Atomowe rekordy Guinnessa (1)

Popularność wpisu Zobaczyć atom i… oraz zamieszczona w nim wzmianka o zespole Davida Mullera z Cornell University, który skonstruował mikroskop o niewyobrażalnym powiększeniu 100 milionów razy stały się inspiracją do podjęcia „wakacyjnego” tematu rekordowych osiągnięć technicznych w kategorii „naj…”. Nie są to tylko rekordy w znaczeniu medialnej sensacji, ale przykłady wykorzystania nauki do przesuwania granic ludzkich możliwości poznania. Niektóre z nich są efektem wieloletnich wysiłków dużych zespołów oraz jeszcze większych pieniędzy. Inne są dziełem czystego przypadku.

Ultracienkie szkło

Grafen to dwuwymiarowa odmiana alotropowa węgla o grubości jednego atomu o strukturze sześciokątnej siatki (ang. chicken wire). Teoretyczny opis grafenu pochodzi z 1947 roku, praktyczna realizacja z 2004. Prace nad grafenem trwają nadal, a ich celem jest poprawa czystości, wielkości oraz obniżenie kosztów jego produkcji.
Przy okazji badań nad grafenem zespół znanego już nam Davida Mullera, pracując nad nowymi technologiami produkcji, wytworzył w 2012 roku przypadkowo najcieńsze szkło, grubości jednej cząsteczki dwutlenku krzemu. „Wypalając” w piecu kwarcowym warstwę grafenu, w wyniku nieszczelności pieca i przedostania się powietrza do jego wnętrza, zauważono „zabrudzenie”, które po zbadaniu okazało się dwutlenkiem krzemu czyli zwykłym szkłem. Szkłem o grubości jednej cząsteczki. Odkrycie to pozwoliło zbadać pod mikroskopem elektronowym strukturę atomową szkła i potwierdzić teorię Williama Houldera Zachariassena z 1932 roku mówiącej, że szkło nie ma struktury regularnej, krystalicznej, a jest w pewnym sensie amorficzną, zestaloną bez krystalizacji cieczą. Zaobserwowane rozmieszczenie atomów szkła potwierdziło diagramy Zachariassenna. „Po raz pierwszy udało się zobaczyć układ atomów w szkle” – to słowa Mullera. Bardzo prawdopodobne, że odkryte przypadkowo ultracienkie dwuwymiarowe szkło znajdzie zastosowanie w mikroelektronice jako superizolator w ścieżkach układów scalonych, zwiększając ich stopień miniaturyzacji i wydajność. [1]

Ryc. 1 Po prawej widok najcieńszego szkła w oku mikroskopu elektronowego. Po lewej wizualizacja. Wyraźnie widoczna struktura amorficzna. Źródło: Kavli Institute at Cornell dla Nanoscale Science

Najkrótszy zmierzony czas

W dziedzinie precyzji pomiaru czasu wyścig trwa od lat. Jedna z nagród Nobla została przyznana w tej właśnie dyscyplinie. W 1999 Ahmed Zewail zmierzył laserowo szybkość tworzenia wiązań chemicznych poprzez obserwację zmiany kształtu cząsteczek. Czasy te są rzędu femtosekund (10-15 sekundy), a nowa dziedzina nauki została nazwana femtochemią.
Naukowcy z Uniwersytetu Goethego pobili rekord Zewaila o wiele rzędów wielkości, konkretnie cztery. Zmierzone przez nich czasy mierzy się w zeptosekundach, tryliardowych częściach sekundy (10-21 sekundy).

Ryc. 2 Schemat i zasada pomiaru zeptosekundowego. Foton (żółty, z lewej strony) wzbudza fale elektronów (szary) cząsteczki wodoru (czerwony punkt: jądro), które interferują ze sobą (wzór interferencji: fioletowo-biały). Wzór interferencji jest przesunięty lekko w prawo, co pozwala obliczyć czas przejścia światła z jednego atomu do drugiego. Żródło: [2]

Zmierzony przez fizyków czas przejścia fotonu przez cząsteczkę wodoru wynosi 247 zeptosekund. Foton o odpowiedniej energii wyrzucony ze źródła rentgenowskiego uderzył najpierw w pierwszy atom wodoru wyrzucając z niego elektron (zachowujący się jak fala), a następnie z drugiego atomu wodoru. Powstałe fale elektronowe wytworzyły wzory interferencyjne, obserwowane w bardzo czułym mikroskopie reakcyjnym COLTRIMS, który zarejestrował zarówno wzór interferencji, jak i pozycję cząsteczki wodoru podczas całej interakcji. Pomiaru dokonano mierząc kąt odchylenia prążków interferencyjnych. O zaawansowaniu zastosowanych metod pomiarowych świadczą słowa Svena Grundmanna, współautora badań z Uniwersytetu w Rostocku „Ponieważ znaliśmy orientację przestrzenną cząsteczki wodoru, wykorzystaliśmy interferencję dwóch fal elektronowych, aby dokładnie obliczyć, kiedy foton dotarł do pierwszego, a kiedy do drugiego atomu wodoru”. [2][7]

Laser impulsowy o najwyższej mocy

Pionier techniki laserowej profesor Gerard Mourou otrzymał Nagrodę Nobla (2018) za skonstruowanie lasera impulsowego o największej jak na owe czasy mocy impulsu. Dokładniej – połowę nagrody bo druga połowa powędrowała do Arthura Ashkina, badacza z Bell Laboratories – znanej „fabryki wynalazków”. Posłużył do tego laser „ćwierkający”, Chirped Pulse Amplification (CPA) wykorzystujący wyrafinowaną technikę wzmacniania ultrakrótkiego impulsu laserowego do mocy rzędu petawatów. Peta to przedrostek oznaczający kwadrylion czyli 1015.
Krótki impuls laserowy stosunkowo niewielkiej mocy jest „rozciągany” w czasie o czynnik 1000-100000 za pomocą siatek dyfrakcyjnych, następnie wzmacniany i za pomocą drugiego układu siatek dyfrakcyjnych „ściskany” do pierwotnej długości. Rozciąganie impulsu przed wzmocnieniem zapobiega zniszczeniu układów optycznych w fazie wzmacniania. Schemat ilustrujący tę ideę jest pokazany na Ryc. 3.

Ryc. 3 Zasada działania Chirped Pulse Amplification (CPA). Public Domain

Spektrum możliwych zastosowań laserów CPA jest ogromne, od fizyki cząstek elementarnych i syntezy jądrowej po medycynę i ultraprecyzyjną obróbkę materiałów. Jako ilustrację gigantycznej gęstości mocy tego lasera można użyć porównania do skupienia całego promieniowania słonecznego padającego na Ziemię (za pomocą hipotetycznej gigantycznej soczewki) na pojedynczym ziarnku piasku. [3]

Księga Rekordów Guinnessa odnotowuje lasery petawatowe o większej mocy niż laser profesora Mourou. Jeden działa w ELI-Nuclear Physics w Măgurele w Rumunii i składa się z pary laserów o sumarycznej mocy 20 petawatów (2019). Drugi, o mocy 10 petawatów, znajduje się w ośrodku badawczym ELI-Beamlines w miejscowości Dolní Břežany w Czechach. Należy też wspomnieć o systemie o nazwie „Station of Extreme Light”, laserze o mocy 100 petawatów, który ma zostać uruchomiony w 2023 roku w Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility w Chinach. [8]

Największy kot Schrödingera

Ten tytuł to nie żart, co najwyżej wyrafinowana przenośnia. Kot Schrödingera to eksperyment myślowy z dziedziny fizyki kwantowej, w którym dany kot jest jednocześnie żywy i martwy, w zależności od stanu kwantowego atomu, którego rozpad powoduje uwolnienie trucizny zabijającej rzeczonego kota.
Naukowcy z ETH w Zurichu wprowadzili w stan superpozycji kwantowej szafir o wadze 16 mikrogramów. To wbrew pozorom bardzo dużo, taka ilość materii zawiera 1017 (sto biliardów) atomów. Atomy kryształu zostały wzbudzone a następnie połączone z układem nadprzewodzącym, odpowiednikiem kubitu (bitu informacji kwantowej). Mała dygresja: zawartość informacyjna kubitu to jednocześnie 0 i 1 czyli superpozycja dwóch stanów kwantowych. Następnie superpozycja kubitu została przeniesiona na oscylacje kryształu. W efekcie wszystkie atomy kryształu szafiru oscylowały jednocześnie w obu kierunkach, zupełnie jak w przypadku kota Schrödingera.
Osiągnięcie fizyków z ETH może być bardzo przydatne w pracach nad komputerami kwantowymi, zwłaszcza do korekcji błędów i stabilności kubitów.

  • ETH to najlepsza uczelnia techniczna w Europie. Jeśli macie skojarzenia tej uczelni z Albertem Einsteinem, Wilhelmem Konradem Roentgenem, Wolfgangiem Paulim, Niklausem Wirthem (język Pascal) czy Fritzem Haberem (niestety) to nie mylicie się. Na ETH studiował i pracował późniejszy prezydent RP Gabriel Narutowicz, był nawet dziekanem. [4] [5]
Ryc. 4 Kot Schrödingera staje się coraz większy. Źródło: [5]

Najwyższe ciśnienie (statyczne)

770 Gigapaskali (GPa). Takie ciśnienie, dwukrotnie wyższe od ciśnienia panującego w jądrze Ziemi, wytworzyli naukowcy z Uniwersytetu w Bayreuth (Niemcy). I nie zrobili tego tylko dla wpisu w Księdze Rekordów Guinnessa. Badali osm, zadziwiający swoimi właściwościami pierwiastek z triady platynowców ciężkich. Nazwa osm pochodzi od greckiego osme – zapach. Dlaczego osm = zapach? Przecież to metal, metale nie pachną.
Osm nie zmienia swojej struktury krystalicznej nawet przy najwyższych ciśnieniach. Ale czy aby na pewno nie zmienia? Jest też pierwiastkiem o najwyższej gęstości, ma najwyższą energię kohezji (odporności na „kawałkowanie”), najwyższą temperaturę topnienia i jeden z najniższych współczynników ściśliwości, porównywalny z diamentem.
Tak wysokie ciśnienie uzyskano za pomocą mikrokowadeł wykonanych z nanokrystalicznych diamentów o wielkości 10 mikrometrów (10-6 metra) o twardości wyższej niż normalne kryształy diamentu.

  • osm, na spółkę z wolframem, ma udział w sukcesie merketingowym pewnej dużej firmy z branży elektrotechnicznej. Której?
Ryc. 5 Schemat komory ciśnieniowej z kowadłem diamentowym. Próbka osmu ma zaledwie 3 mikrony i znajduje się pomiędzy dwiema półkulami wykonanymi z nanokrystalicznego diamentu. Źródło: [6]

Wszystkie te rekordy mają jedną wspólną cechę – dotykają struktur atomowych i zjawisk kwantowych z nimi związanych. Docieramy do granic poznania, badamy zjawiska ekstremalne i potrafimy również ekstremalne warunki tworzyć. W następnej części kolejne rekordy, między innymi pochodzące z Wielkiego Zderzacza Hadronów LHC.

Praca domowa: nauczyć się przedrostków, bo zepto- to chyba nie znaliście.

c.d.n.

Źródła:

  1. https://www.sciencedaily.com/releases/2013/09/130912095241.htm
  2. https://aktuelles.uni-frankfurt.de/en/english/physics-zeptoseconds-new-world-record-in-short-time-measurement/
  3. https://record.umich.edu/articles/u-m-professor-emeritus-shares-2018-nobel-prize-physics/
  4. https://www.scientificamerican.com/article/physicists-create-biggest-ever-schroedingers-cat/
  5. https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2023/04/fat-quantum-cats.html
  6. https://cosmosmagazine.com/science/physics/scientists-create-record-pressure-in-a-lab-twice-that-of-the-earths-core/
  7. https://www.livescience.com/zeptosecond-shortest-time-unit-measured.html
  8. https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/358832-most-powerful-laser