Delen:
10 Onmogelijke dingen Natuurkundigen zojuist mogelijk gemaakt
In de vreemde wereld van de natuurkunde is het onmogelijke altijd mogelijk. Maar de laatste tijd zijn veel wetenschappers erin geslaagd om zelfs dit voorbehoud te overtreffen en hebben enkele spectaculaire primeurs bereikt.
10 Law-Bending Coldness
In het verleden konden wetenschappers een object niet afkoelen voorbij een barrière die de "quantumlimiet" wordt genoemd. Om iets ijsvrij te maken, moet een laser zijn atomen en hun hitte producerende trillingen vertragen. Ironisch genoeg brengt laserlicht de deal warm. Ondanks het verlagen van de temperatuur, voorkomt het ook dat het onder de kwantumlimiet daalt. Verrassend genoeg ontwierpen natuurkundigen een vat trilaluminium en slaagden erin de temperatuur te verlagen tot 360 microKelvin, of 10.000 keer meer gekoeld dan de diepte van de ruimte. De trommel had een diameter van 20 micrometer (een menselijk haar is 40-50 micrometer) en het experiment trotseerde de bekende limiet.
Eens gedacht dat het onmogelijk was, was de doorbraak een nieuwe lasertechniek die licht kan "knijpen", en de deeltjes met een meer intense stabiliteit in één richting kan richten. Hierdoor verdwenen de fluctuaties van de laser die warmte toevoegden. De trommel is het meest koude mechanische voorwerp ooit geregistreerd, maar niet de koudste kwestie, dat is een Bose-Einstein-condensaat. Toch zou de prestatie ooit een rol kunnen spelen in supersnelle elektronica en het vreemde gedrag van de kwantumwereld helpen ontrafelen dat verschijnt wanneer materialen hun fysieke grenzen naderen.
9 Het helderste licht
De uitstraling van onze eigen zon is al opmerkelijk. Stel je nu het gecombineerde licht voor van een miljard zonnen. Dat is ongeveer het equivalent van wat natuurkundigen onlangs tot leven brachten in een laboratorium. Officieel de helderste helderheid ooit op aarde gezien, gedroeg het licht zich ook op een onverwachte manier. Het veranderde de uiterlijkheden van objecten.
Om dit te begrijpen, moet men kijken naar hoe zicht werkt. Fotonen moeten zich uit elektronen verspreiden voordat het zicht mogelijk wordt. Onder normale omstandigheden botsen elektronen één foton tegelijk. Als iets helderder wordt, blijft de vorm meestal hetzelfde als bij weinig licht. De krachtige laser die in het experiment werd gebruikt, verspreidde een verbazingwekkende 1.000 fotonen. Omdat verstrooiing gelijk is aan zichtbaarheid, veranderde de intensiteit waarmee het plaatsvond de manier waarop de fotonen zich gedroegen en dus hoe een verlicht object werd waargenomen. Dit vreemde effect werd duidelijker toen het superzonlicht sterker werd. Omdat de normale energie en richting van de fotonen werden veranderd, werden licht en kleuren op ongebruikelijke manieren geproduceerd.
8 Moleculair zwart gat
Een team van natuurkundigen heeft onlangs iets gemaakt dat zich als een zwart gat gedroeg. Ze hebben de meest krachtige röntgenlaser in het leven geroepen, de Linac Coherent Light Source (LCLS), om joodmethaan en joodbenzeenmoleculen weg te zappen. Onderzoekers verwachtten dat de bundel de meeste elektronen uit het jodiumatoom van het molecuul zou opdoen, waardoor een vacuüm ontstaat. In experimenten met zwakkere lasers, stofde deze leegte elektronen op uit het buitenste deel van het atoom. Toen LCLS toesloeg, gebeurde het verwachtte - gevolgd door iets verrassends. In plaats van te stoppen met zichzelf, begon het jodiumatoom elektronen te eten van naburige waterstof- en koolstofatomen. Het was als een klein zwart gat in een molecuul.
Daaropvolgende explosies sloegen de gestolen elektronen uit, maar de leegte zoog nog wat binnen. De cyclus werd herhaald totdat het gehele molecuul explodeerde. Het jodiumatoom was het enige atoom dat zich zo gedroeg. Groter dan de rest, absorbeerde het een enorme hoeveelheid röntgenstralenergie en verloor de oorspronkelijke elektronen. Het verlies verliet het atoom met een sterk genoeg positieve lading om de elektronen van kleinere atomen te ontdoen.
7 Metallic waterstof
Het wordt de 'heilige graal van hogedrukfysica' genoemd, maar tot nu toe is geen enkele wetenschapper er ooit in geslaagd metaalwaterstof te smeden. Als een mogelijke supergeleider is het een zeer gewilde vorm van het normaal gasvormige element. De mogelijkheid om waterstof in een metaal te veranderen werd voor het eerst voorgesteld in 1935. Natuurkundigen theoretiseerden dat massale druk de transformatie kon veroorzaken. Het probleem was dat niemand zo'n extreme druk kon produceren.
In 2017 paste een Amerikaans team een oude techniek aan en introduceerde het theoretische materiaal voor de eerste keer. Eerdere experimenten werden uitgevoerd in een apparaat dat een aambeeldcel van een diamant wordt genoemd. Force wordt gegenereerd door twee synthetische diamanten tegenover elkaar te gebruiken, maar ze hebben altijd gekraakt op het kritieke punt. De fysici gebruikten de celkamer, maar ontwierpen een nieuw vormings- en polijstproces dat de gevreesde breuken verhinderde. Het apparaat kon toen een duizelingwekkende druk produceren: meer dan 71,7 miljoen pond per vierkante inch. Zelfs in het centrum van de aarde vind je zo'n druk niet.
6 Computerchip met hersencellen
Als het gaat om de levensader van elektronica, kan licht op een dag elektriciteit vervangen. Natuurkundigen begrepen het potentieel van licht in dit opzicht, tientallen jaren geleden, toen duidelijk werd dat de golven naast elkaar konden reizen en zo een groot aantal taken tegelijk konden uitvoeren. Traditionele elektronica maakt gebruik van transistors om paden voor elektriciteit te openen en te sluiten, waardoor er minder kan worden gedaan. Een opmerkelijke recente uitvinding was een computerchip die het menselijk brein nabootst. Het "denkt" snel door lichtstralen te gebruiken die op elkaar inwerken, op een manier die analoog is aan neuronen.
In het verleden werden eenvoudiger neurale netwerken gemaakt, maar de apparatuur omvatte meerdere tabellen. Alles kleiner werd als onmogelijk beschouwd. Gemaakt van silicone meet de nieuwe chip een paar millimeter breed en wordt berekend met 16 neuronen.Laserlicht komt in de chip en splitst zich vervolgens in bundels die elk signaal nummert of informatie door te variëren in helderheid. De intensiteit van de lasers die afsluiten geeft het antwoord op het aantal malen crunchen of welke informatie dan ook waarvoor een oplossing is gevraagd.
5 Onmogelijke vorm van materie
Zeg hallo tegen supersolids. Deze excentrieke is niet zo verschrikkelijk hard als de naam aangeeft. In plaats daarvan heeft het bizarre materiaal de stijve kristallijne structuur van alle vaste stoffen terwijl het tegelijkertijd een vloeistof lijkt te zijn. Deze paradox was geoormerkt om niet-gereali- seerd te blijven omdat het in strijd is met de bekende fysica. In 2016 produceerden twee onafhankelijke wetenschappelijke teams echter materialen met de handelsmerken van een supersolid. Ongelofelijk, beide gebruikten verschillende benaderingen om te doen wat velen dachten dat niet één enkele techniek zou kunnen bereiken.
De Zwitserse wetenschappers creëerden een Bose-Einstein-condensaat (de koudste materie ooit) door vacuümkoeling van rubidiumgas tot het ijzige uiterste. Het condensaat werd vervolgens verplaatst naar een inrichting met twee kamers, waarbij elke kamer kleine tegenovergestelde spiegels bevatte. Lasers moedigden een transformatie aan, en de deeltjes reageerden door zichzelf in het kristallijne patroon van een vaste stof te plaatsen, terwijl het materiaal zijn vloeibaarheid handhaafde. De Amerikanen kwamen tot dezelfde vreemde hybride materie, maar creëerden hun condensaat na de behandeling van natriumatomen met verdampingskoeling en lasers. Vervolgens gebruikten ze lasers om de dichtheid van de atomen te verschuiven totdat de kristalachtige structuur in hun vloeibare monster verscheen.
4 Negatief-massavloeistof
In 2017 ontwierpen fysici een verbijsterend ding: een vorm van materie die zich beweegt in de richting van de kracht die hem weg duwde. Hoewel het niet echt een boemerang is, heeft het wat je negatieve massa zou noemen. Positieve massa is de normaliteit die de meeste mensen gewend zijn: je duwt iets, en het voorwerp zal versnellen in de richting waarin het werd ingedrukt. Voor de eerste keer werd een vloeistof gecreëerd die zich gedraagt zoals niemand ooit in de fysieke wereld heeft gezien. Wanneer ingedrukt, versnelt het achteruit.
Nogmaals, een Bose-Einstein-condensaat was bevuild met rubidium-atomen. Wetenschappers hadden nu een superfluïde met reguliere massa. Ze droegen de atomen stevig samen met lasers. Toen maakten een tweede reeks lasers zich zorgen over de atomen om de manier waarop ze spinnen te veranderen. Wanneer het vrijkomt uit de nauwe greep van de eerste lasers, zou een normale vloeistof zich naar buiten hebben verspreid en weg van het midden, wat in feite het duwen is. Het gewijzigde rubidium-superfluïde verspreidde zich niet snel wanneer het werd vrijgegeven maar stopte dood in een weergave van negatieve massa.
3 tijd kristallen
Toen Frank Wilczek, een natuurkundig Nobelprijswinnaar, tijdkristallen suggereerde, klonk het idee gek - vooral het deel dat ze beweging konden produceren op grondniveau, het laagste niveau van energie in materie. Beweging is theoretisch onmogelijk omdat er energie nodig is waar er weinig tot niets is. Wilczek geloofde dat eeuwigdurende beweging kon worden bereikt door de atomaire uitlijning van een kristal in en uit de grondtoestand om te draaien. De atomaire structuur van zo'n object zou in de loop van de tijd worden herhaald, waardoor constant schakelen mogelijk is zonder dat er energie voor nodig is. Dit druiste in tegen de wetten van de natuurkunde, maar in 2017, vijf jaar nadat Wilczek de bizarre kwestie voor ogen had, kwamen natuurkundigen erachter hoe ze iets konden maken.
Eén team manipuleerde tien onderling verbonden ytterbiumionen met twee lasers. Eén vormde een magnetisch veld, terwijl de tweede de atomen draaide totdat Wilczek's flipping plaatsvond. Op Harvard werd een tijdkristal geboren toen stikstofonzuiverheden in diamanten werden omgedraaid. Hoewel tijdkristallen nu worden geaccepteerd en niet alleen maar een krankzinnige theorie, moeten ze periodiek worden afgeluisterd om te blijven flippen. Het zijn misschien niet de eeuwigdurende apparaten van Wilczek, maar tijdkristallen blijven anders dan alles wat onderzoekers ooit hebben bestudeerd.
2 Bragg Mirrors
Een Bragg-spiegel kan niet veel weerspiegelen en heeft een sierlijke grootte van 1.000 tot 2.000 atomen. Maar het kan licht reflecteren, wat het nuttig maakt op plaatsen waar de kleinste spiegels nodig zijn, zoals in geavanceerde elektronica. De vorm is niet conventioneel; de atomen hangen in een vacuüm, lijkend op een rij kralen. In 2011 creëerde een Duitse groep tot nu toe de meest reflectieve groep (80 procent) door een bundel van tien miljoen atomen in een roosterpatroon te laseren.
Sindsdien hebben de Deense en Franse teams het aantal benodigde atomen sterk gecondenseerd. In plaats van atomen samen te bundelen die op elkaar zaten, spoorden ze ze naast microscopische optische vezels. Wanneer correct uit elkaar geplaatst, wordt de Bragg-conditie toegepast, die een golflengte van licht direct teruggeeft naar het punt van oorsprong. Toen licht werd overgedragen, ontsnapten sommigen aan de vezel en raakten de atomen. De Deense en Franse strings weerspiegelden respectievelijk ongeveer 10 en 75 procent, maar beiden brachten het licht terug in de vezel in de tegenovergestelde richting. Afgezien van de belofte van onbeperkte vooruitgang in technologie, kan het op een dag ook nuttig blijken te zijn in vreemde kwantumapparaten, omdat de atomen bovendien het lichtveld gebruiken om met elkaar in wisselwerking te staan.
1 2-D magneet
Natuurkundigen proberen sinds de jaren 1970 een 2-D magneet te maken, maar hebben altijd een mislukking gehad. Een echte 2-D magneet behoudt zijn magnetische eigenschappen zelfs nadat hij is uitgekleed tot de staat die hem tweedimensionaal maakt - een laag met slechts één atoomdikte. Wetenschappers begonnen te twijfelen of een dergelijke magneet zelfs mogelijk was.
In juni 2017 kozen onderzoekers voor chroomtriodide in hun poging om eindelijk een 2-D magneet te creëren. De verbinding was om verschillende redenen aantrekkelijk: het was een gelaagd kristal, perfect voor verdunnen, en begiftigd met een permanent magnetisch veld, en de elektronen ervan hadden een voorkeursspinrichting.Dit waren kritieke pluspunten die hielpen om het chroomtriodide magnetisch te houden, zelfs nadat het kristal was afgepeld tot zijn laatste atomenlaag.
'S Werelds eerste echte 2-D magneet kwam uit met een verrassend warme -228 graden Celsius (-378 ° F). Het werd geen magneet meer toen een tweede laag werd vervangen, maar kreeg zijn eigenschappen opnieuw toen een derde en vierde vel werden toegevoegd. Op dit moment werkt het niet op kamertemperatuur, en zuurstof beschadigt het. Ondanks hun fragiliteit, zullen 2-D magneten fysici toestaan om experimenten uit te voeren die tot nu toe niet mogelijk waren.