Metal jak woda

Od momentu jego odkrycia - dekadę temu - naukowcy i tech guru okrzyknęli grafen super materiałem, który może zastąpić krzem w elektronice, zwiększać wydajności baterii, wytrzymałość i przewodność ekranów dotykowych i utorować drogę do taniej cieplnej energii elektrycznej.

Szeroki na jeden atom grafen jest mocniejszy niż stal, twardszy niż diament i jest jednym z najbardziej przewodzących materiałów na ziemi.

Jednakże istnieje kilka wyzwań, które należy pokonać, zanim produkty oparte na grafenie będą wprowadzane na rynek. Naukowcy wciąż próbują zrozumieć podstawową fizykę tego unikalnego materiału -  co jest to bardzo trudne do wykonania.

Okazuje się, iż w przypadku grafenu, po raz pierwszy odkryto elektrony w metalu zachowujące się jak ciecz.

W celu dokonania tej obserwacji ulepszono metody tworzenia ultra czystego grafenu i opracowano nowy sposób pomiaru przewodności cieplnej. Badania te mogą doprowadzić do powstania nowych urządzeń termoelektrycznych, jak również dostarczenia modelu układu do odkrywania egzotycznych zjawisk, takich jak czarne dziury i plazmy o wysokiej energii.

W zwykłych metalach trójwymiarowe elektrony trudno oddziałują ze sobą. Ale dwuwymiarowa struktura grafenu  działa jak autostrada elektronowa, na której wszystkie cząstki mają podróżować w tym samym pasie ruchu. Elektrony w grafenu zachowują się jak bezmasowe relatywistyczne obiekty, niektóre z ładunkiem dodatnim, a niektóre z ładunkiem ujemnym. Poruszają się z niesamowitą prędkością - 1/300 prędkości światła - i  przewiduje się, że zderzają się ze sobą dziesięć bilionów razy na sekundę w temperaturze pokojowej. Te intensywne oddziaływania pomiędzy cząstkami nigdy nie były wcześniej obserwowane w zwykłym metalu.

Zespół stworzył ultra-czystą próbkę przez wciśnięcie jednego atomu grafenu między dziesiątki warstw elektrycznie izolującego doskonale przeźroczystego kryształu o podobnej strukturze atomowej co grafen.

Istotne jest, aby stworzyć grafen bez ingerencji z  otoczenia – jeśli grafen otacza coś, co jest szorstkie i nieuporządkowane, to będzie przeszkadzać w ruchu elektronów.

Następnie utworzono rodzaj zupy cieplnej z naładowanych dodatnio i ujemnie cząstek na powierzchni grafenu i obserwowano jak te cząstki płynęły, traktując je jako prądy termiczne i elektryczne.

Większość naszego świata – czy to płynie jak woda (Hydrodynamika) czy to porusza się po krzywej - jest opisana przez fizykę klasyczną. Bardzo małe rzeczy, takie jak elektrony, są opisane przez mechanikę kwantową, bardzo duże i bardzo szybkie rzeczy, takie jak galaktyki, są opisane przez fizykę relatywistyczną, zapoczątkowaną przez Alberta Einsteina.

Połączenie tych praw fizyki jest bardzo trudne, ale istnieją skrajne przykłady, gdzie zachodzą na siebie systemy o wysokiej energii, takie jak supernowe i czarne dziury i które mogą być opisane poprzez połączenie klasycznej teorii hydrodynamiki z teorią względności Einsteina.

Wracając do grafenu: gdy silnie oddziałujące cząstki grafenu były napędzane przez pole elektryczne, nie zachowywały się jak pojedyncze cząstki, ale jak płyn, który może być opisany przez hydrodynamikę.

Zamiast oglądać jak jedna cząstka została dotknięta przez siłę elektryczną lub cieplną, można zobaczyć energię, ponieważ płynie ona z wielu cząstek, jak fala przez wodę.

Fizykę odkrytą dzięki analizie czarnych dziur i teorii strun, można zaobserwować w grafenie. Jest to pierwszy model relatywistycznej hydrodynamiki w metalu.

Demon

Demon Maxwella - hipotetyczna istota, która wydaje się naruszać drugą zasadę termodynamiki, została szeroko zbadana, odkąd w 1867 roku zaproponował ją James Clerk Maxwell. Większość z tych badań miała charakter teoretyczny, a tylko garstka eksperymentów miała za cel faktyczne udowodnienie istnienia demona.

Obecnie mamy do czynienia z pierwszą fotonową implementacją demona Maxwella – drogą ku temu są pomiary dwóch wiązek światła; pomiędzy tymi wiązkami zaburzana jest równowaga, a uzyskana energia może być przeznaczona do ładowania baterii.

W oryginalnym eksperymencie myślowym, demon stoi pomiędzy dwoma polami cząsteczek gazu. Początkowo średnia energia (lub prędkości) cząsteczek gazowych w każdym polu jest taka sama. Ale demon może otworzyć małe drzwi w ścianie pomiędzy polami, aby zmierzyć energię każdej cząstki gazu, która zdąża w kierunku drzwi, i pozwala jedynie cząstkom wysoko-energetycznym przejść z jednej na drugą stronę i nisko-energetycznym cząstkom w kierunku odwrotnym.


Z biegiem czasu, jedno pole zyskuje wyższą średnią energię niż drugie, co tworzy różnicę ciśnień. Powstająca siła pchania może być następnie wykorzystana do pracy.

Z biegiem lat, fizycy rozwiązali ten pozorny paradoks, wyjaśniając, że choć demon może nie działać bezpośrednio na układ, jednak musi zdobywać informacje do swoich pomiarów. Usuwanie informacji z pamięci demona wymaga pracy, dzięki czemu sumarycznie nie może być zysku netto w postaci pracy.

W wersji fotonowej, fizycy zastąpili pola cząsteczek gazu dwoma impulsami światła. Demon, przy użyciu fotodetektora, może mierzyć liczbę fotonów z każdego impulsu, a dodatkowo ma do dyspozycji urządzenie, które otwiera drzwi dla jaśniejszej wiązki – z większa ilością fotonów w jedną stronę, a w drugą stronę przepuszcza ciemniejszą wiązkę.


Poszczególne wiązki odprowadzane są do fotodiod, a imbalans energii ładuje podłączony kondensator.


Choć naukowcy nie zmierzają do osiągnięcia optymalnej ekstrakcji pracy, jest możliwe, że jakiś rodzaj demona Maxwella może kiedyś mieć praktyczne zastosowanie.

Naukowcy mają nadzieję, że nowy model będzie prowadzić do lepszego zrozumienia związku między informacjami i termodynamiką, który jest niezbędny dla zrozumienia termodynamiki w mikroskali i poniżej. Najnowsze osiągnięcia technologii układów składających się z tylko jednej lub kilku cząstek wymagają lepszego zrozumienia mikroskali termodynamiki, podobnie jak silnik parowy pomógł naukowcom lepiej zrozumieć makroskopową termodynamikę w 19 wieku.

Teoria w mikroskali termodynamiki może mieć wiele zastosowań, w tym w technologii koncentrowania zasobów energetycznych. Może również pomóc naukowcom zbadać rolę koherencji kwantowej w termodynamice, z aplikacjami w kwantowych technologiach informatycznych.

Szybkie Błyski Radiowe spoza Drogi Mlecznej

Nowa metoda jest uważana za znaczący hołd dla Einsteina w setną rocznicę pierwszego sformułowania jego zasady równoważności, która jest kluczowym elementem ogólnej teorii względności. Mówiąc bardziej ogólnie: stanowi kluczowy komponent koncepcji mówiącej, że geometria czasoprzestrzeni jest zakrzywiona od gęstości masowej poszczególnych galaktyk, gwiazd, planet i innych obiektów.

Szybkie Błyski Radiowe są super krótkimi wybuchami energii - trwającymi zaledwie kilka milisekund. Do tej pory tylko kilkanaście Szybkich Błysków Radiowych zostało wykryte na Ziemi. Wydają się one być spowodowane tajemniczymi zdarzeniami, niezależnymi od naszej Drogi Mlecznej, a nawet będącymi spoza Lokalnej Grupy Galaktyk, która obejmuje Drogę Mleczną.

Podobnie jak wszystkie inne formy promieniowania elektromagnetycznego, w tym światło widzialne, Szybkie Błyski Radiowe podróżują w kosmosie jako fale cząstek fotonów - ich "częstotliwość" jest w tym samym zakresie co w sygnałach radiowych.

                                                            Błysk

Jeśli Szybkie Błyski Radiowe okażą się pochodzić spoza Drogi Mlecznej, i jeśli ich odległości można dokładnie zmierzyć, będzie to nowym potężnym narzędziem do testowania zasady równoważności Einsteina.

Zasada równoważności Einsteina wymaga, aby każde dwa fotony o różnych częstotliwościach, emitowane w tym samym czasie z tego samego źródła i podróżujące przez te same pola grawitacyjne, powinny przybyć na Ziemię dokładnie w tym samym czasie. Jeśli zasada równoważności Einsteina jest poprawna, każde opóźnienie czasowe, które może wystąpić pomiędzy tymi dwoma fotonami, nie powinno być spowodowane  polami grawitacyjnymi doświadczanymi podczas podróży, ale powinno być powodowane innymi efektami fizycznymi.

Mierząc w jakim czasie dwa fotony - o różnych częstotliwościach – przybędą na Ziemię, możemy sprawdzić, jak blisko prawdy znajduje się zasada równoważności Einsteina.

Owe testy obejmują analizę za pomocą częstości radiowych i wykazują, iż zasada równoważności Einsteina jest prawdziwa w 99,999999%,  - ten wynik to znaczący hołd dla teorii Einsteina.

Sztuczna grawitacja

Obecnie naukowcy badają pola grawitacyjnych biernie: poprzez obserwację starają się zrozumieć istniejące pola grawitacyjne powstające dzięki dużym bezwładnościowym masom, takim jak gwiazdy czy choćby ziemia, nie będąc w stanie ich zmienić, jak to się dzieje, na przykład z polami magnetycznymi. To właśnie ta frustracja doprowadziła do prób rewolucyjnego podejścia: wytwarzania pól grawitacyjnych z dobrze kontrolowanych pól magnetycznych i obserwowania, jak te pola magnetyczne mogą zaginać czasoprzestrzeń.

                                               What is important is gravity

Urządzenie do tworzenia wykrywalnych pól grawitacyjnych opiera się na nadprzewodzących elektromagnesach, a tym samym na technologiach rutynowo stosowanych, na przykład: w CERN lub reaktorze ITER.

Choć ten eksperyment wymagałoby znacznych zasobów, to może być wykorzystywany do testowania ogólnej teorii względności Einsteina. Jeśli się powiedzie, to na pewno będzie dużym krokiem naprzód w dziedzinie fizyki: zdolność do wytwarzania, wykrywania i ostatecznie kontrolowania pola grawitacyjnego. Ludzie mogliby produkować oddziaływania grawitacyjne w taki sam sposób jak w przypadku pozostałych trzech podstawowych oddziaływań (elektromagnetycznych oraz silnych i słabych sił jądrowych). To mogłoby zapoczątkować nową erę eksperymentalnej i przemysłowej grawitacji, przykładowo: telekomunikacji bez konieczności używania satelity lub przekaźników lądowych.

Podróże w czasie

Dlaczego nie wysyłać wiadomości w czasie, ale tak, aby nikt nie mógł odczytać ich zawartości? Może to być kluczem do rozwiązania trudnych problemów.

Okazuje się, że nie otwarta wiadomość może być niezwykle przydatna; stanie się tak jedynie wtedy, jeśli eksperymentator uwikła wiadomość z innym systemem w laboratorium przed jej wysłaniem. Splątanie, dziwny efekt możliwy tylko w dziedzinie fizyki kwantowej, tworzy korelację pomiędzy wiadomością podróżującą w czasie i systemem laboratoryjnym. Te korelacje mogą być paliwem dla obliczeń.

Około dziesięć lat temu badacz Dave Bacon wykazał, że komputer kwantowy podróżujący w czasie mógłby szybko rozwiązać grupę matematycznych problemów,  zaliczanych do najtrudniejszych (NP.-complete).

Komputer kwantowy Bacona podróżowałby wokół zamkniętych krzywych czasu - są to ścieżki utkane przez tkankę czasoprzestrzeni, mające tę właściwość, iż można się cofać w czasie podróżując z jednej na drugą. Ogólna teoria względności pozwala na istnienie takich wygibasów w czasoprzestrzeni zwanych tunelami czasoprzestrzennymi.

Fizycy twierdzą, iż takie domniemania muszą się skończyć, gdyż takie możliwości zagrażają zasadzie przyczynowości -  ktoś może podróżować w czasie i zabić swojego dziadka, czyli zanegować własną egzystencję (kto zabił dziadka?).

Jednak nowe badania pokazują, że komputer kwantowy może rozwiązać nierozwiązywalne problemy, jeśli porusza się wzdłuż otwartych krzywych czasu, czyli takich, które nie stwarzają problemów związanych z przyczynowością. To dlatego, że nie pozwalają one na bezpośrednią interakcję we własnej przeszłości obiektu: cząstki podróżujące w czasie (lub dane w nich zawarte) nie oddziałują ze sobą. Pomimo to, mają możliwość uzyskiwania mocy obliczeniowej dzięki informacjom przechowywanym w splatanych korelacjach. Istnieje jednak zastrzeżenie dla tej teorii – nie wiadomo, czy istnienie otwartych krzywych czasu jest wykonalne, czy istnieją tylko zamknięte krzywe. W takim razie: jakakolwiek informacja z przeszłości zostałaby natychmiast zablokowana; przesłanką ku temu twierdzeniu jest fakt, iż nikt nas nie odwiedza z przeszłości

Względność przyczynowości

W superpozycji kwantowej obiekt może być w dwóch niekompatybilnych stanach w tym samym czasie, co jest znakomicie zilustrowane przez  martwego-i-żywego kota Schrödingera. Najnowsze badania wykazały, że jest możliwe, aby mieć superpozycję nie tylko niezgodnych stanów, ale także niezgodnych zdarzeń. Często myślimy o zdarzeniach, jako występujących w określonym porządku chronologicznym: zdarzenie A powoduje zdarzenie B, lub odwrotnie. Jednak w pewnych procesach kwantowych zdarzenia mogą nie zaistnieć w jednym określonym porządku, mianowicie oba występują w tym samym czasie. Zjawisko to nazywane jest "przyczynową nierozdzielnością”.

"W codziennym życiu, jesteśmy przyzwyczajeni do przeżywania, iż jedno zawsze dzieje się po drugim, efekty po ich przyczynach," Mateus Araújo z Uniwersytetu w Wiedniu oraz Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej w Wiedniu, Austria, powiedział: "Więc to jest trochę niepokojące, aby uświadomić sobie, że w głębi duszy Natura nie działa w ten sposób, że wszystko może się zdarzyć bez określonego porządku przyczynowego, gdzie nie możemy powiedzieć, co jest przyczyną, a co skutkiem."

Do tej pory przyczynowa nierozdzielność była analizowana tylko w bardzo abstrakcyjny sposób, bez wyraźnego interpretacji fizycznej. Ale w nowym artykule opublikowanym w New Journal of Physics, Araújo i współautorzy opisali przykład fizycznego procesu kwantowego, który pokazuje to zjawisko.

"Teoria kwantowa wstrząsnęła naszą wiedzą o rzeczywistości, informując nas, że systemy fizyczne mogą nie mieć określonych właściwości i mogą być w superpozycji niekompatybilnych stanów. Na przykład, biedny kot może być zarówno żywy i martwy jednocześnie. Teraz okazuje się, że nie tylko właściwości fizyczne, ale także związki przyczynowe (lub zdarzenia przyczynowe) same w sobie mogą być nieokreślone.

Fakt, że teoria kwantowa pozwala również na przyczynową nierozdzielność wydarzeń otwiera nowe możliwości; przykładem takiego zadania, wcześniej proponowanego przez fizyka Giulio Chiribella, jest określenie, czy kolejność działań warunkuje różny wynik w efekcie .

Procesy od A do B i od B do A przebiegają symultanicznie i ich rezultaty zawarte są w superpozycji efektów, co samo w sobie stanowi rozwiązanie problemu. 

Efekty kwantowe w życiu codziennym

Świat mechaniki kwantowej jest dziwny: przedmioty, które są daleko od siebie, mogą wpływać na siebie, co Albert Einstein nazwał "upiornym działaniem na odległość" i kot może być potencjalnie martwy i żywy w tym samym czasie. Przez dziesięciolecia naukowcy próbowali udowodnić, że te fakty są nie tylko dziwactwem matematycznym, ale prawdziwą właściwością świata fizycznego.

 Naukowcy wreszcie udowodnili, że związek między cząstkami w odległości odzwierciedla rzeczywistą naturę wszechświata, a nie jest jedynie artefaktem eksperymentalnym. Tymczasem, inny zespół naukowców starał się pokazać, że żywa istota, choćby bakteria, może być w dwóch różnych stanach kwantowych w tym samym czasie - tak jak kot w eksperymencie myślowym Schrödingera.

Według mechaniki kwantowej wirowanie jednego elektronu, nie może być znane przed pomiarem, jednak będzie idealnie korelowało z drugim splątanym elektronem - nawet jeżeli znajdują się one w odległych lokalizacjach. Einsteinowi nie podobało się to, ponieważ wydawało się sugerować, że informacje mogą być przesyłane z jednego do drugiego elektronu natychmiast – co oznaczało złamanie zasady, która mówi, nic nie może podróżować szybciej niż prędkość światła.

Ale w 1960 roku, w Irlandii Północnej, uczony John Bell wymyślił sposób, aby przetestować teorię Einsteina. "Nierówność Bella" jest spełniona tylko wtedy, gdy działania w jednym miejscu, nie mogą wpływać na inne miejsce, w których wyniki pomiarów są dobrze zdefiniowane wcześniej  i występuje w nich coś, co nazywamy "lokalnym realizmem".

Bell pokazał, teoretycznie, że kwantowe splątanie naruszałoby jego test nierówności, ale lokalne teorie ukrytych zmiennych zawierających realizm lokalny Einsteina: nie. To dlatego, że związek między splątanymi cząstkami jest silniejszy, niż Einstein chciał wierzyć. Więc jeśli zmierzona korelacja pomiędzy parami cząstek z eksperymentu była powyżej pewnego progu, byłaby niezgodna z ukrytymi zmiennymi i uwikłanie stało by się decydujące w skutkach.

 Wszystkie implementacje testów  Bella  zawierały luki, które pozostawiały jakieś pole manewru dla wszechświata posłusznemu lokalnej teorii realizmu.

Jedna z nich to to, iż skuteczność tych pomiarów jest zbyt niska (tzw. luki detekcji) - nie można było wykryć niektórych fotonów w eksperymencie.

Kolejną luka było to, że pomiary były zbyt powolne (luka położenia). Urządzenie pomiarowe było w stanie komunikować się  wolniej niż światło.

Nowe badanie jest pierwszym eksperymentem na jednoczesne zamknięcie obu luk w teście nierówności Bella. Naukowcy wykorzystali laser dla dwóch konkretnych elektronów, każdy z nich znajdował się w diamencie 1 km od siebie, aby zwiększyć swoją energię i wyemitować cząstkę światła (foton), który został uwikłany w stan elektronu. Fotony następnie przesyłane były przez włókno optyczne znajdujące się w trzecim położeniu. Jeśli fotony dotarły w tym samym czasie, oznaczało to, iż będą współdziałać ze sobą i stają się splątane - co oznaczało również, iż ich zdalni kumple: elektrony, również będą uwikłani.

Spiny elektronów były następnie mierzone, aby przetestować nierówności Bella. Obie luki zostały zamknięte, zapewniając efektywność i prędkość odczytowej na wystarczająco wysokim poziomie. W rezultacie, zespół był w stanie wykazać niezbicie, że wszechświat nie przestrzega lokalnego realizmu: wyniki pomiarów nie mogą być z góry znane, a połowa splątania  może wywierać działanie na  zdalnego partnera.

Splątanie nie jest jedynym rodzajem niezwykłego zachowania kwantowego. Innym skutkiem, znanym jako superpozycja, jest zdolność cząstek do występowania w dwóch stanach (na przykład wirowania i braku ruchu) jednocześnie, i obserwuje się to regularnie w laboratoriach na całym świecie. Na przykład, elektrony są znane z przemieszczania się przez dwie szczeliny w tym samym czasie - gdy ich nikt nie ogląda. W chwili, gdy obserwujemy każdą szczelinę, aby złapać to zachowanie w działaniu, cząstka wybiera tylko jedną szczelinę.

Jednak nie możemy bezpośrednio obserwować tych faktów w codziennym życiu, i ponieważ nie spotykamy takich dziwnych rzeczy, wydaje się logiczne, że istnieje jakiś przełącznik z dziwnego świata kwantowego do naszej znajomej codzienności.

Ale jaka to jest skala, w której ten przełącznik się znajduje?

A gdybyśmy mogli obserwować  większe obiekty w stanach superpozycji?

Jest to pytanie zadane w myślowym eksperymencie Schrödingera, w którym kot umieszczony jest w zamkniętym opakowaniu, podłączonego do  kolby z trucizną - z jednym atomem radioaktywnym, który ulegają rozkładowi w przypadkowym czasie.

Jeśli atom rozpada, kolba jest uszkodzona, a kot jest zatruty; jeśli nie, kot żyje. Wiemy, że gdy otwieramy opakowanie, musimy stwierdzić czy kot żyje, czy nie, ale czy jest to własność wszechświata, czy obserwatora, która sprawia, że ​​kot "wybiera" swój stan?

Nowa propozycja zakłada wprowadzenie bakterii, a nie kota, w stan superpozycji. Najnowsze osiągnięcia techniczne w oparciu o nadprzewodzące rezonatory mikrofalowe - urządzenia służące do wykrywania promieniowania i obliczeń kwantowych - pozwoliły fizykom kwantowym obserwować efekty w maleńkich elastycznych membranach aluminiowych  połączonych z obwodami.

Membrany określane są jako duże obiekty w świecie fizyki kwantowej, ponieważ  mimo, iż mają  masę zaledwie 50 pikogramów (50 trylionową grama), zawierają setki miliardów atomów.  Rezonatory muszą być więc ochłodzone w ułamku zera absolutnego (-273°C), zanim powstaną efekty kwantowe. W przeciwnym razie termiczne drgania maskowałyby skutki.

Bakteria umieszczana jest na wierzchu takiej membrany, następnie schładzana do najniższego stanu energii. Membranę następnie umieszcza się w superpozycji dwóch różnych stanów ruchu: dwóch różnych rodzajów drgań. Mają one na celu wykazanie, że ​​działanie bakterii na właściwości oscylatora będzie minimalne, przy czym oscylator efektywnie zachowuje się, jak gdyby bakterii nie było.

W ten sposób bakterie skutecznie występują w dwóch stanach ruchu naraz.

Proponowana eksperyment byłby imponujący - ale przede wszystkim pokazuje, że mechanika kwantowa jest prawdziwa dla obiektów większych niż cząstki elementarne. Ale wydaje się mało prawdopodobne, aby odpowiedzieć, czy kot Schrödingera może być żywy i martwy jednocześnie, ponieważ bakteria pozostanie w stałym stanie kriokonserwacji -podobnym do szkła. Gdyby to był kot, to istniałby w letargu, a nie w superpozycji jednoczesnego życia i śmierci.