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Quantenkühlung - mit Lasern?

Quantenkühlung - mit Lasern?

[Bildquelle: Ars Electronica]

Die Entdeckung der Supraleitung im Jahr 1911 durch die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes hat seitdem dazu geführt, dass Wissenschaftler versuchen, Teilchen auf den absoluten Nullpunkt (0 Kelvin oder 0 k) abzukühlen, um einen Zustand der Supraleitung zu erreichen. Supraleitung ist ein Zustand, in dem Teilchen fast keinen Widerstand haben, ein Quanteneffekt. Ein Supraleiter kann eine unbegrenzte Stromversorgung unterstützen, ohne Energie durch Wärme oder Schall zu verlieren. Dies revolutioniert die Art und Weise, wie wir Energie nutzen können. Aber es kam mit einer noch größeren Wendung: Diamagnatismus. Diamagnatismus ist ein Phänomen in unterkühlten Partikeln, das verhindert allesMagnetfelder dringen nicht ein, während ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugt wird, das jede aufgebrachte Magnetkraft abstößt. Diamagnatismus eignet sich hervorragend für Supraleitung und Levitation, da er alle Magnete abweist und große Fortschritte beim Transport verspricht wird bereits verwendet. Aber wie kühlt man Partikel auf nahe 0 Kelvin ab? Und was ist überhaupt 0 k?

[Bildquelle: Steve Jervetson]

Null Kelvin ist der absolute Nullpunkt, bei dem absolut keine Energie in einer Substanz enthalten ist - die absolut kälteste Temperatur, die alles haben kann. Bei 0 Kelvin wäre ein Teilchen völlig bewegungslos. Aber wie bekommt man etwas so kaltes? Während Licht, wie wir es kennen, die Wärme erzeugt, die wir hier auf der Erde fühlen, bedeutet es nicht unbedingt, dass alles Licht nur Wärme erzeugt. Die Temperatur ist die Durchschnittsgeschwindigkeit einer Gruppe von Atomen. Je mehr sie sich bewegt, desto mehr Wärme hat sie. Licht trägt Impuls, da Impuls gerecht ist Masse mal Geschwindigkeit. Aber Licht hat keine Masse? Nun, nein, aber es hat eine Energie / Massenäquivalenz, besser beschrieben mit einer der berühmtesten Gleichungen Einsteins E = mc². Neu angeordnet für Masse und Gleichung kann wieder in das Impulsgesetz eingesetzt werden, wobei die Gleichung für die abgeleitet wird Impuls des Lichts.

Da Licht Impuls trägt, kann seine Energie in Partikel übertragen werden, ähnlich wie ein Tennisball, der auf einen Basketball schlägt. Werfen Sie den Ball hart genug und Sie sollten in der Lage sein, den Basketball in Bewegung zu setzen. Flugmoleküle bewegen sich mit etwa 4000 km / h, was es sehr schwierig macht, sie zu untersuchen, da sie nicht sehr lange in einem Gebiet bleiben. Laser können verwendet werden, um Atome in einer magnetooptischen Falle oder einem TÜV einzufangen, der ähnlich wie der Effekt einer Fliegenlandung auf einer dicken Melasseschicht funktioniert.optische Melasse " . Aber wie kann man Atome möglicherweise verlangsamen, wenn das Licht immer drängen will? Wissenschaftler entdeckten eine Methode zum Schieben vor des sich bewegenden Teilchens mit Lasern, dienimmt Weg die Geschwindigkeit der Teilchen, die ihren Gesamtimpuls verringert.

Das Phänomen wurde 1985 von Steven Chu entdeckt und ist bekannt als Laserkühlung. Steven und Kollegen positionierten mehrere Laser in einer Gaskammer und bildeten in der Mitte eine "t" -Form. Während die Teilchen herumschwebten, wurde man schließlich in der Mitte der Laser gefangen, wo sie mit Photonen bombardiert wurden, die genau in die entgegengesetzten Richtungen schlugen, in die sich das Teilchen zu bewegen versuchte. Dies erzeugte einen ähnlichen Effekt wie eine Person, die versucht, gegen den Wind zu fahren. Je stärker die Kraft des Windes in die entgegengesetzte Richtung ist, desto schwieriger und daher langsamer würde der Biker fahren - und schließlich anhalten, sobald der Wind zu stark wird (hoffen wir, dass es sich nicht um einen Hurrikan handelt).

[Bildquelle: Asaf]

Die Partikel wurden auf nahe 0 k, der magischen Zahl, abgekühlt. Wissenschaftler sind äußerst daran interessiert, null Kelvin zu erhalten, um den maximalen Quanteneffekt subatomarer Teilchen herauszuholen. Das Schöne an Teilchen ist, dass die kleinen Elektronen, die sich um den Kern drehen, nur geben könnenetwasDaten - niemals alles (dies ist eine Quanteneigenschaft). Entweder können Sie genau wissen, wie schnell ein Elektron geht, ohne zu wissen, wo es sich befindet, oder Sie können wissen, wo sich das Elektron befindet, aber Sie haben absolut keine Ahnung, wie schnell es geht. Tatsächlich verlangsamten die Wissenschaftler, die die Teilchen abkühlten, die Elektronen auf den Punkt Null Kelvin, ein halbes Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Die kälteste Temperatur in der bekanntes Universum befindet sich im Bumerang-Nebel und sitzt bei milden 1 K (–458 Grad Fahrenheit oder –272 Grad Celsius), was den kältesten Ort im Universum tatsächlich ausmacht Erde.Bei 0 k könnten sich die Elektronen auf der anderen Seite des Universums befinden, da die Geschwindigkeit fast genau bekannt war, was bedeutet, dass niemand wusste, wo sich das Elektron befand. Dies eröffnet ein wunderschönes Phänomen namens Supraleitung und Diamagnitismus - ein weiterer faszinierender Zustand der Materie.

[Bildquelle: NASA, der Bumerang-Nebel]

Konventionelles Denken wird keine neuen Ergebnisse liefern. Wer hätte gedacht, dass mit Lasern nicht nur die kälteste Temperatur erzeugt wird Erde, aber die kälteste Temperatur in derbekanntes Universum?Wissenschaft ist wichtig, um zu verstehen, wie das Universum funktioniert, was die Geheimnisse der Entstehung von Menschen und allem enthüllen könnte. Die Wissenschaft verbessert sich in beispiellosem Tempo weiter und verändert und gestaltet für immer die Zukunft und das Leben, wie wir es kennen.

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Geschrieben von Maverick Baker


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