• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Uwięzione elektrony zwiastują dłuższe życie

    20.08.2009. 15:11
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Naukowcy z Francji, Niemiec, Szwajcarii i Wlk. Brytanii odkryli nowe właściwości elektronów, które mogą zaowocować przydatnymi zastosowaniami w komputerach i laserach. Badania, których wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Materials, zostały częściowo sfinansowane z projektu IA-SFS (Integrowanie prac naukowych w zakresie synchrotronu i lasera na wolne elektrony), który uzyskał dofinansowanie z tematu "Infrastruktury badawcze" Szóstego Programu Ramowego (6PR).

    Zidentyfikowane jako cząstki elementarne pod koniec XIX w. przez brytyjskich naukowców, elektrony odgrywają kluczową rolę w zjawisku takim jak elektryczność. W ramach ostatnich badań, europejski zespół naukowców wykazał, że elektrony cechują się interesującymi właściwościami kiedy są zamknięte w maleńkich strukturach zajmujących kilka nanometrów. Konkretnie zespół był w stanie po raz pierwszy dokładnie zmierzyć długość życia wzbudzonego elektronu.

    Ta nowa wiedza może okazać się przydatna na przykład przy opracowywaniu laserów półprzewodnikowych oraz w aplikacjach do przetwarzania informacji kwantowej. W obydwu tych dziedzinach naukowych możliwość wydłużenia czasu od momentu, kiedy elektron jest w wysokoenergetycznym stanie wzbudzenia do chwili, kiedy ostatecznie powraca do stanu podstawowego byłaby niezwykle przydatna.

    Naukowcy utrzymują, że wyniki ich badań otwierają drogę do "opracowania terahercowego urządzenia w technologii kropki kwantowej, dostarczając podstawowej wiedzy na temat czasów relaksacji nośnika, wymaganej do optymalnego zaprojektowania urządzenia".

    Od dwudziestu lat kropki kwantowe (półprzewodniki z elektronami zamkniętymi) są wytwarzane przez naukowców na standardowych podłożach półprzewodnikowych, takich jak materiały wykorzystywane do produkcji odtwarzaczy CD. Mimo iż do tej pory nie było możliwości wyjaśnienia długiego życia elektronów (nazywanego "fononowym wąskim gardłem"), prawidłowo przewidziano, że wzbudzone elektrony będą żyć przez dłuższy czas w kropkach kwantowych, ponieważ jest tam mniej sposobów tracenia energii.

    W ramach ostatnich badań naukowcy opracowali kropki kwantowe, które umożliwiły drobiazgowe przetestowanie teorii w szerokim zakresie parametrów. Specjalnie rozdzielili poziomy energii w kropkach kwantowych i znacznie ją obniżyli w stosunku do energii "drgań głównej sieci krystalicznej" (zsynchronizowany ruch grupy atomów w krysztale). Zmierzono wówczas długości życia za pomocą lasera na wolnych elektronach (FEL) - jedynego w swoim rodzaju, terahercowego lasera o krótkim impulsie. Dzięki temu zespół był w stanie zaobserwować dłuższe okresy życia.

    Choć naukowy zaznaczają od razu, że ich wyniki różnią się pod względem punktu wyjścia i pierwotnego fotonowego wąskiego gardła, są jednak przekonani, że mogą one doprowadzić do interesujących innowacji, a konkretnie terahercowych urządzeń opartych na technologii kropki kwantowej.

    Laser na wolnych elektronach, który znajduje się w Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, jest finansowany w ramach projektu IA-SFS.

    Źródło: CORDIS

    Więcej informacji:

    Nature Materials:
    http://www.nature.com/nmat/

    Forschungszentrum Dresden-Rossendorf:
    http://www.fzd.de/

    Źródło danych: Nature Materials; Forschungszentrum Dresden-Rossendorf
    Referencje dokumentu: Zibik, E.A. et al. (2009) Long lifetimes of quantum-dot intersublevel transitions in the terahertz range. Nature Materials (w druku). Publikacja internetowa z dnia 16 sierpnia; DOI: 10.1038/nmat2511.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Akcelerator plazmowy jest urządzeniem do przyspieszania naładowanych cząstek, takich jak elektrony, pozytrony i jony, przy wykorzystaniu pola elektrycznego w powiązaniu z falą wytworzoną w plazmie elektronowej. Fala tworzona jest na drodze krótkiego laserowego impulsu światła lub za pomocą impulsu elektronowego przez plazmę. Technika rokuje możliwości budowy akceleratorów cząstek o bardzo dużej wydajności oraz dużo mniejszych rozmiarach, w porównaniu do konwencjonalnych rozwiązań i związanych z nimi kosztów. Obecna wersje eksperymentalne urządzeń wykazują gradient przyspieszenia kilka razy większy niż współcześnie używane akceleratory. Na przykład eksperymentalne urządzenie w Lawrence Berkeley National Laboratory przyspiesza elektrony do 1 GeV na odcinku 3.3 cm, podczas gdy SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) konwencjonalny akcelerator potrzebuje 64 m, aby uzyskać tą samą energię. Podczas ostatnich eksperymentów dokonanych przez zespół SLAC udało się przy wykorzystaniu akceleratora plazmowego typu PWFA osiągnąć energię 42 GeV na odcinku 85 cm. Magnetyczna spinowa liczba kwantowa (ms)- może przyjmować dwie wartości: -½ i ½. Elektrony, rozróżniające się tylko wartością tej liczby kwantowej, są opisywane tym samym orbitalem w atomie. Często o elektronach różniących się znakiem magnetycznej kwantowej liczby spinowej mówi się, że mają przeciwne spiny. Diagram Jabłońskiego – schematyczne przedstawienie zjawisk luminescencyjnych. Stanowi uproszczony obraz względnego rozmieszczenia poziomów energii elektronowej cząsteczki. Diagram ten został opracowany przez polskiego fizyka Aleksandra Jabłońskiego i opublikowany w 1933 roku w czasopiśmie Nature.

    Transmisyjny mikroskop elektronowy (ang:Transmission Electron Microscope) - rejestrowane są elektrony przechodzące przez próbkę. Próbką w takim mikroskopie musi być cienką płytką o grubości mniejszej od 0,1 mikrometra. Przygotowanie takiej próbki jest trudne i znacznie ogranicza zastosowania mikroskopu. Instytut Technik Innowacyjnych EMAG jest instytutem badawczym zajmującym się kompleksowym opracowywaniem a także wdrażaniem nowoczesnych urządzeń, systemów oraz technologii. Realizator prac naukowych, badawczo-rozwojowych, konstrukcyjnych i ekspertyz w zakresie elektrotechniki, automatyki przemysłowej, telekomunikacji, systemów monitorowania i urządzeń bezpieczeństwa, systemów sterowania procesami, informatyki technicznej, sieciowych systemów informacyjnych, racjonalnego użytkowania paliw i energii oraz ochrony środowiska. Ofertę EMAG-u uzupełniają: badania specjalistyczne, atestacyjne i certyfikacyjne przeprowadzane w Centrum Badań i Certyfikacji (m.in. w unikatowej Pracowni Badań Kompatybilności Elektromagnetycznej) posiadającym akredytacje PCA, małoseryjna produkcja aparatury i urządzeń oraz usługi serwisowe. EMAG posiada własny ośrodek szkolenia oraz wydaje własne czasopismo naukowo-techniczne "Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa", poradniki, instrukcje i monografie. EMAG to lider wielu segmentów rynku - m.in. w zakresie aparatury i systemów bezpieczeństwa i monitorowania zagrożeń naturalnych, systemów automatyki kontroli parametrów jakościowych węgla. Misją i głównym celem Instytutu EMAG jest opracowywanie nowych innowacyjnych rozwiązań oraz doskonalenie istniejących urządzeń, technologii i systemów przyczyniających się do poprawy efektywności procesów produkcyjnych, wzrostu bezpieczeństwa pracy i jakości życia. Siedziba Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG mieści się w Katowicach.

    Pojęcie liczby kwantowej pojawiło się w fizyce wraz z odkryciem mechaniki kwantowej. Okazało się, że właściwie wszystkie wielkości fizyczne mierzone w mikroświecie atomów i cząsteczek podlegają zjawisku kwantowania, tzn. mogą przyjmować tylko pewne ściśle określone wartości. Na przykład elektrony w atomie znajdują się na ściśle określonych orbitach i mogą znajdować się tylko tam, z dokładnością określoną przez zasadę nieoznaczoności. Z drugiej strony każdej orbicie odpowiada pewna energia. Bliższe badania pokazały, że w podobny sposób zachowują się także inne wielkości np. pęd, moment pędu czy moment magnetyczny (kwantowaniu podlega tu nie tylko wartość, ale i położenie wektora w przestrzeni albo jego rzutu na wybraną oś). Wobec takiego stanu rzeczy naturalnym pomysłem było po prostu ponumerowanie wszystkich możliwych wartości np. energii czy momentu pędu. Te numery to właśnie liczby kwantowe. Konferencja naukowa – spotkanie grupy naukowców, praktyków i osób zainteresowanych pewnym działem nauki. W ramach spotkania referowane są wyniki badań naukowych lub odbywa się seria krótkich wykładów monograficznych i dyskusji na określony temat. Konferencje, obok publikacji, są jedną z dwóch podstawowych form prezentowania i dyskutowania wyników badań naukowych. Wystąpienia na konferencjach naukowych, w których prezentuje się swoje wyniki badań są nazywane prezentacjami, komunikatami, doniesieniami wstępnymi, referatami. Materiały konferencji mogą być publikowane.

    Europejska Rada ds. Badań Naukowych (ERBN, ang. European Research Council, ERC) – niezależna instytucja mająca na celu wspieranie wysokiej jakości badań naukowych poprzez wspieranie najlepszych naukowców, inżynierów i pracowników akademickich, niezależnie od dziedziny badań. Działa w ramach siódmego programu ramowego Unii Europejskiej w dziedzinie badań naukowych. Ustanowiona w lutym 2007 roku na mocy decyzji Rady 2006/972/WE (Dz. Urz. UE L 400 z 19.12.2006). Nature Genetics – recenzowane czasopismo naukowe wydawane przez Nature Publishing Group, założone w 1992 roku. Siostrzanym periodykiem jest Nature Reviews Genetics, publikujący prace o charakterze przeglądowym.

    Lampa z wyjściem indukcyjnym (klistroda) (ang. Inductive Output Tube, IOT) jest lampą mikrofalową przeznaczoną do wzmacniania sygnałów wielkiej częstotliwości UHF. Stanowi ona skrzyżowanie klistronu i triody. Składa się z katody wysyłającej elektrony, zespołu elektrod ogniskujących wyemitowane elektrony w wąską wiązkę, siatki, anody przyśpieszającej oraz rezonatora i kolektora. Emitowane przez katodę elektrony są formowane (skupiane) w wąską wiązkę i przyspieszane przez anodę. Natężenie wiązki elektronów w tej lampie jest modulowane za pomocą siatki (tak. jak np. w triodzie). W związku z tym sygnał wejściowy jest podawany pomiędzy siatkę a katodę. Skupiona wiązka elektronów przechodzi następnie przez rezonator, równoważny rezonatorowi wyjściowemu klistronu. Pobudzony tą wiązką rezonator emituje pole elektromagnetyczne, które jest wyprowadzane na zewnątrz lampy jako wzmocniony sygnał użyteczny. Elektrony kończą swój bieg na kolektorze.
    Lampy z wyjściem indukcyjnym zostały wynalezione i opatentowane w końcu lat 30. XX w. W latach 80. ponownie znalazły zastosowanie w nadajnikach telewizyjnych UHF dużej mocy zastępując mało wydajne klistrony.

    Para Coopera jest to układ dwóch fermionów (np. elektronów) oddziałujących ze sobą poprzez drgania sieci krystalicznej - fonony, opisany przez Leona Coopera i będącym elementem teorii BCS nadprzewodnictwa niskotemperaturowego. Fermiony tworzące parę Coopera mają połówkowe spiny (które są skierowane w przeciwnych kierunkach); jednak wypadkowy spin układu jest całkowity - czyli para Coopera jest bozonem. Elektrony tworzące parę Coopera są opisywane przez funkcje falowe z przeciwnymi wektorami falowymi. W 1956 roku Leon Cooper wykazał, że prąd elektryczny w nadprzewodnikach jest przenoszony nie przez pojedyncze elektrony, lecz pary związanych elektronów, zwane parami Coopera.

    Kwantowa teoria pola w zakrzywionej czasoprzestrzeni (ang. Quantum Field theory in curved spacetime) – uogólnienie kwantowej teorii pola, które umożliwia opis kwantowych pól materii propagujących się na ustalonej rozmaitości pseudoriemanowskiej, odgrywającej rolę czasoprzestrzeni. Teoria ta uwzględnia wpływ klasycznego pola grawitacyjnego, przejawiającego się, jako zakrzywienie czasoprzestrzeni, na skwantowane pola związane z pozostałymi oddziaływaniami. Jej najważniejszym przewidywaniem jest produkcja par cząstka-antycząstka w silnym, zależnym od czasu polu grawitacyjnym. Pomimo braku eksperymentalnego potwierdzenia, oczekuje się, że teoria ta dobrze opisuje procesy, w których można pominąć wpływ wyprodukowanych cząstek na pole grawitacyjne, oraz których charakterystyczna skala energii jest znacznie mniejsza od energii Plancka.

    Dodano: 20.08.2009. 15:11  


    Najnowsze