Jenseits Der Kälte: So Funktioniert Die Welt Bei -459 Grad

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Atome bei zimmertemperatur bewegen sich mit etwa 500 fuß pro sekunde, aber nachdem wir sie gekühlt haben, bewegen sie sich nur um zehntel zoll pro sekunde, etwa zehnmal langsamer als die höchstgeschwindigkeit einer gewöhnlichen gartenschnecke. Wie schaffen wir dieses kunststück?

Dieser Artikel hinter den Kulissen wurde WordsSideKick.com in Partnerschaft mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Die meisten von uns stimmen darin überein, dass 32° F, die Temperatur, bei der Wasser gefriert, ein recht kalter Tag ist, aber wie steht es mit -320° F, dem Siedepunkt von Stickstoff… oder -452° F, dem Siedepunkt von Helium?

Diese Temperaturen sind unglaublich heiß im Vergleich zu den Atomgasen, mit denen ich als Doktorand in Professor Brian DeMarcos Labor an der University of Illinois arbeite. Wir führen Experimente mit Atomgasen durch, die auf nur 10 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (-459,67° F) abgekühlt sind.

Atome bei Zimmertemperatur bewegen sich mit etwa 500 Fuß pro Sekunde, aber nachdem wir sie gekühlt haben, bewegen sie sich nur um Zehntel Zoll pro Sekunde, etwa zehnmal langsamer als die Höchstgeschwindigkeit einer gewöhnlichen Gartenschnecke. Wie schaffen wir dieses Kunststück?

Der Schlüssel ist eine Kombination aus Laser- und Verdampfungskühlung. Die Kühlung mit Lasern kann merkwürdig erscheinen, da mit Edelstahl Laser geschnitten und markiert werden können, beispielsweise auf der Rückseite eines iPod. Das Laserlicht in unserem Experiment, das aus Milliarden Milliarden winziger Energiepaketen besteht, Photonen genannt, die jede Sekunde an den Atomen vorbeifliegen, ist besonders, da es nur die Atome zerstreut, die sich in Richtung des Laserlichts bewegen, wodurch sie langsamer werden. Sie können sich diesen Vorgang ähnlich wie das Abbremsen eines Autos vorstellen, bei dem viele Tennisbälle in die entgegengesetzte Richtung gefahren werden.

Atome einfangen

Die Laserkühlung beschränkt sich auf das Kühlen des Atomgases auf Temperaturen nahe einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. So wie Ihr Körper schwitzt, um seine Temperatur zu regulieren, verwenden wir Verdunstungskühlung, um die niedrigste Temperatur zu erreichen, die in unserem Experiment möglich ist.

Nach der Laserkühlung schalten wir das gesamte Licht aus und die Atome werden mit Magneten eingefangen. Wir zwingen die Atome mit der höchsten Energie zum Verlassen, und die zurückgelassenen Atome werden kälter. Wir brauchen uns keine Sorgen um Erfrierungen zu machen, da dies alles in einem isolierenden Vakuumbehälter geschieht.

Wir kühlen diese Atome auf so niedrige Temperaturen ab, dass ihr Verhalten von Quanteneffekten dominiert wird.

Quantenmechanik mag exotisch wirken, aber sie beeinflusst jeden Aspekt Ihres Lebens, von der chemischen Basis Ihres Stoffwechsels bis zu den Kräften, die verhindern, dass Ihre Füße durch den Boden fallen. Das Quantenverhalten vieler Teilchen zusammen ist die Grundlage für einen Großteil der modernen Technologie. Beispielsweise nutzen Materialien wie die Halbleiter in Computerchips, die aus Elektronen bestehen, die durch durch Ionen gebildete Kristalle wandern, das Quantenverhalten dieser Elektronen, um Transistoren herzustellen. Einige Quanteneffekte in Materialien sind nicht gut verstanden, beispielsweise das, was in Hochtemperatur-Supraleitern geschieht, die bei Temperaturen oberhalb des Siedepunkts von Stickstoff arbeiten können. Bei einem Supraleiter verschwindet der Widerstand gegen das Fließen von Elektronen durch das Material unter einer bestimmten Temperatur.

Supraleiter, die in MRI-Geräten in Krankenhäusern im ganzen Land bereits üblich sind, könnten weitaus mehr verwendet werden (z. B. beim Energieverbrauch bei der Übertragung von Strom von einem Kraftwerk in Ihr Haus), wenn sie bei noch höheren Temperaturen arbeiten würden. Physiker wissen nicht, wie sie dies erreichen sollen, da wir nicht viel darüber wissen, wie Hochtemperatursupraleiter funktionieren.

Wir können nicht einmal unsere leistungsfähigsten Supercomputer verwenden, um diese Materialien zu simulieren - im Moment können wir nur das Verhalten von etwa 10 Elektronen berechnen, verglichen mit den Millionen Milliarden Milliarden Elektronen in einem supraleitenden Draht. Aufgrund von Fortschritten bei der Geschwindigkeit von Computern können wir alle 10 Jahre nur ein Elektron zu einer Computersimulation hinzufügen. Wir versuchen, diese Materialien in unserem Labor mit einem ganz anderen Ansatz, der Quantensimulation, zu beleuchten.

Wir haben ein System aufgebaut, das die Elektronen durch ultrakalte Atome und den Ionenkristall durch einen Lichtkristall ersetzt. Das Ergebnis ist, was wir als Quantensimulator bezeichnen, weil wir das System, das wir verstehen möchten, durch etwas ersetzt haben, das wir leicht messen und manipulieren können. Tatsächliche Materialien erfordern empfindliche Sonden, um die Elektronen zu untersuchen, und spezielle und zeitraubende Techniken, um die Materialeigenschaften zu verändern. Mit unserem Simulator können wir die Atome direkt abbilden und die Art des "Materials" ändern, indem Sie einfach die Knöpfe im Labor wechseln.

Die Idee, ein Quantensystem zur Simulation eines anderen zu verwenden, wurde 1981 von Richard Feynman entwickelt, einem Physiker, der 1965 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde und der half zu verstehen, wie ein O-Ring-Versagen 1986 zur Challenger-Katastrophe führte.

Was machen Studenten?

Als Doktorand an einem Projekt wie diesem zu arbeiten, bringt viele Aufgaben mit sich. Zuerst mussten wir unseren Simulator bauen, einen der komplexesten Experimente, die in einem Labor von der Größe eines großen Schlafzimmers durchgeführt werden können. Die Ausrüstung ist auf zwei Stahltische verteilt, die jeweils 1000 Pfund wiegen und von Luftkolben schweben, um die Vibrationen zu reduzieren. Das Experiment verwendet mehr als 10 verschiedene Laser und Hunderte von Spiegeln und Linsen. Wir haben Regale mit elektronischen Komponenten und mehrere Computer, um das Ganze zu betreiben. Zum Glück mussten wir nur einmal alles einrichten.

Meine Aufgabe als Doktorand besteht hauptsächlich darin, das Experiment durchzuführen und Messungen durchzuführen.

Manchmal führen wir das Experiment mit einem bestimmten Ergebnis durch.Wie bei allen Wissenschaftlern geht es jedoch meistens um etwas Glück. Hin und wieder erhalten wir ein Ergebnis, das wir zunächst nicht verstehen können. Dies sind die aufregendsten, weil sie unser Wissen erweitern, indem sie das herausfordern, was wir bereits wissen.

Unsere jüngste Entdeckung beinhaltete eine Reihe von Experimenten, in denen die Atome durch den Kristall des Lichts betrachtet wurden. Wir entdeckten, dass Quantenwirbel (ähnlich wie die Whirlpools in Ihrer Badewanne) eine Rolle beim Verlangsamen der Atome spielen. Um dieses Ergebnis zu verstehen, mussten wir mit Forschern aus Illinois sprechen, die mit supraleitenden Drähten und Blechen arbeiten. Sie sagten uns, dass Wirbel beobachtet worden seien, um den Elektronenfluss in winzigen supraleitenden Drähten zu unterbrechen, aber dieser Prozess ist nicht vollständig verstanden, sodass unsere Messungen zum besseren Verständnis dieser Materialien beitragen können. Als Doktorand war dies eine gute Gelegenheit, um zu sehen, wie verschiedene Bereiche der Physik zusammenarbeiten können, und zu verstehen, dass Entdeckung selten das Ergebnis einer Einzelarbeit ist, die isoliert arbeitet.

Im Moment versuchen wir, andere Wege zu finden, wie wir Materialien simulieren können. Wir arbeiten zum Beispiel daran, unserem Lichtkristall Unordnung hinzuzufügen, um zu verstehen, wie Unreinheiten in Materialien die Supraleitung beeinflussen. Wir können es kaum erwarten, herauszufinden, welche neue Wissenschaft wir als nächstes entdecken werden!

  • Video: Einfrierendes Licht
  • Die seltsamsten kleinen Dinge in der Natur
  • Hinter den Kulissen: Archiv der Wochengeschichten

Anmerkung des Herausgebers: Diese Forschung wurde von der National Science Foundation (NSF) unterstützt, der Bundesbehörde für die Finanzierung von Grundlagenforschung und -bildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Siehe das Archiv hinter den Kulissen.


Videoergänzungsan: Aufbruch ins russische Eis Teil 1: Sibiriens wilde Seele [Doku deutsch].




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