Några upptäckter som är otroligt viktiga och som ur mitt perspektiv är fundamentala eftersom de handlar om fundamental fysik för komplexa system även om de inte berör ny fundamental fysik i betydelsen nya fysikaliska lagar.
Det första Bose-Einstein-kondensatet (1995)
Högtemperatursupraledare (1986)
Långsamt ljus - ca 60 km/h (1999)
Konstruktion av 0-dimensionella nano-objekt som kvantprickar (1988)
Evolute, skulle du kunna förklara de två senare lite mer noggrant, eller ge mig några länkar?
De två första är jag ju helt med på (såklart ), men inte de två senare. Låter mycket, mycket intressant!
Långsamt ljus fås "helt enkelt" genom att låta ljuset passera genom ett material där ljusets hastighet är ENORMT mycket lägre. Exempelvis är brytningsindex för vatten ca 1.3 och det betyder att ljuset är 1/1.3 = 77 % så snabbt i vatten som i vakuum. Om man kan ändra brytningsindex n så att det blir godtyckligt stort kan man sakta ned ljus godtyckligt långsamt och helt enkelt "frysa in" ljus. Kan man kontrollera detta innebär det att du kan fånga ljuset, hålla kvar det i din lilla låda i den tid du önskar och sedan trycka på en knapp för att släppa ut det igen.
Ett sätt att få ned ljushastigheten är att låta det passera genom ett Bose-Einstein-kondensat. Du kan läsa om det här:
Det finns dock mängder av sätt på vilka man kan sakta ned ljus, exempelvis med hjälp av fotoniska kristaller som är genomskinliga material som är nanostrukturerade på ett sätt som ger dem väldigt speciella egenskaper. Exempelvis erhålls bandgap vilka är frekvensområden för vilka materialet inte längre är genomskinligt, samt frekvensområden där ljuset färdas med godtyckligt låg hastighet. IBM har producerat ett chip baserat på den här tekniken.
Alla partiklar är associerade med en given våglängd som på ett sätt avgör deras effektiva storlek. Om du stoppar in en elektron i en metallbit kan den röra sig i tre riktningar men om du minskar metallbitens tjocklek tillräckligt mycket så att den blir jämförbar med elektronens våglängd så kan den inte längre röra sig i tjocklekens riktning och den upplever materialet som tvådimensionellt. Detta kallas en kvantbrunn. Minskar du den andra längdriktningen lika mycket så får du ett endimensionellt objekt - en kvanttråd och minskar du alla dimensioner så mycket så erhålls ett nolldimensionellt objekt - en kvantprick. Kvantprickar beter sig på många sätt som artificiella atomer - de har diskreta energinivåer precis som ex. väte och således har de vissa specifika energier för vilka de kan absorbera och emittera strålning. Genom att kontrollera prickens storlek, form och materialparametrar får vi en konfigurerbar konstgjord atom som kan användas för en mängd saker.
En typisk kvantprick är mellan 10 och 100 nm i storlek och de kan skapas med samma processer som används inom mikroelektronik eller genom självorganisering. Man kan tänka sig att använda kvantprickar som bitarna i en kvantdator, som färgmedel, eller som aktiva optiska komponenter.
När vi har en stor mängd partiklar och vi inte är intresserade av deras individuella mikroskopiska egenskaper utan mängdens makroskopiska egenskaper så kan man använda matematisk statistik och enbart titta på medelegenskaper. Detta kallas statistisk mekanik. Mängden partiklar karaktäriseras bland annat av en fördelningsfunktion som lite grovt anger hur stor del av partiklarna som är i ett givet energitillstånd. För klassiska partiklar, som exempelvis luften i ditt rum, används Maxwell-Boltzmannstatistik och där sannolikheten för att ett tillstånd är ockuperat är exponentiellt avtagande som funktion av kvoten av tillståndsenergin och den termiska energin (kB*T).
I kvantmekanik är två elektroner EXAKT lika och kan inte skiljas på i princip och detta leder till helt annorlunda statistik som beror på partiklarnas spinn. Spinn är en helt kvantmekanisk egenskap som ofta liknas med partikelns rotation men detta är bara en analogi. Partiklar som har heltalsspinn, exempelvis helium-4-atomer och fotoner, kallas med ett samlingsnamn för bosoner och de följer s.k. Bose-Einstein statistik. Partiklar som har halvtalsspin (1/2, 3/2, etc), exempelvis elektroner och protoner, kallas fermioner och följer Fermi-Dirac statistik.
I Fermi-Dirac-statistik kan två partiklar inte inneha samma tillstånd och vi måste således hela tiden gå till högre och högre temperaturer. Exemplvis har elektronerna i en metall vid rumstemperatur en energi som en klassisk gas skulle behöva bli uppvärmd till ca 50000 C för att uppnå.
I Bose-Einstein-statistik finns inget hinder mot att två partiklar innehar samma energi-tillstånd. Detta syns om vi tittar på det förväntade antalet partiklar i tillstånd i som ges av
f = gi/(exp((εi-μ)/(kT)) - 1)
där gi är antal tillstånd med energin εi, k är Boltzmanns konstant, T är temperaturen och μ den kemiska potentialen. Vad händer när T blir liten, jo du får Maxwell-Boltzmanns fördelning men... det finns en liten "twist". Då partiklarna inte kan särskiljas kommer det bli mest sannolikt att alla partiklarna hamnar i det lägsta energitillståndet. Det finns en bra förklaring på wikipedia till varför det måste bli så.
Consider a collection of N noninteracting particles which can each be in one of two quantum states, |0> and |1>. If the two states are equal in energy, each different configuration is equally likely.
If we can tell which particle is which, there are 2N different configurations, since each particle can be in |0> or |1> independently. In almost all the configurations, about half the particles are in |0> and the other half in |1>. The balance is a statistical effect--- the number of configurations is largest when the particles are divided equally.
If the particles are indistinguishable, however, there are only N+1 different configurations. If there are K particles in state |0>, there are N-K particles in state |1>. Whether any particular particle is in state |0> or in state |1> can't be determined, so each value of K determines a unique quantum state for the whole system. If all these states are equally likely, there is no statistical spreading out--- it is just as likely for all the particles to sit in |0> as for the particles to be split half and half.
Supposing now that the energy of state |1> is slightly greater than the energy of state |0> by an amount E. At temperature T, a particle will have a lesser probability to be in state |1> by exp(-E/T). In the distinguishable case, the particle distribution will be biased slightly towards state |0> and the distribution will be slightly different from half and half. But in the indistinguishable case, since there is no statistical pressure toward equal numbers, the most likely outcome is that all the particles will collapse into state |0>.
In the distinguishable case, for large N, the fraction in state |0> can be computed. It is the same as coin flipping with a coin which has probability p=exp(-E/T) to land tails. The fraction of heads is 1/(1+p), which is a smooth function of p, of the energy.
In the indistinguishable case, each value of K is a single state, which has its own separate Boltzmann probability. So the probability distribution is exponential:
P(K)= Cexp(-KE/T) = Cp^K
For large N, the normalization constant C is (1-p). The expected total number of particles which are not in the lowest energy state, in the limit that N → ∞, is equal to ∑{n>0} Cnp^n = p/(1-p) . It doesn't grow when N is large, it just approaches a constant. This will be a negligible fraction of the total number of particles. So a collection of enough bose particles in thermal equilbrium will mostly be in the ground state, with only a few in any excited state, no matter how small the energy difference.
Consider now a gas of particles, which can be in different momentum states labelled |k>. If the number of particles is less than the number of thermally accessible states, for high temperatures and low densities, the particles will all be in different states. In this limit the gas is classical. As the density increases or the temperature decreases, the number of accessible states per particle becomes smaller, and at some point more particles will be forced into a single state than the maximum allowed for that state by statistical weighting. From this point on, any extra particle added will go into the ground state.
Det du får är ett "stortillstånd" som alla partiklarna ingår i. De beter sig som en enda superpartikel och det ger en mängd speciella egenskaper - exempelvis upplevs ingen inre friktion. Supraledare kan faktiskt ses som Bose-Einstein-kondensat där partiklarna är par av elektroner med motriktat spinn. Då upplevs ingen elektrisk resistans (inre friktion). Ett annat exempel är supraflytande helium-4 och då saknas viskositeten (inre friktion).
__________________
Senast redigerad av evolute 2008-02-20 kl. 00:16.
Stämmer bra, men jag kan dock inflika att man under 90-talet fastställt att fenomenet neutrinooscillationer (som faktiskt föreslogs redan 1957 av Bruno Pontecorvo) bekräftats experimentellt, vilket i förlängningen innebär att neutrinos har massa. Detta är den första betydande korrigeringen av standardmodellen på ca. 30 år (i den ursprungliga standardmodellen antogs det att neutrinerna inte har någon massa).
Neutrinos har en "laddning" benämnd smak, vilken bestämmer huruvida neutrinen är en elektroneutrino, en muon eller en tauon. På grund av att egentillstånden för smak är skilda från de för massa, finns det en sannolikhet att neutrinon kan "byta" smak och bli till en annan neutrino. Teorin förutsäger att dessa smakoscillationer har ett beroende på skillnaden i neutrinernas massa i kvadrat; så om det finns smakoscillationer, borde alltså neutrinerna ha en massa. Experimentellt har man uppmätt dessa masskillnader till bråkdelar av en elektronvolt. Det bästa värdet anses vara det som 2005 uppmättes på Kamioka observatoriet vid Toyama i Japan. Resultatet från solneutrinodetektorn där gav Δm² = 0.000079 eV², vilket är som synes oerhört litet. Neutrinernas massa är alltså försvinnande liten men, som sagt, nollskild.
Intressant, tack för den. Om jag inte minns fel så har väl den övre gränsen på neutrinernas massa gjort att man kan utesluta att de utgör en betydande del av den mörka materien, eller?
Intressant, tack för den. Om jag inte minns fel så har väl den övre gränsen på neutrinernas massa gjort att man kan utesluta att de utgör en betydande del av den mörka materien, eller?
Ja, bidraget från "vanliga" neutrinos till den mörka materien anses sannolikt mycket litet. Den rådande teorin är att det största bidraget till mörk materia kommer från exotiska icke-baryoniska partiklar som axioner, WIMP:s och s.k. sterila neutrinos. Samtliga av dessa partiklar är hypotetiska och har aldrig observerats i experiment. De ingår inte i den gängse standardmodellen, även om man kan inkludera dem med lite möda.
Sterila neutrinos är för övrigt en slags neutrinos med omvänd helicitet motför vanliga neutrinos. Enligt experiment har neutrinos alltid spinnet riktat antiparallellt mot rörelsemängdsvektorn, medan antineutrinos har spinnet riktat parallellt med rörelsemängdsvektorn. Detta benämns vänsterhands- respektive högerhandshelicitet. För sterila neutrinos råder det motsatta förhållandet (partikeln har högerhandshelicitet och antipartikeln har vänsterhandshelicitet), vilket ger dem egenskaper som skiljer sig mycket från vanliga neutrinos. De kan till exempel vara extremt tunga med massor som närmar sig GUT-skalan (10^14 GeV) och känner kanske inte av den svaga kärnkraften. Kan och kanske är dock viktiga ord här; än så länge hänger kunskapen om sterila neutrinos existens i limbo.
Vill man hänga med i vilka vetenskapliga upptäckter och framsteg som görs idag kan jag bland annat rekommendera att man börjar prenumerera på tidsskriften Science, via exempelvis Nordic Subscription. Science kommer ut en gång i veckan och är på cirka 200 sidor (mycket reklam inräknat) och täcker en hel del av de senaste rönen. De publicerar till och med rapporter, resultat och avhandlingar direkt från forskare världen över. Språket och nivån på innehållet är allt från "populärvetenskaplig" (gemene man hänger med) till en nivå som kräver att man är väldigt utbildad inom ämnet. Artiklar och rön om t.ex. biokemi och biofysik (gener, DNA osv) var det bara att hoppa över för min del. Då kunde jag lika gärna sätta mig och försöka förstå en text på kinesiska.
Jag gjorde misstaget att påbörja en prenumeration på Science samtidigt som 2 andra vetenskapliga tidningar. Nu sitter jag med tusentals sidor som jag inte har hunnit läsa, så jag får frysa prenumerationen lite så jag hinner ikapp.
Alla partiklar är associerade med en given våglängd som på ett sätt avgör deras effektiva storlek. Om du stoppar in en elektron i en metallbit kan den röra sig i tre riktningar men om du minskar metallbitens tjocklek tillräckligt mycket så att den blir jämförbar med elektronens våglängd så kan den inte längre röra sig i tjocklekens riktning och den upplever materialet som tvådimensionellt. Detta kallas en kvantbrunn. Minskar du den andra längdriktningen lika mycket så får du ett endimensionellt objekt - en kvanttråd och minskar du alla dimensioner så mycket så erhålls ett nolldimensionellt objekt - en kvantprick. Kvantprickar beter sig på många sätt som artificiella atomer - de har diskreta energinivåer precis som ex. väte och således har de vissa specifika energier för vilka de kan absorbera och emittera strålning. Genom att kontrollera prickens storlek, form och materialparametrar får vi en konfigurerbar konstgjord atom som kan användas för en mängd saker.
En typisk kvantprick är mellan 10 och 100 nm i storlek och de kan skapas med samma processer som används inom mikroelektronik eller genom självorganisering. Man kan tänka sig att använda kvantprickar som bitarna i en kvantdator, som färgmedel, eller som aktiva optiska komponenter.
Läste lite om tillverkningsmetoden Stranski-Krastanowtillväxt där kristalltillväxten skedde genom ett tillskott av Ga, As samt In i gasform. Kvantbrunnen bildades av atomlager av InAs och isolerades i experimentet av GaAs. Gitterparametrarna hos InAs anpassade sig efter GaAs-strukturen temporärt men pga töjningsenergin skapades så småningom brunnar, eller InAs-öar som de kallades. Vad är det egentligen som håller kvar elektronerna i dessa öar eller brunnar om de fortfarande är i kontakt med de ursprungliga atomlagren av InAs?
Ofta ligger teknologiska tillämpningar sisådär 10 - 50 år efter upptäckterna.
Jag föreslår två sätt att granska denna hypotes.
För det första så implicerar den ju att de stora upptäckterna ägde rum på 1800-talet, för det var ju runt år 1900 som var de teknologiska genombrottens guldålder (bilar, flygplan, kylskåp, glödlampor, telefoner, relativitetsteori, kvantmekanik m.m.)
För det andra så implicerar den ju att vi nu lever i svallvågorna efter ett vakuum av upptäkter. De senaste 10-50 åren har telefonerna blivit mindre och TV-apparaterna plattare, ja. Och?
Och då ska man ju veta att majoriteten av alla forskare som någonsin har levt, lever idag. Så trots att forskningsansträngingen ökar exponentiellt, så har de teknologiska genombrotten i människors vardag tricklat ned till ett stand still.
Jag skulle gissa att den stora stagnation i teknologi som vi genomlever (och som våra föräldrageneration också genomlevde) dels har något att göra med att komplexiteten i naturens struktur är ganska heterogen. Dels har det att göra med den mycket kraftigt tilltagande planekonomin i västvärlden sedan världskrigen. En ytterst liten elit av internt tvistande överherrar inom den politiska apparaten kan med sitt planekonomiska komandosystem inte alls förvalta mänskilghetens resurser lika bra som vi alla människor kan göra om vi tilläts göra det på egen hand, som vi i väldigt mycket högre grad tilläts göra under 1800-talet, när vi omvandlades från samma svältande bönder som på medeltiden, till bilkörande telegrafister som beskrev hela universums innersta struktur.
__________________
Senast redigerad av Realizt 2008-02-23 kl. 00:53.
För det första så implicerar den ju att de stora upptäckterna ägde rum på 1800-talet, för det var ju runt år 1900 som var de teknologiska genombrottens guldålder (bilar, flygplan, kylskåp, glödlampor, telefoner, relativitetsteori, kvantmekanik m.m.)
För det andra så implicerar den ju att vi nu lever i svallvågorna efter ett vakuum av upptäkter. De senaste 10-50 åren har telefonerna blivit mindre och TV-apparaterna plattare, ja. Och?
Och då ska man ju veta att majoriteten av alla forskare som någonsin har levt, lever idag. Så trots att forskningsansträngingen ökar exponentiellt, så har de teknologiska genombrotten i människors vardag tricklat ned till ett stand still.
Jag skulle gissa att den stora stagnation i teknologi som vi genomlever (och som våra föräldrageneration också genomlevde) dels har något att göra med att komplexiteten i naturens struktur är ganska heterogen. Dels har det att göra med den mycket kraftigt tilltagande planekonomin i västvärlden sedan världskrigen. En ytterst liten elit av internt tvistande överherrar inom den politiska apparaten kan med sitt planekonomiska komandosystem inte alls förvalta mänskilghetens resurser lika bra som vi alla människor kan göra om vi tilläts göra det på egen hand, som vi i väldigt mycket högre grad tilläts göra under 1800-talet, när vi omvandlades från samma svältande bönder som på medeltiden, till bilkörande telegrafister som beskrev hela universums innersta struktur.
Bilar, kylskåo, glödlampor och telefoner är uppfinningar från 1800-talet inte 1900-talet, vad jag vet.
Läste lite om tillverkningsmetoden Stranski-Krastanowtillväxt där kristalltillväxten skedde genom ett tillskott av Ga, As samt In i gasform. Kvantbrunnen bildades av atomlager av InAs och isolerades i experimentet av GaAs. Gitterparametrarna hos InAs anpassade sig efter GaAs-strukturen temporärt men pga töjningsenergin skapades så småningom brunnar, eller InAs-öar som de kallades. Vad är det egentligen som håller kvar elektronerna i dessa öar eller brunnar om de fortfarande är i kontakt med de ursprungliga atomlagren av InAs?
Grovt förenklad så kan vi säga att bandgapen för de två materialen är olika, 0.35 eV för InAs och 1.4 eV för GaAs, och och när de sätts i kontakt kommer de att dela samma Fermi energi Ef (egentligen kemisk potential) som är (mer eller mindre) i mitten av bandgapet. Tittar man då på hur konduktionsbandet Ek (för elektroner) och valensbandet Ev (för elektroner) ser ut när vi går från GaAs till InAs och tillbaka till GaAs så ser det ut som nedan
Kod:
Ek --------- ----------
| |
------------
Ef ..................................
-----------
| |
Ev --------- -----------
GaAs InAs GaAs
Om vi har en elektron i konduktionsbandet i InAs så kommer den således befinna sig i en potentialbrunn från vilket det krävs en viss energi att fly. Det är denna potentialbrunn som håller elektronerna kvar.
__________________
Senast redigerad av evolute 2008-02-23 kl. 02:21.
Flashback finansieras genom donationer från våra medlemmar och besökare. Det är med hjälp av dig vi kan fortsätta erbjuda en fri samhällsdebatt. Tack för ditt stöd!
Stöd Flashback
Swish: 123 536 99 96Bankgiro: 211-4106
Stöd Flashback
Flashback finansieras genom donationer från våra medlemmar och besökare. Det är med hjälp av dig vi kan fortsätta erbjuda en fri samhällsdebatt. Tack för ditt stöd!
), men inte de två senare. Låter mycket, mycket intressant!
