Füüsika hämmastavas maailmas on võimatu, ehkki mitte kohe, kuid siiski võimalik. Ja viimasel ajal on teadlastel õnnestunud saavutada tõeliselt ülivõimatuid asju. Teadus edeneb. Ainult üks pastakoletis teab, mis meid veel kõige salajasemas kõhus ees ootab. Täna analüüsime tosinat ebareaalset asja, olekut ja objekti, mis on tänu kaasaegsele füüsikale võimalikuks muutunud.
Uskumatult madalad temperatuurid
Varem pole teadlased suutnud jahutada objekte, mis jäävad allapoole nn kvantpiiri künnist. Midagi sellisesse olekusse jahutamiseks on vaja kasutada väga aeglaselt liikuvate aatomitega laserit ja summutada nende tekitatavaid soojust tekitavaid vibratsioone.
Füüsikud on siiski leidnud õige lahenduse. Nad lõid üliväikese alumiiniumist vibreeriva trumli ja suutsid selle jahtuda temperatuurini 360 µK, mis on ruumi kõige sügavamas temperatuuris 10 000 kordne temperatuur.
Trumli läbimõõt on vaid 20 mikromeetrit (juustest läbimõõt 40-50 mikromeetrit). Seda oli võimalik jahutada nii ülimadala temperatuurini tänu uuele nn pigistatud valguse tehnoloogiale, milles kõik osakesed on ühesuunalised. See välistab laseris soojust tekitavad vibratsioonid. Kuigi trummel on jahutatud madalaima võimaliku temperatuurini, pole see külmem ainetüüp. See pealkiri kuulub Bose - Einsteini kondensaadile. Isegi siis mängib saavutus olulist rolli. Kuna ühel päeval võib sarnane meetod ja tehnoloogia leida rakendusi ülikiire elektroonika loomisel, aga ka materjalide kummalise käitumise mõistmiseks kvantmaailmas, lähenedes nende omadustele füüsilistele piiridele.
Reklaamvideo:
Kõige eredam valgus
Päikesevalgus on pimestavalt ere. Kujutage nüüd ette miljardi päikesevalgust. Just tema lõi laboris hiljuti füüsikute poolt, luues tegelikult Maa kõige eredama kunstliku valguse, mis pealegi käitub väga ettearvamatult. See muudab objektide välimust. Kuid see pole inimese nägemise jaoks kättesaadav, nii et jääb üle võtta füüsikute sõna.
Molekulaarne must auk
Füüsikute rühm lõi hiljuti midagi, mis käitub nagu must auk. Selleks võtsid nad kasutusele maailma võimsaima röntgenikiirguslaseriga Linac Coherent Light Source (LCLS) ja kasutasid seda jodometaani ja jodobenseeni molekulide põrutamiseks. Algselt oodati, et laserimpulss koputab enamuse elektronidest joodiaatomite orbiidilt, jättes nende asemele vaakumi. Nõrgemate laseritega tehtud katsetes täideti see tühjus reeglina kohe aatomi orbiidi kõige kaugematest piiridest pärit elektronidega. Kui LCLS-laser tabas, algas oodatav protsess tegelikult, kuid siis järgnes tõeliselt hämmastav nähtus. Saanud sellise erutusastme, hakkas joodiaatom sõna otseses mõttes elektrienergiat võtma lähedalasuvatest vesiniku- ja süsinikuaatomitest. Väljastpoolt näis, et see on molekuli sees väike must auk.
Järgnevad laserimpulssid koputasid meelitatud elektrone välja, kuid tühimik tõmbus üha enam sisse. Tsüklit korrati, kuni kogu molekul plahvatas. Huvitav on see, et joodimolekuli aatom oli ainus, mis sellist käitumist näitas. Kuna see on keskmiselt suurem kui teised, on see võimeline neelama tohutul hulgal röntgenienergiat ja kaotama oma algsed elektronid. See kaotus jätab aatomile piisavalt tugeva positiivse laengu, millega ta meelitab elektrone teistest väiksematest aatomitest.
Metalliline vesinik
Seda on nimetatud "kõrge rõhu füüsika pühaks graaliks", kuid kuni viimase ajani ei õnnestunud kellelgi seda hankida. Vesiniku metalliks muundamise võimalusest teatati esmakordselt 1935. aastal. Tolle aja füüsikud arvasid, et sellise muutuse võib põhjustada väga tugev surve. Probleem oli selles, et tollased tehnoloogiad ei suutnud sellist survet luua.
2017. aastal otsustas Ameerika füüsikute meeskond vana idee juurde tagasi pöörduda, kuid valis teistsuguse lähenemise. Katse viidi läbi spetsiaalse seadme sees, mida nimetatakse rombikujuliseks. Selle vaasi tekitatud rõhu tekitavad kaks sünteetilist teemanti, mis asuvad pressi mõlemal küljel. Tänu sellele seadmele saavutati uskumatu rõhk: rohkem kui 71,7 miljonit psi. Isegi maa keskosas on rõhk madalam.
Ajurakkudega arvutikiip
Hingates elu elektroonikale, võib valgus ühel päeval asendada elektrienergiat. Füüsikud mõistsid valguse hämmastavat potentsiaali aastakümneid tagasi, kui sai selgeks, et valguslained võivad liikuda üksteisega paralleelselt ja täita seega palju samaaegseid ülesandeid. Meie elektroonika tugineb transistoridele, et avada ja sulgeda elektrienergia liikumisteed. See skeem seab palju piiranguid. Kuid hiljuti on teadlased loonud hämmastava leiutise - arvutikiibi, mis jäljendab inimese aju tööd. Tänu interaktiivsete valguskiirte kasutamisele, mis töötavad nagu elusas ajus neuronid, on see kiip võimeline väga kiiresti "mõtlema".
Varem võisid teadlased luua ka lihtsaid kunstlikke närvivõrke, kuid sellised seadmed võtsid mitu laboritabelit. Peeti võimatuks luua midagi sama tõhususega, kuid palju väiksema suurusega. Ja ometi see õnnestus. Ränipõhine kiip on vaid mõne millimeetri suurune. Ja ta viib arvutusoperatsioone läbi 16 integreeritud neuroni abil. See juhtub niimoodi. Kiibile tarnitakse laservalgus, mis on jagatud mitmeks talaks, millest igaüks sisaldab signaalinumbrit või heledustaset erinevat teavet. Laserite väljundintensiivsus annab vastuse numbrilisele probleemile või kogu teabele, millele oli vaja lahendust.
Mateeria võimatu vorm
On olemas teatud tüüpi aine, mida nimetatakse "ülivedelikuks tahkeks aineks". Ja tegelikult pole see asi nii kohutav, kui nimest võib tunduda. Fakt on see, et sellel väga veidral mateeriavormil on tahkele ainele iseloomulik kristalne struktuur, kuid samal ajal on see vedelik. See paradoks jäi pikka aega realiseerimata. Kuid 2016. aastal lõid kaks sõltumatut teadlaste rühma (Ameerika ja Šveitsi) ainet, mille võib õigustatult seostada ülivedeliku tahke aine omadustega. Huvitaval kombel kasutasid mõlemad meeskonnad selle loomisel erinevaid lähenemisviise.
Šveitslased lõid Bose-Einsteini kondensaadi (kõige külmem teadaolev aine), jahutades rubiidiumgaasi äärmiselt madala temperatuurini. Seejärel paigutati kondensaat kahekambrilisse seadmesse, mille igas kambris paigaldati väikesed üksteisele suunatud peeglid. Kaameratesse suunati laserkiired, mis käivitasid teisenduse. Gaasiosakesed moodustasid vastuseks laseritoimingule tahke aine kristalse struktuuri, kuid üldiselt säilitasid ained vedeliku omadused.
Ameeriklased said sarnase hübriidmaterjali, mis põhines naatriumi aatomite kondensaadil, mida samuti tugevalt jahutati ja laseriga kokku puututi. Viimaseid kasutati aatomite tiheduse nihutamiseks enne kristalse struktuuri ilmnemist vedelal kujul.
Negatiivne massivedelik
Füüsikud lõid 2017. aastal tõeliselt laheda asja: uue mateeria vormi, mis liigub seda tõrjuva jõu poole. Kuigi see pole tegelikult bumerang, on sellel teemal seda, mida võite nimetada negatiivseks massiks. Positiivse massi korral on kõik selge: annate mõnele objektile kiirenduse ja see hakkab liikuma selles suunas, milles see kiirendus edastati. Teadlased on aga loonud vedeliku, mis töötab füüsikalises maailmas väga erinevalt. Lükates kiirendab see avaldatava kiirenduse allikani.
Ja jälle tuli selles küsimuses appi Bose - Einsteini kondensaat, mille rollis olid rubiidiumiaatomid jahutatud ülimadalate temperatuurideni. Nii on teadlased saanud ülimassi vedeliku normaalmassiga. Siis surusid nad aatomid laseritega tugevalt kokku. Seejärel ergasid nad teise laserikomplektiga aatomeid tugevalt, nii et muutis keerutusi. Kui aatomid laserihaardest vabastati, oleks tavalise vedeliku reaktsioon soov liikuda fikseerimise keskpunktist, mida võib tegelikult tõlgendada surumisena. Rubiidiumist valmistatud üliõhuke vedelik, mille aatomid said piisava kiirenduse, jäid aga laserhaardest vabastamisel oma kohale, näidates sellega negatiivset massi.
Ajakristallid
Kui Nobeli preemia laureaat Frank Wilczek pakkus esmakordselt välja ajakristallide idee, kõlas see hulluks. Eriti selles osas, kus selgitati, et need kristallid võivad liikuda, jäädes puhkeolekusse, st demonstreerides aine madalaimat energiataset. See tundus võimatu, kuna liikumiseks on vaja energiat ja teooria omakorda ütles, et sellistes kristallides energiat praktiliselt pole. Wilczek arvas, et püsiv liikumine on saavutatav kristalliaatomi põhiseisundi muutmisega statsionaarselt perioodiliseks. See läks vastuollu meile teadaolevate füüsikaseadustega, kuid 2017. aastal, viis aastat pärast seda, kui Wilczek selle ettepaneku tegi, leidsid füüsikud viisi, kuidas seda teha. Selle tulemusel loodi Harvardi ülikoolis ajakristall, kus lämmastiku lisandid "pöörlesid" teemantides.
Braggi peeglid
Braggi peegel ei ole eriti peegeldav ja koosneb 1000–2000 aatomist. Kuid see on võimeline valgust peegeldama, mis teeb selle kasulikuks kõikjal, kus vajatakse pisikesi peegleid, näiteks täiustatud elektroonikas. Ka sellise peegli kuju on ebatavaline. Selle aatomid on suspendeeritud vaakumis ja sarnanevad helmeste ahelaga. 2011. aastal suutis Saksa teadlaste rühm luua Braggi peegli, millel oli sel ajal kõrgeim peegeldustase (umbes 80 protsenti). Selleks on teadlased ühendanud 10 miljonit aatomit ühes võrestruktuuris.
Hiljem leidsid aga Taani ja Prantsusmaa uurimisrühmad viisi vajalike aatomite arvu märkimisväärseks vähendamiseks, säilitades samal ajal kõrge peegeldustõhususe. Tihedalt üksteise ümber kokkupanemise asemel paigutati aatomid piki mikroskoopilist optilist kiudu. Õige paigutuse korral tekivad vajalikud tingimused - valguslaine peegeldub otse tagasi selle lähtepunkti. Valguse edastamisel puruneb osa footoneid kiust ja põrkub aatomitega kokku. Taani ja Prantsuse meeskondade peegelduv efektiivsus on väga erinev ja on vastavalt umbes 10 ja 75 protsenti. Kuid mõlemal juhul naaseb valgus (see tähendab, et peegeldub) oma lähtepunkti.
Lisaks paljulubavatele tehnoloogilistele eelistele võivad sellised peeglid olla kasulikud ka kvantseadmetes, kuna aatomid kasutavad üksteisega suhelmiseks lisaks ka valgusvälja.
2D magnet
Füüsikud on püüdnud luua kahemõõtmelist magneti alates 1970. aastatest, kuid alati ebaõnnestunud. Tõeline 2D-magnet peab säilitama oma magnetilised omadused isegi siis, kui see on eraldatud olekusse, kus see muutub kahemõõtmeliseks või ainult ühe aatomi paksuseks. Teadlased hakkasid isegi kahtlema, kas selline asi on üldse võimalik.
Kroomtrijodiidi kasutavad füüsikud suutsid 2017. aasta juunis lõpuks luua kahemõõtmelise magneti. Ühendus osutus korraga mitmest küljest väga huvitavaks. Selle kihiline kristallstruktuur sobib suurepäraselt ahendamiseks ja lisaks on selle elektronidel soovitud pöörlemissuund. Need olulised omadused võimaldavad kroomi trijodiidil säilitada oma magnetilised omadused isegi pärast selle kristallide struktuuri vähendamist viimaste aatomikihtide paksuseni.
Maailma esimese 2D-magneti saaks toota suhteliselt kõrgel temperatuuril -228 kraadi Celsiuse järgi. Selle magnetilised omadused lakkavad töötamast toatemperatuuril, kuna hapnik hävitab selle. Katsed siiski jätkuvad.
NIKOLAY KHIZHNYAK
