z USA, Niemiec, Wielkiej Brytanii i Szwecji są pierwszymi, którzy prześledzili w czasie rzeczywistym ruch pojedynczego elektronu podczas całej reakcji chemicznej. Podczas niezwykłego eksperymentu wykorzystali ekstremalnie jasne źródło promieniowania X, Linac Coherent Light Source znajdujące się w SLAC National Accelerator Laboratory. Osiągnięcie to pozwoli lepiej zrozumieć reakcje chemiczne na najbardziej podstawowym poziomie i lepiej kontrolować wyniki takiej reakcji. Taką wiedzę można zaś wykorzystać podczas opracowywania materiałów i technologii przyszłych generacji.
Kluczową rolę w reakcjach chemicznych odgrywają elektrony walencyjne, znajdujące się na najbardziej zewnętrznej powłoce atomu. Ich obrazowanie jest jednak niezwykle trudne. Nie tylko – jak wszystkie elektrony – są niezwykle małe, ale tworzą wiązania chemiczne w czasie femtosekund, biliardowych części sekundy.
Uczeni od lat próbowali zobrazować elektron podczas tworzenia wiązań chemicznych. Dotychczas się nie udawało, gdyż niezwykle trudno jest wyizolować pojedynczy elektron z atomu, a jeszcze trudniej jest śledzić go w czasie femtosekund. Dopiero teraz wyczynu tego dokonał zespół, na którego czele stali Ian Gabalski, doktorant z Uniwersytetu Stanforda, profesor Philip Bucksbaum ze Stanford PULSE Institute oraz profesor Nanna List ze szwedzkiego Królewskiego Instytutu Technologii.
Chcąc śledzić elektrony naukowcy stworzyli pojemnik z gęstym amoniakiem w stanie gazowym i wzbudzili gaz za pomocą ultrafioletowego lasera. W tym momencie włączono LCLS i promieniowanie rentgenowskie trafiło w elektrony i na nich się rozproszyło.
W większości molekuł liczba elektronów powłok wewnętrznych znacznie przewyższa liczbę elektronów walencyjnych. Jednak w niewielkich lekkich molekułach, jak amoniak – przypomnijmy, że składa się on z atomu azotu i trzech atomów wodoru – to elektrony walencyjne mają znaczną przewagę liczbową. A to oznacza, że sygnał pochodzący z promieniowania rentgenowskiego rozproszonego na elektronach walencyjnych jest wystarczająco silny, by obserwować właśnie ten rodzaj elektronów.
Naukowcy już wcześniej wiedzieli, że wzbudzone za pomocą światła molekuły amoniaku przechodzą ze struktury, w której atomy tworzą piramidę, do takiej, w której leżą na jednej płaszczyźnie. W końcu jeden z atomów wodoru wyłamuje się z tej struktury i dochodzi do przegrupowania. Badacze byli teraz w stanie śledzić ruch elektronu związany z tą zmianą struktury.
Zwykle musimy zakładać, jak elektrony walencyjne poruszają się w czasie reakcji, jednak tutaj mogliśmy bezpośrednio zmierzyć ten ruch, mówi Nanna List, która wykonała obliczenia wyjaśniające zarejestrowane dane.
Ian Gabalski tak wyjaśnia znacznie dokonanej obserwacji: Gdy próbujesz zsyntetyzować molekułę nowego leku lub materiału, dochodzi do reakcji chemicznych, które przebiegają zarówno w sposób pożądany, jak i niepożądany. Te niepożądane reakcje skutkują pojawieniem się produktów ubocznych. Jednak gdy rozumiesz, jak to wszystko działa, możesz opracować metodę sterowania reakcją tak, by osiągać tylko oczekiwane rezultaty. To może być potężne narzędzie w całej dziedzinie chemii.
Eksperyment opisano szczegółowo na łamach Physical Review Letters.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z University of Birmingham opublikowali na łamach Physical Review Letters artykuł, w którym niezwykle szczegółowo opisali naturę fotonów, ich interakcję z materią oraz sposób, w jaki są emitowane przez atomy i molekuły oraz kształtowane przez środowisko. W ten sposób mogli precyzyjnie opisać kształt pojedynczego fotonu. Zadanie to przekraczało dotychczas możliwości nauki, gdyż foton może propagować się w środowisku na niezliczoną liczbę sposobów, przez co trudno jest modelować interakcje, w jakie wchodzi.
Nasze obliczenia pozwoliły nam na przełożenie pozornie nierozwiązywalnego problemu w coś, co można obliczyć. A produktem ubocznym naszego modelu jest możliwość stworzenia obrazu pojedynczego fotonu, czego dotychczas nikt nie dokonał, mówi doktor Benjamin Yuen z Wydziału Fizyki i Astronomii University of Birmingham.
Współautorka badań, profesor Angela Demetriadou stwierdziła: geometria i właściwości optyczne środowiska mają olbrzymi wpływ na sposób emitowania fotonów, definiują ich kształt, barwę, a nawet to, z jakim prawdopodobieństwem istnieją.
Praca brytyjskich uczonych pogłębia naszą wiedzę na temat wymiany energii pomiędzy światłem a materią, pozwala lepiej zrozumieć, w jaki sposób światło wpływa na bliższe i dalsze otoczenie. Pozwolą lepiej manipulować interakcjami światła z materią, a więc przyczynią się do udoskonalenia czujników, ogniw fotowoltaicznych czy komputerów kwantowych.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z University of Washington zauważyli, że są w stanie wykryć „atomowy oddech” czyli wibracje mechaniczne pomiędzy dwiema warstwami atomów. Dokonali tego obserwując światło emitowane przez atomy wzbudzone laserem. Odkryte zjawisko można wykorzystać do zakodowania i przesłania informacji kwantowej. Uczeni zbudowali urządzenie, które może stać się elementem składowym przyszłych technologii kwantowych.
To nowa platforma w skali atomowej, która wykorzystuje optomechanikę, szereg zjawisk w których ruch światła i ruch mechaniczny są ze sobą nierozerwalnie powiązane. Mamy tutaj efekty kwantowe, które możemy wykorzystać do kontrolowania pojedynczego fotonu przemieszczającego się przez zintegrowane obwody optyczne, mówi profesor Mo Li, który stał na czele grupy badawczej.
Ostatnie badania bazowały na wcześniejszych pracach związanych z ekscytonami. To kwazicząstki w których można zakodować informację kwantową, a następnie przesłać ją w postaci fotonu, którego właściwości kwantowe (jak polaryzacja czy długość fali) pełnią rolę kubitu. A jako że kubit ten jest niesiony przez foton, informacja przemieszcza się z prędkością światła. Fotony są naturalnym wyborem jako nośnik informacji kwantowej, gdyż potrafimy przesyłać je za pomocą światłowodów szybko na duże odległości, nie tracą przy tym zbyt wielu informacji, dodaje doktorantka Adina Ripin.
Naukowcy pracowali w ekscytonami chcąc stworzyć urządzenie emitujące pojedyncze fotony. Obecnie w tym celu używa się atomowych macierzy, takich jak np. znajdujące się w diamentach. Jednak w macierzach takich występują naturalne defekty, które zaburzają pracę tego typu urządzeń. Naukowcy z Uniwersity of Washington chcieli precyzyjnie kontrolować miejsce, z którego będzie dochodziło do emisji fotonu.
Wykorzystali w tym celu nałożone na jednoatomowe warstwy diselenku wolframu. Dwie takie warstwy nałożyli na podłoże, na którym znajdowały się setki kolumienek o szerokości 200 nanometrów każda. Diselenek wolframu przykrył te kolumienki, a ich obecność pod spodem doprowadziła do pojawienia się niewielkich naprężeń w materiale. W wyniku naprężeń znajdujących się w miejscu każdej z kolumienek powstała kropka kwantowa. I to właśnie te kropki są miejscem, w którym dochodzi do emisji. Dzięki precyzyjnemu impulsowi laserowemu naukowcy byli w stanie wybić elektron, tworząc w ten sposób ekscytony. Każdy z ekscytonów składał się z ujemnie naładowanego elektronu z jednej warstwy diselenku wolframu i dodatnio naładowanej dziury z drugiej warstwy. Po chwili elektron wracał w miejsce, w którym przed chwilą się znajdował, a ekscyton emitował foton z zakodowaną informacją kwantową.
Okazało się jednak, że poza fotonami i ekscytonami jest coś jeszcze. Powstawały fonony, kwazicząstki będące produktem wibracji atomowych.
W ten sposób po raz pierwszy zaobserwowano fonony w emiterze pojedynczych fotonów w dwuwymiarowym systemie atomowym. Bliższe analizy wykazały, że każdy foton emitowany w ekscytonu był powiązany z jednym lub więcej fononami. Naukowcy postanowili więc wykorzystać to zjawisko. Okazało się, że za pomocą napięcia elektrycznego mogą wpływać na energię interakcji pomiędzy fotonami i fononami. Zmiany te są mierzalne i można je kontrolować.
To fascynujące, że możemy tutaj obserwować nowy typ hybrydowej platformy kwantowej. Badając interakcję pomiędzy fononami a kwantowymi emiterami, odkryliśmy zupełnie nową rzeczywistość i nowe możliwości kontrolowania i manipulowania stanami kwantowymi. To może prowadzić do kolejnych odkryć w przyszłości, dodaje Ruoming Peng, jeden z autorów badań.
W najbliższym czasie naukowcy chcą stworzyć falowody, za pomocą których będą przechwytywali wygenerowane fotony i kierowali je w wybrane miejsca. Mają tez zamiar skalować swój system, by jednocześnie kontrolować wiele emiterów oraz fonony. W ten sposób poszczególne emitery będą mogły wymieniać informacje, a to będzie stanowiło podstawę do zbudowania kwantowego obwodu. Naszym ostatecznym celem jest budowa zintegrowanego systemu kwantowych emiterów, które mogą wykorzystywać pojedyncze fotony przesyłane za pomocą przewodów optycznych oraz fonony i używać ich do kwantowych obliczeń, wyjaśnia Li.
« powrót do artykułu -
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 zrekonstruować w laboratorium falową naturę elektronu, jego funkcję falową Blocha. Dokonali tego naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB), a ich praca może znaleźć zastosowanie w projektowaniu kolejnych generacji urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych.
Elektrony zachowują się jednocześnie jak cząstki oraz jak fala. Ich falowa natura opisywane jest przez naukowców za pomocą obiektów matematycznych zwanych funkcjami falowymi. Funkcje te zawierają zarówno składowe rzeczywiste, jak i urojone. Z tego też powodu funkcji falowej Blocha elektronu nie można bezpośrednio zmierzyć. Można jednak obserwować powiązane z nią właściwości. Fizycy od dawna próbują zrozumieć, w jaki sposób falowa natura elektronów poruszających się przez sieć krystaliczną atomów, nadaje tej sieci właściwości elektroniczne i optyczne. Zrozumienie tego zjawiska pozwoli nam projektowanie urządzeń lepiej wykorzystujących falową naturę elektronu.
Naukowcy z Santa Barbara wykorzystali silny laser na swobodnych elektronach, który posłuży im do uzyskanie oscylującego pola elektrycznego w półprzewodniku, arsenu galu. Jednocześnie za pomocą lasera podczerwonego o niskiej częstotliwości wzbudzali jego elektrony. Wzbudzone elektrony pozostawiały po sobie „dziury” o ładunku dodatnim. Jak wyjaśnia Mark Sherwin, w arsenku galu dziury te występują w dwóch odmianach – lekkiej i ciężkiej – i zachowują się jak cząstki o różnych masach.
Para elektron-dziura tworzy kwazicząstkę zwaną ekscytonem. Fizycy z UCSB odkryli, że jeśli utworzy się elektrony i dziury w odpowiednim momencie oscylacji pola elektrycznego, to oba elementy składowe ekscytonów najpierw oddalają się od siebie, następnie zwalniają, zatrzymują się, zaczynają przyspieszać w swoim kierunku, dochodzi do ich zderzenia i rekombinacji. W czasie rekombinacji emitują impuls światła – zwany wstęgą boczną – o charakterystycznej energii. Emisja ta zawiera informacje o funkcji falowej elektronów, w tym o ich fazach.
Jako, że światło i ciężkie dziury przyspieszają w różnym tempie w polu elektrycznym ich funkcje falowe Blocha mają różne fazy przed rekombinacją z elektronami. Dzięki tej różnicy fazy dochodzi do interferencji ich funkcji falowych i emisji, którą można mierzyć. Interferencja ta determinuje też polaryzację wstęgi bocznej. Może ona być kołowa lub eliptyczna.
Autorzy eksperymentu zapewniają, że sam prosty stosunek pomiędzy interferencją a polaryzacją, który można zmierzyć, jest wystarczającym warunkiem łączącym teorię mechaniki kwantowej ze zjawiskami zachodzącymi w rzeczywistości. Ten jeden parametr w pełni opisuje funkcję falową Blocha dziury uzyskanej w arsenku galu. Uzyskujemy tę wartość mierząc polaryzację wstęgi bocznej, a następnie rekonstruując funkcję falową, która może się różnić w zależności od kąta propagacji dziury w krysztale, dodaje Seamus O'Hara.
Do czego takie badania mogą się przydać? Dotychczas naukowcy musieli polegać na teoriach zawierających wiele słabo poznanych elementów. Skoro teraz możemy dokładnie zrekonstruować funkcję falową Blocha dla różnych materiałów, możemy to wykorzystać przy projektowaniu i budowie laserów, czujników i niektórych elementów komputerów kwantowych, wyjaśniają naukowcy.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.