Наука

Квантово охлаждане - с лазери?

Квантово охлаждане - с лазери?

[Източник на изображението: Ars Electronica]

Откриването на свръхпроводимостта през 1911 г. от холандския физик Хайке Камерлинг Онес оттогава остави учените, които се опитват да охладят частиците до абсолютна нула (0 келвина или 0 k), за да достигнат състояние на свръхпроводимост. Свръхпроводимостта е състояние, при което частиците нямат почти никакво съпротивление, квантов ефект. Свръхпроводникът може да поддържа неограничен източник на електричество, без да губи енергия поради топлина или звук - революция в начина, по който можем да използваме енергия. Но дойде с още по-голям обрат: диамагнатизъм. Диамагнатизмът е явление при супер охладени частици, което предотвратява всичкомагнитните полета да проникнат, докато създават противоположно магнитно поле, което отблъсква всяка приложена магнитна сила. Диамагнатизмът е чудесен за свръхпроводимост и левитация, тъй като отблъсква всички магнити, обещавайки голям напредък в транспорта, който е вече се използва. Но как да охладите частиците до близо 0 келвина? И какво дори е 0 k?

[Източник на изображението: Стив Jervetson]

Нула келвин е абсолютна нула, където в веществото няма абсолютно никаква енергия - абсолютната най-студена температура, която всичко може да има. При 0 келвина частицата би била напълно неподвижна. Но как се получава нещо толкова студено? Докато светлината, каквато я познаваме, произвежда топлината, която чувстваме тук, на земята, не означава непременно, че цялата светлина ще създава само топлина. Температурата е средната скорост, която има група атоми, колкото повече се движи, толкова повече топлина има. Светлината носи инерция, тъй като инерцията е справедлива маса пъти скорост. Но светлината няма маса? Е, не, но има еквивалентност енергия / маса, по-добре описано с едно от най-известните уравнения на Айнщайн E = mc². Пренаредено за маса и уравнението може да бъде заместено обратно в закона за импулса, като се извежда уравнението за инерция на светлината.

Тъй като светлината носи инерция, нейната енергия може да се прехвърли на частици, подобно на тенис топка, удряща баскетболна топка. Хвърлете топката достатъчно силно и трябва да можете да накарате баскетбола да се движи. Молекулите на въздуха пътуват с около 4000 км / ч, което ги прави много трудни за изучаване, тъй като не се задържат в една зона много дълго. Лазерите могат да се използват за улавяне на атоми в магнитооптичен капан или MOT - който работи подобно на ефекта от кацане на муха върху дебело покритие от меласа - като по този начин ефектът се дублира "оптична меласа " . Но как е възможно да забавите атомите, ако светлината винаги иска да натисне? Учените откриха метод за натискане пред на движещата се частица с лазери, коитоотнема скоростта, която са имали частиците, намалявайки общия им импулс.

Явлението е открито от Стивън Чу през 1985 г. и е известно като лазерно охлаждане. Стивън и колегите му разположиха множество лазери вътре в газова камера, образувайки форма "t" в центъра. Докато частиците се носеха наоколо, в крайна сметка човек щеше да попадне в средата на лазерите, където беше бомбардиран с фотони, удрящи точно в противоположните посоки, в които частицата се опитваше да се движи. Това създава ефект, подобен на човек, който се опитва да кара колело срещу вятъра. Колкото по-силна е силата на вятъра в обратна посока, толкова по-трудно и следователно по-бавно ще се движи мотоциклетистът - в крайна сметка спира, след като вятърът стане твърде силен (да се надяваме, че не е бил в ураган).

[Източник на изображението: Asaf]

Частиците бяха охладени до близо 0 k, магическото число. Учените са изключително заинтересовани да получат нулев келвин, за да изведат максималния квантов ефект на субатомните частици. Най-красивото при частиците е, че малките електрони, които ципират около ядрото, могат само да дадатнякоиданни - никога всичко (това е квантово свойство). Или можеш да знаеш колко бързо върви един електрон, без абсолютно никаква представа къде се намира, или можеш да знаеш къде е електронът, но нямаш абсолютно никаква представа колко бързо върви. На практика учените, които охлаждаха частиците, забавиха електроните до нула келвин, половин милиардна част от градуса над абсолютната нула. Най-студената температура в позната вселена е в мъглявината Бумеранг, седнал на 1 K (–458 градуса по Фаренхайт или –272 градуса по Целзий), което всъщност прави най-студеното място във Вселената Земята.При 0 k електроните могат да бъдат от другата страна на Вселената, защото скоростта е била почти точно известна, което означава, че никой не е знаел къде е електронът. Това отключва красиво явление, наречено свръхпроводимост и диамагнитизъм - друго очарователно състояние на материята.

[Източник на изображението: НАСА, мъглявината Бумеранг]

Конвенционалното мислене няма да даде нови резултати. Кой би си помислил, че използването на лазери ще доведе не само до най-студената температура Земята, но най-студената температура впозната вселена?Науката е важна за разбирането на това как работи Вселената, което може да разкрие тайните на това как са се появили хората и всичко останало. Науката продължава да се подобрява с безпрецедентни темпове, като завинаги променя и оформя бъдещето и живота, както го познаваме.

ВИЖТЕ СЪЩО: Модифицираният лазерен метод създава микроенергийни единици

Написано от Maverick Baker


Гледай видеото: Александр Качкин ITER. Путь к термоядерному процветанию (Октомври 2021).