Hämmästyttävässä fysiikan maailmassa mahdoton, vaikka ei heti, mutta silti tulee mahdolliseksi. Ja viime aikoina tutkijat ovat onnistuneet saavuttamaan todella supermahdollisia asioita. Tiede etenee. Vain yksi pastahirviö tietää, mikä meitä vielä odottaa salaisimmissa suolistoissaan. Tänään analysoimme kymmeniä epätodellisia asioita, tiloja ja esineitä, jotka ovat mahdollisia nykyaikaisen fysiikan ansiosta.
Uskomattoman matalat lämpötilat
Aikaisemmin tutkijat eivät ole pystyneet jäähdyttämään esineitä niin sanotun "kvanttiraja" -kynnyksen alapuolella. Jotta jotain jäähdytetään sellaiseen tilaan, on käytettävä laseria, jolla on hyvin hitaasti liikkuvat atomit, ja tukahduttamaan niiden tuottamat lämpöä aiheuttavat värähtelyt.
Fyysikot ovat kuitenkin löytäneet oikean ratkaisun. He loivat erittäin pienen alumiinista värähtelevän rummun ja pystyivät jäähdyttämään sen arvoon 360 µK, joka on 10 000-kertainen lämpötilaan avaruudessa.
Rummun halkaisija on vain 20 mikrometriä (ihmisen hiuksen halkaisija on 40-50 mikrometriä). Se oli mahdollista jäähdyttää niin matalaan lämpötilaan uuden, ns. "Puristetun valon" tekniikan ansiosta, jossa kaikilla hiukkasilla on sama suunta. Tämä eliminoi lämpöä tuottavan värähtelyn laserissa. Vaikka rumpu on jäähdytetty matalimpaan mahdolliseen lämpötilaan, se ei ole kylmein tyyppi. Tämä otsikko kuuluu Bose - Einstein -kondensaattiin. Silti saavutuksella on tärkeä rooli. Jonakin päivänä samanlainen menetelmä ja tekniikka voivat löytää sovelluksia ultranopean elektroniikan luomiseen sekä auttaa ymmärtämään materiaalien omituista käyttäytymistä kvantimaailmassa lähestyen niiden ominaisuuksia fyysisiin rajoihin.
Mainosvideo:
Kirkkain valo
Auringon valo on sokeasti kirkas. Kuvittele nyt miljardin auringonvalo. Se oli hän, jonka fyysikot vastikään loivat laboratoriossa, itse asiassa luoneen Maan kirkkaimman keinotekoisen valon, joka käyttäytyy lisäksi erittäin arvaamattomasti. Se muuttaa esineiden ulkonäköä. Tätä ei kuitenkaan ole saatavissa ihmisen näkökykyyn, joten on edelleen otettava fyysikot heidän sanansa mukaan.
Molekyylin musta reikä
Ryhmä fyysikoita on hiljattain luonut jotain, joka käyttäytyy mustan aukon tavoin. Tätä varten he ottivat maailman tehokkaimman röntgensädelasina Linac -koherentin valonlähteen (LCLS) ja käyttivät sitä jodimetaanin ja jodibentseenin molekyylien törmäykseen. Alun perin laserpulssin odotettiin koputtavan suurimman osan elektronista jodiatomien kiertoradasta jättäen tyhjiön paikalleen. Kokeissa heikompien lasereiden kanssa tämä tyhjä tila, yleensä, täytettiin heti elektroneilla atomin kiertoradan uloimmista rajoista. Kun LCLS-laser osui, odotettu prosessi todella alkoi, mutta sitten seurasi todella hämmästyttävä ilmiö. Saatuaan sellaisen jännitystason, jodiatomi alkoi syödä elektroneja kirjaimellisesti läheisistä vety- ja hiiliatomeista. Ulkopuolelta se näytti pieneltä mustalta aukolta molekyylin sisällä.
Seuraavat laserpulssit koputtivat vetäytyneet elektronit, mutta tyhjiö veti sisään yhä enemmän. Jakso toistettiin, kunnes koko molekyyli räjähti. Mielenkiintoista on, että jodimolekyylin atomi oli ainoa, joka osoitti tällaista käyttäytymistä. Koska se on keskimäärin suurempi kuin toiset, se pystyy absorboimaan valtavan määrän röntgenenergiaa ja menettämään alkuperäiset elektronit. Tämä häviö antaa atomille riittävän vahvan positiivisen varauksen, jolla se houkuttelee elektroneja muista, pienemmistä atomeista.
Metallinen vety
Sitä on kutsuttu nimellä "korkeapainefysiikan pyhä Graali", mutta viime aikoihin asti kukaan ei onnistunut saamaan sitä. Mahdollisuudesta muuttaa vety metalliksi ilmoitettiin ensimmäisen kerran vuonna 1935. Ajan fyysikot ehdottivat, että tällainen muutos voisi tapahtua erittäin voimakkaan paineen avulla. Ongelmana oli, että tuolloiset tekniikat eivät pystyneet luomaan tällaista painetta.
Vuonna 2017 amerikkalainen fyysikkojoukkue päätti palata vanhaan ideaan, mutta suhtautui toisin. Koe suoritettiin erityisessä laitteessa, jota kutsuttiin timanttiruuviksi. Tämän maljakon tuottama paine syntyy kahdesta synteettisestä timantista, jotka sijaitsevat puristimen molemmilla puolilla. Tämän laitteen ansiosta saavutettiin uskomaton paine: yli 71,7 miljoonaa psi. Jopa maan keskellä, paine on alhaisempi.
Tietokonepiiri aivosolujen kanssa
Hengittämällä elämää elektroniikkaan, valo voisi jonain päivänä korvata sähkön. Fyysikot tajusivat valon hämmästyttävän potentiaalin vuosikymmeniä sitten, kun kävi selväksi, että valoaallot voivat liikkua rinnakkain toistensa kanssa ja siten suorittaa monia samanaikaisia tehtäviä. Elektroniikkamme perustuu transistoreihin avata ja sulkea sähkön kulkureittejä. Tämä järjestelmä asettaa monia rajoituksia. Viime aikoina tutkijat ovat kuitenkin luoneet uskomattoman keksinnön - tietokoneen sirun, joka jäljittelee ihmisen aivojen työtä. Kiitos vuorovaikutteisten valonsäteiden käytön, jotka toimivat kuin neuronit elävissä aivoissa, tämä siru pystyy todella "ajattelemaan" hyvin nopeasti.
Aiemmin tutkijat pystyivät myös luomaan yksinkertaisia keinotekoisia hermoverkkoja, mutta sellaiset laitteet kestivät useita laboratoriotaulukoita. Pidettiin mahdotonta luoda jotain samalla tehokkuudella, mutta paljon pienemmällä koossa. Ja silti se onnistui. Piipohjainen siru on kooltaan vain muutama millimetri. Ja hän suorittaa laskennallisia toimenpiteitä 16 integroidun neuronin avulla. Se tapahtuu näin. Sirulle johdetaan laservalo, joka on jaettu useisiin säteisiin, joista kukin sisältää signaalin numeron tai informaation, joka vaihtelee kirkkaustasolla. Laserien lähtöintensiteetti tarjoaa vastauksen numeeriseen ongelmaan tai kaikkiin tietoihin, joille tarvitaan ratkaisu.
Aineen mahdoton muoto
On olemassa erityyppistä ainetta, jota kutsutaan "supernesteiseksi kiinteäksi aineeksi". Ja itse asiassa, tämä asia ei ole niin kauhea, kuin se nimeltään saattaa tuntua. Tosiasia, että tällä hyvin omituisella ainemuodolla on kiintoaineille ominainen kiteinen rakenne, mutta samalla se on neste. Tätä paradoksia ei toteutettu pitkään. Vuonna 2016 kaksi riippumatonta tutkijaryhmää (amerikkalainen ja sveitsiläinen) loi kuitenkin aineen, jonka voidaan perustellusti katsoa olevan supernesteisen kiinteän aineen ominaisuuksia. Mielenkiintoista, että molemmat joukkueet käyttivät erilaisia lähestymistapoja sen luomiseen.
Sveitsiläiset loivat Bose-Einstein -kondensaatin (kylmin tunnettu aine) jäähdyttämällä rubidiumkaasua erittäin alhaisiin lämpötiloihin. Sitten lauhde asetettiin kaksikammioiseen asennukseen, jonka jokaisessa kammiossa asennettiin pienet toisiinsa suunnatut peilit. Lasersäteet suunnattiin kameroihin, mikä laukaisi muutoksen. Kaasupartikkelit muodostivat vasteena laservaikutukselle kiinteän aineen kiteisen rakenteen, mutta yleensä aine säilytti nestemäisen ominaisuutensa.
Amerikkalaiset saivat samanlaisen hybridiyhdisteen perustuen natriumatomien kondensaattiin, joka myös jäähdytettiin voimakkaasti ja altistettiin laserille. Jälkimmäisiä käytettiin atomien tiheyden siirtämiseen ennen kiteisen rakenteen esiintymistä nestemäisessä muodossa.
Negatiivinen massaneste
Fyysikot loivat vuonna 2017 todella hienon asian: uuden aineen muodon, joka liikkuu kohti sitä hylkivä voima. Vaikka tämä asia ei oikeastaan ole bumerangi, tällä asialla voi olla negatiivinen massa. Positiivisella massalla kaikki on selvää: annat kiihtyvyyden jollekin esineelle, ja se alkaa liikkua suuntaan, johon kiihtyvyys siirrettiin. Tutkijat ovat kuitenkin luoneet nesteen, joka toimii hyvin eri tavalla kuin mikään fyysisessä maailmassa. Työnnettynä se kiihtyy käytetyn kiihtyvyyden lähteeseen.
Ja jälleen Bose-Einstein-kondensaatti tuli pelastukseen tässä asiassa, jonka roolissa rubidiumiatomit jäähdytettiin ultralämpötiloihin. Siksi tutkijat ovat saaneet supernestettä, jolla on normaali massa. Sitten he puristivat atomit voimakkaasti lasereilla. Sitten toisen lasersarjan kanssa ne kiihdyttivät voimakkaasti atomeja niin paljon, että muuttivat pyöritystään. Kun atomit vapautuivat laserpidinnästä, tavallisen nesteen reaktio olisi kehotus siirtyä kiinnityskeskuksesta, joka voidaan itse asiassa tulkita työntäväksi. Rubidiumin superfluidinen neste, jonka atomeille annettiin riittävä kiihtyvyys, pysyi kuitenkin paikoillaan, kun ne vapautettiin laserpidosta, osoittaen siten negatiivisen massan.
Aikakiteet
Kun Nobel-palkinnon saaja Frank Wilczek ehdotti ensin ajakiteitä, se kuulosti hullualta. Varsinkin siinä osassa, jossa selitettiin, että näillä kiteillä voi olla liike, kun ne pysyvät lepotilassa, toisin sanoen osoittavat, että aineen energia on alhaisin. Se näytti mahdottomalta, koska liikkumiseen tarvitaan energiaa, ja teoria puolestaan sanoi, että tällaisissa kiteissä ei käytännössä ollut energiaa. Wilczek uskoi, että jatkuva liike voidaan saavuttaa muuttamalla kideatomin perustila paikallaan jaksollisesta. Tämä oli meille tunnettujen fysiikan lakien vastaista, mutta vuonna 2017, viisi vuotta sen jälkeen, kun Wilczek ehdotti tätä, fyysikot löysivät tavan tehdä se. Seurauksena Harvardin yliopistoon luotiin ajan kide, jossa typen epäpuhtaudet "kiertyivät" timanteissa.
Bragg-peilit
Bragg-peili ei ole hyvin heijastava ja koostuu 1000 - 2 000 atomista. Mutta se pystyy heijastamaan valoa, mikä tekee siitä hyödyllisen kaikkialla, missä tarvitaan pieniä peilejä, kuten edistyneessä elektroniikassa. Tällaisen peilin muoto on myös epätavallinen. Sen atomit suspendoidaan tyhjiössä ja muistuttavat helmiketjua. Vuonna 2011 saksalainen tutkijaryhmä pystyi luomaan Bragg-peilin, jonka tuolloin heijastusaste oli korkein (noin 80 prosenttia). Tätä varten tutkijat ovat yhdistäneet 10 miljoonaa atomia yhdessä hilarakenteessa.
Myöhemmin Tanskan ja Ranskan tutkimusryhmät kuitenkin löysivät tavan vähentää merkittävästi tarvittavien atomien määrää säilyttäen samalla korkean heijastavuuden. Tiiviisti niputtamisen sijaan atomit sijoitettiin mikroskooppista valokuitua pitkin. Oikealla sijoittelulla syntyy tarvittavat olosuhteet - valoaalto heijastuu suoraan takaisin lähtöpisteeseen. Kun valoa läpäisee, osa fotoneista murtuu kuidusta ja törmäävät atomien kanssa. Tanskan ja Ranskan joukkueiden osoittamat heijastavat tehokkuudet ovat hyvin erilaisia ja ovat vastaavasti noin 10 ja 75 prosenttia. Molemmissa tapauksissa valo kuitenkin palaa (eli heijastuu) lähtöpisteeseen.
Teknologian kehittämisessä lupaavien etujen lisäksi sellaiset peilit voivat olla hyödyllisiä kvanttilaitteissa, koska atomit käyttävät lisäksi valokenttää vuorovaikutukseen toistensa kanssa.
2D-magneetti
Fyysikot ovat yrittäneet luoda kaksiulotteista magneettia 1970-luvulta lähtien, mutta ovat aina epäonnistuneet. Todellisen 2D-magneetin on säilytettävä magneettiset ominaisuutensa, jopa kun se on erotettu tilaan, jossa se tulee kaksiulotteiseksi tai vain yhden atomin paksuiseksi. Tutkijat alkoivat jopa epäillä, että tällainen asia on mahdollista.
Kromi-trijodidia käyttävät fyysikot kuitenkin pystyivät viimein kesäkuussa 2017 luomaan kaksiulotteisen magneetin. Yhteys osoittautui erittäin mielenkiintoiseksi usealta puolelta kerralla. Sen kerrostettu kiderakenne on erinomainen kapenemaan, ja lisäksi sen elektroneilla on haluttu spin-suunta. Nämä tärkeät ominaisuudet antavat kromitrijodidin säilyttää magneettiset ominaisuutensa myös sen jälkeen, kun sen kiderakenne on pienentynyt viimeisten atomikerrosten paksuuteen.
Maailman ensimmäinen 2D-magneetti voitaisiin tuottaa suhteellisen korkeassa lämpötilassa -228 astetta. Sen magneettiset ominaisuudet lakkaavat toimimasta huoneenlämpötilassa, koska happi tuhoaa sen. Kokeet kuitenkin jatkuvat.
NIKOLAY KHIZHNYAK