Ćwiczenia z przepisywania, wklepywania i zapamiętywania. Ten artykuł z wrześniowego numeru umknął mojej uwadze, ale wrócił, i jakkolwiek materia, nomen omen, jest trudna do zrozumienia dla mnie, postanowiłem przepisać fragment. Te pomysły przypomniały mi prace nad metamateriałami. Pomyślałem, że może dałoby się w ten sposób projektować metamateriały.
SCIENTIFIC AMERICAN, edycja polska
ŚWIAT NAUKI, wrzesień 2023
FIZYKA
Charles D. Brown II zajmuje stanowisko assistant professora fizyki na Yale University, gdzie wykorzystuje sieci optyczne do badania fizyki materii skondensowanej.
Naśladowanie materii światłem
W KOMORZE O KSZTAŁCIE SZEŚCIOKĄTA z ultrawysoką próżnią fizycy używają laserów do tworzenia sieci optycznych, które naśladują sieci krystaliczne w ciałach stałych. Eksperymenty odtwarzające materiały za pomocą fal świetlnych ujawniają kwantowe podstawy egzotycznych efektów fizycznych
Charles D. Brown II
WIELE POZORNIE PROZAICZNYCH MATERIAŁÓW, takich jak stal nierdzewna w lodówkach lub kwarc w kuchennych blatach, kryje w sobie fascynującą fizykę. Materiały te są kryształami, co w fizyce oznacza, że są wykonane z wysoce uporządkowanych, powtarzających się wzorów regularnie rozmieszczonych atomów zwanych sieciami atomowymi. Sposób w jaki elektrony poruszają się w sieci, przeskakując od atomu do atomu, determinuje wiele właściwości ciała stałego, takich jak jego barwa, przezroczystość oraz zdolność do przewodzenia ciepła i elektryczności. Dla przykładu, metale są błyszczące, ponieważ zawierają wiele swobodnych elektronów, które mogą absorbować światło, a potem je w większości reemitować, co sprawia, że ich powierzchnie lśnią.
Tutaj dokonałem przeskoku, wszak to ćwiczenia.
SZTUCZNE KRYSZTAŁY
ABY ZROZUMIEĆ, CO DZIEJE SIĘ Z ELEKTRONAMI w punktach Diraca, musimy obserwować je z bliska. Idealnym do tego sposobem są nasze eksperymenty z siecią optyczną. Pozwalają one na uzyskanie łatwo kontrolowanej repliki materiału, którą możemy w szczególny sposób obrabiać w laboratorium. Jako substytutów elektronów używamy ultrazimnych atomów rubidu schłodzonych do temperatury około miliona razy niższej niż temperatura przestrzeni kosmicznej, do symulacji sieci grafenowej wykorzystujemy zaś światło.
Światło jest zarówno cząstką, jak i falą, co oznacza, że w zależności od ustawienia może ze sobą interferować, wzmacniając lub znosząc inne fale. Interferencję światła laserowego wykorzystujemy do tworzenia układów jasnych i ciemnych punktów, które stają się siecią. W prawdziwym grafenie pewne dodatnio naładowane obszary sześciokąta węglowego przyciągają elektrony, my zaś możemy ułożyć nasze ultrazimne atomy tak, aby były przyciągane lub odpychane od analogicznych miejsc w naszej sieci optycznej. Zależy to od długości fali używanego światła lasera. Padające na atom światło o odpowiedniej energii (światło czerwone) może zmienić stan i energię znajdującego się w nim elektronu, wywierając na niego odpowiednie siły. Zazwyczaj używamy sieci optycznych, "dostrojonych do czerwieni", co oznacza, że światło lasera w sieci ma długość fali większą niż długość światła rezonansowego. W rezultacie atomy rubidu są przyciągane przez jasne punkty w sześciokącie.
W ten sposób mamy już podstawowe składniki sztucznego kryształu. Po raz pierwszy naukowcy pomyśleli o takich ultrazimnych atomach w sieciach optycznych pod koniec lat 90., a wytworzyli je na początku XXI wieku. Odstępy między punktami sieci tych sztucznych kryształów wynoszą setki nanometrów, a nie ułamki nanometra, które oddzielają atomy w krysztale. Większa odległość oznacza, że sztuczne kryształy są skutecznie powiększonymi wersjami prawdziwych kryształów, a proces przeskakiwania atomów jest w nich znacznie wolniejszy, co pozwala bezpośrednio obrazować ruchy ultrazimnych atomów. Co więcej, możemy kontrolować te atomy w sposób, który nie jest możliwy w przypadku elektronów.
W latach 2019-2022 odbywałem staż podoktorski w grupie Ultracold Atomic Physics na University of California w Berkeley. W tamtejszym laboratorium znajdują się dwa specjalne stoły (o wymiarach około 1 m szerokości, 2,5 m długości i 0,3 m wysokości), z których każdy waży około tony i wznosi się na pneumatycznych nogach tłumiących wibracje. Na każdym ze stołów znajdują się setki elementów optycznych: m.in. luster, soczewek detektorów światła. Na pierwszym wytwarzane jest światło laserowe służące do łapania, chłodzenia i obrazowania atomów rubidu. Na drugim znajdują się wykonana ze stali "ultrawysoka" komora próżniowa, w której ciśnienie jest mniejsze niż ciśnienie na niskiej orbicie okołoziemskiej, a także setki innych elementów optycznych.
Komora próżniowa ma wiele ułożonych sekwencyjnie przedziałów o różnym przeznaczeniu. W pierwszym przedziale podgrzewamy pięciogramowy kawałek rubidu do temperatury ponad 100 stopni Celsjusza, co skutkuje emisja pary rubidowej. Para jest wdmuchiwana do następnego przedziału niczym woda tryskająca z węża. W drugim przedziale używamy pól magnetycznych i promieni laserowych po to, aby zmniejszyć prędkość pary. Spowolniona para przepływa następnie do kolejnego przedziału: pułapki magnetooptycznej, w której zostaje schwytana przez układ pól magnetycznych i wiązek laserowych. Kamery na podczerwień monitorują uwięzione atomy, które pojawiają się na naszym ekranie jako jasno świecące kule. W tym momencie atomy są zimniejsze niż ciekły hel. W kolejnym etapie przenosimy zimną chmurę atomów rubidu do ostatniej komory, wykonanej w całości z kwarcu. Tam oświetlamy chmurę zarówno światłem laserowym, jak i mikrofalami, co powoduje, że najcieplejsze atomy zostają odparowane. W efekcie rubid przechodzi ze stanu normalnego gazu do egzotycznej fazy materii zwanej kondensatem Bosego-Einsteina (Bose-Einstein Condensate; BEC). W stanie BEC prawa mechaniki kwantowej pozwalają atomom na delokalizację - rozprzestrzenianie się i nakładanie na siebie w taki sposób, że wszystkie atomy w kondensacie działają zgodnie. Temperatura atomów w kondensacie jest niższa niż 100 nanokelwinów, czyli miliard razy niższa niż temperatura ciekłego azotu.
W tym momencie do komórki kwarcowej kierujemy trzy wiązki laserowe oddzielone od siebie o 120 stopni (ich kształt z grubsza przypomina literę Y). Na przecięciu trzech wiązek lasery interferują ze sobą i tworzą dwuwymiarową sieć optyczną, która wygląda jak plaster miodu z jasnych i ciemnych punktów. Następnie przesuwamy sieć optyczną tak, aby pokrywała się z BEC. W sieci jest mnóstwo miejsca na atomy, które mogą po niej skakać, mimo że rozciąga się ona obszarze szerokości ludzkiego włosa. na koniec zbieramy i analizujemy zdjęcia atomów po tym, jak kondensat spędził trochę czasu w sieci optycznej. Cały ten skomplikowany proces przeprowadzamy co około 40 s. Nawet po latach pracy nad tym eksperymentem, gdy po raz kolejny widzę jego przebieg, myślę sobie: "To niesamowite!"
Koniec ćwiczeń.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz