الماس زیر نور خورشید ناپدید می شود

الماس یکی از سخت ترین مواد شناخته شده است ولی نکته بسیار جالب در اینجا است اگر یک الماس را در مسیر نور خورشید قرار دهیم , شروع به از دست دادن اتم های خود می کند. نرخ کاهش اتم ها به قدری نیست که جواهرسازان یا دارندگان حلقه های برلیان را نگران کند، ولی کشف این موضوع قطعا راه استفاده از خواص استثنایی اپتیکی و الکترونی الماس را برای محققان آسانتر می سازد. بسیاری از کاربردهای جدید الماس از کاربرد آن در تابش های لیزری گرفته تا کاربرد آن در ارتباطات و محاسبات کوانتومی نیازمند ساختارهای ریزی در ابعاد میکرو و نانو برروی سطح الماس است.

ریچ میلدرن (Mildren Rich ) و گروهش در دانشگاه مک گوایر سیدنی نشان داده اند که استفاده از پرتو های فرابنفش راه بسیار خوبی برای این کار است. الماس ها معمولا به کمک لیزر قلم زنی می شوند (etching) و در این فر آیند اتم های روی سطح آن سوزانده شده و یک سطح ناهموار که بیشتر به گرافیت شباهت دارد تا به الماس را به وجود می آورند . میلدرن و همکارانش هنگامی که در حال ارتقا دادن ویژگی های لیزرهای ساخته شده از الماس بودند به صورت کاملا تصادفی متوجه شدند که با قطع کردن پرتوی تابشی فرآیندی که به جداشدگی (desorpton) معروف است آغاز شده و اتم های برانگیخته شده روی سطح الماس ناپدید شده و نهایتا سطح صاف و تراش خورده ای باقی می ماند . میلدرن می گوید:"ما می خواستیم نشان دهیم که الماس (الماس استفاده شده در لیزر) می تواند در طول موجهایی کار کنند که مواد دیگر نمی توانند و البته فرابنفش هم یکی از این نواحی است" .

این گروه موفق شدند لیزری از جنس الماس بسازند که اشعه فرابنفش ساطع کند اما تنها نقص این لیزر در مدت کارکرد آن است. این لیزر پس از 10 دقیقه از کار می ایستد. میلدرن اضافه می کند که : "به نظر می رسد که ما به وجود آوردن سوراخ های کوچکی روی سطح الماس می توانیم اتم های کربن را آزاد کنیم."

معمای غیر قابل حل الماس

اینکه چه گونه فرآیند جداشدگی اتفاق می افتد باید بررسی شود اما میلدرن دو نظریه دارد که در نشریه مواد اپتیکی (Express Material Optical) به چاپ رسیده است .

اولین نظریه این است که فرآیند جداشدگی نیازمند این است که سطح الماس با اتم های اکسیژن پوشانده شده باشد . دومین فرض او این است که برای آزاد شدن یک اتم کربن به دو فوتون نیاز داریم . هنگامی که 2 فوتون به سطح الماس برخورد کند , یک برانگیختگی در سطح الماس به وجود می آید و جفت الکترون و حفره برانگیخته شده‌ی داخل الماس می توانند تابش کنند و در نهایت این فرآیند می تواند اتم کربن را آزاد کند. میلدرن می گوید:"انرژی برانگیختگی بیشتر از مقدار انرژی لازم برای ناپدید شدن یک مولوکول کربن مونواکسید است . همچنین امکان دارد که اشعه فرابنفش مستقیما از سطح الماس منتشر گردد که منجر به شکستگی قیود شده و کربن مونواکسید آزاد شود ."

پروژه میلدرن اولین کار تحقیقاتی بر روی جزییات روند قلم زنی است و نشان می دهد که رابطه بین نرخ جذب دو فوتون و سرعت قلم زنی (به عبارتی خراش دادن سطح) تا حد بسیار خوبی خطی است که به ما کمک می کند کنترل نرخ خراشیدگی را در دست بگیریم. آزاد شدن کربن حتی می تواند در زیر نور خورشید هم رخ دهد . اگرچه سرعت از دست دادن اتم ها بسیار آرام است به گونه ای که حتی برای یک لامپ فرابنفش جیوه در آزمایشگاه ده بیلیون سال طول می کشد که یک میکروگرم از الماس را از بین ببرد .

بنا به گفته استیون پراور (Prawer Steven ) سرعت بسیار کم از دست دادن اتم ها امکان استفاده از این روش را به عنوان تکنیکی برای صیقل دادن سطح الماس محدود می سازد. استیون پراور تحقیقات روی مواد در دانشگاه ملبورن استرالیا را سرپرستی می کند . او می گوید : "گفتن این جمله که استفاده از این روش مناسب نیست درست به نظر نمی رسد .ما قادر خواهیم بود با ترکیب این روش با روش فرسایش، سطح خراشیده شده را صیقل دهیم."

پراور برای اولین بار سعی دارد در زمینه ارتباطات کوانتومی و مخابره کردن اطلاعات ازلیزر ساخته شده از الماس که تک فوتون ساطع می کند استفاده کند و برای این منظور داشتن سطح صاف برای الماس استفاده شده ضروری است. پراور می گوید : "برای گیر انداختن نور می بایست داخل موجبر فوتون تولید کنیم اما نشانه گذاری بر روی موجبر باعث به وجود آمدن سطح ناهموار می شود و سطوح ناهموار باعث پراکنده شدن نور می شوند و این بدان معنی است که با این روش نتایج لازم را به دست نمی آوریم."

لینک منبع

ادراک زمان

وقتی یک حادثه خطرناک را تجربه می‌کنید،‌ زمان به نظر طولانی‌تر می‌رسد،‌ آیا واقعا زمان نسبی است یا مغز ماست که فریب می‌خورد؟ یک خبرنگار جسور با سقوط از ارتفاع 45 متری تلاش کرد پاسخی برای این سوال بیابد.گفته می‌شود که انسان در زمان‌های بحران و زمانی که خطری بزرگ تهدیدش می‌کند،‌ زمان را طولانی‌تر ادراک می‌کند. اما چرا؟

گزارشگر پاپ‌ساینس (لینک مرجع مقاله به نقل از پاپ ساینس) در اقدامی کم‌نظیر حاضر به یک سقوط آزمایشی از یک ساختمان 15 طبقه شده تا در یافتن پاسخ این سوال همکاری کند. شرح این تجربه را از زبان خود او می‌خوانیم: چند دقیقه پیش من از یک قلاب در ارتفاع 45 متری آویزان بودم. من می‌توانستم ببینم که در شعاعی چندین کیلومتری،‌ من از هر چیزی بالاتر بودم و چیزی نمانده بود که یکی از سریع‌ترین حرکت‌های یک فرد در علم را انجام بدهم.برای افرادی که از بیرون نگاه می‌کردند، همه این ابزار یک تور بیشتر نبود،‌ چون وقتی من رها می‌شدم،‌ تا زمان افتادنم درون یک تور دایره‌ای، دیگر به هیچ‌جا متصل نبودم. قرار بود این سقوط 3 ثانیه طول بکشد و من این تجربه ترسناک را طولانی‌تر ادراک کنم.

درست مانند آزمایش‌های قبلی دیوید ایگل‌من، به دست من یک کورنومتر بسته می‌شد که روی صفحه‌اش اعداد به سرعت حرکت می‌کردند، به طوری که نمی‌شد آن اعداد را خواند. اگر واقعا در طول سقوط سرعت زمان برای من کم می‌شد،‌ باید می‌توانستم اعدادی که سریع می‌گذرند را هم بخوانم، ‌تقریبا همان طور که در فیلم ماتریکس گلوله‌ها را می‌دیدند، ‌البته اگر می‌توانستم در آن شرایط چشم‌هایم را باز نگه دارم!

مغز در سفر زمان

در سال‌های اخیر دانشمندان عصب‌شناس متوجه شده‌اند که یک خوشه ده هزار سلولی مغز به نام هسته سوپراکیاسماتیک چرخه خواب و بیداری ما در 24 ساعت را تنظیم می‌کند. ایگل‌من سال‌ها پیش کار روی این موضوع را آغاز کرد و در سال 2000/ 1379 به خطای دیدی به نام اثر تاخیر فلش علاقه‌مند شد. یک دایره از نقاط روی نمایشگر،‌ یک نقطه در حال چرخش را نشان می‌دهند و برای لحظه‌ای کوتاه وسط حلقه سفیدرنگ به نظر می‌رسد. گاهی حلقه دور و نقطه سفید وسط همپوشانی پیدا می‌کردند. ایگل‌من متوجه شد که این یک خطای دید موقتی است و مغز است که فریب می‌خورد. در واقع بعد از مدتی مغز مکان آینده نقطه را پیشبینی می‌کند. این اولین باری بود که مدرکی نشان می‌داد ادراک مغز از زمان لزوما وابسته به اطلاعات واقعی که از بیرون می‌گیرد نیست.

من در دفتر ایگل‌من یک بازی رایانه‌ای با خطای شناختی انجام دادم. باید روی یک سری مربع سبز می‌پریدم. اوایل بازی، 200 میلی ثانیه تاخیر داشتم،‌ اما کم‌کم بهتر شد تا به جایی رسید که من زودتر از ظاهر شدن مربع‌ها می‌پریدم.

ایگل‌من برایم توضیح داد که وقتی در اوایل بازی 200 میلی ثانیه تاخیر داشتم،‌ مغز این تاخیر را می‌فهمد و آن را جبران می‌کند. اما وقتی محرک واقعا بدون تاخیر ظاهر شود، مغز با الگوی قبلی خودش ادامه می‌دهد و به همین دلیل به نظر می‌رسد که مربع‌ها زودتر از حرکت من ظاهر می‌شوند. بر اساس یافته‌های ایگل‌من،‌ ما دست کم دو بخش مربوط به زمان در مغز داریم، یکی ساعت اصلی است که زمان اکنون را درک می‌کند و دیگری،‌ تناقض‌های دریافتی قسمت‌های مختلف را (مثل اتفاقی که در همین بازی افتاد) با هم هماهنگ می‌کند.

در واقع مطالعات مختلف نشان می‌دهند که برخلاف کلام،‌ که مرکزش بروکا است و یا دیدن که مرکزش لوب پس‌سری مغز است، ادراک زمان منطقه کاملا مشخصی ندارد. آن‌‌ها اول باید می‌دیدند که چه طور قسمت‌های مختلف مغز با هم به یک ادراک از زمان می‌رسند. اما قبل از آن باید مطمئن می‌شدند که واقعا مغز قادر به دریافت طیفی از ادراک یافته‌هاست. در این جا بود که ایگل‌من با یادآوری تجربه سقوطش از پشت بام در کودکی، این آزمایش‌ها را طراحی کرد.

توضیح عجیب و غریب

یک، دو، سه و من سقوط کردم. نوک برج داشت دورتر می‌شد و احساس می‌کردم دلم دارد می‌رسد به حلقم. همان‌طور که ایگل‌من می‌گفت زمان کند شد. تمام توانم را به کار گرفتم تا کورنومتر را بخوانم اما هنوز هم اعدادش محو دیده می‌شدند. راستش سخت‌تر از آن چه انتظار داشتم با تور نجات برخورد کردم،‌ اما خب سالمم! من هم درست مثل 23 نفر دیگر،‌ زمان را طولانی‌تر ادراک کرده بودم (با میانگین 4 ثانیه در مقایسه با 6/2 ثانیه واقعی) اما هیچ‌کدام اعداد کورنومتر را نتوانسته بودیم بخوانیم. ایگل‌من این طور نتیجه می‌گیرد که ادراک زمان طولانی‌تر،‌ در واقع خطای یادآوری است. ما زمان را طولانی‌تر ادراک نمی‌کنیم، آن را طولانی‌تر به یاد می‌آوریم.

پیتر تسه هم در دانشگاه دورتموند روی زمان مطالعه می‌کند و توضیح دیگری دارد. او می‌گوید این یک تاکتیک حیاتی است که ما به به چیزهای غیرعادی توجه نشان دهیم. وقتی اجداد ما در جنگل سایه می‌دیدند، می‌توانست به معنای پیدا کردن شام یا تبدیل شدن به شام باشد. هر دوحالت نیاز به توجه بیشتر داشت. ما هم در موقعیت‌هایی که زندگیمان در خطر است، ذهنمان به محرک‌های بیشتری باز است. بنابراین، اطلاعات بیشتری جمع‌آوری می‌کند. در شرایط عادی ما عادت داریم این میزان اطلاعات را مثلا در 4 ثانیه به دست بیاوریم. برای همین فکر می‌کنیم که 4 ثانیه گذشته است. تسه در آزمایش خود به افراد دو تصویر تکراری و یک تصویر جدید نشان می‌داد، مثلا دو فنجان و یک گل. با این که مدت نمایش همه تصاویر یکسان بود، ‌افراد مدت نمایش گل را طولانی‌تر گزارش می‌کردند و تسه این پاسخ را مربوط به فرضیه خود می‌داند.

اما ایگل‌من با این فرضیه موافق نیست. او می‌گوید اگر این فرضیه درست بود،‌ افراد باید به یک اسلحه (که تکراری و عادی نیست)‌ توجه بیشتری نشان بدهند،‌ در حالی که این اتفاق نمی‌افتد و تصویر گل و اسلحه در نتیجه آزمایش بی‌تاثیرند. توضیح ایگل‌من،‌ سیستم اقتصاد انرژی مغز است. بر این اساس، وقتی مغز با محرک تکراری روبرو می‌شود،‌ یا می‌تواند محرک بعدی را پیشبینی کند، انرژی و زمان کم‌تری را صرف آن می‌کند که سرکوب تکرار خوانده می‌شود.

سفر زمان به عنوان درمان

یکی از کاربردهای اساس این آزمایش‌ها در مورد بیماری‌های روانشناختی است. همه ما به طور دایم در ذهن خود خودگویی داریم که دو فرایند دارد: ‌تولید صدا و شنیدن آن، که این دو فرایند همزمان ادراک می‌شوند. اما اگر مغز نتواند آن‌ها را همزمان ادراک کند،‌ به نظر شنیده شدن صدای دیگری می‌‌آید که می‌تواند توضیح توهمات شنیداری باشد. ایگل‌من با مطالعه 30 بیمار مبتلا به اسکیزوفرنیا نشان داد که آن‌ها سرکوب تکرار ندارند و همه محرک‌ها را به عنوان یک محرک جدید می‌بینند.

ایگل‌من معتقد است که درست مانند بازی مربع‌های سبز، ‌می‌توانیم ذهن بیماران اسکیزوفرنیک را با بازی‌ها به ادراک زمان عادت بدهیم. در حال حاضر وی به کمک روانشناسان در حال طراحی یک بازی ویدئویی برای بیماران اسکیزوفرنیک است و امیدوار است در آینده‌ای نزدیک بتواند آن را آزمایش کند. تا ایگل‌من ثابت کند که ادراک انسان‌ها از زمان فردی است و زمان یک مفهوم ثابت نیست، هنوز راه درازی مانده است،‌ اما این دانشمند 38 ساله بسیار امیدوار است.

برگرفته از وبلاگ زیباترین علم به نقل از انجمن فیزیک دانشگاه آزاد مشهد

یادبودنامه آلبرت اینشتین؛ قسمت دوازدهم

اما میزان درستی و صحت جوهر نقد ماخ را به وضوح تمام می توان از تمثیل زیر دریافت.

تصور کنید که مردمی که فقط بخش کوچکی از سطح زمین را می شناسند و هیچ ستاره ای را نمی توانند ببینند،علم مکانیکی ابداع کنند.آنان مایل خواهند بود که خواص فیزیکی بخصوصی برای بعد عمودی فضا (امتداد شتاب اجسام ساقط) قائل شوند.بر اساس این شالوده ذهنی،دلایلی اقامه می کنند که بیشتر جاهای زمین افقی است. این مردم ممکن است به خود مجال تاثیر پذیرفتن از این نظر را ندهند که فضا از لحاظ خواص هندسی تکروند است و در نتیجه تدوین فیزیک، به صورتی که در آن یک امتداد، مرجع شمرده شود،چندان مطلوب نیست. آنان احتمالا (مانند نیوتن) مایل خواهند بود که بر مطلق بودن امتداد قائم،به عنوان چیزی که تجربه آن را ثابت کرده است و باید با آن ساخت تصریح کنند.برتری امتداد قائم بر همه امتدادهای فضایی دیگر دقیقا شبیه است به برتر شمردن دستگاههای ماندی از دستگاههای مختصات صلب دیگر.

حال به بررسی دلایل دیگری می پردازم که آنها نیز به سادگی درونی مکانیک،یعنی به طبیعی بودن آن مربوط می شود.اگر کسی با مفاهیم فضا (از جمله هندسه) و زمان،بدون تردیدهایی نقادانه کنار آید،دیگر دلیلی ندارد که به اندیشه کنش از راه دور ایراد بگیرد،حتی اگر این مفهوم با افکاری که بر اساس تجربه خام زندگی روزانه در ذهن آدمی بوجود می آید،سازگار نباشد.اما نکته دیگری نیز هست که به موجب آن،مکانیک را شالوده فیزیک شمردن،به نظر ابتدائی می نماید.در اساس دو قانون وجود دارد :

1- قانون حرکت

2- رابطه نیرو یا انرژی پتانسیل

قانون حرکت از دقت برخوردار است،هر چند که تا وقتی رابطه نیروها داده نشده،پوچ و تهی است.اما در فرض رابطه نیروها،دامنه اختیار وسیع است.خاصه اگر این شرط،که چندان هم طبیعی نیست،حذف شود که نیروها فقط تابع مختصاتند ( و مثلا به مشتقات آنها نسبت به زمان بستگی ندارند).

جهت مشاهده قسمتهای گذشته این یادبودنامه اینجا را کلیک کنید.

به نقل از وبلاگ علمی و تحقیقی

پدیدار آگاهی از کجا وچگونه پدید آمده است ؟

پرسش بی پاسخ دیگری که ذهن فیزیکدانان را به خود مشغول داشته این است که چرا برخی از جریانهای الکتریکی نظیر آنها که در مغز وسلسله اعصاب جریان دارد با خود احساس وآگاهی به همراه می آورد در حالی که برخی دیگر از جریانهای الکتریکی نظیر آنها که در شبکه های سراسری برق سیر می کنند ظاهراً چنین آثاری با خود به همراه نمی آورند.

مساله را به صورت معکوس نیز می توان مطرح کرد چگونه است که آگاهی واحساسات که احیاناً مادی نیستند می توانند الکترونها ویونها را در مدارهای مغز به حرکت در آورند و موجب بروز پدیدارهای فیزیکی شوند سوال دیگری که می توان مطرح کرد این است که آیا اساساً این قبیل پرسشها معنا دار هستند؟ واگر چنین است آیا پاسخگویی به آنها وظیفه فیزیکدانان است؟ برخی از فیزیکدانان معتقدند که اگر فیزیک یک رشته فراگیر است واگر علم نهایتاً قابل تحویل به امور فیزیکی است در آن صورت فیزیکدانان باید به اینگونه پرسشها نیز بپردازند گاهی اوقات گفته می شود که حیات در لابلای قوانین فیزیکی مندرج است.

البته هر چند این نکته درست است که اگر قوانین فیزیکی اندکی متفاوت می بودند حیات شکل نمی‌گرفت و اما اگر اصلی تحت عنوان « اصل حیات» وجود داشته باشد نمی توان رد آن را در قوانین فیزیکی به دست آورد . برای دستیابی به این اصل باید به سراغ نظریه های ریاضی نظیر نظریه مربوط به سیستمهای بسیار پیچیده یا نظریه های اطلاعات رفت هر چه باشد هر سلول زنده به یک معنا عبارت است از سیستمهای بسیار پیچیده ای که فعالیت اصلیش پردازش اطلاعات و باز تولید است.

Information paradox simplified

A black hole's event horizon is the ultimate last-chance saloon: beyond this boundary nothing, not even light, can escape. But does this "anything" include information itself? Physicists have spent the best part of four decades grappling with the "information paradox", but now a group of researchers from the UK thinks it can offer a solution. The researchers have created a theoretical model for the event horizon of a black hole that eschews space–time altogether. Their work also supports a controversial theory proposed last year that suggests that gravity is an emergent force rather than a universal fundamental interaction.

Paradoxical history

The information paradox first surfaced in the early 1970s when Stephen Hawking of Cambridge University, building on earlier work by Jacob Bekenstein at the Hebrew University of Jerusalem, suggested that black holes are not totally black. Hawking showed that particle–antiparticle pairs generated at the event horizon – the outer periphery of a black hole – would be separated. One particle would fall into the black hole while the other would escape, making the black hole a radiating body.

Hawking's theory implied that, over time, a black hole would eventually evaporate away, leaving nothing but an impenetrable, infinite-mass singularity at the centre. This presented a problem for quantum mechanics, which dictates that nothing, including information, can ever be lost. If black holes withheld information forever in their singularities, there would be a fundamental flaw with quantum mechanics.

The significance of the information paradox came to a head in 1997 when Hawking, together with Kip Thorne of the California Institute of Technology (Caltech) in the US, placed a bet with John Preskill, also of Caltech. At the time, Hawking and Thorne both believed that information was lost in black holes, while Preskill thought that it was impossible. Later, however, Hawking conceded the bet, saying he believed that information is returned – albeit in a disguised state. At the turn of this century, Maulik Parikh of the University of Utrecht in the Netherlands, together with Frank Wilczek of the Institute of Advanced Study in Princeton, US, showed how information could leak away from a black hole. In their theory, information-carrying particles just within the event horizon could tunnel through the barrier, following the principles of quantum mechanics. But this solution, too, remained debatable.

Tunnelling through the event horizon

Now, Samuel Braunstein and Manas Patra of the University of York in the UK think they have formulated a tunnelling theory that looks rather more attractive than Parikh and Wilczek's theory. "We cannot claim to have proven that escape from a black hole is truly possible," they explain, "but that is the most straightforward interpretation of our results." Normally, theorists dealing with black holes have to wrestle with the complex geometries of space–time arising from Einstein's theory of gravitation – the theory of general relativity. In their model, Braunstein and Patra say that the event horizon is purely quantum mechanical in nature, with bits of quantum "Hilbert" space tunnelling through the barrier.

The theorists find that even such a heavily simplified tunnelling model can reconstruct the spectrum of radiation that is thought to emanate from black holes. This is unlike Hawking's pair-creation model, which leads to the information loss and has always required many more theoretical details to work. Put simply, Braunstein and Patra say that tunnelling seems far more likely to be an intrinsic feature of black holes – so, probably, information is not lost after all. Their findings are published in the latest issue of Physical Review Letters.

Gravity's depth

There is yet another twist to the researchers' work. Last year, string theorist Erik Verlinde of the University of Amsterdam, building on work by Ted Jacobsen of the University of Maryland in the US, put forward a speculative idea for the origin of gravity. Under Verlinde's proposal, gravity is not a fundamental interaction, but emerges from the universe trying to maximize disorder. Gravity is therefore an "entropic force" – a natural consequence of thermodynamics – much as one feels a force on a stretched rubber band as the molecules attempt to squiggle up into disordered states. Braunstein and Patra believe that their black-hole model goes in favour of Verlinde's proposal. If gravity – not to mention inertia or space–time – is an emergent force, then it would not be utilized to unravel the basic information-loss mechanism of black holes, which is what the York researchers have shown. "This doesn't prove that Verlinde is correct, but that his proposal 'has legs'," Braunstein tells physicsworld.com.

Steve Giddings, a physicist specializing in quantum gravity at the University of California, Santa Barbara, does not think that Braunstein and Patra have addressed "the most central questions" of Verlinde's proposal. However, he says they have put forward another hint of an important link between quantum information and gravity. "An important challenge is to figure out whether the ideas enunciated by Verlinde and others can be given a more concrete foundation," he adds. "This may be one more piece of that puzzle, but we're not there yet."

یادبودنامه آلبرت اینشتین؛ قسمت یازدهم

منظور نیوتن از «مطلق» به وضوح این است که از جرمها و حرکت آنها تاثیر نمی پذیرد.چیزی که این وضع را ناخوشایند می سازد،این است که بینهایت دستگاه ماندی در حرکت انتقالی یکنواخت نسبت به یکدیگر،مفروض شمرده می شود و فرض می شود که این دستگاهها از همه دستگاههای صلب دیگر متمایزند.

ماخ حدس می زند که در نظریه ای براستی عقلی، ماند باید به کنش متقابل جرمها بستگی داشته باشد،همچنانکه در مورد نیروهای دیگر نیوتن چنین است؛برداشتی که مدتها آن را علی الاصول درست می شمردم،اما در این برداشت به طور ضمنی فرض می شود که نظریه بنیادی باید از نوع کلی مکانیک نیوتنی باشد.مفاهیم آن،جرمها و کنشهای متقابلند.چنانکه قریبا دیده خواهد شد چنین راه حلی،در چارچوب یک نظریه میدان سازگار نمی گنجد.

جهت مشاهده قسمتهای گذشته این یادبودنامه اینجا را کلیک کنید.

به نقل از وبلاگ علمی و تحقیقی

تولید میدان الکتریکی به وسیله ایجاد کشش در لایه‌های درونی ماده

خم کردن برخی از مواد سبب ایجاد میدان الکتریکی می‌شود، پدیده‌ای که به آن اثر فلکسوالکتریک(Flexoelectric) می‌گویند. اخیراً محققان کره‌ای برای دستیابی به این اثر، به جای خم کردن ماده، خمش را در داخل آن رشد داده‌اند و با تغییر درجه خم‌شدگی قدرت میدان الکتریکی را تغییر دادند. این اثر می‌تواند بسیار قوی باشد به طوری که شاید روزی بتوان از آن در نانوحسگرها و یا فعال‌کننده‌های نانومتری استفاده کرد.

اثر فلکسوالکتریک را شاید بتوان از روی اثر پیزوالکتریک(Piezoelectric) شناخت. در اثر پیزوالکتریک وقتی بعضی از مواد فشرده یا کشیده می‌شود، میدان الکتریکی داخلی در آن ایجاد می‌شود. این اثر بسیار مفید، در بسیاری از ابزارها، از میکروسکوپ‌های تونلی (STM) گرفته تا یک فندک، به چشم می‌خورد. اما در کنار این کاربردهای بسیار مفید یک اشکال مهم هم دارد، و آن این است که این اثر تنها می‌تواند در 20 الی 32 ساختار کریستالی با طبقه بندی تقارنی خاص، وجود داشته‌باشد. این در حالی است که چنین محدودیتی برای اثر فلکسوالکتریک وجود ندارد و مواد با هر تقارنی قابلیت بروز چنین پدیده‌ای را دارند. با خم کردن یک کریستال لایه‌های اتمی درون آن کشیده‌می‌شوند و واضح است که بیرونی‌ترین لایه بیشترین کشش را خواهد داشت. این اختلاف کشش در لایه‌های مختلف می‌تواند آنقدر سبب انتقال یون‌ها در کریستال شود که نهایتاً یک میدان الکتریکی در آن ایجاد کند. با این وجود اثر فلکسوالکتریک تا به حال در موادی مانند کریستال‌های مایع، گرافین و حتی مو دیده‌شده‌ بود، و در اجسام جامد خیلی قابل توجه نبوده است.

روشی که محققان کره‌ای، یعنی تائه ون نو (Tae Won Noh) و همکارانش به جای خم کردن یک ماده انعطاف‌پذیر به کار برده‌اند، این است که آن‌ها اختلاف کشش در سطوح مختلف را مستقیماً در داخل کریستال ایجاد کردند. برای ایجاد چنین ساختاری فیلم‌های نازکی از اکسید منگنز هولمیوم(HoMnO₃) روی لایه‌ای از یاقوت کبود که فاصله بین انم‌های آن سه و نیم درصد بیشتر از HoMnO₃ است، رشد داده‌شد. علت انتخاب HoMnO₃ این بود که، این ماده یک فروالکتریک است. فروالکتریک ماده‌ای است که می‌تواند میدان الکتریکی را در خود نگه دارد، درست مثل فرومغناطیس که قابلیت حفظ میدان مغناطیسی را در خود دارد. در فرآیند رشد HoMnO₃ روی یاقوت لایه‌ها طوری روی یکدیگر قرار گرفتند که اتم‌های هر لایه کمی از جای اصلی خود جابجا شده‌باشد. در واقع این عمل با استفاده از متراکم کردن اتم‌ها در لایه‌ها متوالی به وسیله بخار انجام شد که باعث می‌شد فاصله اتم‌ها در هر لایه نسبت به لایه زیرین کمتر شود. اما پایداری چنین ساختاری به شدت به اکسیژن موجود در محیط کشت بستگی دارد. کمبود اکسیژن سبب می‌شود تا در طی شکل‌گیری فیلم، فضاهای خالی بسیاری درون آن ایجاد شود و این مسئله قابلیت این ماده را برای متراکم کردن انم‌ها در ضخامت زیاد کاهش می‌دهد. واضح است که در چنین شرایطی فاصله بین اتم‌ها در بیرونی‌ترین لایه خیلی بیشتر از زمانی خواهد بود که اکسیژن بالایی در محیط وجود داشته‌باشد. پراکندگی اشعه ایکس از فیلم‌های با تراکم اکسیژن بالا نشان داد که اختلاف کشش در لایه‌های مختلف، یک تا ده میلیون بار بزرگتر از مقداری است که با خم کردن مواد ایجاد می‌شود. همانطور که ون نو اعتقاد دارد:" با دستیابی به چنین گرادیان کشش عظیمی، در اثر پدیده فلکسوالکتریک یک میدان الکتریکی بسیار یزرگ در ماده ایجاد می‌شود."

به طور معمول، میدان الکتریکی داخل یک ماده فروالکتریک در همه‌جا یکنواخت نیست و در هر ناحیه جهت و راستای خاصی دارد. این گروه از محققان کره‌ای نشان دادند که اثر فلکسوالکتریک در دماهای زیاد و در نمونه‌های با تراکم اکسیژن بالا آنقدر زیاد است که سبب ایجاد یک میدان الکتریکی یکنواخت در سرتاسر ماده می‌شود. اما برای نمونه‌های با اکسیژن پایین که گرادیان کشش کوجکتری دارند چنین پدیده‌ای اتفاق نمی‌افتد. بنابراین با تنظیم میزان اکسیژن در زمان شکل‌گیری این ساختار، می‌توان میدان الکتریکی داخل آن را کنترل کرد و با استفاده از این میدان الکتریکی قادر به تغییر مشخصات فیزیکی این ماده خواهیم بود. ون نو اعتقاد دارد که فیلم‌های با گرادیان کشش بالا از سال‌ها قبل وجود داشته‌اند، اما هیچ‌کس تا به حال به اثر فلکسوالکتریک که داخل آن‌ها وجود داشت توجهی نکرده‌بود.

به اعتقاد گاستئو کاتالان(Gustau Catalan) نتیجه اصلی این آزمایش این است که شرایط جوی در طول رشد فیلم‌ها بر روی پدیده فلکسوالکتریک تأثیر می‌گذارد و با تغییر این شرایط می‌توان خصوصیات فیزیکی یک ماده را عوض کرد.علاوه براین به گفته ون نو همانطور که انتظار می‌رود اثر پزوالکتریک در موتورها و حافظه‌های نانو در آینده کاربردهای مهمی داشته باشد، اثر فلکسوالکتریک نیز ممکن است چنین نقش مهمی را در ساخت این ابزارها ایفا کند.

Physical Review X, اولین نشریه دسترسی آزاد انجمن فیزیک امریکا منتشر شد

چندی پیش انجمن فیزیک امریکا اعلام کرده بود که تصمیم دارد نشریه جدیدی به خانواده نشریات معتبر Physical Reveiw اضافه کند. تفاوت این نشریه با نشریات قبلی این خانواده در این است که این اولین نشریه دسترسی باز این انجمن است و خوانندگان آن در سراسر دنیا بدون نیاز به اشتراک میتوانند مطالب آنرا ببینند. امروز اولین مقالات این نشریه که Physical Review X نامیده میشود منتشر شد. در توصیف این نشریه آمده است که این نشریه تخصصی نبوده و قرار است تمام گستره وسیع علم فیزیک را پوشش دهد.

اولين آزمايش رصدي از نظريه «جهان‌هاي چندگانه»!

نظريه مبتني بر قرار داشتن جهان در يك حباب و اينكه جهان‌هاي چندگانه جايگزين در حبابهاي خود وجود داشته و چندجهاني را ايجاد مي‌كنند، براي اولين بار توسط فيزيكدانان مورد آزمايش قرار گرفته است. دو پژوهش كه در مجلات «Physical Review Letters» و «Physical Review D» منتشر شده‌اند، براي اولين بار به شرح چگونگي بررسي نشانه‌هاي ساير جهان‌ها پرداخته‌اند.

فيزيكدانان اكنون در حال مطالعه بر روي الگوهاي ديسك مانند در تابش زمينه كيهاني هستند كه محققان آن را يادگاري از انفجار بزرگ مي‌دانند و مي‌تواند شاهدي بر برخوردهاي بين ساير جهان‌ها با جهان ما باشد. بسياري از نظريه‌هاي مدرن فيزيك پايه بر اين فرض استوارند كه جهان ما در يك حباب قرار دارد. علاوه بر حباب ما، اين چندجهاني در ساير حباب‌ها قرار داشته كه هر كدام ممكن است در خود يك جهان ديگر داشته باشند. در ديگر دنياهاي چندگانه، ثابت‌هاي بنيادين و حتي قوانين اوليه طبيعت نيز ممكن است متفاوت باشد.

تا كنون كسي قادر به شناسايي راهي براي جست‌وجوي كارآمد از نشانه‌هاي برخوردهاي حباب جهان و همچنين اثبات چندجهاني در تابش زمينه كيهاني نبوده چرا كه الگوهاي ديسك مانند در تابش ممكن است در بخشي از آسمان وجود داشته باشند. علاوه بر آن، فيزيكدانان نيازمند آزمايش الگوهاي شناسايي شده براي درك اين مطلب بودند كه آيا آنها در نتيجه برخورد به وجود آمده يا تنها چند الگوي اتفاقي در دادهاي شلوغ بوده‌اند.

تيمي از كيهان‌شناسان دانشگاه كالج لندن، امپريال کالج لندن و موسه فيزيك نظري پريميتر اكنون بر اين مشكل فائق آمده‌اند. اين تيم به شبيه‌سازي‌هايي از فضا با يا بدون برخوردهاي كيهاني پرداخته و يك الگوريتم جالب براي تعيين تناسب بهتر هركدام با داد‌ه‌هاي تابش زمينه كيهاني كاوشگر ناهمسان‌گرد ريزموج ويلكينسون ناسا(WMAP) ايجاد كردند. آنها اولين حد فوقاني رصد شده را بر تعداد نشانه‌هاي برخوردهاي حبابي در آسمان تابش زمينه كيهاني قرار دادند.

دانشمندان تاكيد كرده‌اند كه اين نتايج براي تاييد فرضيه چندجهاني يا شناسايي كامل نشانه برخورد حبابي به اندازه كافي قطعي نيست، با اين حال داده‌هاي WMAP تنها مرجع اين ستاره‌شناسان نبوده و داده‌هاي جديد به دست آمده از ماهواره پلانك سازمان فضايي اروپا به حل اين معما كمك خواهد كرد.

Searching for gravitational waves

Colliding neutron stars and black holes, supernova events, rotating neutron stars and other cataclysmic cosmic events… Einstein predicted they would all have something in common – oscillations in the fabric of space-time. This summer European scientists have joined forces to prove Einstein was right and capture evidence of the existence of gravitational waves.

Europe’s two ground-based gravitational wave detectors GEO600 (a German/UK collaboration) and Virgo (a collaboration between Italy, France, the Netherlands, Poland and Hungary) are underway with a joint observation program which will continue over the summer, ending in September 2011. The detectors consist of a pair of joined arms placed in a horizontal L-shaped configuration. Laser beams are then passed down the arms. Suspended under vacuum at the ends of the arms is a mirror which returns the beam to a central photodetector. The detectors work by measuring tiny changes (less than the diameter of a proton), caused by a passing gravitational wave, in the lengths (hundreds or thousands of meters). The periodic stretching and shrinking of the arms is then recorded as interference patterns.

Much like our human ears are able to distinguish the direction of sound from being spaced apart, so having interferometers placed at different locations benefits the chances of picking up a gravitational wave signal. By placing receivers at a distance, this also helps to eliminate the chances of picking up a mimicking terrestrial signal, since it would be unlikely for it to have the same characteristics at two locations while a genuine signal would remain the same.

“If you compare GEO600 and Virgo, you can see that both detectors have similar sensitivities at high frequencies, at around 600Hz and above”, says Dr Hartmut Grote, a scientist at the Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) and the Leibniz University in Hannover, Germany. “That makes it very interesting for us to search this band for possible gravitational waves associated with supernovae or gamma-ray bursts that are observed with conventional telescopes.”

Of all phenomena, gamma-ray bursts are expected to be one of the strongest sources of gravitational waves. As the most luminous transient event in the known Universe, this collapse of a supermassive star core into a neutron star or black hole may be the most perfect starting point for the search. As of now, the frequencies will depend on the mass and may extend up to the kHz band. But don’t get too excited, because the nature of gravitational wave signals is weak and chances of picking up on it is low. However, thanks to Virgo’s excellent sensitivity at low frequencies (below 100 Hz), it is a prime candidate for gathering signals from isolated pulsars where the gravitational wave signal frequency should be at around 22Hz.

انقلاب سه بعدی در ستاره شناسی

ابزارهای ساده سه بعدی می توانند حیات بخش علم ستاره شناسی برای دانشمندان و عموم مردم باشند. اما دو ستاره شناس معتقدند که این ابزار بسیار کمتر از آنچه باید، بکار گرفته شده اند.

بیوشیمی دانها قهرمانان بلامنازع تصویر سازی سه بعدی علمی هستند. آنها بودند که در آغاز عصر کامپیوتر از روش سه بعدی برای نمایش مولکولها استفاده کردند. این روش تحول عظیمی در نحوه فهم و درک دانشمندان از کارهای یکدیگر ایجاد کرد. منصفانه است که بگوییم بدون ابزار های تصویر سازی سه بعدی دانش بیوشیمی ضعیف تر از این بود.

حالا فردریک فوگت و الکساندر واگنر در دانشگاه ملی استرالیا معتقدند که ستاره شناسی هم می تواند بطور مشابهی از ابزار های ساده سه بعدی سود ببرد. آنها معتقدند: "تصاویراستریو تنها روشی نمایشی برای ارائه داده ها نیست، بلکه بدلیل دیدی واقعی که از داده های چند بعدی چه از نظر طبیعت شهودی و چه نظری برای خوانندگان فراهم می آورد، پیشرفتی در برقراری ارتباط میان نتایج علمی در نشریات است."

البته این ستاره شناسان تلاش های قبلی در بکارگیری روش های سه بعدی را کاملا نادیده نگرفته‌اند. ماموریت های مختلف مریخ مانند فونیکس و کاوشگر های مسیریاب همانند مدارگَردِ سریع مریخ، همه قابلیت عکسبرداری برجسته را داشته اند و بسیاری از کیهان شناسان از ابزارهای تصویر سازی سه بعدی موثر برای نمایش شبیه سازی و اندازه گیری هایشان از جهان در بزرگترین مقیاس ها استفاده کرده اند. با این حال، ووگت و واگنر معتقدند که این روش ها باید بشکل گسترده تری مورد استفاده قرار گیرد. فراوانی و سهولت روش های انتشار و نمایش الکترونیکی که ساختن، فرستادن و تماشای تصاویر سه بعدی را بسیار آسان تر کرده است، برنامه ریزی برای استفاده بیشتر از آن را به هدفی ارزشمند تبدیل می کند.

ستاره شناسی مطالعه ساختارها در مقیاس بزرگ است، اما ما عموما نتایج را در غالب تصاویر تخت نمایش می دهیم. بنابراین روش های سه بعدی توانایی زنده کردن این ساختار ها را دارند، نه تنها برای متخصصان فیزیک نجوم، بلکه برای طیف وسیعی از عموم جامعه. ووگت و واگنر تصاویراستریو را به عنوان ابزارهای سه بعدی مورد نظر خود انتخاب کردند و در مقاله شان مثال هایی از آن را ارائه کردند. در اینجا دو نمونه از تصاویر آنها بازسازی شده اند. شکل بالا نمونه ای از جت نسبیتی از یک هسته فعال کهکشانی است و تصویر پایین نمایی از درون یک اَبر شبیه سازی شده است.

ضمنا واگت و واگنر طرفدار روشی هستند که به اصطلاح روشِ نمای آزادِ تصاویراستریو نامیده می شود. نمای آزاد به این صورت است که هر دو تصویر راست و چپ در کنار هم گذاشته میشود و این هنر بیننده است که به تواند به طور همزمان با نگاه کردن به هر عکس تنها با یکی از چشمهایش، درکی سه بعدی از تصویر داشته باشد. این روش با مزه ایی است. اگر چپ شدن چشم هایتان و تاری دید و سردرد برایتان مهم نیست، این ایده را دوست خواهید داشت، در غیر اینصورت شانسی برای پیروزی در میان روش های جایگزینِ دیگر ندارد!

در اینجا با ترکیب تصاویراستریو، انیمیشین کوتاهی ساخته ایم. این روش ساده برای بکار گرفتن قابلیت قدرتمند پردازش تصویری مغز است. اگر روش نمایِ آزاد را ترجیح می دهید، تصاویراستریوی اصلی در مقاله‌ی مرجع زیر موجودند. می‌توانید به آن مراجعه کنید.

لینک منبع

حضور نشانه های انرژی تاریک در تابش زمینه کیهان

منجمان در حین مطالعه تابش زمینه کیهان(CMB)، مدرک جدیدی برای حضور انرژی تاریک، عامل پنهان انبساط جهان، کشف کرده اند. همچنین، این یافته ها می تواند به زسم نقشه‌ی ساختار ماده تاریک در بزرگترین مقیاس های جهان کمک کند.

CMB، تابش کم فروغی از تولد جهان در مهبانگ است. در حدود 400.000 سال بعد از آفرینش، جهان به اندازه کافی خنک شد تا الکترون ها به هسته های اتمی بپیوندند. این «بازترکیب» (recombination)، تابش CMB را از محیط پلاسمایی غلیظش جدا کرد. تلسکوپ های فضایی همانند WMAP و پلانک، CMB را نقشه برداری کرده اند و حضور آن را در همه بخش های آسمان با دمای 2.7 کلوین تایید نموده‌اند. همچنین، اندازه گیری‌ها نشان می دهند که در این دما، افت و خیزهای کوچکی از مرتبه یک در یک میلیون وجود دارد. این افت و خیزها از توزیع گاوسی پیروی می‌کنند.

ولی سادیپ داس(Sudeep Das) از دانشگاه کالیفرنیا-برکلی به همراه گروهی ذیگر از منجمان، متوجه انجراف این افت و خیزها از توزیع گاوسی شدند. این انحراف که با تلسکوپ Atacama Cosmology در شیلی به دست آمده، به علت بر هم کنش با ساختارهای بزرگ مقیاس در جهان، مانند خوشه های کهکشانی به وجود می آید. «به طور متوسط، هر فوتون CMB قبل از این که به تلسکوپ ما برسد، تقریبا با 50 ساختار بزرگ مقیاس روبرو شود.» داس می گوید: «تاثیر گرانشی این ساختارها که انبوهی از ماده تاریک را در بر دارند، مسیر فوتون را منحرف می کند.این فرایند که «لنزینگ» نامیده می شود، در نهایت منجر به انحرافی در حدود 3 دقیقه قوسی(تقریبا یک بیستم درجه) می گردد.»

انرژی تاریک و ساختارها

در مقاله دیگری داس با همکاری بلیک شروین(Blake Sherwin) از داشگاه پرینستون و جوآنا دانکلی(Joanna Dunkley) از دانشگاه آکسفورد، به چگونگی آشکارگری انرژی تاریک با استفاده از عدسی های گرانشی می پردازند. انرژی تاریک از شکل گیری ساختار در جهان جلوگیری می کند. جهانی که تهی از انرژی تاریک است، تعداد زیادی ساختار خواهد داشت. در نتیجه، فوتون های CMB، عدسی های بیشتری را مشاهده میکنند و افت و خیزهای آنها انحراف بزرگتری نسبت به توزیع گاوسی خواهند داشت. ولی نتیجه مشاهدات اینگونه نیست و شروین توضیح می دهد: «ما عدسی های خیلی کم تری می بینیم بنابراین جهان ما تهی از انرژی تاریک نیست. در واقع، میزان انخراف های گرانشی که ما می بینیم با میزان انرژی تاریکی که از اندازه گیرهای دیگر انتظارش را داریم سازگار است.»

این اولین بار است که میزان انرژی تاریک تنها از اندازه گیری های CMB به دست می آید. اندازه گیری های متداول CMB، جزییات کمی را درباره جهان بسیار اولیه یعنی پیش از شکل گیری ستارگان و کهکشان ها به دست می دهد. برای ساخت تصویری مناسب از تکامل جهان، باید نتایج CMB را با نتایج اندازه گیری های اضافی مانند ثابت هابل ادغام کرد.

جمع آوری شواهد

این واقعیت که این مدرک، شاهدی مستقیم است نه متکی بر اندازه گیری ثانویه، استفان بوگن (Stephan Boughn) کیهان شناس کالج هاورفورد در آمریکا را به هیجان می آورد: «ما در حال حاضر تنها دو شاهد مستقیم از انرژی تاریک داریم. هر مدرک مستقیم دیگری بسیار با اهمیت است. ما می خواهیم مجموعه ای از شواهد را از مکان های بسیار متفاوت جمع آوری کنیم تا تصویر کلی جهان را به دست آوریم.»

بوگن باور دارد با این یافته ها می توان فهمید که ماده تاریک در مقیاس های بزرگ چگونه توزیع شده است. ماده تاریک اثر گرانشی همانند ماده معمولی دارد اما با تابش الکترومغناطیسی بر هم کنش نمی کند و بنابراین نمی توان به طور مستقیم آن را دید. او توضیح می دهد: «شبیه سازی های بسیاری وجود دارند، اما مشاهدات اندکی برای پیش بینی شکل گیری ماده تاریک جهان موجود است. اما به این دلیل که اثر عدسی های گرانشی ریزموج زمینه به فراوانی ماده تاریک بستگی دارد، آزمایش های بعدی اغتشاش CMB باید بتواند پاسخی در خور برای چگونگی توزیع ماده تاریک در مقیاس بزرگ داشته باشد.»

لینک مقاله اصلی

لینک مقاله در وبلاگ

ما برای درک درست اثرات نامرئی میدان مغناطیسی مدیون بوهم و اهارانوف هستیم

در الکترومغناطیس کلاسیک، برای اینکه میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی روی ذرات اثر داشته باشند، باید در تماس مستقیم با آن‌ها قرار بگیرند. بنابراین اگرچه مبانی مکانیک کوانتومی به خوبی پایه‌گذاری شده‌ بود،اما این ادعا با تردیدهای بسیاری روبرو شد. برای چندین سال بحث بر سر تحلیل‌های تئوری و تلاش برای تأیید تجربی این ادعا ادامه پیدا کرد تا اینکه نهایتاً اثر بوهم-آهارانوف (Aharonov-Bohm) به عنوان یک پدیده کاملاً درست در دنیای کوانتوم تثبیت شد.

در الکترومغناطیس کلاسیک، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی عامل اصلی تمام پدیده‌های فیزیکی هستند، که با یک فرمول‌بندی بسیار ساده می‌توان این میدان‌ها را برحسب کمیت دیگری به نام پتانسیل الکترومغناطیسی نوشت. پتانسیل الکترومغناطیسی می‌تواند در هرجایی از فضا مقداری داشته باشد و میدان‌ها به سادگی آن بدست می‌آیند، اما خود پتانسیل تنها یک ابزار ریاضی است و هیچ معنای فیزیکی ندارد. در مکانیک کوانتومی، پتانسیل الکترومغناطیسی، تنها فاز ذرات باردار را عوض می‌کند، یعنی در تابع موج کوانتومی، قله‌ها و دره‌ها را جابجا می‌کند. که این تغییر فاز هیچ تأثیری در کمیت‌های قابل اندازه‌گیری سیستم ندارد.

در سال 1959 آهارانوف و بوهم در دانشگاه بریستول (Bristol) انگلستان، یک آزمایش ذهنی ترتیب دادند که در آن پتانسیل را به نتایج قابل اندازه‌گیری مرتبط کردند. در این آزمایش یک بیم الکترونی که در حال حرکت به طرف یک آهنربای الکتریکی استوانه‌ای(یا سولونئید)است، به دو قسمت تقسیم شده و از دو طرف این سولونئید عبور می‌کند. با باریک کردن استوانه میدان مغناطیسی در داخل این سولونئید متمرکز شده و در خارج از آن بسیار ضعیف است.بنابراین بیم‌های الکترونی در مناطقی خالی از میدان حرکت می‌کنند، مناطقی که در آن‌ها پتانسیل الکترومغناطیسی صفر نیست. بوهم و آهارانوف از لحاظ تئوری نشان دادند که بیم‌ها که از دو مسیر حرکت می‌کنند با یکدیگر اختلاف فاز پیدا می‌کنند و وقتی که دوباره به هم می‌رسند یک اثر تداخلی ایجاد می‌کنند، که این پدیده یک اثر فیزیکی قابل اندازه‌گیری است و به طور مستقیم با پتانسیل رابطه دارد. بنابراین با دانستن قدرت میدان مغناطیسی می‌توان مقدار این تغییر فاز را بدست آورد و این تداخل می‌تواند به عنوان اثری از میدان مغناطیسی تفسیر شود که الکترون‌ها هرگز وارد آن نمی‌شوند.

بوهم و آهارانوف اعتقادداشتندفیزیکدانان بایدبپذیرندکه پتانسیل الکترومغناطیسی اهمیت فیزیکی بسیار زیادی درمکانیک کوانتومی دارد. پشکین (Murray Peshkin) در آزمایشگاه ملی آرگون (Argonne) در ایلینویز (Illinois) می‌گوید:"زمانی که مقاله بوهم و آهارانوف منتشر شد، عده زیادی سعی کردند خلاف آن‌ها حرکت کرده و محاسباتشان را غلط جلوه دهند." اما پس از گذشت پنج سال این تلاش‌ها بی‌نتیجه ماند.حتی با وجود اینکه ده سال قبل از مقاله بوهم و آهارانوف مقاله‌ای منتشر شدکه در آن اشـاراتی به این پدیـده شـده بود، امـا همچنـان پشکـین و مایکـل بری (Michael Berry) در دانشگاه بریستول، بوهم و آهارانوف را برای درکی درست از پدیده‌ای که به نام خودشان است، مستحق تقدیر دانسته‌اند.

مقاله‌های تجربی در مورد این اثر خیلی زود بعد از اولین مقاله بوهم و آهارانوف پدیدار شدند، اما همچنان انتقادهای بسیاری به آن‌ها وارد می‌شد که بیشتر در مورد تهی نبودن مسیر بیم‌های الکترونی از میدان مغناطیسی بود. براین اساس فیزیکدانان آزمایشی را ترتیب دادند که در آن محافظی از صفحات ابررسانا اطراف آهنربای الکتریکی را فرا گرفت، که با دقت بسیار بالایی مانع خروج میدان مغناطیسی می‌شد. این آزمایش هرگونه شکی را در مورد درستی اثر بوهم-آهارانوف برطرف کرد.

لینک منبع

اختلاف دما در نیم‌ رساناها سبب ایجاد میدان مغناطیسی می‌شود

شبیه سازی‌های کامپیوتری نشان می‌دهد که وجود نواحی سرد و گرم در نیم‌رسانا سبب ایجاد جریان الکتریکی داخلی و درنهایت میدان مغناطیسی می‌شود. اگر این پدیده به طور تجربی در آزمایشگاه تأیید شود، می‌توان از آن در بهبود عملکرد ابزار الکترونیکی که در حین استفاده گرم می‌شوند، سود جست. درواقع کارشناسان هنوز با دید تردید به این اثر می‌نگرند و بحث در مورد اهمیت عملی آن را تا دستیابی به نتایج تجربی به تعویق انداخته‌اند.

به طور کلی اختلاف دما می‌تواند اثرات مهمی روی شارش جریان در نیم‌رسانا داشته باشد، زیرا الکترون‌ها و حفره‌ها تمایل دارند از ناحیه گرم‌تر به ناحیه سردتر شارش پیدا کنند. علاوه براین چنین اثرات گرمایی می‌تواند با میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی برهمکنش داشته باشد، که به این پدیده ترموالکترومغناطیس (Thermoelectromagnetic) می‌گویند.

به عنوان مثال، در اثر نرنست (Nernst) وقتی نیم‌رسانا در معرض یک اختلاف دمایی و یک میدان مغناطیسی عمود بر آن قرار می‌گیرد، میدان الکتریکی کوچکی در جهت سوم‌ (یعنی جهتی عمود بر میدان مغناطیسی و اختلاف دمایی)‌ به وجود می‌آید.

جانکیاو (Junqia Wu) و همکارانش در دانشگاه برکلی، متوجه شدند که در پدیده ترموالکترومغناطیس، میدان مغناطیسی هرگز به عنوان خروجی ایجاد نمی‌شود بلکه همیشه به عنوان یک میدان ورودی و یا میدانی که روی سیستم اعمال می‌شود، وجود دارد و نمی‌دانستند که آیا اگر نیم‌رسانا در معرض یک میدان الکتریکی و یک اختلاف دمایی قرار بگیرد، میدان مغناطیسی در آن ایجاد می‌شود یا خیر. بنابراین دو نمونه نیم‌رسانا (در حد ابعاد میکرون) شامل یک نیم‌رسانای نوع  [n] و یک نیم‌رسانای نوع  [p] را شبیه‌سازی کردند، به طوری که نیم‌رسانای نوع n را روی نیم‌رسانای نوع p قرار دادند. با این کار نزدیک سطح جداکننده این دو، یک ناحیه بدون بار و خنثی به وجود می‌آید. زیرا الکترون‌ها و حفره‌های نزدیک این سطح به طرف یکدیگر حرکت کرده و یکدیگر را خنثی می‌کنند. بقیه بارهایی که در هردو نیم‌رسانا وجود دارند و از سطح جداکننده دور هستند، یک میدان الکتریکی به طرف پایین ایجاد می‌کنند. در ادامه در این شبیه‌سازی، یک اختلاف دما در دو سر این مجموعه ایجاد کردند، به این صورت که دمای سمت چپ مجموعه 10 میلی کلوین کمتر و سمت راست 10 میلی کلوین بیشتر از دمای اتاق باشد. با اعمال این شرایط در هردو نیم‌رسانا جریان‌های گردابی ایجاد شد. در نیم‌رسانای نوع n که در بالا قرار داشت الکترون‌ها در لبه بالایی به سمت راست و در بالای سطح جداکننده به سمت چپ حرکت کردند. همین اتفاق در نیم‌رسانای نوع p رخ داد با این تفاوت که جریان به وسیله حفره‌ها ایجاد شد و جهت جریان نیز مخالف جهت جریان در نیم‌رسانای نوع n بود. چنین جریانی باعث ایجاد یک میدان مغناطیسی می‌شود که جهت آن به طرف خارج صفحه است. درواقع این جریان‌ها حاصل شبیه‌سازی‌های بسیار پیچیده کامپیوتری هستند و توضیح چگونگی به وجود آمدن آن‌ها توسط پارامترهای فیزیکی دشوار است. به طور خلاصه و نه خیلی دقیق می‌توان اینطور توضیح داد که نیمی از حلقه جریان در ناحیه بدون بار و خنثی قرار دارد، یعنی ناحیه‌ای به فاصله حدوداً 100 نانومتر از سطح جداکننده، که تقریباً خالی از بارهای الکتریکی است. این کمبود بار سبب می‌شود که اثر اختلاف دمایی در این منطقه زیاد باشد و باعث حرکت بیشتر بارهای متحرک از سمت راست به چپ شود. در نواحی دورتر از این ناحیه یعنی نزدیک لبه بالایی و پایینی مجموعه، رسانایی الکتریکی بسیار بالایی وجود دارد و این باعث می‌شود که بارها حرکت چپ به راست داشته‌باشند.

علاوه براین همانطور که جانکیاو می‌گوید: میدان الکتریکی عمودی به طور مؤثر روی مرکز ابر الکترون و یا حفره اثر می‌کند در حالی که گرادیان دما روی مرکز جرم اثر می‌کند و این نیروهای عمود برهم که نقطه اثرهای متفاوتی دارند سبب ایجاد گشتاور روی بارها می‌شوند. که این استدلال تا حدودی چرخش را توجیه می‌کند. اثری که به صورت تئوری در سال 2005 توسط عده‌ای از فیزیکدانان توضیح داده شد.[3] از طرف دیگر او اعتقاد دارد اگر این مجموعه در یک مدار قرار داده شود جریان‌های گردابی می‌تواند سبب اتلاف انرژی شود و این اثر در ابزارهای الکترونیکی که در حین استفاده گرم می‌شوند ممکن است سبب کاهش بازدهی شود. اما راه حلی نیز برای این مشکل پیشنهاد می‌کند و آن این است که در طراحی ابزار الکترونیکی جریان‌های گردابی را با تنظیم جهت گرادیان دما و میدان الکتریکی به حداقل برسانیم. در واقع درک بهتری از ارتباط بین دما، جریان و میدان‌های الکترومغناطیسی، به مهندسین در بهبود طراحی ابزار الکترونیکی در آینده کمک خواهد کرد.

لینک منبع

کوارک ها در دمای دو تریلیون درجه کلوین آزاد می شوند

فیزیکدانان آمریکایی هندی و چینی به تازگی حساب کرده اند که کوارک ها و گلوین ها در دمای حدود دو تریلیون درجه کلوین از قیود داخل نوترون ها و پروتون ها آزاد می‌شوند.این دما در حقیقت دمای جهان در کسری از ثانیه بعد از انفجار بزرگ است .نمودار زیر از ترکیب نتایج مربوط به محاسبات ابرکامپیوترها و نتایج مربوط به آزمایش برخورد یونهای سنگین به دست آمده است .به عقیده دانشمندان این نتایج جدید جای پای دانش امروزی در مطالعه کوارک ها را محکم تر می کند.

بنابر مدل انفجار بزرگ جهان ابتدایی از پلاسمای کوارک-گلوئون پر بوده است. به عبارتی کوارک ها و گلوئون ها (حامل های نیروی قوی هسته ای) به صورت آزاد وجود داشته اند و از آنجایی که نیروی قوی هسته ای با افزایش فاصله بین ذرات افزایش می یابد این بدین معناست که کوارک ها به انرژی بسیار زیادی نیاز دارند تا آزاد بمانند و پلاسما فقط می تواند در دماهای بسیار بالا وجود داشته باشد. از سوی دیگر پس از گذشت یک میلیونیوم ثانیه از عمر کیهان دمای کیهان به حدی رسید که کوارک ها و گلوئون ها ترکیب شدند و ذرات مرکب مثل نوترونها و پروتون ها را ساختند و تعیین این دمای ترکیب کار راحتی نیست.

نظریه‌ی کوانتوم کرومودینامیک در فواصل بسیار کم خیلی خوب کار می کند. برخوردهایی که درRHICدر سرن رخ می دهد در همین فواصل بررسی می شوند. اما این نظریه در فواصل دورتر موفق نیست و نمی توانند تمام بر هم کنش های از این جنس از جمله برهم کنش های جفت کوارک و یا آنتی کوارک مجازی را توجیه کند . فیزیک دانان برای حل این مشکل از تقریبی استفاده می‌کنند که اصطلاحا به نظریه‌ی کوانتوم کرومودینامیک شبکه‌ای معروف است که در آن مشکل پیچیدگی بر هم کنش های بین کوارک ها و گلوئون ها را با گسسته کردن فضا و زمان بر روی شبکه حل می کنند.

مهار کوانتوم کرومودینامیک شبکه‌ای

در حال حاضر نو ژو  و همکارانش در دانشگاه مرکزی چین و آزمایشگاه مرکزی لورنس برکلی در کالیفورنیا مقدار یکی از پارامتر های اصلی شبکه کوانتوم کرومودینامیک را به طور دقیق محاسبه کرده اند و برای به دست آوردن این مقدار از نتایج به دست آمده از یکی از آشکار ساز ها در آزمایشگاه بروک‌هاون استفاده کرده اند. در این آزمایشگاه یون های طلا را در انرژی های بالا با هم برخورد میدهند به گونه ای که پلاسمای کوارک – گلویون و هادرون های منفرد تشکیل شوند. در ضمن دانستن میزان دمایی که در آن این هادرون ها تشکیل میشوند بسیار مهم است.

بدانهگاداس موهانتی  یکی از اعضای تیم تحقیقاتی مرکز سیکلوترون انرژی های متغیر در کلکته هندوستان می گوید : "دانستن دمای ذکر شده به ما کمک می کند تا نمودار فاز کوانتوم کرومودینامیک را بکشیم ." نمودار فاز تغییرات فاز را بر حسب دو متغیر دما و پتانسیل شیمیایی بار یونی (یعنی انرژی لازم برای زدودن یا افزودن پروتون یا نوترون به مواد با بر هم کنش بسیار شدید) نشان می دهد . بنابر گفته او همانطور که در ترمودینامیک دمای تغییر فاز آب تابعی از فشار است و برای دانستن میزان دقیق این دما بایست حداقل دمای یک نقطه ثابت نمودار فاز ( دمای نقطه جوش در یک اتمسفر ) را بدانیم. این موضوع در مورد کوانتوم کرومودینامیک هم صادق است و ما می خواهیم بفهمیم دمای تغییر فاز در پتانسیل شیمیایی صفر چه قدر است .

ژو و همکارانش مقدار این دما را مستقیما اندازه نگرفتند ولی با کمک نظریه و برخی آزمایشها مقدار آن را به دست آورده اند . سورندا کوپتا و همکارانش در انیستیتو تحقیقات نظری تاتا در هندوستان توانسته اند با ثابت نگه داشتن فشار , پتانسیل شیمیایی بار یونی را تا مرتبه چهارم حساب کنند و در حال حاضر روی این موضوع کار می کنند که حساسیت چگونه با دما تغییر می کند. هم زمان با این فعالیت ها آزمایش برخورد میلیون ها یون طلا درRHIC به ما اطلاعات بسیار جامعی در مورد این می دهد که چه مقدار پروتون بیشتر از آنتی پروتون تولید می شود.

برای محاسبه دمای تغییر فاز در پلاسمای کوارک-گلوئون دانشمندان به مقایسه میزان پیش بینی شده برای حساسیت از نظر تئوری و مقادیر عددی به دست آمده از روی نمودار توزیع می پردازند و اگر این 2 مقدار هم خوانی داشته باشند محققان با این متد به مقدار درستی برای دمای تغییر فاز رسیده اند. دمایی که توسط تیم ژو به دست آمده است 1.7±157 مگاالکترون ولت یعنی معادل 2.000.000.000.000 درجه کلوین است .

و این مقدار با مقداری که روش کوانتوم کرومو‌دینامیک شبکه‌ای پیش بینی می کند دقیقا یکی است.موهانتی می گوید: "اولین بار است که مقایسه مستقیم بین تئوری ماده کوارکی در دمای بالا و آزمایش‌های با انرژی بالا صورت می گیرد .دانشمندان قبل ها مقداری را به کمک تئوری برای حساسیت به دست آورده بودند اما حالا با مقایسه این مقدار با مقدار های آزمایشگاهی می توان فهمید که تئوری تا چه حد خوب کار می کند ."

لینک مقاله اصلی

لینک مقاله در وبلاگ

ابعاد فراکتالی اثر کازیمیر را تغییر می دهد

در اثر کازمیر شاهد نیروی اسرارآمیزی هستیم که دو صفحه موازی را که فاصله ناچیزی از هم دارند به طرف هم می راند. این اثر معلول خلق و فنای ذرات در ابعاد پلانک می باشد، اگر فاصله بین صفحات از طول موج دوبروی این ذرات کمتر باشد ذرات بین صفحات نمی گنجند و ناپدید می شوند. سپس فزونی ذرات مجازی خارج نسبت به داخل باعث می شود صفحات به سمت هم رانده شوند.فیزیکدانان نظری به این نتیجه رسیدند که اگر اندازه گیری های اثر کازیمیر با حساسیت کافی انجام شود، آثار ابعاد فرکتالی قابل مشاهده خواهد بود.

در دهه1920 تئودورکالوتزا  واسکارکلاین ایده ای مطرح کردند که نظریه الکترومغناطیس ماکسول را با نظریه نسبیت اینشتین وحدت می داد، این کار به ‌خودی خود کار مهمی است اما یک اشکال کوچک دارد، در مدل کالوتزا کلاین جهان 5 بعد دارد؛ از این پس فیزیکدان های بسیاری با روش های مشابه سعی کردند که چرا ابعاد اضافی نظریات آنها دیده نمی‌شوند. کالوتزا و کلاین عقب‌نشینی نکردند و این اندیشه را پیش آوردند که بعد فضایی پنجم تنها در مقیاس پلانک از مرتبه ده به توان منهای سی و پنج وجود دارد. درواقع آنها فرض کردند که این بعد روی خودش پیچیده است طوری که اگر می‌شد این بعد فضایی در این مقیاس را پیمود هر مسافری به نقطه‌ی آغاز سفرش بازمی‌گشت.

ایده ای که اخیرا مطرح شده است این است که مثل دیگر اشیائ کوانتمی در این مقیاس، بعد اضافی ممکن است در حال خلق و فنا باشد. اگر این اتفاق بیفتد بایستی بعد پنجم فضا به صورت ناقص وجود داشته باشد. فیزیک دانان این ابعاد را به عنوان ابعاد فرکتالی که با اعداد غیر صحیح مشخص می شوند توصیف می کنند چون این ابعاد این قدر کوچک هستند کار زیادی برای اثبات یا رد اندیشه‌ی ابعاد فراکتالی نمی‌توان کرد. دست کم تا کنون فیزیکدان‌ها این طور فکر می‌کردند.

امروز هانگبو چِنگ  از دانشگاه علم و فناوری چین شرقی در شانگهایمی‌گوید که شاید بتوان تفاوت وجود و عدم وجود ابعاد فراکتالی را مشاهده کرد. نتایج محاسبات چنگ نشان می دهد اگر فاصله صفحات در اندازه ی بعد اضافی باشد، ابعاد اضافی بر نیروی کازیمیر تاثیر خواهند داشت و اگر تعداد ابعاد عدد صحیح باشد نیروی کازیمیر قوی تر از حالتی خواهد بود که بعد فراکتالی وجود داشته باشد اما میزان دقیق تفاوت دو حالت به مرتبه‌ی فراکتال بستگی دارد.

البته سوالی که مطرح می شود این است که آیا می توان این تفاوت را بدون ابهام اندازه گرفت. اگر امکانش وجود داشته باشد ما می توانیم یک آزمایش جالب در مورد ماهیت فضا- زمان انجام دهیم.

لینک منبع

کشف دورترین کوازار از زمین

اختر شناسان توانستند مکان چراغی دور دست را مشخص کنند که متعلق به زمانی است که جهان هنوز در مراحل ابتدایی اش بود. این چراغ، یک شی نورانی است که کوازار نامیده می شود وبا روشنایی 63 تریلیون بار بیشتر از خورشید به دلیل فرو ریزش در درون یک سیاهچاله ابر پرجرم که منجر به گرم شدن و گسیل نور می شود ایجاد شده است. این کوازار، از هر کوازار تا کنون شناخته شده ای از زمین دور تر است و نور ساطع شده از آن متعلق به 13 میلیارد سال قبل است. این کوازار به خاطر درخشندگی بسیار زیادش و رکورد فاصله از زمین، فرصت مطالعاتی بی نظیری را به منظور مطالعه شرایطی از جهان که تحت آن قرار داشته است، بدست می دهد.

در زمانی که عالم یک میلیارد سال عمر داشت، اتم های گازهیدروژن که فضای بین کهکشان را پر کرده بودند در اثر تابش پر انرژی ستارگان پرجرم تقریبا یونیزه شده بودند. این دوره به عنوان عصر بازیونیزیدگی شناخته میشود و اعتقاد بر این است که از زمانی حدود 380 هزار سال بعد از انفجار بزرگ آغاز شده است.

کوازارها با درخشندگی چشمگیر ذاتی خود ابزار فوق العاده ای برای بررسی روند بازیونیزیدگی هستند و مثل چراغ قوه ای برای روشن کردن فواصل کهکشانی عمل می کنند. ولی کوازارهایی که با تلسکوپ های نوری شکار شده اند فقط می‌توانستند تا 870 میلیون سال بعد از انفجار بزرگ را ببیند که مربوط به زمانی است که فرایند یونیزه شدن ماده بین کهکشانی تقریبا کامل شده بود. نور کوازارهای که خارج از این بازه زمانی به زمین میرسند بدلیل انبساط جهان و انتقال به سرخ بسیار که ناشی از اثر دوپلر است، خارج از محدوده نور مرئی قرار میگیرند و در ناحیه فرو سرخ دورقرار میگیرد.

به تازگی پژوهشگرانی از کالج سلطنتی لندن با بررسی اشیا درخشان در ناحیه فرو سرخ موفق شدند یک کوازار (که به ULAS J1120+0641 نام گذاری شده است) متعلق به 770 میلیون سال بعد از انفجار بزرگ را کشف کنند. این کوازار جدید در حدود 100 میلیون سال پیرتر از پیرترین کوازاری است که قبلا با تلسکوپ های نوری کشف شده بود.

این کوازار باستانی در مطالعات فروسرخ اعماق آسمان در بریتانیا حین انجام یک پروژه هفت ساله کشف شد. چیزی که این کوازار به محققان نشان داده این است که حداقل در مقابل این کوازار در راستای خط دید آن و در آن برحه از تاریخ کیهان 10 درصد یا حتی شاید 50 درصد عالم را اتمهای هیدروژن خنثی تشکیل می‌داده. با رصد بیشتر این کوازار و شاید با کشف کوازارهای بیشتری با فاصله قابل مقایسه با این کوازار ستاره شناسان و کیهان شناسان بهتر می توانند از راز بازیونیزیدگی در تاریخ کیهان پرده بردارند.

برای اینکه این کوازار به این صورت بدرخشد، آن هم در دوران آغازین کیهان، بایستی تحت تاثیر سیاه چاله‌ای تقریبا دومیلیارد بار سنگین تر از خورشید یا 500 بار سنگین تر از سیاهچاله مرکز کهکشان ما بوده باشد. هیچ کس نمی داند چنین سیاه چاله پرجرمی چه گونه در زمانی نسبتا کوتاه و در آن شرایط کیهان شناختی پدید امده است. به عبارت دیگر اختر فیزیک دانان با جسمی کیهانی مواجهند که مثل کودکی تازه متولد ولی با قامت بزرگسالان است.

دنیل مارتلاک¹ (اختر فیزیک دان در امپریال کالج لندن) معتقد است که توجیه شکل گیری این جسم در ابتدای تاریخ عالم مشکلترین مسئله فرآیند شکل گیری است که تا به حال اختر فیزیک دانان با آن روبرو بوده اند. وجود این سیاه چاله غول پیکر، هم اکنون تبدیل به چالشی برای نظریه پردازان شده است.

لینک منبع 

Dark energy spotted in the cosmic microwave background

Astronomers studying the cosmic microwave background (CMB) have uncovered new direct evidence for dark energy – the mysterious substance that appears to be accelerating the expansion of the universe. Their findings could also help map the structure of dark matter on the universe's largest length scales.

The CMB is the faint afterglow of the universe's birth in the Big Bang. Around 400,000 years after its creation, the universe had cooled sufficiently to allow electrons to bind to atomic nuclei. This "recombination" set the CMB radiation free from the dense fog of plasma that was containing it. Space telescopes such as WMAP and Planck have charted the CMB and found its presence in all parts of the sky, with a temperature of 2.7 K. However, measurements also show tiny fluctuations in this temperature on the scale of one part in a million. These fluctuations follow a Gaussian distribution.

In the first of two papers, a team of astronomers including Sudeep Das at the University of California, Berkeley, has uncovered fluctuations in the CMB that deviate from this Gaussian distribution. The deviations, observed with the Atacama Cosmology Telescope in Chile, are caused by interactions with large-scale structures in the universe, such as galaxy clusters. "On average, a CMB photon will have encountered around 50 large-scale structures before it reaches our telescope," Das told physicsworld.com. "The gravitational influence of these structures, which are dominated by massive clumps of dark matter, will each deflect the path of the photon," he adds. This process, called "lensing", eventually adds up to a total deflection of around 3 arc minutes – one-20th of a degree.

Dark energy versus structure

In the second paper Das, along with Blake Sherwin of Princeton University and Joanna Dunkley of Oxford University, looks at how lensing could reveal dark energy. Dark energy acts to counter the emergence of structures within the universe. A universe with no dark energy would have a lot of structure. As a result, the CMB photons would undergo greater lensing and the fluctuations would deviate more from the original Gaussian distribution.

However, the opposite was found to be true. "We see too little lensing to account for a universe with no dark energy," Sherwin told physicsworld.com. "In fact, the amount of lensing we see is consistent with the amount of dark energy we would expect to see from other measurements."

This is the first time dark energy has been inferred from measurements of the CMB alone. Conventional CMB measurements only reveal details about the very early universe, a time before stars and galaxies. In order to build up a picture of the universe's evolution, these results had to be combined with an additional measurement such as the Hubble constant. However, the CMB photons observed in this work were deflected by the unfolding evolution of the universe. "That missing information is now built right in," Sherwin explains.

"Patchwork of evidence"

The fact that this is direct evidence, rather than relying on a second measurement, excites Stephen Boughn, a cosmologist at Haverford College in the US. "We currently only have two pieces of direct evidence for dark energy. Any additional evidence that indicates its existence is very important," he says. "We want a patchwork of evidence, from many different places, just to make sure the whole picture hangs together. This work helps with that."

Boughn also believes that the findings could help reveal how dark matter is distributed throughout the universe on large scales. Dark matter has the same gravitational effects as normal matter but does not interact with electromagnetic radiation and so cannot be seen directly. "There are many simulations, but few observations, that suggest how the universe's dark matter is structured," he explains. "But because this lensing of the microwave background depends on how the dark matter is clumped, future experiments measuring these distortions in the CMB should be able to get a handle on how large-scale dark matter is distributed."

فیزیکدانان می گویند جرم سیاهچاله ها باید گسسته باشد

پیش بینی ها اخیر، دوباره این پرسش را برجسته کرده اند که آیا شتابدهنده های ذرات می توانند سیاهچاله تولید کنند؟

پس از سال ها تمرکز بر روی سیاهچاله های غول پیکر که پس از رمبش ستارگان شکل می گیرند و سیاهچاله های بسیار پرجرم در مرکز کهکشان ها، فیزیکدان ها اخیرا شروع به مطالعه سیاهچاله های میکروسکوپی با جرم های بسیار کوچک کرده اند. یکی از دلایل مطالعه این اجرام این است که ممکن است آن ها در طی مهبانگ شکل گرفته باشند و تا جهان امروزی نیز وجود داشته باشند. وجود چنین سیاهچاله های اولیه ای یکی از توضیح های ممکن برای جرم گمشده عالم است.

یکی از دلایل دیگر که فیزیکدان ها به ریزسیاهچاله ها علاقه مند هستند، این است که برخی از نظریه پردازان پیش بینی می کنند که برخوردهنده بزرگ هادرونی (LHC) آن ها را تولید می کند. بنابراین، کار جیا دوالی و همکارانش در دانشگاه لودویک-ماکسیمیلان مونیخ در آلمان توجه زیادی را جلب کرده است. این دانشمندان می گویند که اگر سیاهچاله ها بر روی این مقیاس کوانتومی کوچک شکل بگیرند، جرم آن ها باید گسسته باشد. استدلال آن ها ساده است. اگر جرم سیاهچاله گسسته نباشد، جرم اصولا می تواند هر مقداری را بگیرد و اگر این طور باشد، آهنگ تولید ریزسیاهچاله ها بینهایت خواهد بود و آن ها می توانند در هر برخوردی و در هر انرژی شکل بگیرند. از آن جایی که به وضوح چنین نیست، جرم های ریزسیاهچاله ها باید گسسته باشد.

بلافاصله سوالات مهمی بروز می کند: چه موضوعی منجر به گسسته شدن جرم سیاهچاله ها می شود؟ دوالی و همکارانش، به شکلی منطقی استدلال می کنند که سیاهچاله ها باید در واحدهای طول بنیادی پلانک گسسته باشند. اما دقیقا معلوم نیست که چگونه این امر باعث خلق و فنای آن ها می شود.

آنها پیشنهاد می دهند که ابتدا، ریزسیاهچاله ها در پایین ترین حالت کوانتومی خودشان در LHC و به شکل تشدید کوانتومی ظاهر می شوند؛ آن چه فیزیکدانان ذرات، برآمدگی در داده‌هایشان می خوانند. در ابتدا تمایز بین آن ها و ذرات معمولی دشوار است، اما آزمایش های انرژی بالاتر باعث می شوند که سیاهچاله ها در حالات کوانتومی بالاتر نیز آشکار شوند.

هم اکنون، راهی برای این نیست که بفهمیم دقیقا در چه انرژی باید انتظار دیدن آن ها را داشته باشیم. دوالی و همکاران به درستی اشاره می کنند که: «برای کشف شکل دقیق قانون گسستگی برای کمترین تشدیدهای سیاهچاله، ما نیاز به ورودی های تجربی بیشتر داریم». مقاله آنها روشن می کند که فهم ما از ریزسیاهچاله ها سریعا در حال تغییر است.

لینک مقاله اصلی

لینک مقاله در وبلاگ

More surprises for the Voyager mission at the edge of the solar system

Unexpected observations by NASA's Voyager 1 spacecraft have astronomers once again revising their theories about the radial extent of the heliosheath – the heated outer shell of the solar system. Recent data from the spacecraft have shown a gentle decrease in the velocity of the solar wind at the heliopause – the outer boundary of the heliosheath – not the abrupt discontinuity predicted by current theories. Also, scientists looking at other data from both Voyager 1 and Voyager 2 have found that the magnetic field in the heliosheath is a tumultuous foam of magnetic bubbles, as compared to the graceful arcs of magnetic field lines they had expected.

At the edge

Ionized particles emitted at high speeds from the Sun – the solar wind – form a bubble around our solar system. The skin of the bubble, called the heliosphere, contains the heliopause, the heliosheath and the termination shock. The solar wind travels at supersonic speed until it crosses a shockwave – the termination shock where it slows down and heats up the heliosheath. The heliopause is the outer edge of the heliosheath where the solar wind slows down to zero.

Launched nearly 34 years ago, and now cruising through space some 14.4 billion kilometres from the Sun, both Voyager 1 and Voyager 2 are currently in the heliosheath. A team of scientists led by Stamatios Krimigis of the Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, Maryland, US have been using Voyager's Low-Energy Charged Particle instrument to determine the solar wind's velocity. Voyager 1 has crossed into an area where the velocity of the solar wind has slowed gradually to zero since 2007. As Voyager 1 has moved outwards over the past three years, the radial velocity of the wind has been decreasing almost linearly from 208,000 km/h to zero; while the transverse component that flows sideways relative to the Sun is also trending toward zero.

"This tells us that Voyager 1 may be close to the heliopause, or the boundary at which the interstellar medium basically stops the outflow of solar wind," says Krimigis. "The extended transition layer of near-zero outflow contradicts theories that predict a sharp transition to the interstellar flow at the heliopause – and means, once again, we will need to rework our models."

As velocities may fluctuate, the team looked at multiple monthly readings before confirming the velocity was actually at zero. However, scientists believe Voyager 1 has not yet crossed the heliopause into interstellar space. Crossing into interstellar space would mean a sudden drop in the density of hot particles of the heliosheath and an increase in the density of cold particles of the interstellar plasma. The researchers, writing in Nature, estimated the location of the heliopause by combining the Voyager 1 observations and energetic neutral atom images of the heliosheath from the Cassini mission. They believe that the heliopause may be as close as 18 billion kilometres, meaning that Voyager 1 could exit the transition layer and enter the galactic medium by the end of 2012.

Bubble trouble

At the same time, another team from NASA has found distinct bubbles of magnetism, each about 160 million kilometres wide, in the heliosheath. Voyager 1 entered the "foam-zone" in around 2007 and Voyager 2 followed about a year later, according to the researchers, and it would take either one of the probes weeks to cross just one bubble.

"The Sun's magnetic field extends all the way to the edge of the solar system," explains Merav Opher of Boston University, US. "Because the Sun spins, its magnetic field becomes twisted and wrinkled, a bit like a ballerina's skirt. Far, far away from the Sun, where the Voyagers are now, the folds of the skirt bunch up."

When a magnetic field gets severely folded, lines of magnetic force criss-cross and reorganize themselves into foamy magnetic bubbles. This magnetic reconnection is the same energetic process underlying solar flares. The actual bubbles appear to be self-contained and disconnected from the broader solar magnetic field.

Sensor readings from the spacecraft show that the Voyagers sometimes travel in and out of bubbles in the foam – zone, while at other times they seem to move through foam-free regions. This further complicates our picture of the heliosphere.

The researchers suggest that the foam zone might protect the solar system from cosmic rays, which would be trapped inside the bubbles and have to travel through individual bubbles before arriving at relatively smoother magnetic field lines to travel towards the Sun itself. "The magnetic bubbles appear to be our first line of defence against cosmic rays," points out Opher. "We haven't figured out yet if this is a good thing or not."

So far, most evidence for the bubbles comes from the Voyager energetic-particle and flow measurements and magnetic-field observations; but because the magnetic field is so weak, the data takes much longer to accurately analyse. "We'll probably discover [if our model] is correct as the Voyagers proceed deeper into the froth and learn more about its organization," says Opher. "This is just the beginning, and I predict more surprises ahead."

'Plasmon ruler' measures tiny distances in 3D

The first ever 3D "plasmon ruler" has been unveiled by researchers in the US, Germany and France. Until now, such nanoscale measuring devices were limited to measuring distances in just 1D, which meant that they could not be used to monitor 3D processes in biological and soft matter. The new sensor could prove useful for monitoring structural changes in biological samples, such as protein folding and DNA interactions.

Metals can absorb light by creating plasmons, which are particle-like collective excitations of conduction electrons at a metallic surface. A 1D plasmon ruler exploits the fact that the plasmon resonances of two metallic nanoparticles couple with each other when they are close together. The spectrum of light associated with the plasmons is strongly shifted toward the blue or red depending on how close or far apart the nanoparticles are to each other.

For example, in previous studies two gold nanoparticles were connected together via a single strand of DNA. When complementary double-stranded DNA was then added, researchers observed a significant blueshift in the light spectrum of the plasmon resonances. Since double-stranded DNA is much stronger than single stranded, the nanoparticles are pushed apart – that is, the distance between them becomes larger. By continuously monitoring the spectrum of the gold particles, the dynamics of the DNA "hybridization" could be recorded.

Stack of gold nanorods

Now, Laura Na Liu of the Lawrence Berkeley National Laboratory and colleagues at the University of Stuttgart and the University Blaise Pascal in Aubière have extended this concept so that it works in 3D. In their new plasmon ruler, the researchers employed a stack of five gold nanorods arranged in a "H" shape with the central rod acting as the horizontal bar of the H (see image). The other two pairs of rods were chosen so that they acted as quadrupolar "antennas" for visible lightwaves. When biological molecules are attached to the structure, the central rod or quadrupole antennas move relative to each other, which results in a shift of the plasmon resonances of the system that can be measured, just like the 1D ruler. The researchers fabricated their set-up using high-precision electron-beam lithography and layer-by-layer stacking nanotechniques. "Compared with its 1D counterpart, our ruler offers additional degrees of freedom – such as rotating, twisting and tilting – to detect the dynamic behaviour of bioentities," Liu told physicsworld.com.

New generation of plasmon rulers

According to the researchers, the concept can be applied to single metallic nanocrystals joined together by oligonucleotides or peptides. This could lead to a new generation of plasmon rulers capable of monitoring events occurring during a wide variety of macromolecular transformations in 3D. Such transformations include DNA interacting with enzymes or proteins, protein folding and the dynamics of peptide motion, and the elastic vibrations of cells membranes in situ and in vivo, to name but a few.

"Metallic nanoparticles of different sizes could also be attached at different positions on DNA or proteins and each metallic element may move individually or collectively in three dimensions," explains Liu.

The team now hopes to make 3D plasmon rulers using biochemical linkers. The concept might even be extended to even more complicated plasmon structures, according to Carsten Sönnichsen of the Johannes Gutenberg University of Mainz in Germany.

The research is described in Science 332 1407.

ریزپردازشگر های مغناطیسیی یک میلیون بار کمتر از تراشه های امروزی انرژی تلف میکنند

بر اساس پژوهش های انجام شده در دانشگاه برکلی کالیفرنیا، کامپیوتر های آینده احتمالا با ریز پردازنده های مغناطیسی کار خواهند کرد که بر اساس قوانین فیزیک کمترین میزان مصرف انرژی را دارند.

تراشه های ریز پردازنده های سیلیکونی امروزی بر اساس جریان الکتریکی کار می کنند که مقدار زیادی گرمای اتلافی تولید می کنند. اما از دید نظری ریز پردازنده هایی که قرار است با آهنربا (مگنت) های نانومتری، برای حافظه، عملیات منطقی و مدارهای کنترل به کار گرفته شوند نیازی به حرکت الکترون ندارند. چنین تراشه های تنها 18 میلی الکترون-ولت انرژی در هر عملیات و در دمای اتاق مصرف می کنند. این انرژی کمترین انرژی مجاز بر اساس قانون دوم ترمودینامیک است که حد لاندائر نامیده می شود. این میزان یک میلیون برابر کمتر از انرژیی است که کامپیوتر های امروزی مصرف می کنند.

برایان لامبسون دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشگاه برکلی می گوید که کامپیوتر های امروزی الکتریسیته را با حرکت دادن الکترون ها در یک مدار به جریان می اندازند و شما می توانید مراحل مختلف مسیر را مشاهده کنید. در صورتیکه، کامپیوتر مغناطیسی شامل حرکت الکترون ها نمی شود. شما اطلاعات را با استفاده از مگنت ها ذخیره و پردازش می کنید، و اگر این مگنت ها را کوچک کنید می توانید آنها را در بسته های نزدیک بهم قرار دهید بگونه ای که با هم برهم کنش داشته باشند. این ویژگی مارا قادر به انجام محاسبات، تولید حافظه و انجام همه کاربری های یک کامپیوتر می کند. جفری باکور یکی از مدیران مرکز انرژی بهینه و استاد دانشگاه برکلی بر این باور است است که می توان مدارهای واقعیی ساخت که در حد لاندائور بدرستی عمل کنند. یکی از اهداف مرکز، ساخت کامپیوتر هایی است که در حد لاندائور کار کنند.

پنجاه سال پیش، رالف لاندائور با استفاده از نظریه‌ی اطلاعات که به تازگی مطرح شده بود، انرژی کمینه‌ی یک عملیاتمانند "و" یا "یا" ی منطقی را بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، محاسبه کرد. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، یک فرآیند برگشت ناپذیر (یک عمل منطقی یا پاک شدن یک بیت از اطلاعات) انرژیی را هدر می دهد که قابل بازیافت نیست. به بیان دیگر، آنتروپی سیستم های بسته نمی تواند کاهش یابد.

در ترانزیستور ها و ریز پردازشگر های امروزی، این حد بسیار پائین تر از سایر انرژهایی است که به صورت گرما و به دلیل مقاومت الکتریکی تلف می شود. از آنجاییکه در سیستم مغناطیسی نیازی به حرکت الکترون ها نیست، این اتلاف بسیار کاهش می یابد. با توجه به اینکه حدِ لاندائور متناسب با دما است، مدارهای خُنک تر می توانند کارآمد تر هم باشند.

در حال حاضر، از جریان های الکتریکی برای تولید یک میدان مغناطیسی برای پاک کردن و یا تغییر قطبش نانومگنت ها استفاده می شود، که البته انرژی زیادی را هدر می دهد. اما مواد جدید نیازی به جریان الکتریکی ندارند و تنها از جریان برای انتقال اطلاعات از یک تراشه به تراشه دیگر استفاده می کنند.

Black Hole Mass Must Be Quantized, Say Physicists

The prediction once again raises question marks over physicists' assurances that particle accelerators capable of making black holes are safe

Having focused for many years on the giant black holes that form when stars collapse and the supermassive black holes at the centre of galaxies, physicists have more recently begun to study microscopic black holes, with tiny masses. One reason to think about these objects is that they may have been formed during the Big Bang and may still permeate the universe today. The existence of so-called primordial black holes is one possible explanation for the universe's missing mass.

Another reason physicists are interested in micro black holes is that some theorists predict that the Large Hadron Collider will produce them. So the work of Gia Dvali and pals at the Ludwig-Maximilians-Universitat in Munich, Germany, will be of great interest. These guys say that if black holes form on this tiny quantum scale, then their masses must be quantised.

Their reasoning is simple. If black hole mass is not quantised, then the mass could take essentially any value. And if that were the case, the rate of production of micro black holes would be infinite: they could form in any collision, at any energy. Since that's clearly not the case, the masses of micro black holes must be quantised.

That immediately raises a number of important questions, not least of which is what governs black hole quantisation. Dvali and co reasonably argue that black holes must be quantised in units of the fundamental Planck length. But exactly how this would affect the way they spring in and out of existence isn't clear. Dvali and co suggest that micro black holes would first appear in their lowest quantum state at the LHC in the form of some kind of quantum resonance, what particle physicists call a hump in their data. This would initially be hard to distinguish from an ordinary particle, but higher energy experiments ought to reveal black holes in higher states too.

For the moment, there's no way to work out at exactly what energy we should expect to see them. "To uncover the precise form of the quantization rule for lowest black hole resonances, we need more experimental input," says Dvali and co. Quite!

Of course, the question of this kind of black hole production at the LHC once again raises the thorny question of whether the safety assurances we've been given about these experiments are valid. We've looked at the arguments before. One important question is whether state-of-the-art theoretical physics is up to the task of making a trustworthy prediction that the LHC is safe.  Today's paper makes clear that our understanding of micro black hole physics is rapidly changing. So it would be entirely reasonable to ask on what basis physicists are able to make safety assurances.

(Let's put aside for a moment the question of whether particle physicists are in any position to make safety assessments in the first place, given that they have the most to gain from running these experiments.) This is a debate that particle physicists are strangely reluctant to engage in, having ignored most of the questions marks over safety.

So this is a good opportunity to raise the issue again. Sit back and enjoy the fireworks (or puzzle over the deafening silence)!

ما با تمامی کائنات یگانه ایم...

لي اسمولين يك راهب شرقي نيست. اما او و همكارانش در دانشگاه واترلوی کانادا به تازگي و هنگام تلاش براي وحدت‌بخشيدن به دو نظريه بزرگ فيزيك يعني نظريه كوانتوم و نسبيت عام اينشتين به نتيجه شگفت‌انگيزي مشابه آنچه در تعاليم كهن شرق بيان شده است دست يافته‌اند: اينكه ماده اساساً چيزي جز بافته‌اي از تار و پود فضا-زمان نيست و بنابراين همه‌چيز در جهان - از درختان و انسان گرفته تا كهكشان‌ها - ماهيتي واحد و يگانه دارند.

اين كشف، دستاوردي خارق‌العاده محسوب مي‌شود زيرا نه‌تنها از ماهيت فضا و ماده پرده‌برداري مي‌كند بلكه ممكن است بشر را در درك منشأ قوانين بنيادين جهان نيز ياري بخشد.

اين دستاورد كه درك بهتر كائنات را نويد مي‌دهد، برمبناي نظريه‌اي به نام "نظريه گرانش كوانتومي حلقوي" حاصل شده است. اين نظريه سعي دارد تا با تلفيق نسبيت عام و مكانيك كوانتومي، به نظريه‌اي واحد و سازگار در فيزيك دست يابد (يعني همان هدفي كه نظريه ريسمان‌ها از مسيري ديگر درتلاش براي رسيدن به آن است).

داستان شكل‌گيري نظريه گرانش كوانتومي حلقوي به دهه 1980 بازمي‌گردد. در آن زمان، آبهاي آشتكار  كه اكنون در دانشگاه ايالتي پنسيلوانيا است معادلات نسبيت عام اينشتين را در يك چارچوب كوانتومي بازنويسي كرد. بعدها لی اسمولين و فيزيكداني به نام كارلو روولي از دانشگاه مديترانه‌اي مارسي در فرانسه، ايده آشتكار را بسط داده و كشف كردند كه در تصويري كه اين چارچوب نظري جديد ارائه مي‌دهد، فضا برخلاف تصور، پيوسته نبوده بلكه از بخش‌هايي مجزا به ابعاد 10 به توان منهاي 35 متر تشكيل شده است. بدين ترتيب براساس نظريه گرانش كوانتومي حلقوي، فضا-زمان درواقع شبكه‌اي است از پيوندهايي كه اين كوانتوم‌هاي فضا را به همديگر متصل مي‌كنند.

از همان آغاز، فيزيكدان‌ها دريافته بودند كه اين پيوندهای فضا-زمانی مي‌توانند دور همديگر پيچيده و ساختارهايي بافته مانند را تشكيل دهند. اما تا پيش از اين، كنجكاوي فيزيكدان‌ها براي درك مفهوم اين بافته‌ها راه به جايي نبرده بود.

اما سرانجام چندی پیش لی اسمولین، فیزیکدان برجسته دانشگاه واترلوی کانادا به همراه دو فیزیکدان دیگر به نام های ساندانس بيلسون تامپسون و فوتيني ماركوپولو توانستند پاسخ این معما را بیابند. نتیجه تحقیقات آنها نشان می دهد که بافته های فضا-زمانی درواقع می توانند ماهیت تمامی ذرات بنیادین جهان را تشکیل دهند. به عبارتی این بافته‌هاي فضا-زمانی می توانند منشأ ماده و انرژي در کل كائنات باشند.

برهمين اساس اسمولين، ماركوپولو و بيلسون تامپسون حتی موفق شدند وجود سبك‌ترين خانواده ذرات در مدل استاندارد ذرات بنيادي - يعني الكترون، كوارك‌هاي "بالا" و "پايين"، نوترينوي الكترون و پاد ذره آنها - را براساس بافته‌هاي فضا-زماني استخراج نمايند و این دستاورد، موفقیت بزرگی برای نظریه گرانش کوانتومی حلقوی محسوب می شود.

بدين ترتيب، نظريه گرانش كوانتومي حلقوي، حس غريبي را در مورد جايگاه ما در جهان برايمان به ارمغان مي‌آورد. اگر الكترون‌ها و كوارك‌ها - و نتيجتاً اتم‌ها، درختان، انسان و كهكشان‌ها - همگي بافته‌هايي از فضا-زمان باشند، پس ما حقيقتاً با كل جهان يگانه‌ايم.

حافظه کوانتومی که در دمای اتاق کار می کند

فیزیکدان ها در انگستان، حافظه کوانتومی برای فوتون ها ساخته اند که در دمای اتاق کار می کند. این موفقیت بزرگ می تواند به پژوهشگران برای توسعه ابزارهای تکرارگر کوانتومی کمک کند تا اطلاعات کوانتومی را در فواصل طولانی ارسال کنند. بیت های کوانتومی یا «کیوبیت» های اطلاعات را می توان با فوتون ها انتقال داد و از کاربردهای فراوان آن ها مانند «رمزنگاری» سود جست. این طرح ها بر این واقعیت استوارند که فوتون ها، می توانند فاصله های نسبتا طولانی را بدون بر هم کنش با محیط طی کنند؛ مثلا کیوبیت های فوتونی قادرند که با دیگر کیوبیت ها، در حالت در هم تنیده باقی بمانند – حالتی که برای بسیاری از ایده های اطلاعات کوانتومی ضروری است.

هر چند حالت کوانتومی یک فوتون، به دلیل پراکندگی ناشی از حرکت در طی صدها کیلومتر در ماده ای مانند هوا یا فیبر نوری، به تدریج تغییر خواهد کرد(یا از بین خواهد رفت). در نتیجه، پژوهشگران در توسعه تکرارگرهای کوانتومی مشتاقند که سیگنال های که افت کیفیت دارند را ذخیره کنند و به جای آنها سیگنال های تازه نفس را دوباره گسیل کنند. یان والمسلی از دانشگاه آکسفورد می گوید: «از این طریق شما می توانید در هم تنیدگی را در فواصل بسیار طولانی ایجاد کنید.»

تعمیر دشوار

حافظه کوانتومی که فوتون ها را ذخیره و سپس بازگسیل کند، جزء اساسی یک تکرارگر کوانتومی است. دسته ای از حافظه های کوانتومی که تاکنون ساخته شده اند، در دماهای بسیار سرد یا شرایط خلا نگهداری می شدند. همچنین، آن ها تمایل دارند که تنها در محدوده ای باریکی از طول موج های نور کار کنند و کیوبیت ها را در بازه بسیار کوتاهی از زمان ذخیره نمایند. والمسلی و همکارانش، می گویند که امکان ندارد بتوان چنین سامانه های ظریفی را در ارتباطات کوانتومی بین قاره ای استفاده کنیم.چنین پیوندهایی باید از میان اقیانوس ها و دیگر مناطق دوردست بگذرند، در چنین مکان هایی نمی توان افراد را برای تعمیر سامانه های خلا و یا عیوب ناشی از تغییرات دما فرستاد.

به علاوه، آن ها باید طیف وسیعی از بسامدهای نور را جذب و داده ها را برای دوره های بسیار طولانی تر از طول یک پالس سیگنال، ذخیره نمایند. اما والمسلی، این ترکیب را «گامی کلیدی برای ساخت شبکه های بزرگ» می داند. بازه گسترده ای از بسامدها به این معنی است که حافظه می تواند حجم بیشتری از داده ها را در خود جای دهد، در حالی که زمان طولانی ذخیره، قرار دادن چند فوتون در حالت های کوانتومی مطلوب را تسهیل می کند.

والمسلی و تیمش، برای نیل به این هدف، ابری از اتم های سزیم را در حافظه کوانتومی قرار دادند که در دمایی کار می کند که به سادگی قابل حصول است: 62 درجه سانتی گراد. بر خلاف حافظه های کوانتومی قبلی، فوتون های ذخیره شده و باز گسیل شده، مجبور نیستند به بسامدی برسند که الکترون های سزیم تمایل به جذب آن دارند. به جای آن، پالسی از لیزر کنترل فروسرخ، فوتون ها را به «موج اسپینی» تبدیل می کنند؛ یعنی آن را در اسپین های الکترون سزیم و هسته ها جاسازی می کنند.

سیاه رنگ

والمسلی، ابر اتم های سزیم را با تکه شیشه ای شفاف مقایسه می کند که اجازه می دهد نور عبور کند. در گام اول لیزر شیشه را سیاه رنگ می کند و اجازه می دهد تا همه نوری که به آن می رسد، جذب شود. هر چند، بر خلاف شیشه اندود شده که نور به صورت گرما آزاد می شود؛ نوری که به ابر سزیم می رسد در موج اسپینی ذخیره می شود. تا 4 میکروثانیه، پالس دوم لیزر موج اسپینی را دوباره به فوتون تبدیل می کند و سزیم را دوباره نسبت به نور شفاف می کند. پژوهشگران می گویند که بازده 30% سزیم در جذب و بازگسیل فوتون ها، می تواند با پالس هایی با انرژی بالاتر لیزر کنترل، افزایش یابد؛ در حالی که زمان ذخیره می تواند با پوشش بهتر در برابر میدان های مغناطیسی محیط ارتقا یابد، این میدان ها اسپین های اتم های سزیم را مختل می کنند.

حتی در بازده 30% هم، بن بوچلر از دانشگاه ملی استرالیا در کانبرا، این ابزار را «چالشی بزرگ» می خواند زیرا باند گسترده ای از بسامدهای فوتون را جذب می کند. به علت اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، پالس های تک فوتونی بسیار کوتاه منابع امروزی، انرژی های خوش تعریفی ندارند، بنابراین حافظه کوانتومی مفید باید بتوانند بلافاصله طیف گسترده ای از بسامدهای را جذب کند – که بوچلر می گوید حافظه های کوانتومی بازده بالا هنوز قادر به چنین کاری نیستند.

نویز مشکل نیست!

نویز پس زمینه یا فوتون های اضافی تولید شده در ابرهای سزیم که به فوتون های سیگنال مربوط نیستند، اهمیت اساسی برای حافظه های دمای اتاق دارند. والمسلی می گوید:«افراد فکر می کردند که اگر شما گازهای دمای اتاق را در حالت ذخیره استفاده کنید، نویز بسیاری خواهید داشت.»

دماهای نزدیک به صفر مطلق، این فوتون های اضافی را در حافظه های دیگر قرار می دهند. اما به دلیل این که پالس های کنترل و سیگنال در آزمایش گروه آکسفورد، از بسامدهای مطلوب سزیم دور هستند، ابرها کمتر مستعد برانگیختگی‌های فوتون هستند و سطح نویز حتی در دمای اتاق، کوچک باقی می ماند. هوگس دو ریتماتن از موسسه علوم فوتونیک در بارسلونای اسپانیا، می گوید که پژوهشگران نشان دادند که نویز باقی مانده در سامانه «بنیادی» است، یعنی به دلیل طراحی خاص آزمایش آن ها نیست. اگر پیشرفت ها نتوانند نویز را بیشتر کاهش دهند، حفظ یکپارچگی سیگنال در شبکه های پیچیده و بزرگ، چالش برانگیز خواهد بود.

او می گوید:«این رهیافت به شکل بالقوه بسیار جذاب است، زیرا منجر به حافظه کوانتومی برای کیوبیت های فوتونی در دمای اتاق می شود که موفقیتی عظیم برای دانش اطلاعات کوانتومی است.»

لینک مقاله اصلی

لینک مقاله در وبلاگ

اندازه گیری اسپین تک پروتون

به دنبال پیشنهاد هایی که برای درک ساختار پروتون ها داده شده، دانشمندان آلمانی توانستند برای اولین بار چرخش مغناطیسی اسپین یک تک پروتون به دام افتاده را بررسی کنند. این موضوع قدمی بزرگ برای درک بهتر خواص مغناطیسی پروتون است. به علاوه این روش برای اندازه گیری اسپین پاد پروتون هم مفید خواهد بود و مسلما به فهمیدن علت اینکه چرا در جهان میزان ماده از پادماده بیشتر است کمک خواهد کرد.

دانشمندان تا کنون نتوانسته بودند اسپین تک پروتون را اندازه بگیرند زیرا دو قطبی مغناطیسی یک تک پروتون بسیار کوچکتر از دوقطبی مغناطیسی الکترون یا پوزیترون است و آشکار سازی آن به مراتب دشوارتر. در روش های قبلی اندازه گیری را یر روی توده‌های پروتونی انجام میدادند در حالی که مسلما نمی توان از این روش برای پادپروتون ها که به مراتب کمیاب تر هستند استفاده کرد.

یکی دیگر از دستاوردهای مهم این آزمایش طراحی تله ای از خلا است که در آن با کمک میدان های الکتریکی و مغناطیسی می‌توان ذرات را محبوس کرد. نکته جالب در اینجاست که این تله می‌تواند یک تک پروتون را برای ماه‌ها درون خود محبوس نگه دارد. این آزمایش توسط پژوهشگرانی در دانشگاه جانسون کوتنبرگ و انیستیتو هلمهولتز در مانیز آلمان صورت گرفته است.

در مورد روند انجام این آزمایش که 5 سال به طول انجامیده است استفان المار یکی از اعضای انیستیتوی هلمهولتز اینگونه توضیح می دهد : "این آزمایش بسیار چالش بر انگیز است و می بایست با دقت بسیار بالایی انجام پذیرد.در دو سال اول ما تله و دستگاه‌های برودتی لازم و سیستم های بسیار حساس ابررسانای لازم برای آزمایش را طراحی کردیم در سال سوم موفق شدیم که دستگاه را کار بیا ندازیم و در دو سال آخر دستگاه را ارتقا داده و بعضی قسمت ها را دوباره ساختیم و در نهایت بعد از چهار سال و نیم موفق به مشاهده جهت اسپین یک تک پروتون شدیم."

با اعمال میدان مغناطیسی اسپین تک پروتون گیر افتاده در تله در جهت معینی قرار می گیرد . دانشمندان با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی پروتون را به جرکت فرفره‌ای وا میدارند. ایجاد میدان مغناطیسی غیر یکنواخت درون تله باعث می شود که بسامد این جرکت به جهت اسپین بستگی داشته باشد. هر تغیر کوچکی در این فرکانس به ما می فهماند که جهت گیری اسپین عوض شده و نهایتا با کمک این مفهوم می توان جهت اسپین را معین کرد. در حال حاضر این آزمایش با دقت مرتبه 4 انجام شده اما بنا به گفته المر دانشمندان به دنبال این هستند که حداقل این دقت را تا مرتبه 9 افزایش دهند.

در جستجوی پاد ماده:

محققان دوست دارند که از این روش در آینده نزدیک برای اندازه گیری اسپین پاد پروتون ها استفاده کنند . احتمالا از این روش می توان در آزمایشگاه هایی که در آن پادپروتون ها با انرژی کم در حدود 5.3 مگا الکترون ولت انجام می شوند مثل سرن استفاده کرد و پادپروتون ها را به دام انداخت.

جفری هنگست که روی پروژه آلفا در سرن کار می کند می گوید: "این آزمایش سخت و برجسته است . من بسیار خوشحالم که این محققان به چنین موفقیتی به دست آورده اند و اگر امکان انجام این آزمایش را داشته باشیم می توان ماده و پاد ماده را زیر میکروسکوپ گذاشت و بررسی کرد."

البته با وجود پیشرفت های آزمایش آلفا باز هم اندازه گیری دوقطبی مغناطیسی آنتی پروتون به این سادگی ها نیست . البته این گروه آزمایشگر امیدوار است که با تغیراتی در این روش بتواند به بررسی تقارن CPT در مدل استاندار بپردازند.

لینک مقاله اصلی

لینک مقاله در وبلاگ