In der erstaunlichen Welt der Physik wird das Unmögliche zwar nicht sofort, aber dennoch möglich. Und in letzter Zeit haben Wissenschaftler es geschafft, wirklich super unmögliche Dinge zu erreichen. Die Wissenschaft schreitet voran. Nur ein Nudelmonster weiß, was uns sonst noch in seinem geheimsten Darm erwartet. Heute werden wir ein Dutzend unwirklicher Dinge, Zustände und Objekte analysieren, die dank der modernen Physik möglich geworden sind.
Unglaublich niedrige Temperaturen
In der Vergangenheit war es Wissenschaftlern nicht möglich, Objekte unterhalb der sogenannten "Quantengrenze" zu kühlen. Um etwas in einen solchen Zustand abzukühlen, ist es notwendig, einen Laser mit sehr langsam bewegten Atomen zu verwenden und die von ihnen erzeugten wärmeerzeugenden Schwingungen zu unterdrücken.
Die Physiker haben jedoch die richtige Lösung gefunden. Sie stellten eine winzige Aluminium-Vibrationstrommel her und konnten sie auf 360 µK abkühlen, was dem 10.000-fachen der Temperatur in den Tiefen des Weltraums entspricht.
Der Durchmesser der Trommel beträgt nur 20 Mikrometer (der Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt 40-50 Mikrometer). Dank einer neuen Technologie des sogenannten "Quetschlichts", bei der alle Partikel die gleiche Richtung haben, konnte es auf so niedrige Temperaturen abgekühlt werden. Dies eliminiert wärmeerzeugende Schwingungen im Laser. Obwohl die Trommel auf die niedrigstmögliche Temperatur abgekühlt wurde, ist sie nicht die kälteste Art von Materie. Dieser Titel gehört zum Bose-Einstein-Kondensat. Trotzdem spielt die Leistung eine wichtige Rolle. Seit einem Tag könnte eine ähnliche Methode und Technologie ihre Anwendung finden, um ultraschnelle Elektronik zu erzeugen und das seltsame Verhalten von Materialien in der Quantenwelt zu verstehen, die sich in ihren Eigenschaften physikalischen Grenzen nähern.
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Das hellste Licht
Das Licht der Sonne ist blendend hell. Stellen Sie sich nun das Licht einer Milliarde Sonnen vor. Er war es, der kürzlich von Physikern im Labor erschaffen wurde, nachdem er das hellste künstliche Licht der Erde erzeugt hatte, das sich außerdem auf sehr unvorhersehbare Weise verhält. Es verändert das Erscheinungsbild von Objekten. Dies steht dem menschlichen Sehen jedoch nicht zur Verfügung, so dass die Physiker beim Wort bleiben müssen.
Molekulares Schwarzes Loch
Eine Gruppe von Physikern hat kürzlich etwas geschaffen, das sich wie ein Schwarzes Loch verhält. Dazu nahmen sie die weltweit leistungsstärkste Linac Coherent Light Source (LCLS) für Röntgenlaser und kollidierten damit Moleküle aus Iodmethan und Iodbenzol. Ursprünglich sollte der Laserpuls die meisten Elektronen aus der Umlaufbahn der Iodatome ausschalten und an ihrer Stelle ein Vakuum hinterlassen. In Experimenten mit schwächeren Lasern wurde dieser Hohlraum in der Regel sofort mit Elektronen aus den äußersten Grenzen der Atombahn gefüllt. Als der LCLS-Laser einschlug, begann der erwartete Prozess tatsächlich, aber dann folgte ein wirklich erstaunliches Phänomen. Nachdem das Jodatom so aufgeregt war, begann es buchstäblich, Elektronen von nahe gelegenen Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen zu verschlingen. Von außen schien es wie ein kleines schwarzes Loch im Molekül.
Nachfolgende Laserpulse schlugen die angezogenen Elektronen aus, aber der Hohlraum zog immer mehr an. Der Zyklus wurde wiederholt, bis das gesamte Molekül explodierte. Interessanterweise war das Atom des Jodmoleküls das einzige, das ein solches Verhalten zeigte. Da es im Durchschnitt größer als andere ist, kann es eine große Menge Röntgenenergie absorbieren und seine ursprünglichen Elektronen verlieren. Dieser Verlust hinterlässt beim Atom eine ausreichend starke positive Ladung, mit der es Elektronen von anderen, kleineren Atomen anzieht.
Metallischer Wasserstoff
Es wurde der "Heilige Gral der Hochdruckphysik" genannt, aber bis vor kurzem gelang es niemandem, es zu erhalten. Die Möglichkeit der Umwandlung von Wasserstoff in Metall wurde erstmals 1935 angekündigt. Die damaligen Physiker schlugen vor, dass eine solche Transformation durch sehr starken Druck bewirkt werden könnte. Das Problem war, dass die damaligen Technologien keinen solchen Druck erzeugen konnten.
2017 beschloss das amerikanische Physikerteam, zur alten Idee zurückzukehren, verfolgte jedoch einen anderen Ansatz. Das Experiment wurde in einem speziellen Gerät namens Diamantschraubstock durchgeführt. Der von diesem Schraubstock erzeugte Druck wird von zwei synthetischen Diamanten erzeugt, die sich auf beiden Seiten der Presse befinden. Dank dieses Geräts wurde ein unglaublicher Druck erreicht: mehr als 71,7 Millionen psi. Selbst im Erdmittelpunkt ist der Druck geringer.
Computerchip mit Gehirnzellen
Licht, das der Elektronik Leben einhaucht, könnte eines Tages den Strom ersetzen. Die Physiker erkannten vor Jahrzehnten das erstaunliche Potenzial des Lichts, als klar wurde, dass sich Lichtwellen parallel zueinander bewegen und so viele Aufgaben gleichzeitig ausführen können. Unsere Elektronik basiert auf Transistoren, um die Wege für den Stromfluss zu öffnen und zu schließen. Dieses Schema unterliegt vielen Einschränkungen. Vor kurzem haben Wissenschaftler jedoch eine erstaunliche Erfindung geschaffen - einen Computerchip, der die Arbeit des menschlichen Gehirns nachahmt. Dank der Verwendung interagierender Lichtstrahlen, die wie Neuronen in einem lebenden Gehirn funktionieren, kann dieser Chip sehr schnell "denken".
Früher konnten Wissenschaftler auch einfache künstliche neuronale Netze erstellen, für solche Geräte wurden jedoch mehrere Labortische benötigt. Es wurde als unmöglich angesehen, etwas mit der gleichen Effizienz, aber in einer viel kleineren Größe zu schaffen. Und doch ist es gelungen. Der Chip auf Siliziumbasis ist nur wenige Millimeter groß. Und er führt Rechenoperationen mit 16 integrierten Neuronen durch. Es passiert so. Dem Chip wird ein Laserlicht zugeführt, das in mehrere Strahlen unterteilt ist, von denen jeder eine Signalnummer oder Information enthält, deren Helligkeit variiert. Die Ausgangsintensität der Laser liefert die Antwort auf ein numerisches Problem oder auf Informationen, für die eine Lösung erforderlich war.
Unmögliche Form der Materie
Es gibt eine Art von Materie, die als "superfluider Feststoff" bezeichnet wird. Und tatsächlich ist diese Angelegenheit nicht so schrecklich, wie es aus dem Namen hervorgeht. Tatsache ist, dass diese sehr bizarre Form der Materie eine für Feststoffe charakteristische Kristallstruktur aufweist, gleichzeitig aber eine Flüssigkeit ist. Dieses Paradoxon blieb lange Zeit unrealisiert. Im Jahr 2016 haben jedoch zwei unabhängige Gruppen von Wissenschaftlern (Amerikaner und Schweizer) Materie geschaffen, die zu Recht auf die Eigenschaften eines superfluiden Feststoffs zurückgeführt werden kann. Interessanterweise verwendeten beide Teams unterschiedliche Ansätze bei der Erstellung.
Die Schweizer schufen das Bose-Einstein-Kondensat (die kälteste bekannte Substanz), indem sie Rubidiumgas auf extrem niedrige Temperaturen abkühlten. Dann wurde das Kondensat in eine Zweikammeranlage eingebracht, in die jeweils gegeneinander gerichtete kleine Spiegel eingebaut waren. Laserstrahlen wurden in die Kameras gerichtet, was die Transformation auslöste. Die Gaspartikel bauten als Reaktion auf die Laserwirkung die Kristallstruktur des Feststoffs auf, aber im Allgemeinen behielt die Materie ihre flüssigen Eigenschaften bei.
Die Amerikaner erhielten eine ähnliche Hybridmaterie auf der Basis eines Kondensats von Natriumatomen, das ebenfalls stark gekühlt und einem Laser ausgesetzt wurde. Letztere wurden verwendet, um die Dichte der Atome vor dem Auftreten einer kristallinen Struktur in flüssiger Form zu verschieben.
Flüssigkeit mit negativer Masse
2017 haben die Physiker eine wirklich coole Sache geschaffen: eine neue Form der Materie, die sich in Richtung der Kraft bewegt, die sie abstößt. Obwohl es sich nicht wirklich um einen Bumerang handelt, hat diese Angelegenheit eine negative Masse. Bei einer positiven Masse ist alles klar: Sie beschleunigen ein Objekt und es beginnt sich in die Richtung zu bewegen, in die diese Beschleunigung übertragen wurde. Wissenschaftler haben jedoch eine Flüssigkeit geschaffen, die ganz anders funktioniert als alles in der physischen Welt. Beim Drücken beschleunigt es zur Quelle der ausgeübten Beschleunigung.
Und wieder kam das Bose-Einstein-Kondensat in dieser Angelegenheit zur Rettung, in dessen Rolle die Rubidiumatome auf ultraniedrige Temperaturen abgekühlt wurden. So haben Wissenschaftler eine superfluide Flüssigkeit mit normaler Masse erhalten. Dann komprimierten sie die Atome mit Lasern stark. Dann erregten sie mit dem zweiten Satz Laser die Atome so stark, dass sie ihre Spins veränderten. Wenn die Atome vom Lasergriff befreit würden, wäre die Reaktion einer gewöhnlichen Flüssigkeit der Drang, sich vom Fixierungszentrum zu bewegen, was tatsächlich als Drücken interpretiert werden kann. Die Rubidium-Superfluid-Flüssigkeit, deren Atome ausreichend beschleunigt wurden, blieb jedoch an Ort und Stelle, wenn sie aus dem Lasergriff gelöst wurde, wodurch eine negative Masse gezeigt wurde.
Zeitkristalle
Als Frank Wilczek, der Nobelpreisträger, zum ersten Mal die Idee von Zeitkristallen vorschlug, klang das verrückt. Insbesondere in dem Teil, in dem erklärt wurde, dass diese Kristalle Bewegung haben können, während sie in einem Ruhezustand bleiben, dh das niedrigste Energieniveau der Materie zeigen. Es schien unmöglich, da Energie für die Bewegung benötigt wird und die Theorie wiederum besagt, dass solche Kristalle praktisch keine Energie enthalten. Wilczek glaubte, dass eine ständige Bewegung erreicht werden kann, indem der Grundzustand des Kristallatoms von stationär zu periodisch geändert wird. Dies verstieß gegen die uns bekannten Gesetze der Physik, aber 2017, 5 Jahre nachdem Wilczek dies vorgeschlagen hatte, fanden die Physiker einen Weg, dies zu tun. Als Ergebnis wurde an der Harvard University ein Zeitkristall erzeugt, in dem sich Stickstoffverunreinigungen in Diamanten "drehten".
Bragg Spiegel
Der Bragg-Spiegel ist nicht stark reflektierend und besteht aus 1000-2000 Atomen. Es ist jedoch in der Lage, Licht zu reflektieren, was es überall dort nützlich macht, wo winzige Spiegel benötigt werden, beispielsweise in der fortschrittlichen Elektronik. Die Form eines solchen Spiegels ist ebenfalls ungewöhnlich. Seine Atome sind im Vakuum suspendiert und ähneln einer Perlenkette. Im Jahr 2011 konnte eine deutsche Gruppe von Wissenschaftlern einen Bragg-Spiegel herstellen, der zu diesem Zeitpunkt den höchsten Reflexionsgrad aufwies (etwa 80 Prozent). Zu diesem Zweck haben Wissenschaftler 10 Millionen Atome in einer Gitterstruktur kombiniert.
Später fanden Forscherteams aus Dänemark und Frankreich jedoch einen Weg, die Anzahl der benötigten Atome signifikant zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Reflexionseffizienz aufrechtzuerhalten. Anstatt sich eng umeinander zu bündeln, wurden die Atome entlang einer mikroskopisch kleinen optischen Faser angeordnet. Mit der richtigen Platzierung ergeben sich die notwendigen Bedingungen - die Lichtwelle wird direkt zurück zu ihrem Ursprungspunkt reflektiert. Wenn Licht durchgelassen wird, brechen einige der Photonen aus der Faser aus und kollidieren mit Atomen. Die Reflexionseffizienzen des dänischen und des französischen Teams sind sehr unterschiedlich und liegen bei 10 bzw. 75 Prozent. In beiden Fällen kehrt das Licht jedoch zu seinem Ursprungspunkt zurück (dh wird reflektiert).
Neben vielversprechenden Vorteilen bei der Entwicklung der Technologie können solche Spiegel in Quantenvorrichtungen nützlich sein, da Atome zusätzlich das Lichtfeld nutzen, um miteinander zu interagieren.
2D Magnet
Physiker haben seit den 1970er Jahren versucht, einen zweidimensionalen Magneten zu erzeugen, sind aber immer gescheitert. Ein echter 2D-Magnet muss seine magnetischen Eigenschaften behalten, selbst wenn er in einen Zustand versetzt wird, in dem er zweidimensional oder nur ein Atom dick wird. Wissenschaftler begannen sogar zu bezweifeln, dass so etwas überhaupt möglich war.
Im Juni 2017 konnten Physiker, die Chromtriiodid verwendeten, endlich einen zweidimensionalen Magneten erzeugen. Die Verbindung erwies sich von mehreren Seiten gleichzeitig als sehr interessant. Seine geschichtete Kristallstruktur eignet sich hervorragend zum Verjüngen, und außerdem haben seine Elektronen die gewünschte Spinrichtung. Diese wichtigen Eigenschaften ermöglichen es Chromtriiodid, seine magnetischen Eigenschaften auch dann beizubehalten, wenn seine Kristallstruktur auf die Dicke der letzten Atomschichten reduziert wurde.
Der weltweit erste 2D-Magnet könnte bei einer relativ hohen Temperatur von -228 Grad Celsius hergestellt werden. Seine magnetischen Eigenschaften hören bei Raumtemperatur auf zu wirken, da Sauerstoff es zerstört. Die Experimente werden jedoch fortgesetzt.
NIKOLAY KHIZHNYAK
