• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Schładzanie laserowe membran półprzewodnikowych otwiera drogę do informatyki kwantowej

    26.01.2012. 16:37
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Dzięki innowacyjnemu połączeniu dwóch dziedzin badawczych - fizyki kwantowej i nanofizyki - finansowani ze środków unijnych duńscy naukowcy odkryli nową metodę laserowego schładzania membran półprzewodnikowych. Półprzewodniki są podstawowymi komponentami wielu urządzeń elektronicznych, takich jak ogniwa słoneczne i diody elektroluminescencyjne (LED), dlatego możliwości ich schładzania mają istotne znaczenie dla przyszłego rozwoju komputerów kwantowych i ultraczułych czujników.

    Choć nazwano ją metodą schładzania, technika wykorzystywana przez fizyków działa na dokładnie odwrotnej zasadzie - ogrzewania materiału. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Physics, zespół z Instytutu Nielsa Bohra przy Uniwersytecie w Kopenhadze w Danii, objaśnia, jak opracował lasery zdolne do schłodzenia wahań membran do minus 269 stopni Celsjusza.

    Badania otrzymały wsparcie w kwocie 4.700.000 EUR w ramach projektu Q-ESSENCE (Interfejsy, czujniki i komunikacja kwantowa oparte na splątaniu), dofinansowanego z tematu TIK (Technologie informacyjne i komunikacyjne) Siódmego Programu Ramowego (7PR) UE.

    Autor naczelny raportu z badań, Koji Usami, wyjaśnia: "W toku doświadczeń udało nam się wypracować nowy i skuteczny sposób chłodzenia materiału stałego za pomocą laserów. Wyprodukowaliśmy membranę półprzewodnikową o grubości 160 nanometrów i bezprecedensowej powierzchni 1 na 1 milimetr. W czasie doświadczeń pozwoliliśmy membranie wchodzić w interakcje ze światłem lasera, tak aby jej ruchy mechaniczne wpływały na skierowane na nią światło. Skrupulatnie przeanalizowaliśmy parametry fizyczne i odkryliśmy, że pewien tryb oscylacji membrany uległ schłodzeniu z temperatury pokojowej do minus 269 stopni Celsjusza, co było wynikiem złożonej i fascynującej wzajemnej zależności między ruchem membrany, właściwościami półprzewodnika i rezonansami optycznymi."

    Duński zespół od dawna doskonali chłodzenie laserowe w technice atomowej i schłodził już wcześniej chmury gazowe atomów cezu niemal do zera bezwzględnego, czyli minus 273 stopnie Celsjusza, za pomocą laserów zogniskowanych. Naukowcom udało się wygenerować splątanie między dwoma systemami atomowymi. Dzieje się tak, kiedy spin atomu zostaje splątany, a dwie chmury gazowe formują wiązanie oparte na mechanice kwantowej. Za pomocą optycznych technik kwantowych naukowcy zmierzyli wahania kwantowe spinu atomu.
    "Od pewnego czasu chcieliśmy sprawdzić, na ile można poszerzyć granice mechaniki kwantowej - czy dotyczy ona również materiałów makroskopowych? To oznaczałoby całkowicie nowe możliwości w tak zwanej optomechanice, czyli interakcji między promieniowaniem optycznym, tj. światłem, a ruchem mechanicznym" - wyjaśnia kolejny autor raportu, profesor Eugene Polzik.

    Niemniej zanim naukowcy mogli przekonać się, czy ich teorie sprawdzają się w praktyce, musieli sprawdzić, czy dysponują odpowiednimi materiałami do tego zadania.

    Wszystko zaczęło się w 2009 r., kiedy jeden z członków zespołu badawczego, Peter Lodahl, wygłosił wykład w Instytucie Nielsa Bohra: zaprezentował specjalną, fotoniczną membranę krystaliczną, wykonaną z półprzewodnikowego materiału - arsenku galu (GaAs). Po wysłuchaniu wykładu, profesor Polzik od razu pomyślał, że ta nanomembrana może posiadać wiele korzystnych właściwości elektronicznych i optycznych. Zasugerował wykorzystanie tego typu membrany w doświadczeniach optomechanicznych i po roku eksperymentowania z różnymi rozmiarami zespołowi udało się znaleźć ten odpowiedni.

    Naukowcy stworzyli nanomembranę o grubości zaledwie 160 nanometrów i powierzchni powyżej 1 milimetra kwadratowego.

    W ramach doświadczenia skierowali światło lasera na nanomembranę w komorze próżniowej. Kiedy światło lasera dotarło do membrany półprzewodnikowej, część światła została odbita, by następnie odbić się ponownie od zwierciadła, przez co światło poruszało się w tej przestrzeni tam i z powrotem, tworząc rezonator optyczny. Część światła została pochłonięta przez membranę i uwolniła wolne elektrony. Elektrony rozpadły się, ogrzewając tym samym membranę, co wywołało rozszerzanie termiczne. W ten sposób odległość między membraną a zwierciadłem stale się zmieniała w postaci wahań.

    Jak wyjaśnia dalej Koji Usami: "Zmiana odległości między membraną a zwierciadłem prowadzi do złożonej i fascynującej wzajemnej zależności między ruchem membrany, właściwościami półprzewodnika i rezonansami optycznymi, dając możliwość kontrolowania systemu, aby obniżać temperaturę wahań membrany. To nowy mechanizm optomechaniczny, który ma kluczowe znaczenie dla nowego odkrycia. Paradoks polega na tym, że mimo nieznacznego ocieplania się membrany jako całości, ulega ona schłodzeniu przy pewnym wahaniu, a schładzanie to może być kontrolowane za pomocą światła lasera. A zatem mamy do czynienia ze schładzaniem się przez ocieplanie! Udało nam się schłodzić wahania membrany do minus 269 stopni Celsjusza."

    Odkrycia mogą doprowadzić do opracowania komponentów schładzających do komputerów kwantowych. Komputer kwantowy to urządzenie obliczeniowe, które bezpośrednio wykorzystuje zjawiska mechaniki kwantowej, takie jak superpozycja i splątanie, do wykonywania operacji na danych.

    Główne cele projektu Q-ESSENCE to opracowanie interfejsów kwantowych umożliwiających wysokiej wierności mapowanie informacji kwantowych między różnymi systemami kwantowymi, wygenerowanie splątania kwantowego w nowych skalach i na nowe odległości jako sposób na przenoszenie zadań informacji kwantowych oraz inżynieria wieloczęściowego splątania w specyficznych topologiach systemów podstawowych.

    Projekt wspiera również naukowców z Australii, Austrii, Hiszpanii, Holandii, Niemiec, Polski, Słowacji, Szwajcarii, Wlk. Brytanii i Włoch. Jego realizację przewidziano do 2013 r. i ma on stworzyć nowe możliwości w kwantowych technologiach informacyjnych, które będzie można przekształcić w realistyczne i kompletne systemy do wykonywania zadań TIK.

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Membrana polimerowa – rodzaj membrany półprzepuszczalnej sporządzonej z polimerów, faza oddzielająca od siebie dwie inne fazy (gazowe lub ciekłe), stanowiąca barierę w transporcie masy pomiędzy nimi. Transport ten może mieć charakter aktywny lub pasywny (bariera aktywna bądź pasywna). Istnieje wiele metod wykonywania membran polimerowych, np. inwersja faz-membrana Loeb-Sourirajana, rozciąganie, spiekanie, wytrawianie. Membrany takie można stosować np. w elektrodach jonoselektywnych (PIM-Polymer Inclusion Membrane). Filtry RO – filtry odwróconej osmozy. Są to filtry z zastosowaniem membrany osmotycznej (opatentowanej w roku 1952 w USA). Istota budowy membrany opiera się na silnej kompresji modułu membranowego, która jest umieszczona w mikroobudowie. Membrana składa się z następujących materiałów: Perwaporacja (proces membranowy) - technika rozdziału mieszanin ciekłych związków chemicznych, wykorzystująca przeważnie polimerowe membrany nieporowate określane potocznie jako gęste lub membrany ceramiczne o średnicy porów poniżej 5 nm. W przypadku membran polimerowych, separacja wynika z różnic w rozpuszczalności poszczególnych składników w membranie (sorpcja) oraz różnic w szybkości ich dyfuzji poprzez tę membranę. Jest to proces alternatywny do odwróconej osmozy. Nie wymaga zastosowania obniżonego ciśnienia po stronie permeatu, jednak często stosuje się je w celu usprawnienia procesu. Stosowane jest również wymywanie permeatu gazem inertnym. Czynnikiem rozdzielającym jest membrana i energia - praca przeniesienia pod wpływem gradientu prężności par.

    W kwantowej teorii informacji kodowanie supergęste to technika używana do wysyłania dwóch bitów klasycznej informacji przy użyciu tylko jednego kubitu z pomocą splątania. Membrana półprzepuszczalna czyli inaczej błona półprzepuszczalna jest to rodzaj membrany (przepony), która przepuszcza niektóre rodzaje cząsteczek a zatrzymuje inne (np. przepuszcza małe cząsteczki rozpuszczalnika, a zatrzymuje duże cząsteczki lub jony). Różnica stężeń związków chemicznych po dwu stronach membrany powoduje powstanie ciśnienia osmotycznego. Cząsteczki substancji przechodzącej przez membranę zachowują się tak jakby oprócz ciśnienia zewnętrznego istniało jeszcze, wspomniane wyżej, ciśnienie osmotyczne. Przykładem naturalnej membrany półprzepuszczalnej jest błona komórkowa czy skóra człowieka. Membrany półprzepuszczalne są m.in. wykorzystywane na dużą skalę do dializy krwi osób z chorobami nerek, do odsalania wody morskiej, do oczyszczania wody filtry RO.

    Harald Weinfurter (ur. 14 maja 1960 w Steyr) – profesor fizyki w Uniwersytetecie Ludwiga Maximiliana (niem. Ludwig-Maximilians-Universität München, LMU, Uniwersytet Monachijski). Specjalista w dziedzinie eksperymentów dotyczących podstaw mechaniki kwantowej, a w szczególności: kwantowej interferometrii ze skorelowanymi fotonami, kwantowego splątania, nierówności Bella, kwantowej komunikacji i przetwarzania informacji, kwantowej kryptografii i metrologii. Ciśnienie osmotyczne – różnica ciśnień wywieranych na półprzepuszczalną membranę przez dwie ciecze, które ta membrana rozdziela. Przyczyną pojawienia się ciśnienia osmotycznego jest różnica stężeń związków chemicznych lub jonów w roztworach po obu stronach membrany i dążenie układu do ich wyrównania.

    Dekoherencja kwantowa, to w mechanice kwantowej proces opisujący oddziaływanie obiektu kwantowego z otoczeniem. Jest to fundamentalny proces tłumaczący w jaki sposób mechanika klasyczna może być rozumiana jako przybliżenie mechaniki kwantowej. Oddziaływanie z otoczeniem stanowi realizację kwantowego pomiaru, procesu który prowadzi do redukcji funkcji falowej. Dekoherencja zakłada oddziaływanie obiektu z otoczeniem w sposób nieodwracalny w sensie termodynamicznym, co niszczy interferencję między danym obiektem i otoczeniem. Innymi słowy dekoherencja eliminuje ewentualne splątanie układu kwantowego z otoczeniem. Dekoherencja może być rozumiana jako utrata informacji o układzie wskutek jego oddziaływania z otoczeniem. Teleportacja kwantowa (QT z ang. quantum teleportation) – w kwantowej teorii informacji technika pozwalająca na przeniesienie stanu kwantowego na dowolną odległość z wykorzystaniem stanu splątanego.

    Ultrazimne atomy – termin używany do opisania gazu atomów o temperaturach bliskich 0 kelwina (zera bezwzględnego). Za graniczną temperaturę poniżej, której układ nazywamy ultrazimnym przyjmuje się 1 mK, podczas gdy zimnym nazywamy gaz, którego temperatura jest mniejsza niż 1 K. Temperatury otrzymywanych powszechnie w laboratoriach ultrazimnych gazów atomów mieszczą się pomiędzy 1 μK a 1 nK (1 × 10 – 1 × 10 K), przy czym udało się również otrzymać gazy o temperaturach poniżej 500 pK (500 × 10K). W tak niskich temperaturach klasyczny opis gazów zawodzi, ponieważ zjawiska kwantowe zaczynają odgrywać dominującą rolę, a co za tym idzie, do poprawnego opisu badanych układów należy używać mechaniki kwantowej. Kwantowa natura w reżimie ultraniskich temperatur przejawia się m.in. występowaniem kondensacji Bosego-Einsteina w przypadku atomów bozonowych lub zdegenerowanych gazów Fermiego, kiedy atomy są fermionami. Gazy ultrazimnych atomów znalazły też zastosowania w optyce nieliniowej, dokładnych pomiarach kwantowych właściwości pojedynczych atomów, inżynierii stanów kwantowych, precyzyjnej spektroskopii i zegarach atomowych.

    Puszka membranowa to ciśnieniowy element pomiarowy. Puszka membranowa zbudowana jest z dwóch membran połączonych obrzeżem. Jedna z membran przymocowana jest sztywno do obudowy przyrządu (w niektórych przyrządach położenie tej membrany można regulować). Druga membrana, połączona jest z mechanizmem wskazującym, może swobodnie wyginać się pod wpływem różnicy ciśnień między wnętrzem puszki a otoczeniem.

    Tiergarten Schönbrunn lub Zoo Vienna – ogród zoologiczny położony w Wiedniu, przy Maxingstraße 13b, na terenie Parku Schönbrunn, na południowy zachód od zespołu pałacowego, w sąsiedztwie Palmiarnii. Ma powierzchnię 17 ha i można w nim zobaczyć około 4600 przedstawicieli 480 gatunków zwierząt. Działalność zoo sponsorowana jest przez władze Austrii oraz spółkę Schönbrunner Tiergarten GmbH. Żel balistyczny - jest to 10% (schłodzony do 4 stopni C) lub 20% (schłodzony do 10 stopni C) roztwór żelatyny wieprzowej w wodzie. Żelatyna balistyczna jest używana w badaniach balistycznych przy badaniu balistyki końcowej czyli zachowaniu pocisku po wniknięciu w cel oraz obrażeń, jakie może zadać pocisk. Charakteryzuje się zbliżonymi właściwościami do mięśni ludzkich (masa, sprężystość), stąd często używany jest do symulacji wypadków i testów bezpieczeństwa.

    Chłodniki rusztowe - element linii technologicznej pieca cementowego służący do schładzania klinkieru pod koniec procesu jego wytwarzania. Alternatywa dla chłodników planetarnych. Stosowane zarówno w przemyśle mineralnym, jak i ceramicznym do intensywnego schładzania na ruszcie chłodzącym materiału wypalonego bezpośrednio przedtem w piecu. Najczęściej składają się z wielu naprzemiennie stałych i ruchomych nośników płyt rusztowych, opływanych z dołu do góry przez gaz chłodzący (najczęściej powietrze). Chłodniki rusztowe produkcji różnych firm różnią się między sobą dość znacznie. Wyróżnia się następujące odmiany konstrukcyjne: Pałac Schönów (przy ulicy Chemicznej) - neobarokowy pałac miejski z 1885 należący niegdyś do fabrykanckiej rodziny Schönów, wzniesiony przez Ernsta Schöna, otoczony parkiem, obecnie siedziba Muzeum w Sosnowcu, wybudowany wzdłuż północnego krańca przędzalni czesankowej.

    Węzeł autostradowy Schöneberg (niem. Autobahnkreuz Schöneberg, Kreuz Schöneberg, AK Schöneberg) - węzeł autostradowy na skrzyżowaniu lokalnych autostrad A100 (Berliner Stadtring) i A103 (Westtangente Steglitz) w Schöneberg, części berlińskiej dzielnicy Tempelhof-Schöneberg. Węzeł zaprojektowano i zbudowano w latach 1966-1968. Z obu autostrad można dostać się również na ulicę Grazer Damm z powodu zintegrowania łącznic z węzłem Schöneberg.

    Dodano: 26.01.2012. 16:37  


    Najnowsze