Full Post Style | Ogarniam FizykęOgarniam Fizykę

Home
Full Post Style

Zaobserwowano quasi-cząstkę posiadająca masę tylko w jednym kierunku

Międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez badaczy z Uniwersytetu Stanu Pensylwania i Uniwersytetu Columbia, dokonał pierwszej bezpośredniej obserwacji tzw. fermionów semi-Diracowskich. Są to egzotyczne, quasi-cząstkowe obiekty, które w jednym kierunku poruszają się jak cząstki bezmasowe (tak jak fotony), natomiast w kierunku prostopadłym zachowują się jak cząstki posiadające masę. Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie Physical Review X, otwierają nowe możliwości w dziedzinie inżynierii materiałowej, a w konsekwencji mogą wpłynąć na rozwój nowoczesnych technologii, takich jak zaawansowane baterie, sensory czy komponenty elektroniczne nowej generacji.

Teoretyczne podstawy i pierwsze eksperymentalne obserwacje
Idea istnienia fermionów semi-Diracowskich została po raz pierwszy sformułowana przez teoretyków w latach 2008–2009. Przewidywano wtedy, że w pewnych materiałach krystalicznych, w zależności od kierunku ruchu elektronów, kwasi-cząstki mogą przechodzić między stanem pozbawionym masy (poruszając się z prędkością zbliżoną do prędkości światła) a stanem, w którym nabierają masy. Dotychczas jednak nikt nie zaobserwował tych osobliwych własności w warunkach eksperymentalnych.

Przełom nastąpił dzięki badaniom kryształów ZrSiS (cyrkon-krzem-siarka). Ten półmetaliczny materiał charakteryzuje się specyficzną strukturą elektroniczną, w której możliwe jest powstawanie różnorodnych stanów kwazicząstkowych. Naukowcy zastosowali metodę magneto-optycznej spektroskopii w silnym polu magnetycznym, aby precyzyjnie zarejestrować kwantowe interakcje elektronów wewnątrz próbki.

Metodyka eksperymentu i kluczowe odkrycia
Próbka ZrSiS została schłodzona do temperatury około 4,26 K (-269°C), a następnie umieszczona w najsilniejszym stabilnym polu magnetycznym na świecie, generowanym w National High Magnetic Field Laboratory na Florydzie. Pole to, około 900 tysięcy razy silniejsze niż pole magnetyczne Ziemi, pozwoliło na uzyskanie wyraźnej kwantyzacji poziomów energetycznych elektronów.

Na próbkę oddziaływano światłem w zakresie podczerwieni, rejestrując odbite promieniowanie i analizując powstałe tzw. poziomy Landaua – dyskretne stany energetyczne, do których elektrony przechodzą pod wpływem silnego pola magnetycznego. Zgodnie ze standardowymi przewidywaniami, odległości między poziomami Landaua zależą od masy efektywnej elektronów. Okazało się jednak, że uzyskany wzorzec kwantyzacji nie pasował do typowego scenariusza. Zamiast klasycznej zależności energii poziomów od pola magnetycznego, naukowcy zaobserwowali zależność zgodną z tzw. prawem B^(2/3), co stanowiło charakterystyczny „podpis” istnienia semi-Diracowskich fermionów.

Wyjaśnienie tego fenomenu wymagało połączenia sił doświadczalnych i teoretycznych fizyków. Zaproponowali oni model, w którym zachowanie quasi-cząstek można wyobrazić sobie jako ruch elektronów po sieci tzw. „ścieżek” elektronicznych w krysztale. Wzdłuż jednej z nich cząstki poruszają się jak bezmasowe, niemal świetlne „pociągi” na torze bez oporu. Jednak gdy trafiają na skrzyżowanie i zmieniają kierunek na prostopadły, pojawia się opór – w tym kierunku elektrony wykazują właściwości cząstek o masie.

Znaczenie odkrycia i przyszłe perspektywy
Materiał ZrSiS, podobnie jak grafit i grafen, zbudowany jest z warstw, co budzi nadzieję na jego inżynieryjne „rozwarstwienie” i kontrolę właściwości w nanoskali. Wykorzystanie fermionów semi-Diracowskich może w przyszłości umożliwić tworzenie materiałów o programowalnych cechach elektronicznych oraz projektowanie urządzeń o zwiększonej wydajności i nowych funkcjonalnościach.

Choć samo odkrycie potwierdza teoretyczne przewidywania sprzed ponad dekady, wciąż pozostaje wiele pytań, na które naukowcy nie znaleźli odpowiedzi. Wyjaśnienie wszystkich obserwowanych zjawisk w ZrSiS i pełne zrozumienie dynamiki semi-Diracowskich fermionów stanowi obecnie obiecujący kierunek dalszych badań. W miarę postępu prac możemy oczekiwać, że poznanie tych nietypowych stanów kwazicząstkowych zaowocuje nowymi rozwiązaniami w elektronice kwantowej oraz innych dziedzinach nowoczesnej technologii.

[1] Tłumaczenie na podstawie: https://phys.org/news/2024-12-particle-mass.html
[2] Publikacja naukowa „Semi-Dirac Fermions in a Topological Metal”: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.041057

Pierwszy dowód na istnienie antyhiperhelu-4 zaobserwowany przez eksperyment ALICE

Badania prowadzone przy użyciu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) stanowią klucz do zrozumienia wczesnego Wszechświata. W zderzeniach ciężkich jonów powstaje gorąca i gęsta plazma kwarkowo-gluonowa – stan materii, który istniał około milionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu. Oprócz odtwarzania warunków panujących w tak wczesnych etapach ewolucji kosmosu, te ekstremalne kolizje sprzyjają również powstawaniu rzadkich i egzotycznych form materii, takich jak hiperjądra oraz ich antymateriowe odpowiedniki.

Hiperjądra: egzotyczne układy z dziwnymi kwarkami
Hiperjądra to jądra atomowe zawierające nie tylko protony i neutrony, ale również tzw. hiperony – cząstki, w których skład wchodzi co najmniej jeden kwark typu dziwnego (strange). Obecność hiperonu nadaje jądru zupełnie nowe własności, czyniąc je doskonałym obiektem badań nad oddziaływaniami silnymi między cząstkami. Choć pierwsze hiperjądra wykryto w latach 50. XX wieku w promieniach kosmicznych (przez Polaków – Jerzego Pniewskiego i Mariana Danysza), to pozostają one rzadkim zjawiskiem. Ich tworzenie i obserwacja w laboratorium są trudne, lecz w zderzeniach ciężkich jonów w LHC powstają one w ilościach pozwalających na szczegółowe badania.

Dotychczas w zderzeniach tego typu zaobserwowano najlżejsze hiperjądro – hipertryton (zbudowany z protonu, neutronu i jednego hiperonu lambda) oraz jego antymateriowy odpowiednik – antyhipertryton. Pozyskanie danych dotyczących cięższych hiperjąder oraz ich antyodpowiedników stanowiło poważne wyzwanie eksperymentalne.

Nowe osiągnięcia w badaniach hipermaterii i antyhipermaterii
Wyniki kolaboracji ALICE działającej przy LHC uzyskała pierwsze w historii dowody na istnienie antyhiperhelu-4, czyli antymateriowego partnera hiperhelu-4. Hiperhel-4 jest analogiem dobrze znanego jądra helu-4, lecz wzbogaconym o hiperon lambda. Standardowy hiperhel-4 składa się z dwóch protonów, jednego neutronu i jednej lambdy, zaś jego antymateriowy odpowiednik zawiera dwa antyprotony, antyneutron oraz antypartnera lambdy (antilambda).

Ten przełomowy wynik w pewnym sensie „nadąża” za wcześniejszą, opublikowaną w tym samym roku obserwacją dokonana przez kolaborację STAR przy zderzaczu RHIC, która potwierdziła istnienie antyhiperwodoru-4. Teraz odkrycie ALICE stanowi kolejny krok naprzód, dostarczając dowodów o istotności statystycznej 3,5 odchylenia standardowego na obecność antyhiperhelu-4 – najcięższego dotąd zarejestrowanego antyhiperjądra w LHC.

Metody poszukiwań i charakterystyka wyników
Wynik zespołu ALICE uzyskano na podstawie danych zebranych w 2018 roku w zderzeniach jąder ołowiu przy energii 5,02 TeV na parę zderzających się nukleonów. Aby odróżnić sygnał od szumu, naukowcy zastosowali zaawansowane metody uczenia maszynowego, które okazały się skuteczniejsze niż tradycyjne techniki wyszukiwawcze.

Obserwowano rozmaite kanały rozpadu hiperjąder i antyhiperjąder. Przykładowo, obecność (anty)hiperwodoru-4 wnioskuje się z jego rozpadu na (anty)hel-4 oraz naładowany pion. Z kolei (anty)hiperhel-4 można zidentyfikować dzięki rozpadowi na (anty)hel-3, (anty)proton i naładowany pion. Zaobserwowano nie tylko antyhiperhel-4, ale także sygnał antyhiperwodoru-4 z istotnością aż 4,5 odchylenia standardowego.

Badania pozwoliły określić masy oraz ilości (produkcyjność) tych cząstek. Zmierzona masa jest zgodna z dotychczas znanymi wartościami podawanymi w światowych bazach danych. Istotne jest też porównanie uzyskanych wyników z przewidywaniami modeli teoretycznych, w tym z tzw. statystycznym modelem hadronizacji. Ten model opisuje powstawanie hadronów i jąder w zderzeniach ciężkich jonów, a nowo uzyskane wyniki wskazują, że uwzględnienie zarówno stanów podstawowych, jak i stanów wzbudzonych hiperjąder pozwala na bardzo dobrą zgodność danych eksperymentalnych z teorią.

Materia i antymateria – równowaga w skali LHC
Kolejnym interesującym wynikiem jest wyznaczenie stosunku antycząstek do cząstek. Dla obu badanych hiperjąder okazał się on zgodny z jednością w granicach niepewności pomiarowej. Oznacza to, że w warunkach panujących w LHC materia i antymateria powstają w równych ilościach. Jest to bardzo ważne w kontekście poszukiwań przyczyn asymetrii materii i antymaterii we współczesnym Wszechświecie. Choć obecnie obserwujemy przewagę materii, wyniki ze zderzaczy cząstek wskazują, że w ekstremalnych warunkach pierwotnej plazmy kwarkowo-gluonowej obie formy mogły być produkowane niemal w równych proporcjach.

Podsumowanie
Odkrycie antyhiperhelu-4 przez kolaborację ALICE to znaczący krok w badaniach nad hipermaterią i antyhipermaterią. Wyniki są zgodne z teoriami opisującymi powstawanie hadronów i jąder oraz potwierdzają, że w ultrarelatywistycznych zderzeniach ciężkich jonów materia i antymateria pojawiają się na podobnym poziomie. Te nowe dane rozbudowują naszą wiedzę o wczesnym Wszechświecie, silnych oddziaływaniach i procesach, które doprowadziły do obecnej dominacji materii. Jednocześnie stanowią ważny punkt odniesienia dla dalszych badań i poszukiwań w dziedzinie fizyki jądrowej i cząstek elementarnych.

[1] Tłumaczenie na podstawie: https://phys.org/news/2024-12-alice-evidence-antimatter-partner-hyperhelium.html
[2] Publikacja naukowa „First measurement of A = 4 (anti)hypernuclei at the LHC” dostępna w ArXiv: https://arxiv.org/abs/2410.17769

Wirowe pole elektryczne – odkrycie mogące zrewolucjonizować nanoelektronikę

Współczesna nauka nieustannie poszukuje innowacyjnych rozwiązań, które mogłyby zrewolucjonizować elektronikę i obliczenia. Materiały dwuwymiarowe (2D), takie jak grafen, od kilku lat znajdują się w centrum zainteresowania naukowców na całym świecie. Odkrycie zespołu profesor Ly Thuc Hue z Uniwersytetu Miasta Hongkongu (CityUHK) stanowi kolejny przełomowy moment w tej fascynującej dziedzinie badań.
Tradycyjne metody wytwarzania zaawansowanych struktur elektronicznych były niezwykle skomplikowane i kosztochłonne. Wymagały precyzyjnych procesów nanoszenia cienkich warstw, stosowania wyrafinowanych technik technologicznych oraz niemal chirurgicznej kontroli parametrów materiałowych. Tymczasem zespół profesor Ly zaproponował zupełnie nowe podejście – prostą metodę skręcania dwuwarstwowych materiałów 2D, która pozwala na generowanie wirowego pola elektrycznego.

Technologia transferu lodowego

Kluczowym innowacyjnym rozwiązaniem jest technika transferu wspomaganego lodem. Ta nowatorska metoda rozwiązuje wiele dotychczasowych problemów technologicznych. Badaczom udało się utworzyć krystalicznie czysty interfejs między warstwami, umożliwiając swobodną manipulację kątami skręcenia w zakresie od 0 do 60 stopni. Co więcej, proponowane rozwiązanie znacząco obniża koszty i złożoność procesu technologicznego.
Profesor Ly szczegółowo wyjaśnia, że wcześniej wytworzenie wirowego pola elektrycznego wymagało stosowania kosztownych i skomplikowanych technik. Tymczasem ich zespół udowodnił, że wystarczy odpowiednie skręcenie dwuwarstwowych materiałów 2D, aby uzyskać ten niezwykły efekt. Naukowcy zaobserwowali utworzenie quasi-kryształu – struktury o nieregularnym, ale wysoce zorganizowanym uporządkowaniu. Takie struktury charakteryzują się unikalnymi właściwościami fizycznymi, które czynią je niezwykle interesującymi z perspektywy zaawansowanych zastosowań technologicznych. Czterowymiarowa elektronowa mikroskopia transmisyjna (4D-TEM) pozwoliła na precyzyjną obserwację zmian zachodzących na poziomie atomowym. Naukowcy mogli nie tylko zaobserwować, ale i dokładnie przeanalizować mechanizmy powstawania wirowego pola elektrycznego w tych niezwykłych strukturach.

Różne rodzaje skręconych materiałów 2D. Ta ilustracja ilustruje symulowane sygnały wirowe obserwowane w różnych materiałach 2D, gdy są skręcone o 8,26° w układzie dwuwarstwowym. Obrót górnego składnika w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara względem dolnej warstwy w systemie materiałów van der Waalsa, istnieje indukowana cecha przenoszenia pędu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, którą można zaobserwować we wzorze dyfrakcji elektronów wiązki konwergencyjnej. Ten wzór jest powszechnie pokazany w niebieskim wirze z czarną strzałką wskazującą kierunek środka masy. Przerywany prostokąt podkreśla parę wyników grafenu skręconych o -8,26° i 8,26° [2]

Potencjalne kierunki zastosowań

Odkrycie otwiera nowe możliwości w kilku kluczowych dziedzinach nauki i technologii. W przypadku komputerów kwantowych można spodziewać się zwiększenia stabilności i wydajności systemów obliczeniowych. Spintronika zyskuje narzędzie do precyzyjnej kontroli stanu spinowego elektronów, co może zaowocować rewolucyjnymi metodami przechowywania i przesyłania informacji.
Nanotechnologia otrzymuje kolejne narzędzie do projektowania zaawansowanych materiałów funkcjonalnych. Możliwość tworzenia struktur o unikalnych właściwościach otwiera drogę do opracowania innowacyjnych rozwiązań w mikroelektronice, które jeszcze niedawno wydawałyby się niemożliwe.

Zespół profesor Ly nie zamierza poprzestać na dotychczasowych odkryciach. Plany dalszych badań obejmują eksperymenty z większą liczbą warstw materiałów, testowanie różnych materiałów 2D oraz poszukiwanie kolejnych, dotychczas nieznanych zastosowań technologicznych. Warto podkreślić, że odkrycie wirowego pola elektrycznego to nie tylko kolejny krok naukowy. To potencjalny początek zupełnie nowej dziedziny badań w nanotechnologii i elektronice kwantowej, która może zmienić nasze rozumienie procesów fizycznych zachodzących na poziomie molekularnym.

Badania opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Science” stanowią świadectwo postępu w rozumieniu zaawansowanych struktur materiałowych. Profesor Ly podsumowuje, że ich odkrycie może zapoczątkować zupełnie nowe podejście do projektowania urządzeń elektronicznych, pamięci, systemów kwantowych oraz sensorycznych. Przyszłość należy do naukowców, którzy potrafią łączyć interdyscyplinarną wiedzę, kwestionować dotychczasowe paradygmaty i odważnie eksplorować nieznane dotąd obszary badań.

[1] Tłumaczenie na podstawie: https://phys.org/news/2024-12-vortex-electric-field-discovery-impact.html
[2] Publikacja „Polar and quasicrystal vortex observed in twisted-bilayer molybdenum disulfide”: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp7099

Nowe obserwacje opóźnienia grupowego w procesach wielofotonowych

Naukowcy z Kanady dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie optyki kwantowej, obserwując zjawisko opóźnienia grupowego indukowanego wzmocnieniem podczas spontanicznej parametrycznej konwersji w dół (SPDC – Spontaneous parametric down-conversion). W tym procesie pojedynczy wysokoenergetyczny foton przekształca się w dwie cząstki o niższej energii, nazywane fotonami córkami. Dotychczas badania koncentrowały się na sytuacjach, w których prawdopodobieństwo takiej konwersji było niewielkie. Jednak zwiększenie intensywności lasera pompującego umożliwiło generowanie wielu par fotonów, co doprowadziło do zauważalnego przesunięcia czasów przybycia fotonów córek.

W celu precyzyjnych pomiarów, zespół wykorzystał laser o wysokiej mocy zdolny do emitowania ultrakrótkich impulsów femtosekundowych. Intensywne impulsy przechodziły przez kryształ SPDC, gdzie dochodziło do generacji wielu par fotonów. Następnie naukowcy wykorzystali technikę interferometrii spektralnej do dokładnego pomiaru czasów przybycia fotonów. Dodatkowo, przepuszczenie wygenerowanych fotonów przez kilkukilometrowe włókno optyczne pozwoliło na rozciągnięcie impulsu w czasie, co ułatwiło detekcję przy użyciu nadprzewodzących detektorów nanodrutowych.

a) Schemat układu eksperymentalnego. BP: filtr pasmowoprzepustowy, LP: filtr dolnoprzepustowy, HWP: płytka półfalowa, PBS: polaryzacyjny rozdzielacz wiązki, 2-SNSPD: dwuelementowy nadprzewodnikowy detektor pojedynczych fotonów z nanodrutów. Kryształ BBO jest używany jako liniowy element optyczny do zwiększenia opóźnienia grupowego między fotonami sygnałowymi i fotonami idlerowymi generowanymi przez ppKTP. Czas detekcji fotonów jest powiązany z ich częstotliwością ze względu na dyspersję we włóknie. (b) Zmierzona zależność opóźnienia grupowego T od wzmocnienia parametrycznego ε. Przerywana linia pozioma przedstawia model analityczny ograniczony do pierwszego rzędu rozwinięcia Magnusa Ω̂₁, w którym oczekiwane opóźnienie grupowe jest równe różnicy prędkości grupowej β₀ = L(vₛ⁻¹ – vᵢ⁻¹)/2. Linia kropkowana-kreskowana to T = β₀ – 24τε²/√3π(12 + ε²) oparta na rozwinięciu Magnusa do Ω̂₃. Zacieniona czarna krzywa to model numeryczny NeedALight [68], gdzie zacieniony obszar reprezentuje 95% przedział ufności. (c) Przykład histogramu koincydencji z rozdzielczością spektralną N(ω₁, ω₂) zmierzonego dla ε = 1,407(3). (d) Transformata Fouriera N(ω₁, ω₂). Skala kolorów pokazuje liczbę zdarzeń na bin zebranych w ciągu pięciu minut. [2]

Odkrycie to ma istotne znaczenie dla rozwoju technologii kwantowych, takich jak komputery fotoniczne i precyzyjne czujniki, gdzie synchronizacja czasowa fotonów odgrywa kluczową rolę. Zrozumienie i kontrola opóźnienia grupowego w procesach wielofotonowych mogą przyczynić się do poprawy wydajności i dokładności tych zaawansowanych systemów.

Opóźnienie grupowe odnosi się do różnicy w czasie przejścia różnych składowych częstotliwościowych sygnału przez dany ośrodek, co może prowadzić do zniekształceń sygnału. W kontekście SPDC, kontrola tego opóźnienia jest kluczowa dla efektywnego generowania i manipulacji splątanymi stanami fotonów, które są fundamentem wielu technologii kwantowych.

Zastosowanie intensywnych impulsów laserowych w badaniach nad SPDC otwiera nowe możliwości w dziedzinie komunikacji kwantowej i kryptografii. Precyzyjna kontrola czasowa fotonów może prowadzić do bardziej efektywnych metod przesyłania informacji, zwiększając bezpieczeństwo i szybkość transmisji danych.

Ponadto, zrozumienie mechanizmów opóźnienia grupowego w procesach wielofotonowych może przyczynić się do rozwoju zaawansowanych technik obrazowania medycznego oraz sensorów o wysokiej czułości, które wykorzystują właściwości kwantowe światła do wykrywania minimalnych zmian w badanych obiektach. Wnioski z tych badań podkreślają znaczenie dalszego eksplorowania nieliniowych procesów optycznych i ich wpływu na rozwój nowoczesnych technologii kwantowych, które mają potencjał zrewolucjonizować wiele aspektów naszego życia.

[1] Tłumaczenie na podstawie: https://phys.org/news/2024-12-gain-group-delay-multiphoton-pulses.html

[2] Publikacja „Gain-induced group delay in spontaneous parametric down-conversion” w ArXiv: https://arxiv.org/pdf/2405.07909

MenuMenu