Beyond Cold: Miten Maailma Toimii -459 Astetta

{h1}

Atomin huoneenlämpötilassa liikkuu noin 500 jalkaa sekunnissa, mutta jäähdyttämisen jälkeen ne liikkuvat vain kymmenesosan tuumalla sekunnissa, noin 10 kertaa hitaammin kuin yleisen puutarhakanan huippunopeus. Miten saavutamme tämän esineen?

Tämä kulissien takaa koskeva artikkeli toimitettiin WordsSideKick.comille yhteistyössä National Science Foundationin kanssa.

Useimmat meistä suostuisivat siihen, että lämpötila, jossa vesi jäätyy, on kova kylmä päivä, mutta mitä noin -320° F, typen kiehumispiste... tai -452° F, heliumin kiehumispiste?

Nämä lämpötilat ovat uskomattoman kuumia verrattuna atsakaaseihin, joiden kanssa työskentelen jatko-opiskelijana professori Brian DeMarcon Illinoisin yliopistossa. Teemme kokeita atkobakteereista, jotka on jäähdytetty vain 10 miljardisosaa suuremmalle absoluuttiselle nollalle (-459,67° F).

Atomin huoneenlämpötilassa liikkuu noin 500 jalkaa sekunnissa, mutta jäähdyttämisen jälkeen ne liikkuvat vain kymmenesosan tuumalla sekunnissa, noin 10 kertaa hitaammin kuin yleisen puutarhakanan huippunopeus. Miten saavutamme tämän esineen?

Avain on laser- ja haihdutusjäähdytyksen yhdistelmä. Laserien käytöllä tapahtuva jäähdytys voi tuntua oudolta, sillä laserilla voidaan leikata ja merkitä ruostumatonta terästä, kuten iPodin takana. Lasersäde kokeilussa, joka koostuu miljardeista miljardeista pienistä energiapaketeista, joita kutsutaan fotoneiksi, jotka ohittavat atomien kulkua joka toinen, on erityinen, koska se vain hajottaa atomien liikkuvan kohti laservaloa ja aiheuttaa niiden hidastumista. Voit kuvitella tämän prosessin samanlaisena kuin hidastaa auton käyttämistä virta paljon tennispalloja matkalla vastakkaiseen suuntaan.

Loukkaavan atomeja

Laserin jäähdytys rajoittuu atkokaasun jäähdyttämiseen lämpötilaan, joka on lähes miljoonasosa absoluuttisen nollan yläpuolella. Joten, aivan kuten kehosi hikoilee säätelemään lämpötilaa, käytämme haihtumisjäähdytystä saavuttaaksemme kokeilemme mahdollisimman alhaisimman lämpötilan.

Laserjäähdytyksen jälkeen sammutamme kaiken valon ja atomeja loukataan magneeteilla. Pakotamme suurimmat energia-atomeja lähtemään, ja jäljelle jääneet atomit jäävät kylmemmiksi. Meidän ei tarvitse huolehtia paleltumisesta, koska kaikki tämä tapahtuu eristävän tyhjösäiliön sisällä.

Jäämme nämä atomeja niin alhaisiin lämpötiloihin, että niiden käyttäytymistä hallitsevat kvanttivaikutukset.

Kvanttimekaniikka voi tuntua eksoottiselta, mutta se vaikuttaa jokaiseen elämääsi kohtaan, aineenvaihdunnan aineistosta ja voimista, jotka estävät jalat putoamasta lattialle. Useiden hiukkasten kvanttikäyttäytyminen yhdessä on perustana paljon modernille teknologialle. Esimerkiksi materiaalit, kuten tietojenkkien sisällä olevat puolijohteet, jotka koostuvat ionien muodostamien kiteiden kautta kulkevista elektroneista, käyttävät näiden elektronien kvanttikäyttäytymistä transistorien tekemiseen. Materiaalien kvantti-vaikutuksia ei ymmärretä hyvin, kuten mitä tapahtuu "korkean lämpötilan" suprajohteissa, jotka toimivat lämpötiloissa, jotka ovat korkeampia kuin typen kiehumispiste. Suprajohteessa elektronien virtausvastus materiaalin läpi häviää tietyn lämpötilan alapuolella.

Yli puolet maakunnassa sijaitsevissa sairaaloissa jo käytössä olevia MRI-koneita käyttäviä suprajohtajia voitaisiin käyttää paljon enemmän (esimerkiksi säästää energiaa sähkön siirtämisestä voimalaitoksesta kotiisi), jos ne toimisivat jopa korkeammissa lämpötiloissa. Fyysikot eivät tiedä, miten tämä toteutuu, koska emme ymmärrä paljon siitä, kuinka korkean lämpötilan suprajohtajat toimivat.

Emme voi edes käyttää voimakkaimpia supertietokoneita simuloimaan näitä materiaaleja - nyt voimme laskea vain noin 10 elektronin käyttäytymistä verrattuna miljoonien miljardien miljardien elektronien kanssa suprajohtavalla johdolla. 10 vuoden välein tietokoneiden nopeuden kehittyminen anna meidän lisätä vain yhden elektronin tietokoneen simulointiin. Yritämme valottaa näitä materiaaleja laboratoriossamme käyttämällä hyvin erilaista lähestymistapaa, jota kutsutaan kvantti-simuloinniksi.

Olemme rakentaneet järjestelmän, joka korvaa elektronit ultra-kylmä-atomeilla ja ionikideä valon kiteellä. Lopputuloksena me kutsumme kvantti-simulaattoriksi, koska olemme korvanneet järjestelmän, jonka haluamme ymmärtää, mitkä voimme helposti mitata ja manipuloida. Todelliset materiaalit vaativat herkkiä koettimia katsomaan elektronit ja erityiset ja aikaa vievät tekniikat materiaalin ominaisuuksien muuttamiseksi. Simulaattorimme avulla voimme suoraan kuvata atomien ja muuttaa "materiaalin" luonnetta vain vaihtamalla nappulaa laboratoriossa.

Ajatus yhden kvanttijärjestelmän käyttämisestä toisen simuloimiseksi kuvasi ensin Richard Feynman vuonna 1981, fyysikko, joka sai Nobelin palkinnon vuonna 1965 ja joka auttoi ymmärtämään, kuinka O-rengas epäonnistui Challenger-katastrofissa vuonna 1986.

Mitä grad-opiskelijat tekevät

Tällaisen hankkeen jatko-opiskelijalla on paljon vastuuta. Ensinnäkin meidän täytyi rakentaa simulaattorimme, joka on yksi monimutkaisimmista kokeiluista, jotka voidaan tehdä laboratoriossa suuren makuuhuoneen koosta. Laite levitetään kahdelle teräspöydälle, jotka painavat kiloa kiloa ja lentävät mäntiä tärinän vähentämiseksi. Koe käyttää yli 10 erilaista laseria ja satoja peilejä ja linssejä. Meillä on hyllyjä elektroniikkakomponenteista ja useista tietokoneista, jotta voimme hallita koko asiaa. Onneksi meillä oli vain asetettava kaikki kerran.

Oman roolin jatko-opiskelijana liittyy pääasiassa kokeilun suorittamiseen ja mittausten tekemiseen.

Joskus suoritamme kokeilun tietyllä tuloksella mielessä.Kuitenkin, kuten kaikki tiede, yleensä mukana on vähän onnea. Joka kerran saamme aikaan tuloksen, jota emme voi ymmärtää aluksi. Nämä ovat kaikkein jännittäviä, koska ne lisäävät tietomme haastamalla sen, mitä me jo tiedämme.

Viimeisimmän löydömme sisälsi joukon kokeita, joissa tarkasteltiin valon kristallin läpi kulkeviin atomeihin. Huomasimme, että kvanttipyörteet (samanlaiset kuin kylpyammeesi porealtaat) ovat rooli atomien hidastamisessa. Tämän tuloksen ymmärtämiseksi meidän piti keskustella Illinois-tutkijoiden kanssa, jotka työskentelevät suprajohtavien johdinten ja arkkien kanssa. He kertoivat meille, että pyörteitä oli havaittu keskeyttämään elektronien virtaus pienissä suprajohtavissa johtimissa, mutta tätä prosessia ei ole täysin ymmärretty, joten mittaustemme avulla voidaan ymmärtää paremmin näitä materiaaleja. Valmistuneena opiskelijana tämä oli hyvä tilaisuus tarkkailla, kuinka eri fysiikan alueet voivat toimia yhdessä ja ymmärtää, että löytö on harvoin yksilön eristyneisyyden tulos.

Tällä hetkellä yritämme keksiä muita tapoja, joilla voimme simuloida materiaaleja. Esimerkiksi pyrimme lisäämään häiriötä valon kristalliin ymmärtämään, kuinka epäpuhtaudet materiaaleissa vaikuttavat suprajohtavuuteen. Emme voi odottaa selvittää, mitä uutta tiedettä löydämme seuraavaksi!

  • Video: Jäätymisvalo
  • The Strangest Little Things luonteeltaan
  • Kulissien takana: Viikoittaisten tarinoiden arkisto

Toimittajan huomautus: Tätä tutkimusta tukivat National Science Foundation (NSF), liittovaltion virasto, jonka tehtävänä on rahoittaa perustutkimusta ja koulutusta kaikilla tieteen ja tekniikan aloilla. Katso kohtausten takana oleva arkisto.


Video Täydentää: Viikonloppuna viilenee.




FI.WordsSideKick.com
Kaikki Oikeudet Pidätetään!
Jäljentämistä Materiaalien Sallittu Vain Prostanovkoy Aktiivinen Linkki Sivustoon FI.WordsSideKick.com

© 2005–2019 FI.WordsSideKick.com