In de wondere wereld van de natuurkunde wordt het onmogelijke, hoewel niet onmiddellijk, maar toch mogelijk. En de laatste tijd zijn wetenschappers erin geslaagd echt super onmogelijke dingen te bereiken. De wetenschap vordert. Slechts één pastamonster weet wat ons nog meer te wachten staat in zijn meest geheime ingewanden. Vandaag zullen we een dozijn onwerkelijke dingen, toestanden en objecten analyseren die mogelijk zijn geworden dankzij de moderne fysica.
Ongelooflijk lage temperaturen
In het verleden waren wetenschappers niet in staat objecten te koelen tot onder de zogenaamde "kwantumgrens". Om iets tot een dergelijke toestand af te koelen, is het nodig om een laser te gebruiken met zeer langzaam bewegende atomen en de warmtegenererende trillingen die ze genereren te onderdrukken.
Natuurkundigen hebben echter de juiste oplossing gevonden. Ze creëerden een ultrakleine aluminium triltrommel en konden deze afkoelen tot 360 µK, wat 10.000 keer de temperatuur is in de diepten van de ruimte.
De diameter van de trommel is slechts 20 micrometer (de diameter van een mensenhaar is 40-50 micrometer). Het was mogelijk om het af te koelen tot zulke ultralage temperaturen dankzij een nieuwe technologie van het zogenaamde "squeezed light", waarbij alle deeltjes dezelfde richting hebben. Dit elimineert warmtegenererende trillingen in de laser. Ook al is de trommel afgekoeld tot de laagst mogelijke temperatuur, het is niet de koudste materie. Deze titel behoort tot het Bose - Einstein condensaat. Toch speelt prestatie een belangrijke rol. Sinds een dag kan een vergelijkbare methode en technologie hun toepassing vinden om ultrasnelle elektronica te maken, en ook helpen bij het begrijpen van het vreemde gedrag van materialen in de kwantumwereld, die in hun eigenschappen fysieke grenzen naderen.
Promotie video:
Het helderste licht
Het licht van de zon is verblindend helder. Stel je nu het licht van een miljard zonnen voor. Hij was het die onlangs door natuurkundigen in het laboratorium is gemaakt, in feite het helderste kunstlicht op aarde heeft gecreëerd, dat zich bovendien op een zeer onvoorspelbare manier gedraagt. Het verandert het uiterlijk van objecten. Dit is echter niet beschikbaar voor de menselijke visie, dus het blijft om natuurkundigen op hun woord te geloven.
Moleculair zwart gat
Een groep natuurkundigen heeft onlangs iets gecreëerd dat zich gedraagt als een zwart gat. Om dit te doen, gebruikten ze 's werelds krachtigste röntgenlaser Linac Coherent Light Source (LCLS) en gebruikten deze om moleculen van joodmethaan en joodbenzeen te laten botsen. Aanvankelijk werd verwacht dat de laserpuls de meeste elektronen uit de baan van jodiumatomen zou uitschakelen, waardoor een vacuüm op hun plaats achterbleef. Bij experimenten met zwakkere lasers werd deze leegte in de regel onmiddellijk gevuld met elektronen vanaf de buitenste grenzen van de atoombaan. Toen de LCLS-laser toesloeg, begon het verwachte proces daadwerkelijk, maar toen volgde een werkelijk verbazingwekkend fenomeen. Na zo'n opwinding te hebben ontvangen, begon het jodiumatoom letterlijk elektronen te verslinden van nabijgelegen waterstof- en koolstofatomen. Van buitenaf leek het een klein zwart gat in het molecuul.
Latere laserpulsen sloegen de aangetrokken elektronen uit, maar de leegte trok steeds meer naar binnen. De cyclus werd herhaald totdat het hele molecuul explodeerde. Interessant genoeg was het atoom van het jodiummolecuul het enige dat dergelijk gedrag vertoonde. Omdat het gemiddeld groter is dan andere, kan het een enorme hoeveelheid röntgenenergie absorberen en zijn oorspronkelijke elektronen verliezen. Dit verlies laat het atoom achter met een voldoende sterke positieve lading, waarmee het elektronen van andere, kleinere atomen aantrekt.
Metallische waterstof
Het wordt wel de "heilige graal van hogedrukfysica" genoemd, maar tot voor kort slaagde niemand erin het te bemachtigen. De mogelijkheid om waterstof om te zetten in metaal werd voor het eerst aangekondigd in 1935. Natuurkundigen van die tijd suggereerden dat een dergelijke transformatie tot stand kon worden gebracht door zeer sterke druk. Het probleem was dat de technologieën van die tijd niet zo'n druk konden uitoefenen.
In 2017 besloot het Amerikaanse team van natuurkundigen terug te keren naar het oude idee, maar koos het voor een andere aanpak. Het experiment werd uitgevoerd in een speciaal apparaat dat een diamanten bankschroef wordt genoemd. De druk die door deze bankschroef wordt gegenereerd, wordt geproduceerd door twee synthetische diamanten aan beide zijden van de pers. Dankzij dit apparaat werd een ongelooflijke druk bereikt: meer dan 71,7 miljoen psi. Zelfs in het midden van de aarde is de druk lager.
Computerchip met hersencellen
Door elektronica tot leven te brengen, zou licht ooit elektriciteit kunnen vervangen. Natuurkundigen realiseerden zich decennia geleden het verbazingwekkende potentieel van licht, toen duidelijk werd dat lichtgolven parallel aan elkaar kunnen reizen en zo veel gelijktijdige taken kunnen uitvoeren. Onze elektronica is afhankelijk van transistors om de paden voor elektriciteit te openen en te sluiten. Deze regeling legt veel beperkingen op. Recentelijk hebben wetenschappers echter een geweldige uitvinding bedacht: een computerchip die het werk van het menselijk brein nabootst. Dankzij het gebruik van op elkaar inwerkende lichtbundels die werken als neuronen in levende hersenen, kan deze chip echt heel snel "denken".
Voorheen konden wetenschappers ook eenvoudige kunstmatige neurale netwerken maken, maar voor dergelijke apparatuur waren verschillende laboratoriumtafels nodig. Het werd als onmogelijk beschouwd om iets te maken met dezelfde efficiëntie, maar in een veel kleiner formaat. En toch is het gelukt. De op silicium gebaseerde chip is slechts enkele millimeters groot. En hij voert rekenkundige bewerkingen uit met behulp van 16 geïntegreerde neuronen. Het gebeurt zo. Een laserlicht wordt geleverd aan de chip, die is verdeeld in verschillende bundels, die elk een signaalnummer of informatie bevatten die varieert in helderheidsniveau. De outputintensiteit van de lasers geeft het antwoord op een numeriek probleem of elke informatie waarvoor een oplossing nodig was.
Onmogelijke vorm van materie
Er is een soort materie die "superfluïde vaste stof" wordt genoemd. En in feite is deze kwestie niet zo erg als de naam lijkt. Feit is dat deze zeer bizarre vorm van materie een kristallijne structuur heeft die kenmerkend is voor vaste stoffen, maar tegelijkertijd een vloeistof is. Deze paradox is lange tijd niet gerealiseerd. In 2016 creëerden twee onafhankelijke groepen wetenschappers (Amerikaanse en Zwitserse) echter materie, die met recht kan worden toegeschreven aan de eigenschappen van een supervloeibare vaste stof. Interessant is dat beide teams verschillende benaderingen hebben gebruikt om het te maken.
De Zwitsers creëerden het Bose-Einstein-condensaat (de koudste materie die we kennen) door rubidiumgas af te koelen tot extreem lage temperaturen. Vervolgens werd het condensaat in een tweekamerinstallatie geplaatst, waarbij in elke kamer kleine naar elkaar gerichte spiegeltjes waren geïnstalleerd. Laserstralen werden in de camera's gericht, wat de transformatie op gang bracht. De gasdeeltjes bouwden in reactie op de laserwerking de kristallijne structuur van de vaste stof op, maar in het algemeen behield de materie zijn vloeibare eigenschap.
De Amerikanen kregen een vergelijkbare hybride materie op basis van een condensaat van natriumatomen, dat ook sterk werd afgekoeld en blootgesteld aan een laser. De laatste werden gebruikt om de dichtheid van atomen te verschuiven voordat er een kristallijne structuur in vloeibare vorm verscheen.
Negatieve massavloeistof
In 2017 hebben natuurkundigen iets heel gaafs gemaakt: een nieuwe vorm van materie die beweegt naar de kracht die haar afstoot. Hoewel het niet echt een boemerang is, heeft deze kwestie wat je zou kunnen noemen een negatieve massa. Met een positieve massa is alles duidelijk: je geeft versnelling aan een object en het begint te bewegen in de richting waarin deze versnelling werd overgedragen. Wetenschappers hebben echter een vloeistof gecreëerd die heel anders werkt dan alles in de fysieke wereld. Als het wordt ingedrukt, versnelt het naar de bron van de versnelling die wordt uitgeoefend.
En opnieuw kwam het Bose-Einstein-condensaat te hulp in deze kwestie, in de rol waarvan de rubidiumatomen waren afgekoeld tot ultralage temperaturen. Zo hebben wetenschappers een superfluïde vloeistof verkregen met een normale massa. Vervolgens hebben ze de atomen sterk gecomprimeerd met lasers. Vervolgens, met de tweede set lasers, hebben ze de atomen sterk opgewonden, zo erg dat ze hun spins veranderden. Wanneer de atomen uit de lasergreep werden bevrijd, zou de reactie van een gewone vloeistof zijn om uit het fixatiecentrum te bewegen, wat in feite kan worden geïnterpreteerd als duwen. De rubidium superfluïde vloeistof, waarvan de atomen voldoende versnelling kregen, bleef echter op zijn plaats toen hij werd losgelaten uit de lasergreep, waardoor hij een negatieve massa vertoonde.
Tijdkristallen
Toen Frank Wilczek, de Nobelprijswinnaar, voor het eerst het idee van tijdkristallen voorstelde, klonk het gek. Vooral in het deel waarin werd uitgelegd dat deze kristallen beweging kunnen hebben, terwijl ze in een rusttoestand blijven, dat wil zeggen, het laagste energieniveau van materie demonstreren. Het leek onmogelijk, aangezien er energie nodig is om te bewegen, en de theorie zei op haar beurt dat er praktisch geen energie in dergelijke kristallen zat. Wilczek geloofde dat eeuwigdurende beweging kan worden bereikt door de grondtoestand van het kristalatoom te veranderen van stationair naar periodiek. Dit druiste in tegen de ons bekende natuurkundige wetten, maar in 2017, 5 jaar nadat Wilczek dit had voorgesteld, vonden natuurkundigen een manier om het te doen. Als resultaat werd een tijdkristal gecreëerd aan de Harvard University, waar stikstofverontreinigingen in diamanten 'ronddraaiden'.
Bragg-spiegels
De Bragg-spiegel is niet sterk reflecterend en bestaat uit 1000-2000 atomen. Maar het is in staat om licht te reflecteren, waardoor het overal bruikbaar is waar kleine spiegeltjes nodig zijn, zoals in geavanceerde elektronica. De vorm van zo'n spiegel is ook ongebruikelijk. De atomen zijn opgehangen in een vacuüm en lijken op een ketting van kralen. In 2011 slaagde een Duitse groep wetenschappers erin een Bragg-spiegel te maken, die op dat moment het hoogste reflectieniveau had (ongeveer 80 procent). Om dit te doen, hebben wetenschappers 10 miljoen atomen gecombineerd in één roosterstructuur.
Later hebben onderzoeksteams uit Denemarken en Frankrijk een manier gevonden om het aantal benodigde atomen aanzienlijk te verminderen, met behoud van een hoog reflecterend vermogen. In plaats van strak om elkaar heen te bundelen, werden de atomen langs een microscopisch kleine optische vezel geplaatst. Met de juiste plaatsing ontstaan de nodige voorwaarden - de lichtgolf wordt direct teruggekaatst naar het punt van oorsprong. Wanneer licht wordt doorgelaten, breken sommige fotonen uit de vezel en botsen ze met atomen. De reflecterende efficiëntie die door de Deense en Franse teams is aangetoond, is zeer verschillend en bedraagt respectievelijk ongeveer 10 en 75 procent. In beide gevallen keert het licht echter terug (dat wil zeggen wordt gereflecteerd) naar het punt van oorsprong.
Naast veelbelovende voordelen bij de ontwikkeling van technologieën, kunnen dergelijke spiegels nuttig zijn in kwantumapparaten, aangezien atomen bovendien het lichtveld gebruiken om met elkaar te communiceren.
2D magneet
Natuurkundigen hebben sinds de jaren zeventig geprobeerd een tweedimensionale magneet te maken, maar dat is altijd mislukt. Een echte 2D-magneet moet zijn magnetische eigenschappen behouden, zelfs wanneer hij wordt gescheiden tot een toestand waarin hij tweedimensionaal wordt, of slechts één atoom dik. Wetenschappers begonnen er zelfs aan te twijfelen of zoiets überhaupt mogelijk was.
In juni 2017 konden natuurkundigen die chroomtrijodide gebruikten echter eindelijk een tweedimensionale magneet maken. De verbinding bleek van meerdere kanten tegelijk erg interessant. De gelaagde kristalstructuur is uitstekend voor taps toelopen en bovendien hebben de elektronen de gewenste draairichting. Deze belangrijke eigenschappen zorgen ervoor dat chroomtrijodide zijn magnetische eigenschappen behoudt, zelfs nadat de kristalstructuur is teruggebracht tot de dikte van de laatste atomaire lagen.
De eerste 2D-magneet ter wereld zou kunnen worden geproduceerd bij een relatief hoge temperatuur van -228 graden Celsius. De magnetische eigenschappen werken niet meer bij kamertemperatuur, omdat zuurstof het vernietigt. De experimenten gaan echter door.
NIKOLAY KHIZHNYAK
