• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Naukowcy wspinają się po kwantowej drabinie

    07.05.2010. 19:12
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Zespołowi naukowców z Uniwersytetu Cardiff w Wlk. Brytanii, którego prace są finansowane ze środków unijnych, udało się wystrzelić fotony (cząstki lekkie) w małą wieżę z materiału półprzewodnikowego. Prace mogą przyczynić się do stworzenia szybszych komputerów. Wyniki stanowią dorobek projektu CUSMEQ (Spójna, ultraszybka spektroskopia i manipulacja ekscytonowymi q-bitami), dofinansowanego na kwotę niemal 179.000 EUR z programu "Ludzie" Siódmego Programu Ramowego (7PR). W ramach projektu CUSMEQ badano spójną, ultraszybką spektroskopię i manipulację pojedynczych stanów ekscytonowych zamkniętych w półprzewodnikowej kropce kwantowej. Wyniki badań zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Nature Materials.

    Naukowcy z uniwersyteckiego Wydziału Fizyki i Astronomii powiedzieli, że foton zderza się z elektronem zamkniętym w mniejszej strukturze wewnątrz wieży. Zanim cząstki lekkie pojawią się ponownie, oscylują przez krótki czas między stanem światła a materii.

    "Połączenie pojedynczych kwantów z materią jest koncepcyjnie i technologicznie wymagające. Można tego na przykład dokonać dzięki wstawieniu ekscytona uwięzionego w kropce kwantowej do mikrownęki optycznej, w której pole fotonowe jest zamknięte w niewielkiej objętości" - czytamy w artykule. "W konsekwencji kwant pobudzenia optycznego oscyluje między światłem a materią, zanim przecieknie i rozproszy się w świecie zewnętrznym."

    Zespół przeprowadził test z wykorzystaniem pojedynczych fotonów oraz ich par. Naukowcy wyjaśniają, że w parach fotonów częstotliwość oscylacji między światłem a materią może być większa niż w przypadku pojedynczych fotonów. Wyniki ich badań pokrywają się z rezultatami badań teoretycznych sprzed niemal pół wieku.

    Zespół z Cardiff wykorzystał półprzewodnikową rurkę o średnicy zaledwie 1,8 mikrometra (1 mikrometr odpowiada jednej tysięcznej milimetra), utrzymując temperaturę na poziomie około -263°C. Fotony były więzione wewnątrz rurki na około 10 pikosekund (1 pikosekunda odpowiada 1 trylionowej sekundy).

    Ostatnie odkrycia będą przydatne w dziedzinie technologii informacyjnych i komunikacyjnych (TIK). Naukowcy powiedzieli, że rosną możliwości budowy logicznych systemów opartych na interakcjach tych cząstek, czyli możliwości - jak określają ją eksperci - informatyki kwantowej. Dzięki temu przetwarzanie stanie się wydajniejsze, ponieważ cząstki poruszają się znacznie szybciej i wydatkują mniej energii niż tradycyjne, elektroniczne komponenty komputerowe.

    "Taka interakcja może wytworzyć stały strumień fotonów i może również stanowić podstawę logiki pojedynczego fotonu, która wymaga minimalnej ilości energii do stworzenia układu logicznego" - wyjaśnia profesor Wolfgang Langbein z Wydziału Fizyki i Astronomii. "W perspektywie długoterminowej będzie to mieć swoje implikacje w wielu dziedzinach, takich urządzenia komputerowe, telekomunikacyjne i kryptograficzne" - dodaje.

    Istnieją niemniej pewne techniczne trudności, z którymi naukowcy muszą sobie poradzić. Jak zauważa profesor Langbein: "Faktyczne wykorzystanie tej technologii w urządzeniach komputerowych wymagać będzie znacznego udoskonalenia właściwości obecnych w niskiej temperaturze, a idealnie przeniesienia ich do temperatury pokojowej. Na chwilę obecną nie mamy jasnej koncepcji, w jaki sposób tego dokonać, ale nie jest to niemożliwe."

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Ajnsztajn (einstein, E) – jednostka liczności fotonów. Jeden ajnsztajn zawiera 6,02214179(30) · 10 (liczba Avogadra) fotonów, a więc jeden ich mol. Ponieważ energia niesiona przez fotony zależy od ich częstotliwości (E = h · ν), energię oraz irradiancję fotonów o znanej liczności wyrażonej w ajnsztajnach można obliczyć jedynie w przypadku światła monochromatycznego, o stałej długości fali. Światło niesione przez promieniowanie słoneczne składa się z fotonów o różnych długościach i częstotliwościach, więc liczność jego kwantów nie jest miarą irradiancji. Wymuszone rozpraszanie Comptona jest to zjawisko polegające na zderzeniu fotonu z elektronem w obecności wiązki fotonów, która wymusza stan końcowy fotonu, a z uwagi na zasady zachowania pędu i energii - także elektronu. W wyniku tego zjawiska wymuszająca wiązka fotonów ulega wzmocnieniu, ponieważ pojawia się w niej jeden foton więcej. Za doświadczalne potwierdzenie tego zjawiska uważa się zaobserwowanie tzw. efektu Kapitzy-Diraca, aczkolwiek istnieją pewne wątpliwości, czy aby na pewno udało się ten efekt zaobserwować. Spektrometria promieniowania gamma polega na ilościowym badaniu widma energetycznego promieniowania gamma źródeł, bez względu na pochodzenie - tak ziemskich jak i kosmicznych. Promieniowanie gamma jest najbardziej energetycznym zakresem promieniowania elektromagnetycznego, będąc fizycznie tym samym promieniowaniem co np. promieniowanie rentgenowskie, światło widzialne, podczerwień, nadfiolet czy fale radiowe, różniącym się od tych form wyższą energią fotonów i odpowiadającą jej wyższą częstotliwością oraz mniejszą długością fali. (Z powodu wysokiej energii fotonów gamma są one na ogół liczone indywidualnie, natomiast fotony najniższych energii promieniowania elektromagnetycznego, jak np. fale radiowe są obserwowane jako fale elektromagnetyczne składające się z wielu fotonów o niskiej energii.) Podczas gdy licznik Geigera lub podobne urządzenie określa jedynie częstość zliczeń (tj. liczbę zarejestrowanych - oddziałujących z substancją czynną detektora - kwantów gamma na sekundę), spektrometr promieniowania gamma pozwala również wyznaczyć energie rejestrowanych przez detektor a emitowanych przez źródło fotonów gamma.

    W optyce emisja wymuszona (stymulowana, indukowana) – proces emisji fotonów przez materię w wyniku oddziaływania z fotonem inicjującym. Warunkiem do tego, aby emisja wymuszona nastąpiła, jest równość energii fotonu z energią wzbudzenia atomu. Foton inicjujący emisję nie jest pochłaniany przez materię – pełni tylko rolę wyzwalającą proces. Foton emitowany przez atom ma częstotliwość (a więc również energię), fazę i polaryzację taką samą jak foton wywołujący emisję. Kierunek ruchu obu fotonów również jest ten sam. Światło złożone z takich identycznych fotonów nazywa się światłem spójnym. Zjawisko to jest podstawą działania laserów. Zmienna prędkość światła (VSL – variable speed of light), to koncepcja, zgodnie z którą prędkość światła w próżni oznaczana jako c, może nie być stała. W większości przypadków w fizyce materii skondensowanej, kiedy światło przechodzi przez ośrodek, jego prędkość fazowa jest mniejsza. Wirtualne fotony w pewnych rozważaniach w ramach kwantowej teorii pola mogą także podróżować z inną prędkością niż c na krótkich dystansach; jednak, nie wynika z tego, że cokolwiek może poruszać się szybciej od światła.

    Efekt Ramana (zjawisko Ramana, rozpraszanie kombinacyjne, rozpraszanie ramanowskie) - nieelastyczne rozpraszanie fotonów przez substancje. Polega ono na tym, że przy rozproszeniu wiązki światła w widmie rozproszonym występują, obok fotonów o takiej samej energii (rozpraszanie Rayleigha) fotony (około 1 na 10) o zmienionej energii. Powoduje to powstanie w widmie, obok pasma Rayleigha o takiej samej częstotliwości jak światło padające, tak zwanych pasm stokesowskich i antystokesowskich o odpowiednio zmniejszonej i zwiększonej częstotliwości, symetrycznie położonych po obu stronach pasma Rayleigha. Są one na ogół około 1000 razy słabsze od pasma Rayleigha, a ich liczba i położenie zależy od budowy cząsteczek rozpraszających. Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), Magnetyczny Spektrometr Alfa – moduł-eksperyment z dziedziny fizyki cząstek, który został umieszczony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i którego celem jest dokładny pomiar strumienia naładowanych promieni kosmicznych na niskiej orbicie wokółziemskiej. Eksperyment pozwoli na badanie formowania się Wszechświata, a także na poszukiwanie dowodu istnienia cząstek dziwnych, ciemnej materii oraz swobodnej antymaterii we Wszechświecie. Odkrycie choćby pojedynczych przypadków jąder antyhelu w promieniowaniu kosmicznym dostarczyłoby silnych dowodów na istnienie symetrii między materią i antymaterią.

    Optyka kwantowa jest obszarem badań fizyki, zajmującym się zastosowaniem mechaniki kwantowej do opisu zjawisk z uczestnictwem światła oraz jego oddziaływań z materią. Reguły nadwyboru – stosowane w ramach mechaniki kwantowej reguły określające, jakie stany można traktować jako fizyczne. Zgodnie z regułami mechaniki kwantowej dopuszcza się superpozycje stanów rozważanego układu. Okazuje sie jednak, że w przypadku istnienie nietrywialnych reguł nadwyboru superpozycja dwóch stanów fizycznych może nie być stanem fizycznym.

    Zimna ciemna materia - jeden z rodzajów ciemnej materii. Postulat jej istnienia wynika z udoskonalenia teorii wielkiego wybuchu zawierającej dodatkowe założenia, że większość materii we wszechświecie składa się z materiału, który nie może być obserwowany, bo nie wytwarza promieniowania elektromagnetycznego (skutkiem czego jest ciemna), a cząstki tworzące tę materię poruszają się wolno (stąd jest zimna). Większość kosmologów traktowała zimną materię jako opis, jak wszechświat przeszedł z gładkiego początkowego stanu we wczesnym czasie (jak pokazują badania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła) do rozkładu galaktyk i ich gromad, jaki widzimy dziś - wielkoskalowej struktury wszechświata.

    Zamknięta krzywa czasopodobna (ZKC), to w fizyce matematycznej linia świata w rozmaitości pseudoriemannowskiej, cząstki materialnej w czasoprzestrzeni, która jest "zamknięta", powracając do punktu startowego. Prawdopodobnie pierwotnie pojęcie zostało zaproponowane przez Kurta Gödla w 1949, który odkrył rozwiązania równań OTW dopuszczające istnienie ZKC znane jako metryka Gödla. Od tego czasu zostały znalezione inne rozwiązania równań OTW zawierające istnienie ZKC. Przykładem może być Cylinder Tiplera i przenikalne tunele czasoprzestrzenne. Jeżeli ZKC istnieją, to ich istnienie implikuje przynajmniej teoretyczną możliwością podróży wstecz w czasie, powodując powstanie paradoksu dziadka. Jednak zasada samo-spójności Novikova dopuszcza możliwość uniknięcia takich paradoksów. Niektórzy fizycy spekulują, że ZKC pojawiające się w niektórych rozwiązaniach OTW mogą zostać wykluczone przez przyszłą teorię kwantowej grawitacji, która zastąpi OTW.

    Dielektryk Hopfielda – w mechanice kwantowej model dielektryka składającego się z kwantowych oscylatorów harmonicznych oddziałujących z modami kwantowego pola elektromagnetycznego. Oddziaływanie kolektywne modów polaryzacji ładunku ze wzbudzeniami próżni, fotonami prowadzi do zaburzenia liniowej relacji dyspersji fotonów oraz stałej dyspersji fal ładunku poprzez uniknięcie przecięcia między dwiema liniami dyspersji polarytonów. Podobnie do fononów akustycznych i optycznych daleko od rezonansu jedna galąź dyspersji zachowuje sie jak fotony a druga jak fale ładunku. Matematycznie dielektryk Hopfielda dla jednego modu wzbudzeń jest równowazny paczce Trojanskiej w przybliżeniu harmonicznym. Model Hopielda dielektryka przewiduje istnienie wiecznie związanych fotonów podobnych do promieniowania Hawkinga wewnątrz materii o gęstości proporcjonalnej do siły sprzężenia pomiędzy polem i materią. Widmo absorpcyjne – widmo, które powstaje podczas przechodzenia promieniowania elektromagnetycznego przez chłonny ośrodek absorbujący promieniowanie o określonych długościach. Można zarejestrować przy użyciu metod spektroskopii. Graficznie ma postać widma ciągłego z ciemnymi liniami (dla gazowych pierwiastków). Występowanie widma absorpcyjnego jest spowodowane pochłanianiem przez substancję fotonów tylko o określonych długościach fali – takich, które mogą spowodować wzbudzenie atomu lub cząsteczki do stanu dopuszczanego przez prawa mechaniki kwantowej. Zmiany stanu wzbudzenia dotyczą zarówno elektronów jak i oscylacji i rotacji całych cząstek.

    Dodano: 07.05.2010. 19:12  


    Najnowsze