انواع آشكارساز آناليز براي ميكروسكوپ الكتروني

آشکارسازهاي آناليز که در ميکروسکوپ‌هاي الکتروني استفاده مي‌گردد، انواع مختلفي دارند. در اين مقاله سعي شده است به صورت اجمالي مزاياي نسبي آشکارسازهاي موجود، مورد بررسي قرار گيرد. اين آشکارسازها عبارتند از: EDAX) EDS،(WDX) WDS ،AES (اوژه) و EELS که به شرح زير بررسي مي‌شوند:

- آناليز سريع و راحت (در هر بار آزمايش) (بدليل بزرگي زواية فضايي آشكاساز و جمع‌آوري همة پرتوهاي X با انرژي مختلف دريك زمان)
- آناليز كيفي (خطوط نزديكتر از ev 200-100 قابل آشكارسازي نيستند) (علاوه بر درهم رفتن دو پيك مجاور نسبت ارتفاع پيك‌ها به زمينه خيلي خوب نيست)
- ارتفاع پيك به زمينه نامناسب (براي استفاده در اندازه‌گيري‌هاي كمي) (به دليل پارازيت‌هاي الكتروني موجود در آشكارساز)
- محدوديت عنصري (Na به بالا يا B به بالا) (به دليل جذب فوتون‌هاي كم انرژي توسط پنجره‌ها)
- مشكلات سرد بود دائم آشكارساز (شارژ دائمي نيتروژن مايع)
- در برخي نمونه‌ها (تقريباً مشخصند) پيك‌هاي نويزگونه (نويز مجموع دو فوتون و نويز گريزKeV 74/1 E-) وجود دارد كه تشخيص اين پيك‌هاي نويزي نيازمند تجربة تحليلگر يا قدرت نرم‌افزار تحليل كننده دارد.
- امكان تهية همزمان نقشه‌هاي چندگانه (در WDS يگانه) از چند عنصر در يك ناحيه (بر خلاف WDS)
- تنها آشكارسازي كه بر روي TEM و STEM قابل نصب است (البته به شرطي كه اين مسالة در هنگام طراحي TEM و لنزها در نظر گرفته شده باشد) (به دليل تعداد بسيار كم فوتون‌هاي X و راندمان بسيار بالاتر آشكارسازي نسبت به WDS) (از مزاياي نصب EDS بر روي TEM به جاي SEM بالا رفتن تفكيك‌پذيري نقشة به دست آمده از فوتون‌هاي X (تا 10 نانومتر هم مي‌تواند باشد در حالي كه در SEM بهتر از 1 نمي‌تواند باشد)

- سرعت نسبتاً كند ( به دليل كوچكي زاوية فضايي آشكارسازي و جمع‌آوري فقط يك طول موج در آن واحد و در نتيجه لزوم جمع‌آوري ديتا در تمام زواياي ممكن)
- آناليز كمي با دقت بالا:
• تيز بودن پيك‌ها (تشخيص عناصر با انرژي فوتون X نزديك به هم و نادر بودن همپوشاني پيك‌هاي مجاور)
• زياد بودن نسبت ارتفاع پيك‌ به زمينه (اندازه‌گيري كمي غلظت عناصر با دقت خوب 10 برابر EDS)
- لزوم مهندسي دقيق در طراحي دستگاه به دلايل:
• حساسيت بالاي قدرت سيگنال فوتو‌نهاي X به جابجايي و خروج ميكرومتري نمونه از دايرة رولاند (در نتيجه براي به دست آوردن نقشة شيميايي نواحي بزرگتر از 5 × 5 بايد نمونه جابه‌جا شود نه باريكة الكتروني)
• لزوم دقت تنظيم زواياي و 2 با دقت بهتر از 1 دقيقه براي تشخيص خطوط نزديك به هم
- عدم محدوديت آشكارسازي عنصري (به شرط امكان استفاده از چند كريستال، با ثابت شبكه مختلف، در هنگام آناليز طيفي)‌ (به دليل محدوديت‌هاي عملي در طراحي مكانيكي دستگاه در چرخش‌هاي زياد)
- سرعت معقول آشكارسازي هنگامي كه نوع عنصر را از قبل بدانيم (براي آناليز كمي و نقشه عنصر مربوطه) (چرا كه زاوية در مقدار خاصي ثابت نگه داشته مي‌شود و از طرفي سرعت آشكارسازي تعداد فوتون‌ها توسط آشكارسازگازي WDS زياد است)
- تفكيك‌پذيري غلظتي بهتر از EDS است (%05/0 در برابر % 1/0)

توجه
1- دستگاه مخصوصي در بازار وجود دارد (EPMA) كه براي آناليز حرفه‌اي نمونه‌هاي متعدد طراحي شده است.
2- آناليزگرهاي پرتو X هر دو (EDS و WDS) اين مشكل را دارند كه براي نمونه‌هاي ناهموار خيلي مناسب نيستند چرا كه بلندي‌ها بعضاً جلوي رسيدن فوتون‌هاي X جاهاي گود را مي‌گيرند.
3-در برخي ازموارد هر دو آشکارساز بطور همزمان بر روي دستگاه نصب ميشود .

- نياز به خلأ بالا (torr 8-10 )، آسيب‌ديدگي نمونه‌هاي حساس (برخي تركيبات آلي و بيولوژيك)
- مي‌تواند به عنوان آشكارسازي روي SEM نصب شود و نقشة شيميايي سطح را با دقت عرضي 100 نامتر (15 نانو متر در FEAES) و دقت عمقي 3 نانومتر به دست دهد.
- زمان آناليز كامل طيفي هر پيكسل حدود 5 دقيقه
- قابليت تشخيص همة عناصر و تركيبات شيميايي آنها (به جز هليم و هيدروژن) با دقت غلظتي ~ % 30 تا % 10 (و به روايت Evans %1 تا % 1/0 )

- در TEM نصب مي‌شود چرا كه الكترون‌هاي عبوري مورد بررسي قرار مي‌گيرند و ضخامت نمونه بايد كمتر از 100 نانومتر باشد.
- براي عناصر سبك مناسبتر است.
- سرعت نسبتاً كمي دارد ولي استفاده از آشكارسازهاي آرايه‌اي (چيزي شبيه CCDها) اين مساله را كمرنگ مي‌كند.
- براي آناليز كمي نياز به زمان بالاي جمع‌آوري اطلاعات دارد (براي كافي شدن آمار الكتروني)
- در صورت كافي بودن آمار آشكارسازي الکترون ها ضخامت نمونه و تركيب شيميايي عناصر (علاوه بر نوع عنصر و غلظت آن) هم قابل تعيين است.

لینک منبع مقاله

نوترینوها از هم‌جوشی‌ نادر در ستاره‌ها خبر می‌دهند

 بیشتر گرمای خورشید در واکنش‌های هم‌جوشی تولید می‌شود. این واکنش‌ها چرخه‌ئی می‌سازند که به چرخه‌ی "پروتون-پروتون" معروف است و طی آن دو  پروتون (هسته‌ی هیدروژن) هسته‌ی هیدروژن سنگین (پروتون + نوترون) را می‌سازند و در پی هم‌جوشی‌ی این هسته با هسته‌ی هیدروژن دیگر هسته‌ی هلیوم ٣ ساخته می‌شود و پس از آن از چند راه مختلف هسته‌ی هلیوم ٤ ساخته می‌شود که بسیار پایدار است. در بسیاری از این واکنش‌ها ذره‌های بدون بار و تقریباً بدون جرم که نوترینو نام دارند تولید می‌شوند و فیزیکدان‌ها می‌توانند با به‌دام‌انداختن ِ آنها و اندازه‌گرفتن ِ شارشان، هم درباره‌ی دینامیک و ساختار خورشید آگاهی‌هائی به‌دست آورند و هم در باره‌ی خواص خود نوترینو. تا کنون اما بیشتر آشکارگرهای نوترینو تنها نوترینوهای پرانرژی را آشکار می‌کرده‌اند یعنی آنهائی که انرژی‌شان بین ٥ تا ١٨ مگاالکترون‌ولت است. انرژی‌ی بیشتر نوترینوهای خورشیدی کم‌تر از ٥ مگاالکترون‌ولت است و آزمایش بُورِکسینُو دقیقاً برای بررسی‌ی این نوترینوها طراحی شده است.

 

کار مشکل

آشکارکردن هر نوع نوترینو بس مشکل است زیرا برهم‌کنش این ذرات با هر نوع ماده‌ی دیگر بسیار ضعیف است اما نوترینوهای‌ خورشیدی مشکل دیگر نیز دارند: فرآیندهای پرتوزا روی زمین نوترینوها ‌ئی با انرژی‌‌ها ئی تا حدود ٣ مگاالکترون‌ولت تولید می‌کنند که می‌تواند سیگنال نوترینوهای خورشیدی را محو کند. آزمایش بُورِکسینُو در اعماق زمین در آزمایشگاه ملی‌ی فیزیک هسته‌ا‌ی ایتالیا در گرَن‌سسُّو جای دارد تا از پرتوهای کیهانی در امان بماند و مانند آزمایش‌های دیگر مقدار عظیمی ماده‌ی آشکارکننده (حدود ٢٨٠ تن مایع سوسوزن) دارد که در اثر پراکنده‌شدن نوترینو از الکترون نور گسیل می‌کند. آن‌چه آزمایش را از دیگر آزمایش‌ها متمایز می‌کند خلوص بسیار زیاد خود ماده‌ی سوسوزن و گوی فولاد ضدزنگ دربرگیرنده‌ی آن است که میزان پرتوزایی‌شان را بین ١٠ تا ١١ مرتبه‌ی بزرگی کاهش داده  است.

در داده‌هائی که فیزیکدان‌های ایتالیایی، امریکایی، آلمانی، فرانسوی، و روسی که در آزمایش شرکت دارند بین ۲۰۰۷ تا ۲۰۱۰ گرد آورده‌اند تا کنون نوترینوهای خورشیدی‌ی حاصل از تبدیل بریلیوم ۷ به لیتیوم ۷ که انرژی بسیار خوش‌تعریف 0.86 مگا‌الکترون‌ولت دارند شناسایی شد‌ه‌اند. هر روز در هر صد تن مایع سوسوزن ۵۰ نوترینو از این نوع آشکار می‌شود. در آخرین تحلیل داده‌هائی که از ژانویه‌ی ۲۰۰۸ تا کنون گرد آورده شده است پژوهشگران توانسته‌اند رخ‌دادها ئی نادرتر را مشاهده کنند: نوترینوهای خورشیدی با انرژی 1.44 مگاالکترون‌ولت که از هم‌جوشی‌ی دو پروتون و یک الکترون در واکنش pep حاصل می‌شوند. پژوهشگران روش خاص ئی را به کار برده‌اند تا بتوانند سیگنال برخاسته از هسته های  کربن 11 را حذف کنند. این هسته ها در اثر شمار بسیار کم پرتوهای کیهانی که به آزمایشگاه می‌رسند تولید می‌شود. پژوهشگران دریافته‌اند که به‌طور میانگین هر روز 3.1 برخورد نوترینوی pep با هر صد تن مایع آشکارگر رخ می‌دهد.

 

اولین گواه مستقیم

جان‌پائولو بلینی سخن‌گوی آزمایش بُورِکسینُو می‌گوید که این مشاهدات اولین گواه مستقیم بر واکنش‌های pep در خورشید است و شارهای مشاهده‌ شده با پیش‌بینی‌های "مدل استاندارد خورشید" اخترفیزیکدان‌ها توافق دارد اما به این نکته اشاره می‌کند که برای استفاده از توان بالقوه‌ی آزمایش بُورِکسینُو به منظور ابزاری برای کاوش در "نوسان های" نوترینو نیاز به داده‌های بیشتر است. نتایج بسیاری آزمایش‌های دیگر طی‌ چندین دهه نشان‌ داده است که نوترینوهای درحال گذر در فضا از یک نوع‌ (نوترینوی نوع الکترون یا نوع میوئون یا نوع تاؤ) به نوع دیگر تبدیل می‌شوند اما فیزیکدان‌ها می‌خواهند بدانند که بستگی‌ی این نوسان‌ها به انرژی چیستت. آزمایش‌های دیگر نشان داده‌اند که به‌ازای انرژی‌های زیاد داده‌ها با پیش‌بینی‌های نظری توافق دارند و نتایج آزمایش بُورِکسینُو برای بریلیوم ۷ نیز نشان می‌دهد که در انرژی‌های کم نیز برازش داده‌ها به پیش‌بینی‌ها خوب است. اما بلینی می‌گوید که شمار داده‌ها در انرژی‌های میانی کافی نیست و باید نوترینوهای pep بیشتری آشکار شوند.

در واقع پژوهشگران آزمایش بُورِکسینُو در حال حاضر مشغول بهبود آشکارگرشان هستند تا میزان پرتوزایی را باز هم کم‌تر کنند و در ماه مارس یا آوریل شروع به داده‌گیری برای سه سال آینده کنند. این داده‌های جدید می‌تواند وجود نوترینوها از مجموعه واکنش‌های هم‌جوشی‌ی کاملاً متفاوت ئی را تثبیت کند که گمان می‌رود سوخت ِ ستاره‌های پرجرم‌تر و هم‌چنین بخش کوچکی از هلیوم درون خورشید را تأمین می‌کند یعنی چرخـــــــه‌ی "کربن-نیتروژن-اکسیژن"   (CNO) که در آن از راه تشکیل این سه عنصر سنگین‌تر، هسته‌ها‌ی هیدروژن به هلیوم تبدیل می‌شوند. آهنگ ِ برهم‌کنش این نوترینوها با هسته‌های آشکارگر بُورِکسینُو بایست مشابه با آهنگ برهم‌کنش  نوترینوهای pep باشد اما طیف مشخصه‌ی آنها تمایز کم‌تری نسبت به سیگنال پس‌زمینه دارد اگرچه تحلیل های اخیر حد بالایی مشخص تری برای شار آنها تعیین کرده است.

بلینی می‌گوید آشکارکردن ِ نوترینوهای این چرخه می‌تواند به یافتن پاسخ "معمای فلزیت" در ساختار جو خورشید منجر شود: دانشمندان با مدل سه‌بعدی‌ خورشید و براساس داده‌های طیف‌نمایی‌ مقدار کربن، نیتروژن، اکسیژن، نئون و آرگون سطح خورشید را پیش‌بینی کرده‌اند و اینها بین 30 تا 40 درصد کمتر از مقدارهائی‌ هستند که مدل‌ کم‌تر پیچیده‌ی یک‌ بعدی پیش‌بینی می‌کند اما نتایج این مدل یک‌بعدی با داده‌های لرزه‌نگاشتی‌ خورشید -- یعنی بررسی‌ی درون خورشید با امواج تراکمی‌ ای که درون خورشید منتشر می‌شوند -- بیشتر توافق دارد. بلینی می‌گوید مشاهده‌ی نوترینوهای CNO باید تکلیف موضوع را روشن کند زیرا شاری که برای آنها پیش‌بینی می‌شود به فراوانی‌ی عناصر مختلف در جو خورشید بسیار حساس است.

به نقل از سایت انجمن فیزیک ایران

لینک مقاله اصلی در وبلاگ

Axions could solve lithium problem

For more than a decade, scientists have been aware that the theory used to explain how the lightest elements are created overestimates the overall amount of lithium-7 in the universe. Now, physicists in the US think the answer to this so-called lithium problem might lie in a hypothetical particle known as the axion – although many are not convinced.

The theory is called Big Bang nucleosynthesis and describes a stage early in the universe's evolution when, at temperatures of thousands of degrees, protons and neutrons began to assemble into atomic nuclei and form the first light elements: deuterium, along with isotopes of helium and lithium. As temperatures dropped, nucleosynthesis drew to a close, and eventually electrons began to add themselves to the nuclei during a period called recombination. At this time, photons stopped scattering off charged particles and the universe became transparent.

Cosmologists know this because they can detect the cosmic microwave background (CMB), which is a haze of radiation throughout the universe the temperature of which derives from that of the last photon scattering. From fluctuations in the CMB, cosmologists can calculate the ratio of baryons to photons. Baryons include the protons and neutrons that make up everyday matter. It is this baryon-to-photon ratio that predicts the abundances of the first light elements. But for lithium-7, the prediction appears to be some three times higher than the amount observed.

What happened to the lithium?

Several theories have been put forward to explain this lack of lithium, but none has won widespread acceptance. Now, particle physicists Pierre Sikivie and colleagues at the University of Florida in Gainesville think they have a straightforward solution. "What's nice about our proposal is that we don't have to assume anything new," says Sikivie. "We just take the axion, which has long been discussed, and point out some properties that have been overlooked."

Axions were first proposed in the late 1970s to solve a puzzle in particle physics known as the strong-CP problem, although more recently they have been proposed as candidates for dark matter, which is the mysterious substance thought to make up nearly a quarter of the mass/energy of the universe. If they exist, axions would be very light and interact very weakly with matter – properties that make them difficult to find. Indeed, no experiment on Earth has yet discovered any evidence of axions.

Sikivie and colleagues point out that axions can form a Bose–Einstein condensate (BEC). Such condensates contain particles that have all fallen into their lowest energy state, and are best known to occur in low-density gases at temperatures close to absolute zero. But since the critical temperature for transition to a BEC depends on density, say the Florida researchers, particles can form BECs at higher temperatures as long as they are dense enough. Even in the primordial heat of the Big Bang, the researchers say, axions would easily be dense enough to form a BEC.

Transferring heat

An axion condensate would have a marked effect on Big Bang nucleosynthesis. Passing photons would make waves in it, transferring heat and, ultimately, depleting in number. This means that the baryon-to-photon ratio would increase towards the time of recombination, giving cosmologists today a falsely high impression of the amount of lithium that should have been created.

At least, that is what Sikivie and colleagues think – others are not so sure. Kenneth Nollett of the Argonne National Laboratory in the US points out that, in alleviating the lithium problem, the Florida group's theory overestimates the amount of deuterium. What is more, the theory requires the effective number of neutrinos – an important value in cosmology – to increase from what has been calculated from the CMB. Whereas observations generally suggest the neutrino number to be between 3 and 4, Sikivie and colleagues expect it to be about 6.8.  "I guess the bottom line for me is that it is important that many possible explanations of the lithium problem are being pursued, but I am sceptical about the [Florida group's] proposal," says Nollett.

Sikivie admits the deuterium and neutrino overestimates are potential problems for the theory. Still, he is waiting for results from the European Space Agency's Planck space observatory, which will provide the most accurate measurement of the effective neutrino number in the next year. "Time will tell," he says.

Neutrinos point to rare stellar fusion

Neutrinos captured under a mountain in central Italy have provided the first direct evidence for a nuclear reaction involved in the conversion of hydrogen to helium inside the Sun. The observation was made by the Borexino collaboration, which next hopes to ensnare as-yet-unseen neutrinos from fusion reactions taking place in stars heavier than our own.

Most of the Sun's heat is generated in fusion reactions that form what is known as the "proton–proton cycle". This involves the fusion of two hydrogen nuclei (protons) to form heavy hydrogen, the fusion with a third hydrogen nucleus to form helium-3 and then, via various pathways, the creation of extremely stable helium-4.

Physicists can learn about this cycle by intercepting the chargeless, nearly massless particles known as neutrinos that are produced in many of the constituent reactions. In fact, by measuring the fluxes of these particles, they can learn not just about the structure and dynamics of the Sun, but also about the properties of neutrinos themselves. To date, however, most neutrino detectors have been sensitive to the highest energy solar neutrinos – those having energies of between about 5–18 MeV. However, the vast majority of solar neutrinos have energies below 5 MeV, and Borexino was built specifically to study these particles.

Detection is demanding

Detecting any kind of neutrino is difficult because the particles interact extremely weakly with all other kinds of matter. But capturing the low-energy neutrinos from the Sun is particularly demanding as natural radioactive processes here on Earth generate particles with energies up to about 3 MeV, which can therefore obscure the low-energy neutrino interactions. Like other neutrino experiments, Borexino is located deep underground to protect it from interference from cosmic rays, being housed in the laboratory of Italy's National Institute of Nuclear Physics at Gran Sasso. And, like other experiments, it contains a large mass of detecting material, in this case about 280 tonnes of a liquid scintillator, which generates flashes of light when neutrinos scatter off electrons inside it. What sets the experiment apart, however, is the extreme purity of the materials used to create it, such as the scintillator itself and the stainless-steel sphere that holds the scintillator – with levels of radioactivity inside each one reduced by up to 10 or 11 orders of magnitude.

In data collected between 2007–2010, the Borexino collaboration, made up of physicists from Italy, the US, Germany, France and Russia, had already identified solar neutrinos from the conversion of beryllium-7 into lithium-7. Having a very well-defined energy of 0.86 MeV, these neutrinos were detected at a rate of about 50 a day for every 100 tonnes of scintillator. In the latest analysis, which uses data obtained since January 2008, the researchers observe even rarer events – the detection of solar neutrinos with a precise energy of 1.44 MeV that are generated by the fusion of two protons and an electron in "pep" reactions. Using a new data-analysis technique to mask interference from nuclei of carbon-11, which are produced by the few cosmic-ray particles that make it down to the experiment, the researchers found that, on average, pep neutrinos collide with 100 tonnes of detector material 3.1 times a day.

First direct evidence

According to Borexino spokesman Gianpaolo Bellini, this is the first direct evidence of pep reactions taking place in the Sun, and he says that the observed flux matches well with the predictions of astrophysicists' "standard solar model". But he points out that further data will be needed to fully exploit Borexino’s potential as a probe of neutrino "oscillations". Results from many different experiments over several decades have revealed that neutrinos oscillate from one kind (electron, muon or tau) to another as they travel through space, but physicists would like to know exactly how the strength of these oscillations varies with neutrino energy. Other experiments have shown that theoretical predictions agree well with the data at higher energies, while Borexino's beryllium-7 result shows that there is also a good fit at the lowest energies. But, says Bellini, more pep neutrinos will have to be detected in order to gather sufficient data at intermediate energies.

In fact, the Borexino researchers are currently overhauling their detector to reduce levels of radioactivity still further and then hope to start three more years of data-taking in March or April. These new data might also confirm the existence of neutrinos from a completely different set of fusion reactions that are believed to fuel massive stars and also provide a small fraction of the helium inside the Sun – the "carbon–nitrogen–oxygen cycle" (CNO), which fuses hydrogen into helium via the formation of the three heavier elements. These neutrinos should interact with Borexino's detector nuclei at a similar rate to the pep neutrinos but they have a less-distinctive energy spectrum that makes it harder to tell them apart from the background, although the latest analysis did place a new stringent upper limit on their flux.

Bellini says that detecting CNO neutrinos might also solve the "metallicity puzzle" regarding the composition of the Sun's atmosphere. Scientists have created a 3D model of the atmosphere that agrees well with spectroscopy data, and which predicts about 30–40% less carbon, nitrogen, oxygen, neon and argon on the Sun's surface than does an alternative, less sophisticated, 1D model. But it is this latter model that is more consistent with data from helioseismology – the study of the Sun's interior via the pressure waves that propagate through it. According to Bellini, the observation of CNO neutrinos should settle the matter, since their predicted flux is quite sensitive to the abundance of the various elements in the solar atmosphere.

Listening with a 'quantum ear'

Physicists are very good at making measurements with single photons of light. Soon, however, they may also be doing routine studies of single phonons – single quanta of sound. That is the claim of physicists in Sweden and Germany, who say they have detected acoustic waves that are so weak they are – almost – at the quantum limit.

Recent years have seen a great effort to work with mechanical oscillations in the quantum regime. In such a regime, a mechanical device would be able to both emit and detect single phonons – just as optoelectronic devices are already able to emit and detect single photons. In 2010 a group at the University of California, Santa Barbara, US, demonstrated that it could create single phonons using a cryogenically cooled mechanical oscillator, thereby taking the first step on the quantum road.

Approaching the quantum limit

Now, Martin Gustafsson of Chalmers University of Technology in Sweden and colleagues have studied the echoes of near-quantum-limited acoustic waves, using a device they call a quantum microphone. In contrast to the Santa Barbara group's mechanical oscillations, acoustic waves are propagating waves that travel over a surface, like ripples spreading in water. These particular acoustic waves are not quantum mechanical in behaviour, although they are almost weak enough to be at the quantum limit. "You could say that we have shown the way to quantum acoustics, and I think others would agree that this is a very exciting prospect," says Gustafsson.

The experiment consists of a long, thin chip of the semiconductor gallium arsenide, at the ends of which are transducers that generate acoustic waves. Gallium arsenide is piezoelectric, so any deformations of its structure caused by the acoustic waves generate changes in electric polarization. This polarization, a subtle movement of electrons, is detected by a single-electron transistor – the quantum microphone – which sits midway along the gallium-arsenide chip. The entire apparatus is cooled to 200 mK.

Test for echo

Gustafsson and colleagues at Chalmers and the Paul Drude Institute in Berlin used one of the transducers to generate acoustic waves at a frequency of 932 MHz. These waves travel to the other end of the chip, then bounce back again. Indeed, the waves echo back and forth several times, all the while shifting electrons through the transistor. Using this electron movement as a proxy, and averaging over millions of experimental runs, the transistor is effectively able to detect acoustic waves at the single-phonon level, claim the researchers. The amplitude of the wave is just a few per cent of the diameter of a proton.

Konrad Lehnert, an expert in the quantum behaviour of electromechanical circuits at the University of Colorado at Boulder, US, believes the work has potential. But he thinks studies of true quantum acoustics are still some way off. "The claim of single-phonon sensitivity is frankly overblown," he says. "To say that one can detect single phonons after averaging is to say that one cannot detect single phonons."

Coupling qubits

Gustafsson agrees that his group's experiment is still firmly in the classical regime. For one, he says, the researchers must average the signal from millions of acoustic waves to exclude noise, and every wavepacket itself often contains not one but several phonons – most of the wavepacket passes alongside the transistor undetected. Still, his group has ideas for generating acoustic phonons, by using a superconducting "qubit" to couple to the waves via charge movement, which is similar to how the transistor operates.

"We compare such an experiment with experiments that have been done very recently with single microwave photons, and find that it should be feasible to do acoustic versions of those," says Gustafsson.

کنفرانس فیزیک ایران ۱۳۹۱

دومین کنفرانس رشد بلور ایران

برای اولین بار لحظه شروع مقاومت الکتریکی اندازه گیری شد

فیزیکدانان با استفاده از لیزر پالسی سریع موفق به ثبت اولین لحظات مقاومت الکتریکی شدند. مقاومت الکتریکی یعنی همان اصطکاکی که هنگام عبور جریان الکتریسیته از مدار، باعث تولید گرما می‎شود!

رخدادی خارق العاده است: در زمانی نزدیک به 300 فمتوثانیه سرعت حرکت الکترون‎های آزاد درون نیم رساناهای کامپیوتر، از سرعت‎های پرتابه ای به سرعت های سوق مانند حلزونی کاهش می‎یابد. این یعنی تقریبا 10000 بار سریع‎تر از زمانی که لازم است تا نور مسیری به طول 30 سانتیمتر را طی کند. کلاوس رایمن از موسسه ی ماکس بورن برلین، یکی از نویسندگان مقاله‎ای است که در 16 دسامبر در مجله ی فیزیکال ریویو لترز چاپ شده و به مطالعه این اثر پرداخته است. "ما مجبور بودیم از پالس های لیزریِ بسیار سریع برای اندازه گیری چنین زمان های کوتاهی استفاده کنیم. این کار را هرگز نمی توان به وسیله‎ی ابزارهای الکترونیکی معمولی انجام داد."

نیمرساناها موادی هستند که هم از خواص رساناهای الکتریکی مانند مس  بهره می برند و هم از خواص عایق‎های الکتریکی مانند سرامیک. نیمرساناها از ترانزیستورها و اِل ای دی ها‎  گرفته تا باتری های خورشیدی و ریز‎پردازنده‎ها، در همه جا یافت می‎شوند. نیمرساناها بسته به نوعشان، مجموعه‎ای از عملیات فیزیکی از جمله تولید نور را به نمایش می‎گذارند. برای نمونه، هنگامیکه اختلاف پتانسیلی به گالیم آرسناید اِعمال می‎شود، این ماده فوتون‎های فروسرخ از خود گسیل می‎کند (و این مواد را به منابع خیلی خوبی از نور مخفی برای دوربین‎های امنیتی تبدیل می‎کند).    

نیمرساناها اجزاء حیاتیِ پردازشگر‎های کامپیوتری نیز هستند. هنگامی که اختلاف پتانسیلی به آنها اِعمال می‎شود، نیمرساناها بیت‎های اطلاعاتی را ذخیره و حمل و نقل می‎کنند. در این هنگام، اصطکاک الکترون‎ها در ماده –مقاومت الکتریکی- دمای آنها را بالا می‎برد. فیزیکدانان می‌دانستند که در اولین لحظه ی اعمال اختلاف پتانسیل، مقاومت الکتریکی وجود ندارد. بنابراین الکترونها پیش از کند شدن و نیز پراکنده شدن، تا حدی حرکت آزادانه را تجربه می‎کنند. اما مشخص نبود پس از چه زمانی این گذار رخ می‎دهد. (در منبع اصلی خبر که در زیر به آن ارجاع داده شده است کارتونی نیز موجود است.)

رایمن می‎گوید: "هر فرآیند پراکندگی زمان می برد اما نمی‎دانستیم چقدر."

برای یافتن این زمان، رایمن و شش تن  از همکارانش یک لیزر تراهرتزی را برپا کردند یعنی که قادر بود 1 تریلیون پالس نوری در هر ثانیه گسیل کند و سپس باریکه‎اش را به دو قسمت کردند. یک نیمه، نواری از گالیم آرسناید را روشن می‎کرد و به الکترون‎هایش کمک می‎کرد جریان تولید کنند. نیمه ی دیگر حرکت  الکترون‎ها را اندازه گیری می‎کرد.

چون که کامپیوتر متعارف برای پردازشِ یک ضربِ داده ها بیش از حد کند بود، محققینِ این آزمایش آن را صدها بار اجرا کردند و هربار داده ی مربوط به لحظه ای اندکی متفاوت با دفعه ی قبل را ثبت کردند. بدین ترتیب، با انباشته شدنِ نقطه به نقطه‎ی داده‎ها تصویری از مقاومت پدیدار شد. در گالیم آرسناید 300 فمتوثانیه برای الکترون ها لازم است تا شروع به کند شدن و پراکنده شدن کنند. رایمن گفت که سرعت شروع مقاومت الکتریکی با تعداد حفره ها متناسب است. هرچه حفره ها بیشتر باشند الکترون ها تندتر به حرکت سوق مانند میل می کنند.

زمانی که کامپیوتر‎ها به سرعت پردازشی 1000 برابر سریعتر از آنچه اکنون ممکن است دست یابند، این اثر ممکن است بسیار مهم باشد. رایمن گفت: "ما نمی‎دانیم که آیا هرگز بشود به چنین سرعتی دست یافت اما این امکان هست که با بهره برداری از این اثر بتوان کامپیوترهایی ساخت که سریعترند و کمتر برق مصرف می کنند."

لینک منبع

انتخابات شورای اجرایی شاخه دانشجویی

انتخابات شورای اجرایی شاخه دانشجویی انجمن فیزیک ایران، هفته آخر بهمن ماه انجام خواهد شد. علاقه‌مندان می‌توانند با خواندن آیین نامه شاخه دانشجویی که روی سایت انجمن فیزیک ایران قرار دارد، با این شاخه آشنا شوند.

همچنین برای نامزدی در شورای اجرایی شاخه دانشجویی می‌توانند یک نسخه از فعالیت‌های خود، برنامه‌های پیشنهادی برای شاخه و گواهی اشتغال به تحصیل از دانشگاه محل تحصیل خود را تا تاریخ20 بهمن ماه به نشانی [e-mail]  بفرستند.

 

به نقل از سایت انجمن فیزیک ایران

آیا درون هر سیاه‌چاله، جهانی خانه دارد؟

ممکن است جهان ما هم درست مثل عروسک‌های تخم مرغی‌شکل و معروف روسی، در سیاهچاله‌ای متعلق به جهانی گسترده‌تر واقع شده باشد. در این‌صورت، هر سیاهچاله‌ای که تاکنون در جهان پیدا شده است، از ریزسیاهچاله‌ها گرفته تا ابرسیاهچاله‌ها، شاید دروازه‌های ورود به دیگر جهان‌ها باشند. 

براساس نظریه‌ای که چندان ساده هم در ذهن نمی‌گنجد، یک سیاهچاله در واقع تونلی مابین دو جهان است، به‌طوری که می‌شود آن را نوعی "کرم‌چاله" تلقی کرد. در این‌صورت هرآنچه این سیاهچاله جذب خود می‌کند، به جای سقوط در نقطه‌ای ناپیدا، از سر دیگر سیاهچاله که در جهان دیگری جوانه زده، به‌شکل یک "سفیدچاله" فوران می‌کند.

نیکودم پاپلاسکی (Nikodem Poplawski) که فیزیکدانی از دانشگاه ایندیانا است، در تشریح این نظریه که به‌تازگی در نشریه علمی Physical Letters B انتشار یافته است، چهارچوب ریاضیاتی جدیدی برای نحوه سقوط پیچشی ماده در یک سیاهچاله ارائه کرده است. این معادلات، کرم‌چاله‌ها را به‌عنوان نیمه پنهان چیزهایی می‌شناسند که اینشتین از آن‌ها با عنوان "تکینِگی‌های فضا- زمانی" یاد می‌کرد و به عقیده‌اش، در قلب هر سیاهچاله‌ای می‌شود پیدای‌شان کرد. بر اساس معادلات نسبیت عام اینشتین، هنگامی که ماده‌ای بیش از اندازه در یک نقطه فشرده شود- یعنی همان اتفاقی که برای قلب فوق فشرده یک سیاهچاله رخ داده است- یک تکینگی زاده می‌شود. این معادلات، تکینگی را فاقد بُعد، فوق چگال و بی‌نهایت داغ توصیف کرده‌اند که این ویژگی‌ها با شواهد غیر مستقیم زیادی قرین شده‌اند، اما چنان دور از ذهن و عجیب هستند که دانشمندانِ فراوانی از پذیرفتن‌شان سر بازمی‌زنند.

 

اگر حق با پاپلاسکی باشد، اجباری به پذیرفتن تعریف عجیب اینشتین از مفهوم تکینگی نیست. طبق معادلات جدیدی که وی ارائه کرده است، ماده‌ای که توسط سیاهچاله‌ها جذب و نابود می‌شود، در واقع اساس تشکیل کهکشان‌ها، ستارگان و سیاراتِ یک جهان دیگر است.

 

کرم‌چاله‌ها، به حل معمای مهبانگ هم کمکی می‌کنند؟

 

به‌گفته پاپلاسکی، جایگزین کردن مفهوم کرم‌چاله با سیاهچاله، می‌تواند حلال مشکلات زیادی در قلمرو کیهان‌شناسی نوین باشد. مثلاً طبق نظریه مهبانگ (یا همان انفجار بزرگ)، جهان از یک تکینگی زاده شد، اما دانشمندان نظر قانع‌کننده‌ای راجع به نحوه تشکیل همین تکینگی ندارند. پاپلاسکی می‌گوید اگر جهان ما از یک کرم‌چاله، به جای یک تکینگی زاده شده باشد، آنگاه "هم مشکل سیاهچاله‌ها حل خواهد شد و هم مشکل تکینگی مهبانگ".

کرم‌چاله‌ها حتی می‌توانند توضیحی برای انفجارهای پرتو گاما هم ارائه کنند که قوی‌ترین انفجارهای شناخته‌شده در کیهان، پس از انفجار بزرگ هستند. این انفجارها، در حواشی جهانِ رؤیت‌پذیر ما رخ می‌دهند. گمان می‌رود که منشاء آنها انفجار ستاره‌های نخستین در کهکشان‌های فوق‌العاده دوردست باشد، اما هنوز هیچ قطعیتی راجع به این گمانه‌زنی وجود ندارد.

 

به نظر پاپلاسکی، انفجارهای پرتوی گاما در واقع ترشح ماده از جهان‌های دیگر هستند. وی می‌گوید این ماده می‌تواند از طریق ابرسیاهچاله‌های واقع در قلب کهکشان‌ها- یا به‌گفته او، کرم‌چاله‌ها-‌ به جهان ما راه پیدا کرده باشد. هرچند هیچ توضیحی راجع به نحوه وقوع این پدیده وجود ندارد. او می‌گوید: "شاید ایده احمقانه‌ای به نظر آید، اما از کجا معلوم که اتفاق نیفتد؟"

 

دست کم یک راه برای آزمودن فرضیه پاپلاسکی وجود دارد: برخی از سیاهچاله‌های واقع در جهان ما به دور خودشان می‌چرخند و اگر جهان ما در سیاهچاله‌ای چرخنده شبیه به این‌ها متولد شده باشد، باید این چرخش را هم از مادرش به ارث برده باشد. به‌گفته پاپلاسکی، اگر مشاهدات آتی نشان از چرخش جهان ما در یک جهت مشخص بدهند، این، مدرکی غیر مستقیم در حمایت از ایده کرم‌چاله خواهد بود.

 

کرم‌چاله‌ها، به مثابه مولدان "ماده نامتعارف"

 

فیزیکدانان معتقدند که ایده کرم‌چاله می‌تواند همچنین مشخص سازد که چرا بعضی پدیده‌های خاص در جهان ما، از پیش‌بینی‌های نظری تبعیت نمی‌کنند. طبق مدل استاندارد کیهان‌شناسی، انحنای فضا بعد از وقوع مهبانگ می‌بایسته در طول زمان افزایش یافته باشد و هم‌اکنون- که ۱۳.۷ میلیارد سال از آن زمان می‌گذرد- ما می‌بایست بر سطح یک جهان بسته و کروی واقع شده باشیم، اما مشاهدات، حکایت از این می‌کند که جهان ما، در تمامی جهات، تخت و مسطح است.

 

مسئله دیگر این است که شواهد به‌دست‌آمده از نور مربوط به سنوات نخستین جهان، حکایت از توزیع فوق‌العاده همگن دما در سرتاسر جهان می‌کند. این بدین‌معناست که دورترین اجرامی که در دو سوی مختلف جهان واقع شده‌اند، روزی به هم نزدیک و در ارتباط با هم بوده‌اند، تا مثل مولکول‌های یک گاز محبوس، در وضع تعادل قرار بگیرند. در اینجا هم مشاهدات با پیش‌بینی‌ها نمی‌خواند، چراکه اجرام واقع در دو سوی جهان، چنان از هم دورند که با درنظرگرفتن سن فعلی جهان، برای مرتبط بودن‌شان، لابد با سرعتی فراتر از سرعت نور از هم دور شده‌اند.

 

کیهان‌شناسان، به‌منظور رفع این تناقض، مفهومی تحت عنوان "تورم کیهانی" را معرفی کردند. براساس نظریه تورم، جهان بلافاصله بعد از وقوع مهبانگ، جهشی ناگهانی را تجربه کرده که طی آن، فضا با سرعتی فراتر از سرعت نور انبساط پیدا کرده است (برخلاف تصور معمول، فضا، خود می‌تواند فراتر از سرعت نور حرکت کند. نسبیت خاص، تنها سرعت اجسام "درون" فضا را محدود به سرعت نور تعریف می‌کند). این انبساط، ابعاد جهان را در یک لحطه از حد و حدود یک اتم، به ابعاد قابل توجهی رساند. پس چون سطح کره‌ای که ما بر آن ایستاده‌ایم- همچون سطح کره زمین- بسیار غول‌آساست، آن را به‌شکل تخت می‌بینیم. این نظریه، مشکل چگونگی ِ ارتباط نقاط دوردست جهان در لحظه مهبانگ را هم برطرف کرده است، اما با فرض صحت داشتن تورم کیهانی، کیهان‌شناسان در توضیح عامل محرکه این جهش ناگهانی، ناتوان بوده‌اند‌ و هستند. اینجاست که تئوری کرم‌چاله به کمک می‌شتابد. به‌گفته پاپلاسکی، طبق بعضی از نسخه‌های نظریه تورم، این جهش توسط یک "ماده نامتعارف" ایجاد شده است. نوعی فرضی از ماده که به‌جای جذب شدن از طریق نیروی گرانش، در حضور این نیرو رفتاری دافعه دارد و به‌همین‌واسطه با ماده معمولی فرق می‌کند. پاپلاسکی به‌پشتوانه معادلاتش بر این عقیده است که ماده نامتعارف، محصول مرگ ستارگانِ نخستین و تبدیل‌شان به کرم‌چاله‌هاست. او می‌گوید: "باید ارتباطاتی میان ماده نامتعارفی که کرم‌چاله‌ها را شکل داده، و ماده نامتعارفی که تورم را موجب شده، وجود داشته باشد."

 

کرم‌چاله‌ها، به مثابه یک راهکار واقعی

 

نظریه‌ای که به‌تازگی ارائه شده است، نخستین نظریه‌ای نیست که به وجود جهان‌های دیگری درون سیاهچاله‌ها اشاره دارد. دمین ایسون (Damein Easson)، فیزیکدان نظری دانشگاه ایالتی آریزونا نیز در مطالعات پیشین خود، گمانه‌زنی‌های مشابهی را مطرح کرده بود. او که در این مطالعات اخیر هیچ نقشی نداشته است، می‌گوید: "چیزی که در اینجا تازگی دارد این است که یک کرم‌چاله‌ واقعی در چهارچوب نظریه نسبیت عام، نقش گذرگاهی از یک سیاهچاله بیرونی به یک جهان جدیدِ درونی را ایفا می‌کند." ایرسون، با اشاره به معادلات پاپلاسکی می‌افزاید: "در مقاله خودمان فقط امکان وجود چنین راه حلی را مطرح کرده بودیم، اما پاپلاسکی، پی به یک راه حل واقعی برده است." با این‌همه، به‌گفته وی، این ایده بسیار خیالی به‌نظر می‌رسد. "آیا چنین چیزی ممکن است اتفاق بیفتد؟ البته. می‌توان چنین سناریویی را محتمل دانست؟ نظری ندارم، اما هرچه باشد، یقیناً احتمال جذابی‌ست". مطالعات آتی در حوزه گرانش کوانتومی- که مربوط به مطالعه رفتار نیروی گرانش در ابعاد زیراتمی می‌شود – می‌تواند این معادلات را تغییر دهد و احتمالاً از نظریه پاپلاسکی پیشتیبانی یا ان را رد کند.

 

کرم‌چاله، راه حل اصلی نیست

 

ه‌بگفته آندرئاس آلبرخت (Andreas Albrecht)، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا- دیویس، هرچند این نظریه روی هم‌رفته جذاب است، اما کمکی به حل معماهای مربوط به منشأ جهان ما نمی‌کند. این نظریه، با گفتن این‌که جهان ما ناشی از ترشح ماده از یک جهان دیگر است، فقط سئوالات بنیادین ما را به جایی دورتر انداخته است. به عبارت دیگر، هیچ توضیحی راجع به منشأ آن جهان دیگر نمی‌دهد و مشخص نمی‌کند آیا ویژگی‌های آن، اصلاً شبیه به همین جهان ماست، یا نه. آلبرخت می‌گوید: "برخی مسائلی که ما در پی حل‌شان برآمده‌ایم، واقعاً طاقت از کف می‌بَرند، و تازه معلوم نیست حق با کدام‌شان است."

 

با همه این‌ها، آلبرخت ایده کرم‌چاله‌های تونل‌مانند را چندان عجیب‌تر از ایده تکینگی‌های سیاهچاله‌ای نمی‌داند و هشدار می‌دهد که نباید این نظریه را به صِرف عجیب بودنش، نادیده گرفت. وی می‌گوید: "هرآن‌چه که دانشمندان در این زمینه می‌پرسند، اعجاب‌آور است. هیچ تضمینی نیست که بگویید حق با ایده‌ای‌ست که متعارف‌تر به‌نظر می‌رسد؛ چراکه از هر طرفی که قضیه را بنگرید، می‌فهمید همین پرسش، خود از پیش‌فرض‌های عجیب ایجاد شده است."

 

لینک منبع

ترجمه از: احسان سنایی

نوزدهمین کنفرانس بهاره فیزیک