OSOBNÍ STRANA

PLANETY

SLUNÍČKO

VESMÍR A VůBEC

LINKY



Physics News Update

Následující sérii článků poskytl David Jeřábek, 2:420/53.1, přeložil a zpracoval Jiří Svršek, 2:423/43.

Kvantové krabice pro Cooperovy páry

Kvantové objekty, svojí velikostí srovnatelné s vlnovou délkou elektronů, se používají pro studium, jak prostorové omezení mění možné energie elektronů. Tým vědců z Holandska, Ruska, Ukrajiny a Belgie (kontakt: Andre Geim, [M1]) provádějí stejné experimenty pro tzv. Cooperovy páry [E1], dvojice elektronů, které vznikají v supravodičích. Pro studium závislosti jevu supravodivosti na velikosti vědci používají citlivý detektor pro měření magnetizace (odezvy na působení vnějšího magnetického pole) supravodivých hliníkových disků o velikosti od 0,1 do 2,4 mikronu za různých teplot a různých intenzitách magnetického pole.

Výsledky vykazují neočekávaný rozptyl supravodivého chování pro různé velikosti disků, které se zřejmě blíží velikosti Cooperových párů elektronů. (Podrobný popis aparatury a nových forem mikromagnetometrie je uveden v Applied Physics Letters, 20 Oct. 1997, experimentální výsledky v Nature 20 Nov. 1997, numerické simulace ve Physical Review Letters 8 Dec. 1997).

Mohou se elektrony chovat jako planety?

Podle kvantové mechaniky elektron v atomu tvoří rozmazaný oblak různě pravděpodobných poloh a hybností kolem jádra. Nyní fyzikové uvažují o možnosti vytvoření "Trojského stavu", v němž by elektron splňoval principy kvantové mechaniky a navíc by zaujímal malou oblast v prostoru a dráhu kolem jádra, podobně jako malá planeta. Název pochází od Trojských asteroidů, které se pohybují kolem Slunce v dráze Jupiteru, některé před planetou a některé za planetou. Aby se dosáhlo Trojského stavu, lasery by nejprve měly elektron převést do "kruhového Rydbergova stavu", ve kterém elektron zaujímá jen malou oblast možných pozic. Pomocí mikrovlnného záření se pak tato oblast donutí k pohybu kolem jádra atomu. Existují dvě možné překážky ve vytvoření Trojského stavu. Jednou z nich je ionizace elektronu mikrovlnným polem, druhou je přechod elektronu do nižšího stavu energie spontánním vyzářením fotonu. Vědci v Polsku vypočetli, že ke spontánní emisi fotonu by mělo docházet asi v miliónkrát méně případech, než k ionizaci elektronu. Tím se otevřela cesta k praktické realizaci Trojského stavu elektronů. (Physical Review A, November 1997; Iwo Bialynicki-Birula, Center for Theoretical Physics, Warsaw, [M2], [X1])

Filtry z fotonických krystalů

Protože polovodiče zamezují pohybu elektronů v určitých pásmech energií (což je důležitá vlastnost v řadě zařízení), fotonické krystaly (též nazývané fotonické pásmové propusti) zamezují průchod fotonů určitých vlnových délek. Fotonické krystaly, které byly již dříve vyvinuty pro mikrovlnné záření, jsou nyní dostupné také pro infračervené záření. Vědci MIT nyní vytvořili silikonovou strukturu (tenké pásky křemíku o tloušťce 0,5 mikronů prokládané děrami o tloušťce 0,4 mikronu), která zamezuje průchodu infračerveného světla v oblastech zhruba 1300 až 1700 nm. Světlo těchto vlnových délek je zcela rozptýleno množstvím odrazů od děr v krystalu. Fotonické krystaly mají ještě jednu důležitou vlastnost. Opatrnou změnou prostorového rozložení děr v krystalu lze fotonický krystal propustí světlo uprostřed oblasti zakázaných vlnových délek (1,54 mikronu). Krystal tak pracuje jako světelný filtr, který umožňuje přenos světla vlnové délky 1,54 mikronu (vlnová délka světla používaná v optických vláknech) a zamezuje průchod světla okolních vlnových délek. Tenká zóna křemíku, která vede světlo, je ve své podstatě optická mikrobuňka o objemu necelých 0,055 krychlového mikronu. (Foresi et al., Nature, 13 Nov.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.348, PHYSICS NEWS UPDATE The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 348, November 26, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein


Produkce silného zvuku

Na zasedání Akustické americké společnosti v San Diegu bylo oznámeno, že se podařilo vytvořit zvuk s energií více než 1600 krát silnější než tomu bylo doposud. Tento úspěch otevírá nové možnosti použití zvuku ve vědě a v moderní technologii. Zvukové vlny, které jsou tvořeny zhuštěnými a zředěnými oblastmi plynu, jakým je např. vzduch, jsou často studovány v uzavřených nebo částečně uzavřených nádobách nazývaných dutiny. Vytváření zvuku v takové dutině o velmi vysoké energii doposud selhávalo, protože při určitém množství dodané energie vzniká rázová vlna. Tato rázová vlna pak vede k rychlé disipaci dodané energie ve formě tepla.

Koncem 80. let 20. století se vědci domnívali, že vzniku rázové vlny se nelze vyhnout. Tim Lucas a jeho a jeho kolegové v MacroSonix Corporation ve Virginii pro novou technologii, označovanou jako "resonanční makrosonická syntéza", vytvořili dutiny zvláštních tvarů (trubky, cibulky, kužele), přizpůsobené určitým přesným módům zvukových vibrací, jejichž kombinace zabraňují vzniku rázových vln. Tím lze vytvářet zvukové vlny s hustotou energie výrazně vyšší, než tomu bylo doposud. Vědci naplnili dutiny plynem a vibrací těchto dutin vytvořili uvnitř dutin zvukové vlny. Tyto zvukové vlny vytvářely oscilující tlak asi 500 liber na čtvereční stopu. Jednou z aplikací takových mohutných zdrojů zvukových vln bude "akustický kompresor", který bude používat zvuk pro kompresi plynu uvnitř mrazniček a zařízení pro úpravu vzduchu. (obrázky viz [X1])

Fotonický Hallův jev a fotonická magnetorezistence

Optická analogie jevů obvykle spojovaných s pohybem elektronů v pevné látce byla pozorována při experimentech se světelnými paprsky, které procházejí prašným prostředím. (Physics World, November 1997). Když elektrony procházející látkou jsou vystaveny působení vnějšího magnetického pole, působí na ně Lorentzova síla ve směru kolmém k původní dráze elektronu a ke směru magnetického pole. [E2] Fotony jsou elektricky nenabité částice a proto na ně Lorentzova síla přímo nepůsobí. Ale magnetické pole může způsobit v prašném médiu, které obsahuje částice fluoridu céru, nerovnoměrný index lomu. V takovém prostředí se kruhově polarizované světlo odchyluje. Tato magneticky indukovaná příčná difúze světla byla pozorována vědeckým týmem v Grenoblu ve Francii (Nature, 2 May 1996). O rok později stejný vědecký tým oznámil, že průchod světla prachem z částic fluoridu europia je úměrný intenzitě použitého magnetického pole. Tento jev je proto obdobou magnetorezistence. (Sparenberg et al., Physical Review Letters, 28 July 1997).

Supravodivost síry

Při extrémně vysokém tlaku síra prochází řadou změn. Jednou z nich je změna z izolačního do vodivého stavu při tlaku asi 90 gigaPascalů (1 GPa je zhruba 10 tisíc atmosfér). Vědci z Ústavu fyziky vysokých tlaků v Troitsku v Rusku a z Ústavu v Carnegie ve Washingtonu DC síru podrobili ještě vyšším tlakům, až se vzorek síry stal supravodivým. Při tlaku 162 GPa se supravodivý přechod uskutečnil při teplotě 17 K, což je dosud nejvyšší teplota pro pevné látky. (Struzhkin et al., Nature, 27 November 1997.)

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.349, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 349 December 3, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein


Kvantová teleportace

Kvantovou teleportaci poprvé experimentálně demonstrovali fyzikové z University v Innsbrucku (Anton Zeilinger, 011-43-676- 305-8608, [M1]; Dik Bouwmeester, [M2]). Princip kvantové teleportace, který byl navržen v roce 1993 Charlesem Bennettem z IBM (914-945-3118), umožňuje fyzikům vzít foton (nebo jinou částici kvantových rozměrů, jako je atom) a přenést jeho kvantové vlastnosti (jako je polarizace) na jiný foton, a to dokonce i v případě, že oba fotony jsou na různých koncích galaxie. Poznamenejme, že touto kvantovou teleportací se přenášejí pouze kvantové vlastnosti částice a nikoliv částice samotná. Podobně jako kapitán Kirk z rakety Enterprise v seriálu Star Trek musí nechat své tělo zničit v teleportéru a rekonstruovat ho na jiném místě, musí se původní stav fotonu zničit, aby bylo možno ho rekonstruovat jinde.

Fyzikové v Innsbrucku vytvořili pár fotonů A a B, které jsou kvantově "vázány". Polarizace každého fotonu je v neurčitém stavu, dokud není mezi nimi definována přesná vazba. Pokud se u jednoho fotonu změří např. horizontální polarizace, pak stav druhého fotonu musí "kolabovat" do komplementárního stavu vertikální polarizace. V uvedeném pokusu jeden z vázaných fotonů, foton A, prochází optickým zařízením v určitém přesném čase jako "zpráva" reprezentovaná fotonem M, jehož stav polarizace má být teleportován. Tyto dva fotony se v optickém zařízení stávají nerozlišitelnými. To se projeví ztrátou znalosti polarizace fotonu M (odpovídá zničení těla kapitána Kirka). Vědci ověřili, že polarizace fotonu M je komplementární k polarizaci fotonu A, z čehož plyne, že polarizace fotonu B je stejná jako polarizace fotonu M. Jinými slovy, ačkoliv fotony M a B nikdy nebyly v kontaktu, foton B získal polarizaci fotonu M. To ovšem neznamená, že by se informace šířila rychleji než světlo ve vakuu. Lidé u vysílajícího zařízení se stále ještě musí ujistit pomocí nějakého komunikačního kanálu, že teleportace proběhla úspěšně. Vědci zatím nepřipouštějí možnost teleportace velkých makroskopických objektů, ale uvedené schéma bude možno využít v kvantových počítačích a v kryptografii. (D. Bouwmeester et al., Nature, 11 Dec 1997; viz také [X1])

Předchází zemětřesení elektrické jevy?

Během ničivých zemětřesení jsou seismometry zachycovány elastické vlny, které vznikají ohybem zemské kůry. Někteří vědci se domnívají, že k ohybům zemské kůry dochází hodinu nebo dokonce týden před zemětřesením. Tyto ohyby jsou příliš slabé na to, aby byly zaznamenány seismometry, ale lze měřit jejich elektrické projevy. Před zemětřesením dochází k přeskupování podzemní hmoty. Oblasti podzemních vod se dostávají do nových míst, čímž se mění vlastnosti lokální elektrické vodivosti. Tuto vodivost lze měřit. Na tomto principu Panayiotis Varotsos z Univerzity v Athénách (011-30-1-894-9849, [M3]) předpověděl jisté zemětřesení v Řecku týden před jeho výskytem triangulačním měřením rozdílů napětí na úrovni 10 mV/km ve vzdálenostech asi 100 km. Někteří skeptici ale věrohodnost jeho předpovědi zpochybnili.

Ve své nové práci se Varotsos pokusil použít zcela jinou laboratorní metodu, založenou na měření elektrických signálů při změnách tlaku vedoucích k lomu v krystalech, které obsahují řadu defektů a dislokací atomů v krystalické mřížce. Varotsos se domnívá, že podobné dislokace a zlomy (v mnohem větším měřítku) vznikají v oblastech ohrožených zemětřesením a proto lze využít stejnou metodu měření elektrických signálů, které jsou příznakem budoucího zemětřesení. (Varotsos et al., Journal of Applied Physics, 1 Jan, 1998).

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.350, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 350 December 10, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

Odkazy ke kvantové teleportaci:

[1] C.H. Bennett, G. Brassard, C. Crepeau, R. Jozsa, A. Peres, and W. Wootters, "Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and EPR Channels", Phys. Rev. Lett. vol. 70, pp 1895-1899 (1993) (původní článek zmíněných 6 autorů)

[2] Tony Sudbury, "Instant Teleportation", Nature vol.362, pp 586-587 (1993) (populárně vědecký článek).

[3] Ivars Peterson, Science News, April 10, 1993, p. 229. (populárně vědecký článek).

[4] Samuel Braunstein, A fun talk on teleportation


Elektronová holografie

Elektronová holografie může umožnit zobrazení atomů ležících ve svrchní vrstvě na určitém povrchu nebo atomů ležících bezprostředně pod nimi. Fyzikové z Univerzity v Erlangenu (Nurnberg, Spolková republika Německo) přepracovali oblíbenou technologii pro zobrazování povrchu, difrakci elektronů s nízkou energií (LEED, Low Energy Electron Diffraction) na technologii holografie. V konvenční holografii se část paprsku laseru odráží od předmětu a část prochází mimo něj. Odražené a neodražené vlny dopadají na fotografickou desku, kde vytvářejí interferenční obrazce, pomocí nichž lze později rekonstruovat prostorový obraz předmětu. V experimentu v Erlangenu tento celý proces probíhá na nanoskopické úrovni, kdy je použit paprsek elektronů místo paprsku světla. Když elektron dopadne na povrch, některý atom může tento elektron odchýlit a vytvořit referenční elektronovou vlnu. Po několika takových odrazech od nejbližších atomů může vzniknout vlna popisující daný povrch. Měřením vzorků elektronové difrakce lze vytvořit trojrozměrný obraz atomu v dané oblasti povrchu. Tímto způsobem byla prostudována povrchová struktura krystalu SiC (který bude zřejmě důležitým materiálem pro aplikace elektroniky). (K. Reuter et al., Physical Review Letters, 15 Dec.; kontakt: Klaus Heinz, [M1], 011-49-913-185-8403; Ulrich Starke, [M2])

Dosud nejpřesnější měření kmitočtu

Dosud nejpřesnější měření kmitočtu ve viditelné a ultra- fialové části spektra bylo provedeno v oddělení kvantové optiky Ústavu Maxe Plancka nedaleko Mnichova. Měření kmitočtu (nebo ekvivalentně energie) nějaké vlny je nejsnazší v oblasti mikrovln (kmitočet kolem 10^9 Hz), kdy lze přímo počítat počet oscilací elektronických obvodů. Tento princip nelze použít pro viditelné a ultrafialové záření. Proto Theodor Hansch (011-49-892-180-3212) snížil kmitočet ultrafialového záření směšováním se světlem nižších frekvencí. Tím získal průměrný smíšený signál. Po četných stádiích je výsledný signál vhodný pro přesné měření frekvence. (Physics Today, Dec. 1997). Tímto způsobem se podařilo velmi přesně určit velmi důležitou frekvenci odpovídající energii mezi kvantovými stavy 1s a 2s v atomu vodíku. Tato frekvence je rovna 2,466 061 413 187 34 . 10^15 Hz s neurčitostí řádu 10^13. Tento výsledek je více než 100krát přesnější, než jakého bylo dosaženo v předchozích pracích. (Udem et al., Phys. Rev. Lett., 6 Oct. Nový článek v Phys. Rev. Lett., zpráva o srovnatelných měřeních pro atomy deuteria, která umožňují lepší výpočty poměru poloměru protonu a deuteronu).

Vynález tranzistoru před 50 lety

Před 50 lety byl vynalezen tranzistor. Tato polovodičová součástka může pracovat jako zesilovač nebo může pomocí slabého proudu přepínat signály s mnohem vyšším proudem. Historie této součástky je dobře zachycena např. v knize autorů Michaela Riordana a Lillian Hoddesonové "Crystal Fire: the Birth of the Information Age".

Výzkum a vývoj tranzistoru se nezastavil. Podařilo se např. vyvinout spinové tranzistory, v nichž je důležitý nejen náboj, ale také spin elektronů (Physics Today, July 1995). Podařilo se také vyvinout tranzistor přepínaný jediným elektronem (Physics News Update 308), tranzistory na bázi křemíku a uhlíku pro aplikace ve velmi horkém prostředí (Physics News Update 327), kovové tranzistory o velikosti 10 nm (Physics News Update 322), tranzistory v molekulárním měřítku (New Scientist, 2 Aug 1997) a neuronové tranzistory, v nichž jsou signály přepínány ionty z vláken neuronů (Jenkner and Fromherz, upcoming in Phys. Rev. Lett.)

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.351, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 351 December 16, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

(c) 1998 Intellectronics