Už Šalčio: Kaip Pasaulis Veikia -459 Laipsnių Kampu

{h1}

Atomai kambario temperatūroje juda maždaug 500 pėdų per sekundę greičiu, tačiau po to, kai juos atvėsiname, jie juda vos dešimtosiomis colio sekundės sekundėmis, maždaug 10 kartų lėčiau nei maksimalus įprastos sodo sraigės greitis. Kaip mes įvykdysime šį žygdarbį?

Šis straipsnis už scenų buvo pateiktas „WordsSideKick.com“ bendradarbiaujant su Nacionaliniu mokslo fondu.

Daugelis iš mūsų sutiktų, kad 32° F, temperatūra, kurioje užšąla vanduo, yra gana šalta diena, bet kas apie –320° F, azoto virimo temperatūra… ar –452° F, helio virimo temperatūra?

Ši temperatūra yra neįtikėtinai karšta, palyginti su atominėmis dujomis, su kuriomis dirbu kartu su I kurso studentu Ilinojaus universiteto profesoriaus Briano DeMarco laboratorijoje. Mes darome eksperimentus su atomų dujomis, atšaldytomis tik iki 10 milijardų laipsnių, viršijančių absoliutų nulį (-459,67° F).

Atomai kambario temperatūroje juda maždaug 500 pėdų per sekundę greičiu, tačiau po to, kai juos atvėsiname, jie juda vos dešimtosiomis colio sekundės sekundėmis, maždaug 10 kartų lėčiau nei maksimalus įprastos sodo sraigės greitis. Kaip mes įvykdysime šį žygdarbį?

Svarbiausia yra lazerio ir garavimo aušinimo derinys. Šaldymas naudojant lazerius gali atrodyti keistas, nes lazeriai gali būti naudojami nerūdijančiam plienui pjaustyti ir žymėti, kaip „iPod“ užpakalinėje dalyje. Lazerio šviesa mūsų eksperimente, kurią sudaro milijardai milijardų mažyčių energijos paketų, vadinamų fotonais, kurie kiekvieną sekundę skrieja pro atomus, yra ypatinga tuo, kad ji tik išsklaido atomus, judančius lazerio šviesos link, sukeldama jų sulėtėjimą. Galite įsivaizduoti šį procesą kaip panašų į automobilio sulėtėjimą, naudojant daugybę teniso kamuoliukų, einančių priešinga kryptimi.

Įstrigę atomai

Lazeriu aušinama tik atomų dujų atšaldymui iki temperatūros, artimos milijoninei laipsnio daliai virš absoliučios nulio. Taigi, kaip jūsų kūnas prakaituoja norėdamas reguliuoti savo temperatūrą, mes naudojame garinamąjį aušinimą, kad pasiektume žemiausią įmanomą mūsų eksperimento temperatūrą.

Po aušinimo lazeriu mes išjungiame visą šviesą ir atomai yra įstrigę magnetų pagalba. Privedame palikti didžiausios energijos atomus, o palikti atomai tampa šaltesni. Mums nereikia jaudintis dėl nušalimo, nes visa tai vyksta izoliaciniame vakuuminiame konteineryje.

Šiuos atomus atvėsiname iki tokios žemos temperatūros, kad jų elgesyje vyrauja kvantiniai efektai.

Kvantinė mechanika gali atrodyti egzotiška, tačiau tai daro įtaką kiekvienam jūsų gyvenimo aspektui, pradedant cheminiu jūsų metabolizmo pagrindu, baigiant jėgomis, kurios neleidžia jūsų kojoms kristi per grindis. Daugybės šiuolaikinių technologijų pagrindas yra kvantinis daugelio dalelių elgesys. Pavyzdžiui, tokios medžiagos kaip puslaidininkiai kompiuterio lustų viduje, sudaryti iš elektronų, einančių per jonų suformuotus kristalus, tranzistoriams sudaryti naudoja elektronų kvantinę elgseną. Kai kurie medžiagų kiekybiniai efektai nėra gerai suprantami, pavyzdžiui, kas atsitinka „aukštos temperatūros“ superlaidininkų viduje, kurie gali veikti aukštesnėje nei azoto virimo temperatūra temperatūroje. Superlaidininkui atsparumas elektronų srautui per medžiagą išnyksta žemiau tam tikros temperatūros.

Superlaidininkai, jau įprasti MRT aparatuose ligoninėse visoje šalyje, galėtų būti naudojami kur kas daugiau (pavyzdžiui, taupant energiją perduodant elektrą iš elektrinės į jūsų namus), jei jie veiktų dar aukštesnėje temperatūroje. Fizikai nežino, kaip tai padaryti, nes mes nelabai suprantame, kaip veikia superlaidininkai aukštoje temperatūroje.

Mes net negalime naudoti savo galingiausių superkompiuterių, kad imituotų šias medžiagas - šiuo metu mes galime apskaičiuoti tik apie 10 elektronų elgseną, palyginti su milijonais milijardų milijardų elektronų superlaidžiame laike. Kas 10 metų kompiuterių greičio didėjimas leidžia mums kompiuterio modeliavimui pridėti tik vieną elektroną. Mes bandome atskleisti šias medžiagas savo laboratorijoje, naudodamiesi labai skirtingu metodu, vadinamu kvantiniu modeliavimu.

Mes sukūrėme sistemą, kuri elektronus pakeičia ypač šaltais atomais, o joninius kristalus - šviesos kristalais. Rezultatas yra tai, ką mes vadiname kvantiniu treniruokliu, nes norimą suprasti sistemą mes pakeitėme tuo, ką galime lengvai išmatuoti ir manipuliuoti. Natūralioms medžiagoms reikalingi jautrūs zondai, siekiant pažvelgti į elektronus, ir specialios bei daug laiko reikalaujančios metodikos, leidžiančios pakeisti medžiagos savybes. Su treniruokliu mes galime tiesiogiai atvaizduoti atomus ir pakeisti „medžiagos“ pobūdį, tiesiog keisdami rankenėles laboratorijoje.

Idėją naudoti vieną kvantinę sistemą imituojant kitą, pirmą kartą įsivaizdavo Richardas Feynmanas 1981 m., Fizikas, 1965 m. Įteikęs Nobelio premiją, kuris padėjo suprasti, kaip O žiedo gedimas lėmė Challengerio katastrofą 1986 m.

Ką daro grad studentai

Baigti studijas tokiame projekte, kaip šis, reiškia daug atsakomybės. Pirma, mes turėjome sukurti savo treniruoklį, kuris yra vienas iš sudėtingiausių eksperimentų, kuriuos galima atlikti laboratorijoje maždaug tokio dydžio kaip didelis miegamasis. Įranga yra paskirstyta ant dviejų plieninių stalų, kurių kiekvienas sveria 1000 svarų, ir yra plūdruojami oro stūmokliais, kad būtų sumažinta vibracija. Eksperimentui naudojami daugiau nei 10 skirtingų lazerių ir šimtai veidrodžių ir objektyvų. Turime elektroninių komponentų lentynas ir kelis kompiuterius, kad visa tai vyktų. Laimei, mums viską reikėjo nustatyti tik vieną kartą.

Mano, kaip magistrantūros, vaidmuo pirmiausia apima eksperimento vykdymą ir matavimų atlikimą.

Kartais eksperimentą vykdome turėdami omenyje tam tikrą rezultatą. Tačiau, kaip ir visuose moksluose, paprastai būna šiek tiek pasisekimo. Kiekvieną kartą mes gauname rezultatą, kurio iš pradžių negalime suprasti. Tai yra labiausiai jaudinantys, nes jie prideda mūsų žinias, ginčydami tai, ką jau žinome.

Mūsų naujausias atradimas apėmė eksperimentų, skirtų atomams, judantiems per šviesos kristalą, rinkinį. Mes sužinojome, kad kvantiniai sūkuriai (panašūs į sūkurinius baseinus jūsų vonioje) vaidina svarbų vaidmenį sulėtindami atomus. Norėdami suprasti šį rezultatą, turėjome kalbėtis su Ilinojaus tyrinėtojais, kurie dirba su superlaidžiais laidais ir lakštais. Jie mums papasakojo, kad buvo pastebėta, kad sūkuriai nutraukia elektronų srautą mažyčiais superlaidžiais laidais, tačiau tas procesas nėra visiškai suprantamas, todėl mūsų matavimai gali padėti geriau suprasti šias medžiagas. Kaip abiturientas tai buvo gera proga stebėti, kaip skirtingos fizikos sritys gali veikti kartu, ir suprasti, kad atradimas retai būna atskirto asmens rezultatas.

Šiuo metu bandome sugalvoti kitus būdus, kaip imituoti medžiagas. Pavyzdžiui, mes stengiamės, kad prie mūsų šviesos kristalo būtų pridedama betvarkė, kad suprastume, kaip medžiagų priemaišos veikia superlaidumą. Negalime laukti, kol sužinosime, kokį naują mokslą atrasime kitą kartą!

  • Vaizdo įrašas: šaldanti šviesa
  • Keisčiausi maži dalykai gamtoje
  • Užkulisiai: Savaitės istorijų archyvas

Redaktoriaus pastaba: Šiuos tyrimus rėmė Nacionalinis mokslo fondas (NSF) - federalinė agentūra, kuriai pavesta finansuoti pagrindinius mokslinius tyrimus ir švietimą visose mokslo ir inžinerijos srityse. Žr. „Užkulisių archyvas“.


Vaizdo Papildas: Mokslo sriuba: Merkurijaus tyrimai.




Tyrimas


Kosminis Jogurtas, Pagamintas Iš Astrobakterijų
Kosminis Jogurtas, Pagamintas Iš Astrobakterijų

Kaip Veikia „Ramjets“
Kaip Veikia „Ramjets“

Mokslas Naujienos


Kas Yra Mikrobangos?
Kas Yra Mikrobangos?

Richardas Woolley
Richardas Woolley

Kas Yra Mėlynasis Triukšmas?
Kas Yra Mėlynasis Triukšmas?

„Lionfish“ Terminatoriaus Stiliaus Žudymo Signalizacijos Mokslininkai
„Lionfish“ Terminatoriaus Stiliaus Žudymo Signalizacijos Mokslininkai

Visame Pasaulyje Mokslininkai Medžioja Dėl Gryno Atsitiktinumo
Visame Pasaulyje Mokslininkai Medžioja Dėl Gryno Atsitiktinumo


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com