CNR27teoria
Particolari di studio per l’esperimento rabazon
Documentazione varia
, Persistent Phonons
The data below provide an example of selection rules
at work. These Raman spectra were taken on a single crystal sample, with the
orientation of the crystal axes known. The label for each denotes the
polarization of the incident and scattered light. So, "ZZ" means that
the incident and scattered polarizations are parallel to the crystal's Z axis;
XY means that the incident polarization is parallel to the crystal's X axis
while the scattered polarization is parallel to the crystal's Y axis. A prime
indicates an axis at an angle of 45 degrees with respect to the crystal axis.
The narrow peak near 240 wavenumbers' Raman shift, due to the vibration of the
La/Sr ions, appears in ZZ, XX, and X'X' scattering conditions, but not in the
XY or X'Y' conditions. This selection rule reflects the symmetry of the tensor
which represents this particular excitation. It is
A 0 0 0 A 0 0 0 C
reflecting the tetragonal symmetry of the crystal. In
this case the X and Y crystal axes are equivalent, while the lattice constant
in the Z direction is longer. In fact, this tensor possesses the full
tetragonal symmetry. To see where the selection rule comes in, just write down
the vector components of the desired polarization conditions and take the inner
product with the tensor:
(X) (X) 1 A 0 0 1 0 0 A 0 0 = A; 0 0 0 C 0 (Y) (X) 0 A 0 0 1 1 0 A 0 0 = 0. 0 0 0 C 0
On Determining the Actual Modes and Frequencies
One part of the process is the part I have left out so
far is determining the actual displacement pattern of the ions corresponding to
a given peak. For the present case, simple inspection is sufficient to show
that the vertical displacement of the La/Sr ions has the full tetragonal
symmetry of the above tensor.
However, a similar vertical displacement of the apical oxygen ions also shares
the full tetragonal symmetry. A priori, there is no way to know which
combination of these modes contributes to a given Raman peak. This question
brings the analysis beyond group theory, into the realm of lattice
dynamics--the modelling of the forces between the ions in the unit cell. In the
present example, the oxygen and La/Sr displacements are believed to separate
completely into two different modes.
Beyond Zero Wavevector: Brillouin Scattering
To a good approximation Raman scattering occurs from zero-wavevector
phonons. However, to the extent that the phonon wavevector differs from zero,
phonon selection rules will deviate from the zero-wavevector rules and will
depend on the angle between the direction of propagation of the incident and
scattered light. For "optical phonons," which have zero dispersion at
the zone center, any direction dependence in the Raman shift is quite small. On
the other hand, for the "acoustic phonons," which have a linear
dispersion near the zone center, the angular dependence of the Raman shift is
more pronounced. Because the phonon wavevector is still quite small the
acoustic phonon will have a small energy. Raman scattering from low-energy
acoustic phonons is known as Brillouin Scattering. Brillouin scattering
manifests as extra phonons, at low energy. The essential difference between
Raman and Brillouin scattering is the sensitivity of the "Brillouin
shift" to the relative angle of scattering.
The
principles of determining the selection rules are the same, but the subgroup of
the crystal space group one uses to enumerate the Brillouin phonons is no
longer the group of the zone center, but rather the "group of the
wavevector" of the phonon doing the scattering. For example, if the phonon
wavevector occurs along one of the fourfold-symmetric directions in a
tetragonal crystal, then the point P in the Brillouin zone corresponding
to the phonon momentum has only twofold symmetry corresponding to reflection
across the line between P and the zone center. When we enumerate the
modes, we include only those symmetry elements which preserve the wavevector P.
Otherwise, the procedure is identical to that described above for the zone
center.
Superconducting Transistor
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Fig 1 (left) - this superconducting
transistor-like device consists of several layers. It works as follows: Bound
electron pairs in the first superconducting layer (S0) are broken apart by a
voltage. Some of the single electrons (or quasiparticles as they are known in
quantum parlance) tunnel into a second superconducting layer (S1). If this
particle diffuses into a normal (nonsuperconducting) layer N, it can give up
its energy to free electrons, which in turn can tunnel into a further
superconducting layer (S2) where they constitute a current much amplified
compared to the original input current.
Fig 2 (right) - schematic diagram showing the
various parts of the superconductor transistor device.
Transistore Di Superconducting
Il fig 1 (lasciato) - questo che superconducting transistore-come il
dispositivo consiste di parecchi strati. Funziona come segue: Gli
accoppiamenti dell' elettrone rilegato nel primo strato
superconducting (S0) sono rotti a parte da una tensione. Alcuni di
singoli elettroni (o di quasiparticles mentre sono conosciute in
parlance di quantum) scavano una galleria in un secondo strato
superconducting (S1). Se questa particella si diffonde in uno strato
(nonsuperconducting) normale N, può dare in su la relativa energia
agli elettroni liberi, che a sua volta possono scavare una galleria in
un nuovo strato superconducting (S2) dove costituiscono una corrente
molto amplificata confrontata alla corrente originale dell' input.
Schema schematico del fig 2 (di destra) - che mostra le varie parti
del dispositivo del transistore di superconductor.
Vibration-induced droplet atomization
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Liquid droplets having a nominal diameter of 10
mm are atomized (made into a fine spray) within 300-500 milliseconds when
placed on a vibrating diaphragm. The droplet surface undergoes a hierarchy of
instabilities that lead to the formation of surface waves and the atomization
is a result of the rapid ejection of small secondary droplets from the crests
of these waves. The evolution and rate of ejection depend on the interplay
betweeen the primary droplet and the vibrating diaphragm.
Le goccioline liquide che hanno un diametro nominale di 10 millimetri
sono atomizzate (trasformato un vapore leggero) in 300-500
millisecondi una volta disposte su un diaframma di vibrazione. La
superficie della gocciolina subisce una gerarchia delle instabilità
che conducono alla formazione delle onde di superficie e l'
atomizzazione è un risultato dell' espulsione veloce di piccole
goccioline secondarie dalle creste di queste onde. Lo sviluppo ed il
tasso dell' espulsione dipendono dall' interazione betweeen la
gocciolina primaria ed il diaframma di vibrazione.
Nanobalance
Nanobalance application
for carbon nanotubes: a mass attached at the end of a nanotube shifts its
resonance frequency. If the nanotube is calibrated (i.e., its spring constant
known), it is possible to measure the mass of the attached particle. In this
example, the resonant frequency was 968 kHz, compared to 3.28 MHz when unloaded
(calculated). The mass of this carbon sphere was then determined to be 22±6
femtograms (one fg is a quadrillionth of a gram). Direct estimate based on
volume and the density of amorphous graphite gives a mass close to 30 fg.
Induced resonance of a
nanotube. On left, the nanotube is at rest: the blurring in the picture is due
to thermal vibration. The central picture shows this nanotube excited in its
fundamental vibrational mode (530 KHz). It is possible to go even further and
excite its second harmonic (3.01 MHz). Both the frequency ratio and the shapes
correspond reasonably well to what is calculated for a clamped beam.
Images
show bundle of carbon nanotubes (left), and same bundle in which an oscillating
current is applied (right), causing resonance in one tube.
Nanobalance
Domanda di Nanobalance di nanotubes del carbonio: una massa fissata
all' estremità d'un nanotube sposta la relativa frequenza di
risonanza. Se il nanotube è calibrato (cioè, il relativo costante
della molla conosciuto), è possibile misurare la massa della
particella fissata. In questo esempio, la frequenza di risonanza era
968 kHz, confrontati a 3,28 megahertz una volta scaricata (calcolato).
La massa di questa sfera del carbonio allora è stata determinata per
essere femtograms 22±6 (un fg è un quadrillionth d'un grammo). La
valutazione diretta basata su volume e sulla densità della grafite
amorfa dà una massa vicino a fg 30.
Risonanza indotta d'un nanotube. Su parte di sinistra, il nanotube è
a resto: l' offuscamento nell' immagine è dovuto la vibrazione
termica. L' immagine centrale mostra questo nanotube eccitato nel
relativo modo vibratorio fondamentale (530 KHz). È possibile andare
ancora ulteriore ed eccitare la relativa seconda armonica (3,01
megahertz). Sia il rapporto di frequenza che la figura corrispondono
ragionevolmente bene a che cosa è calcolato per un fascio premuto.
Le immagini mostrano il gruppo dei nanotubes del carbonio (a sinistra)
e lo stesso gruppo in cui una corrente oscillante è applicata (di
destra), causante la risonanza in un tubo.
Megaverse
According to a new theory, the existence of
hypothetical extra spatial dimensions might be revealed in high energy
collisions in accelerator experiments in the following manner. Some of the
collision energy might be converted into a graviton, which would disappear into
one of the extra dimensions of what would now be called a "megaverse".
This would not be detectable and it would appear to experimenters as if the
energy of the collision had not been conserved.
Secondo una nuova teoria, l' esistenza delle dimensioni spaziali
supplementari ipotetiche ha potuto essere rivelata negli alti scontri
di energia negli esperimenti dell' acceleratore nel seguente modo.
Alcuna dell' energia di scontro potrebbe essere convertita in
graviton, che sparirebbe in una delle dimensioni supplementari di che
cosa ora sarebbe chiamato " un megaverse ". Ciò non sarebbe
rilevabile e sembrerebbe agli sperimentatori come se l' energia dello
scontro non si fosse conservata.
Measuring a Fragile Molecule
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Although
theory has long predicted that two helium atoms can form a diatomic molecule,
or dimer, experimental evidence was elusive. Traditional probes of atomic
structure don't work for helium because they tear apart the fragile molecule
like a butterfly blasted with a shotgun. Now, in the 11 SeptemberPRL,
researchers describe a non-destructive technique that confirms that the atoms
in a helium dimer form the longest and weakest chemical bond known, and the
largest two-atom molecule.
Helium is
only one step in the periodic table away from hydrogen, which forms nature's
most common dimer. "Helium is a very fundamental atom," says Harvard
University's Isaac Silvera, "so we can make very accurate calculations of
its bound states." Those calculations showed that the helium-helium attractive
force should create a dimer state with a tiny binding energy of about 10-7
eV , compared with 5 eV for diatomic hydrogen.
The weak
bond makes it nearly impossible to examine the helium dimer. Traditional
particle probes of atomic structure--microwave, infrared, and visible light
spectroscopy, x-ray diffraction, and electron scattering--are too powerful; the
necessary electron and photon collisions instantly smash the fragile dimer in
two. So it wasn't until 1994 that Peter Toennies and his colleagues at the Max
Planck Institute in Göttingen, Germany, convinced most researchers that the
dimer existed at all. They produced a diffraction pattern from an ultracold
beam of helium atoms and dimers, but this experiment didn't measure the bond
length, the crucial parameter from which the binding energy is derived. In 1996
Ron Gentry and his colleagues at the University of Minnesota sifted helium
through a nanoscale sieve and esitmated 62 Å for the bond length, a value some
experts considered to be an upper limit.
Now a
team led by Toennies and Gerhard Hegerfeldt of the University of Göttingen has
filled in the last piece of the helium dimer puzzle. To measure the dimer bond
length, they launched a 4.5 K beam of helium atoms towards a diffraction
grating. In flight, about 5% of the atoms formed dimers as the beam cooled to
less than 1 mK. On passing through the 70-nm-wide slits in the grating, the
cold beam produced a series of alternating large and small diffraction peaks
corresponding to helium atoms and the helium dimer, respectively. The peak
intensities indicated a bond length of 52 Å, remarkably close to the classical
estimate from four years ago. "It is like putting calipers on the
molecule," says Toennies. And a simple quantum mechanical computation led
to the binding energy of 9.5 × 10-8 eV.
"This
is a beautiful, elegant, and gratifying confirmation of our work," says
Gentry. Dick Manson of Clemson University in South Carolina agrees that it
confirms the previous estimate based on classical physics, while adding quantum
corrections. Silvera is also impressed. "Toennies's team has done a very
nice experiment and analysis," he says. "It completes the picture of
the helium dimer."
Misurazione del © fragile 2000 Photodisc
della molecola, inc.
Farfalla delle molecole. Come interferire una farfalla, misurare la
molecola fragile costituita da due atomi
dell' elio richiede un tocco
chiaro.
Il dimero dell' elio è la più grande molecola dell'
due-atomo ed ha il legame chimico più debole
conosciuto.
Anche se la teoria lungamente ha predetto
che due atomi dell' elio
possono formare una molecola diatomic, o il
dimero, la prova
sperimentale era evasiva. Le sonde tradizionali della struttura
atomica non funzionano per elio perché
staccano la molecola fragile
come una farfalla fatta saltare con un
fucile da caccia. Ora, nel 11
SeptemberPRL, i ricercatori descrivono una
tecnica non distruttiva che
conferma che gli atomi in un dimero dell'
elio formano il legame
chimico più lungo e più debole conosciuto e
la più grande molecola
dell' due-atomo. L' elio è soltanto un punto nella tabella periodica
via da idrogeno, che forma il dimero più
comune della natura. " l'
elio è un atomo molto fondamentale, "
dice Isaac Silvera, " in modo
da noi dell' università de Harvard può
effettuare le calcolazioni
molto esatte delle relative condizioni
rilegate. " Quelle
calcolazioni hanno indicato che la forza
attraente dell' elio-elio
dovrebbe creare una condizione del dimero
con un' energia di legame
molto piccola di circa 10-7 eV, rispetto a 5
eV per idrogeno diatomic.
Il legame debole lo rende quasi impossible
esaminare il dimero dell'
elio.
Le sonde tradizionali della particella della struttura atomica
-- microonda, infrared e spettroscopia,
diffrazione dei raggi X e
dispersione chiare visibili dell' elettrone
-- sono troppo potenti;
gli scontri necessari del fotone e dell'
elettrone immediatamente
fracassano il dimero fragile in due. Così non aveva luogo fino al
1994 che Peter Toennies ed i suoi colleghe
al Planck massimo
istituisce in Göttingen, Germania, convinto
la maggior parte dei
ricercatori che il dimero ha esistito
affatto. Hanno prodotto un
modello di diffrazione da un fascio del
ultracold degli atomi e dei
dimeri dell' elio, ma questo esperimento non
ha misurato la lunghezza
schiava, il parametro cruciale da cui l'
energia di legame è
derivata.
**time-out** 1996 Ron Gentry e suo collega università
Minnesota setacci elio al un nanoscale
setaccio e esitmated 62 Å per
schiavo lunghezza, un valore qualche esperto
consider to come un
superiore limite. Ora una squadra condotta da Toennies e da Gerhard
Hegerfeldt dell' università di Göttingen ha
riempito l' ultima parte
del puzzle del dimero dell' elio. Per misurare la lunghezza del
legame del dimero, hanno lanciato un fascio
di 4,5 K degli atomi dell'
elio verso un reticolo di diffrazione. Durante il volo, circa 5%
degli atomi ha formato i dimeri come il
fascio raffreddato più meno
di 1 mK.
Sul passare attraverso le fessure 70-nm-wide nella grata, il
fascio freddo ha prodotto una serie
alternare di grande e di piccoli
picchi di diffrazione che corrispondono agli
atomi dell' elio ed al
dimero dell' elio, rispettivamente. Le intensità peak hanno indicato
una lunghezza schiava di 52 Å, notevolmente
vicino alla valutazione
classica da quattro anni fa. " è come mettere i compassi sulla
molecola, " dice Toennies. E un calcolo meccanico di quantum semplice
ha condotto all' energia di legame 9,5 di ×
10-8 eV. " questo è un
bello, elegante e la conferma gratifying del
nostro lavoro, " dice
Gentry.
Dick Manson dell' università di Clemson in Carolina del Sud
è conforme che conferma la valutazione
precedente basata sulla fisica
classica, mentre aggiungendo le correzioni
di quantum. Silvera
egualmente è impressionato. " la squadra di Toennies ha fatto un
esperimento molto piacevole ed analisi,
" dice. " completa l'
immagine del dimero dell' elio. "
Surfing in an Atom's Wake
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In 1993,
physicists at IBM created the picturesque "quantum corral" by placing 48
iron atoms in a circle on a copper surface. The famous images dramatically
displayed the standing waves made by surface electrons inside the corral. Now,
in the 2 OctoberPRL, a team shows that these same waves allow atoms
dropped on the surface to interact with one another over long distances. Their
scanning tunneling microscope (STM) data show that this electron-mediated force
is oscillatory in space--alternately attractive and repulsive as one atom
"rides" the electron waves produced by the other. The interaction
leads to rings of attraction and repulsion surrounding each atom, so the
results may improve understanding of the formation of atomic-scale structures
on surfaces.
Theories
dating back to 1967 have suggested that electrons in a metal generate so-called
indirect interactions between adatoms--atoms sitting on a surface that aren't
part of the solid's crystal structure. A 1978 paper by Nobel Laureate Walter
Kohn of the University of California, Santa Barbara, and K. H. Lau predicted
that, if the electrons are in specific quantum states at the surface, the force
diminishes with the inverse square of the distance between the adatoms--a much
longer-range interaction than exists otherwise. Lau and Kohn also expected the
force to be oscillatory (similar to other indirect interactions), with a period
related to the surface electrons' wavelength. Under these conditions, the
potential energy surface surrounding each adatom looks something like a still
picture of the circular waves around a stone thrown in a pond. The wavelike
surface electrons scattering from the adatom create ring-shaped troughs of
attraction in the potential energy function, and neighboring adatoms are most
likely to collect at these troughs. Until now, no one had directly measured
this unusual long-range, oscillatory interaction predicted by Lau and Kohn.
The
problem, explains Gerhard Meyer of the Free University of Berlin (FUB), is that
these long-range forces between adatoms are so weak; the corresponding energies
are less than 1 meV. Meyer is part of a team that captured the oscillatory
interaction by taking 3400 STM images of copper adatoms on a copper surface at
temperatures between 9 and 21 K. They waited 30 seconds between images to allow
the adatoms to hop to new positions. For each image the team measured the
distances between isolated pairs of adatoms and collected a large histogram
showing the likelihood of each separation distance, from 0 to 7.5 nm.
"What you see is that certain distances are preferred," says Meyer.
The team,
led by FUB's Karl-Heinz Rieder, found an oscillatory potential energy function
as one moves away from an adatom, with a period (1.5 nm) and decay rate
(inverse square) in agreement with the 1978 predictions. To further verify
their results, the team used the STM to directly image the electron waves
surrounding pairs of adatoms. The properties of the scattered electron waves
were in rough agreement with the authors' theoretical predictions.
"I
was thrilled" to see the paper, says Ted Einstein of the University of
Maryland in College Park. Although there have been other hints of the effect,
he says, "this is really clear-cut and beautiful." Einstein points
out that it is unusual for an oscillatory interaction to be so long-ranged and
to have circular symmetry and says it might have practical consequences for
interactions between single-atom-high steps in atomic-scale devices.
Surfing nel risveglio Gerhard Meyer/Free
Univ dell' atomo. degli
atomi de Berlino che fanno le onde. Gli elettroni di superficie di
Wavelike spargono da alcuni atomi di rame su
una superficie di rame.
Questi elettroni generano una forza a lungo
raggio fra gli atomi che
ora direttamente è stata misurata.
In 1993, i fisici all' IBM hanno creato
" il corral di quantum "
picturesque disponendo 48 atomi del ferro in
un cerchio su una
superficie di rame. Le immagini famose hanno visualizzato
drammaticamente le onde diritte fatte dagli
elettroni di superficie
all'interno del corral. Ora, nei 2 OctoberPRL, una squadra indica
che
queste stesse onde permettono gli atomi
caduti sulla superficie per
interagirsi con una un altro sopra le
distanze lunghe. I loro dati
del microscopio di traforo di esame (STM)
indicano che questa forza
elettrone-mediata è oscillatoria nello
spazio -- alternatamente
attraente e repulsive poichè un atomo "
guida " le onde dell'
elettrone prodotte dall' altro. L' interazione conduce agli anelli
dell' attrazione e della repulsione che
circondano ogni atomo, in modo
da i risultati possono migliorare la
comprensione della formazione di
atomico-regolano le strutture sulle
superfici. Le teorie che datano
da 1967 hanno suggerito che gli elettroni in
un metallo generano le
cosiddette interazioni indirette fra i
adatoms -- atomi che si siedono
su una superficie che non fanno parte della
struttura di cristallo del
solido.
Un documento scritto 1978 di Nobel Laureate Walter Kohn dell'
università di California, Santa Barbara e K.
H. Lau ha predetto che,
se gli elettroni sono nelle condizioni
specifiche di quantum alla
superficie, la forza diminue con il quadrato
inverso della distanza
fra i adatoms -- una molta interazione della
lungo-gamma che esiste al
contrario.
Lau e Kohn egualmente hanno invitare la forza per essere
oscillatoria (simile ad altre interazioni
indirette), con un periodo
collegato con la lunghezza d'onda degli
elettroni di superficie. In
queste circostanze, la superficie potenziale
di energia che circonda
ogni adatom osserva qualcosa come un'
immagine tranquilla delle onde
circolari intorno ad una pietra gettata in
uno stagno. Gli elettroni
della superficie del wavelike che spargono
dal adatom creano le
depressioni a sezione circolare dell'
attrazione nella funzione
potenziale di energia ed i adatoms vicini
sono più probabili
raccogliere a queste depressioni. Finora, nessuno direttamente
avevano misurato questi interazione insolita
prevista da Lau e Kohn a
lungo raggio e oscillatori. Il problema, spiega Gerhard Meyer dell'
università libera di Berlino (FUB), è che
queste forze a lungo
raggio fra i adatoms sono così deboli; le energie corrispondenti
sono meno di 1 meV. Meyer fa parte d'una squadra che ha bloccato
l'
interazione oscillatoria prendendo 3400
immagini di STM dei adatoms di
rame su una superficie di rame alle
temperature fra 9 e 21 K. They
hanno atteso 30 secondi fra le immagini per
permettere che i adatoms
hop alle nuove posizioni. Per ogni immagine la squadra ha misurato le
distanze fra gli accoppiamenti isolati dei
adatoms ed ha raccolto un
grande istogramma che mostra la probabilità
di ogni distanza di
separazione, da 0 a 7,5 nm. " che cosa vedete è che determinate
distanze sono preferite, " dice
Meyer. La squadra, condotta da FUB's
Karl-Heinz Rieder, ha trovato una funzione
potenziale oscillatoria di
energia come una si muove via da un adatom,
con un periodo (1,5 nm) ed
il tasso di deperimento (quadrato inverso)
nell' accordo con le
previsioni 1978. Più ulteriormente per verificare i loro risultati,
la squadra ha usato direttamente lo STM all'
immagine che l' elettrone
fluttua gli accoppiamenti circostanti dei
adatoms. Le proprietà
delle onde sparse dell' elettrone erano
nell' accordo approssimativo
con le previsioni teoriche degli
autori. " sono stato eccitato
" per
vedere la carta, ad esempio Ted Einstein
dell' università di Maryland
nel parco dell' università. Anche se ci sono stati altri
suggerimenti dell' effetto, dice, "
questo è realmente netto e bello.
"
Einstein precisa che è insolito affinchè un' interazione
oscillatoria sia in modo da lungo-variato e
da avere simmetria
circolare e che dice che potrebbe avere
conseguenze pratiche per le
interazioni fra gli singolo-atomo-alti punti
in atomico-regola i
dispositivi.
Delay is a Death Sentence
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Fireflies
blink synchronously, lasers are "mode-locked" for amplification, and
cardiac pacemaker cells maintain a steady heartbeat. In each case, the
interaction of separate oscillators leads to important collective behavior.
Although physicists have been investigating so-called coupled oscillators for
centuries, there has been relatively little study of the effects of time
delays, which always occur to some extent as one oscillator communicates with
another. In the 16 OctoberPRL a team shows that a very simple electronic
circuit containing two identical oscillators coupled with a time delay can
experience "amplitude death"--the oscillators essentially stop each
other cold. The authors also found several other new phenomena resulting from
the delay, all of which could be applied in areas from sophisticated laser
electronics design to research on heart attacks.
Ever
since the Dutch physicist Christiaan Huygens noticed in 1665 that two pendulum
clocks in his room tended to swing in synch, researchers have been fascinated
by coupled oscillators. Physicists and mathematicians have now learned that,
depending on the strength of the coupling between two oscillators and the
difference between their natural frequencies, a range of phenomena can occur:
synchronous oscillation, incoherent oscillation, or amplitude death. But no one
had seen amplitude death for a pair of identical-frequency oscillators until
Abhijit Sen and his colleagues at the Institute for Plasma Research in Bhat,
India, predicted it theoretically for oscillators coupled through a delay [Phys. Rev. Lett. 80, 5109 (1998)]. When amplitude
death popped out of the equations, "that was a big surprise," recalls
Sen. Many real-world coupled oscillators--like fireflies and pacemaker
cells--have nearly identical frequencies, so their predictions seemed
significant.
Now Sen
and his colleagues have coupled two so-called LCR circuits--which
oscillate indefinitely thanks to nonlinear resistors--through a digital delay
and verified their predictions, while observing additional behaviors as well.
Just as they had predicted, the team found several ranges of coupling strengths
and time delays that caused the oscillators to poop out. Each range was distinct
from the others, so the researchers call them "death islands"--a
feature not seen in systems without a delay. They also observed
"antiphase" oscillations, which are the electronic equivalent of two
pendulums swinging alternately toward and away from one another. Normally only
the in-phase or the antiphase mode can exist in this type of nonlinear
oscillator, but not both. Sen points out that such flatlining or antiphase
behavior could be destructive for a set of coupled lasers, so understanding
these phenomena may help electrical engineers.
Paul
Linsay, formerly of MIT, cautions that all of these effects pertain to
"limit-cycle" oscillators--those that always tend toward a specific
frequency and amplitude--and not to simple harmonic oscillators. He says that
coupled oscillator equations with time delays are usually "murderously
hard to solve," so delay effects have been largely ignored in the past.
Linsay thinks the new results could be applicable to coupled systems of
periodically firing neurons, such as those in the brain. This work suggests
that a set of firing neurons that represent a memory might suddenly stop.
"Maybe that's why you forget things for a while," he speculates,
"then you remember them two days later."
Il ritardo è una melma del A. Takamatsu/RIKEN
Oscillating di frase di
morte.
Lo spessore d'una parte della muffa Physarum della melma può
oscillare a tempo ed influenzare le regioni
vicine dell' organismo
attraverso tubo-come le strutture -- un
esempio " d'un oscillatore
coppia " vivente [ Phys. Rev.
Lett. 85, 2026 (2000) ]. Gli
esperimenti con i circuiti elettronici
risultano che quella aggiungere
un termine fra gli oscillatori coppia
conduce ai nuovi e comportamenti
inattesi del sistema.
Le lucciole lampeggiano contemporaneamente,
i laser sono "
modo-mode-locked " per l'
amplificazione e le cellule cardiache dello
stimolatore cardiaco effettuano un battito
cardiaco costante. In ogni
caso, l' interazione degli oscillatori
separati conduce a
comportamento collettivo importante. Anche se i fisici stanno
studiando i cosiddetti oscillatori coppia
per i secoli, ci è stato
relativamente poco studio sugli effetti dei
termini, che si presentano
sempre in una certa misura mentre un
oscillatore comunica con un
altro.
Nei 16 OctoberPRL una squadra indica che un circuito
elettronico molto semplice che contiene due
oscillatori identici
accoppiati con un termine può avvertire
" la morte di ampiezza " --
gli oscillatori essenzialmente si arrestano
freddo. Gli autori
egualmente hanno trovato parecchi altri
nuovi fenomeni derivando dal
ritardo, che potrebbe essere applicato nelle
zone dal disegno
specializzato di elettronica del laser per
ricercare sugli attacchi di
cuore.
Da quando il fisico olandese Christiaan Huygens notato in 1665
che due orologi del pendolo nella sua stanza
hanno teso ad oscillare
nello synch, ricercatori è stato affascinato
dagli oscillatori
coppia.
I fisici ed i matematici ora hanno imparato che, secondo la
resistenza dell' accoppiamento fra due
oscillatori e la differenza fra
le loro frequenze naturali, una gamma di
fenomeni può accadere:
oscillazione sincrona, oscillazione
incoerente, o morte di ampiezza.
Ma nessuno avevano visto la morte di
ampiezza per un accoppiamento
degli oscillatori di identico-frequenza fino
al sensore di Abhijit ed
ai suoi colleghe all' istituto per ricerca
del plasma in Bhat, India,
prevista esso teoricamente per gli
oscillatori accoppiati con un
ritardo [ Phys. Rev. Lett. 80, 5109 (1998) ]. Quando la morte di
ampiezza ha schioccato dalle equazioni, "
che era una sorpresa grande,
" ricorda gli oscillatori coppia nell'
ambiente del Sen. Many -- come
le lucciole e le cellule dello stimolatore
cardiaco -- per avere
frequenze quasi identiche, in modo da le
loro previsioni hanno
sembrato significative. Ora il sensore ed i suoi colleghe hanno
accoppiato due cosiddetti circuiti di LCR --
che oscillano
indefinitamente grazie ai resistori non
lineari -- con un ritardo
digitale ed hanno verificato le loro
previsioni, mentre osservano i
comportamenti supplementari pure. Appena poichè avevano predetto, la
squadra ha trovato parecchie gamme di
resistenze dell' accoppiamento e
di termini che ha causato gli oscillatori a
poop fuori. Ogni gamma
era distinta dagli altre, in modo da i
ricercatori le chiamano " isole
di morte " -- una caratteristica non
viste nei sistemi senza un
ritardo.
Egualmente hanno osservato le oscillazioni " di antiphase ",
cui proviene l' equivalente elettronico di
due pendoli che oscillano
alternatamente verso e via da uno un
altro. Il modo di antiphase o
normalmente soltanto in-phase può esistere
in questo tipo di
oscillatore non lineare, ma non in
entrambi. Il sensore precisa che
tale comportamento di antiphase o flatlining
potrebbe essere
distruttivo per un insieme dei laser coppia,
in modo da capire questi
fenomeni può aiutare gli assistenti tecnici
elettrotecnici. Paul
Linsay, precedentemente del MIT, ammonisce
che tutti questi effetti
appartengono gli oscillatori " del
limite-ciclo " -- quelli che
tendono sempre verso una frequenza e un'
ampiezza specifiche -- e non
gli oscillatori armonici semplici. Dice che le equazioni coppia dell'
oscillatore con i termini sono solitamente
" murderously dure da
risolvere, " in modo da gli effetti di
ritardo in gran parte sono
stati ignorati nel passato. Linsay pensa che i nuovi risultati
potrebbero essere applicabili ai sistemi
coppia dei neuroni
periodicamente di infornamento, come quelli
nel cervello. Questo
lavoro suggerisce che un insieme dei neuroni
di infornamento che
rappresentano una memoria potrebbe
arrestarsi improvvisamente. "
forse che è perchè dimenticate le cose per
un istante, " specula, "
allora voi se le ricorda di due giorni più
successivamente. "
An Ideal Gas of Beads
|
Violently
shaking a box of breakfast cereal does not make the particles act exactly like
molecules in an ideal gas, but there are similarities. According to the 23
OctoberPRL there is a simple mathematical expression for the
distribution of particle velocities in a shaken box of steel beads which--like
the formula for gas molecules--depends only on the average speed of the
particles and not on the density or details of the shaking. To model problems
such as grain motion in silos, soil shifting in earthquakes, and dry foods
mixing in processing plants, physicists studying granular materials want
equations as simple and comprehensive as those for gases and fluid motion. The
new results suggest that such a theory may be possible.
The
century-old kinetic theory of gases assumes the gas molecules are in
equilibrium with their surroundings--they exchange energy with the outside
world each time a molecule collides with a wall. But the particles in a
granular material are not in equilibrium; they constantly soak up energy from
the shaking source because they heat up a bit with each interparticle
collision, explains Narayanan Menon of the University of Massachusetts at
Amherst. It's not obvious that a kinetic-type theory for granular materials is
even possible for such a nonequilibrium system, Menon says.
In search
of some "universal" behavior, Menon and colleague Florence Rouyer
used a high-speed video camera to measure the velocities of 1.6-mm-diameter
steel beads confined between two vertical, clear plastic plates separated by
1.7 mm and sealed around the edges. Their mechanical shaker vibrated the cell
vertically with accelerations up to 58 times that of gravity and speeds up to
1.8 m/s. Above a shaking speed of 1 m/s Menon says the particles "forget
the influence of the boundaries" that pump in energy from above and below.
Under
these conditions, Rouyer and Menon found a simple, bell-shaped distribution for
the probability of each horizontal velocity, although not the classic Gaussian
curve from kinetic theory. Instead their distribution is broader, with more
particles having higher velocities. But the distribution's shape was unchanged
by variations in the frequency and amplitude of the shaking and the density of
the particles. Even a circular cell gave the same distribution as a square one.
And just as with an ideal gas, the distribution's width depended only upon the
average speed of a particle--the granular equivalent of the temperature in a
gas.
Although
others have measured non-Gaussian velocity distributions for granular
materials, only one other group--led by Jerry Gollub of Haverford College in
Pennsylvania--has found such a consistent shape [Chaos 9,
682 (1999)], the same distribution Rouyer and Menon observed.
Other researchers have reported distributions that depend on the parameters of
the shaking, although it remains unclear why the results vary so much. Rouyer
and Menon's velocity distributions also agree in part with predictions from a
recent theoretical attempt at a kinetic-like theory of granular materials.
Troy
Shinbrot of Rutgers University in Piscataway, NJ, calls the work
"intriguing," especially because the velocity distribution is
independent of acceleration. He hopes others will be able to test the effects
of other variables, such as the type of driving waveform (other than
sinusoidal) and the thickness of the granular material. Gollub says the results
are important because much of the large literature on statistics of granular
materials is theoretical. The experiments are a "significant
improvement" over his own work, he adds, and the agreement between the two
is a sign that Rouyer and Menon are on the right track.
Un gas ideale dei branelli F.
Rouyer/Univ. del ricochet del
Massachusetts. Un insieme dei branelli violentemente agitati esibisce
una distribuzione di velocità simile a
quella d'un gas ideale, senza
riguardo alla velocità d' agitazione,
suggerente che una teoria
fondamentale dei materiali granulari può
essere possibile. Una video
macchina fotografica e un calcolatore ad
alta velocità hanno bloccato
i movimenti dei branelli, indicati qui
durante la spettrografia di
massa 5,5.
Violentemente agitare una scatola di cereale
da prima colazione non fa
le particelle comportarsi esattamente come
le molecole in un gas
ideale, ma ci sono somiglianze. Secondo i 23 OctoberPRL ci è un'
espressione matematica semplice per la
distribuzione delle velocità
della particella in una casella agitata dei
branelli d'acciaio che --
come la formula per le molecole del gas --
dipende soltanto dalla
velocità media delle particelle e non dalla
densità o dai
particolari dell' agitazione. Per modellare i problemi quale
movimento del grano in sili, terreno che
spostano nei terremoti ed
alimenti asciutti che mescolano negli
impianti di lavorazione, i
fisici che studiano i materiali granulari
desiderano le equazioni
semplici e complete quanto quelle per i gas
ed il movimento fluido. I
nuovi risultati indicano che una tal teoria
può essere possibile. La
teoria cinetica di cento anni dei gas
presuppone che le molecole del
gas siano nell' equilibrio con i loro
dintorni -- scambiano l' energia
con il mondo esterno ogni volta una molecola
si scontra con una
parete.
Ma le particelle in un materiale granulare non sono nell'
equilibrio;
si assorbiscono costantemente l' energia proveniente
dalla sorgente d' agitazione perché
riscaldano un bit con ogni
scontro del interparticle, spiegano Narayanan
Menon dell' università
di Massachusetts a Amherst. Non è evidente che una teoria del
cinetico-tipo per i materiali granulari è
persino possibile per un
tal sistema di nonequilibrium, Menon
dice. Alla ricerca d'un certo
comportamento " universale ",
Menon ed il collega Firenze Rouyer hanno
usato una video macchina fotografica di alta
velocità per misurare le
velocità dei branelli d'acciaio
1.6-mm-diameter limitati fra due
verticali, le piastre di plastica libere
separate da 1,7 millimetri e
sigillate intorno ai bordi. Il loro agitatore meccanico ha vibrato
verticalmente la cellula con le
accelerazioni fino a 58 volte che di
gravità ed accelera a 1,8 m/s. Sopra una velocità d' agitazione di
1 m/s Menon dice che le particelle "
dimenticano l' influenza dei
contorni " quella pompa nell' energia
da suddetto e sotto. In queste
circostanze, Rouyer e Menon hanno trovato
una distribuzione semplice e
a campana per la probabilità di ogni
velocità orizzontale, anche se
non la curva gaussiana classica dalla teoria
cinetica. Invece la loro
distribuzione è più vasta, con più
particelle che hanno più alte
velocità.
Ma la figura della distribuzione era immutata tramite le
variazioni nella frequenza e l' ampiezza
dell' agitazione e la
densità delle particelle. Anche una cellula circolare ha dato la
stessa distribuzione di quadrata. Ed appena come con un gas ideale,
la larghezza della distribuzione ha dipeso
soltanto dalla velocità
media d'una particella -- l' equivalente
granulare della temperatura
in un gas.
Anche se altri hanno misurato le distribuzioni non
gaussiane di velocità per i materiali
granulari, solo altro un gruppo
-- condotto da Jerry Gollub dell' università
di Haverford in
Pensilvania -- ha trovato così figura
costante [ caos 9, 682 (1999)
], la stessa distribuzione Rouyer e Menon
osservati. Altri
ricercatori hanno segnalato le distribuzioni
che dipendono dai
parametri dell' agitazione, anche se rimane
poco chiara perchè i
risultati variano così tanto. Le distribuzioni di velocità di Menon
e di Rouyer egualmente sono conforme in
parte con le previsioni da un
tentativo teorico recente di a cinetico-come
la teoria dei materiali
granulari.
Troy Shinbrot dell' università di Rutgers in Piscataway,
NJ, chiama il lavoro " che
incuriosisce, " particolarmente perché la
distribuzione di velocità è indipendente da
accelerazione. Spera
che altri possano verificare gli effetti di
altre variabili, quale il
tipo di azionamento la forma d'onda (non
sinusoidale) e dello spessore
del materiale granulare. Gollub dice che i risultati sono importanti
perché gran parte di grande letteratura
sulle statistiche dei
materiali granulari è teorica. Gli esperimenti sono " un
miglioramento significativo " sopra il
suo proprio lavoro, aggiunge e
l' accordo fra i due è un segno che Rouyer e
Menon sono sulla pista
di
destra.
Single Atoms on Demand
|
Quantum
computers of the future may rifle through calculations by altering the quantum
states of scores of atoms confined within clever traps. However, atomic
physicists must first learn how to place a few neutral atoms into such traps
and control their tendencies to escape or randomly change their quantum states
during the manipulation. In the 30 OctoberPRL, German researchers report
that they successfully transferred an exactly known number of cesium atoms from
a trap that uses lasers and magnetic fields into a calmer snare that uses only
a single laser beam. The technique holds promise as a source of one
well-behaved atom at a time.
Both
traps are popular tools for atomic physicists. The first, called a
magneto-optical trap, or MOT, relies on radiation pressure from several laser
beams to confine atoms within a magnetic field. Atoms absorb photons from the
lasers and then re-emit photons in random directions. This process slows the
atoms until they settle in a cold knot at the center of the magnetic field. By
contrast, the second trap uses a single laser. In this so-called optical dipole
trap, the oscillating electric field of the laser polarizes neutral atoms and
attracts them, just as a charged plastic rod attracts neutral hairs or paper
shavings. The attraction is highest at the sharp focal point of the laser beam.
An optical trap is more fragile than a MOT, but atoms linger more quietly there
because the laser is tuned to a frequency at which the atoms do not absorb
photons.
Physicists
have shuffled neutral atoms between the two traps, but not with high efficiency
or with precise knowledge of how many atoms were confined. The new study by
Daniel Frese and his colleagues at the University of Bonn accomplished both
feats. The team aligned the centers of their MOT and optical dipole trap with
unprecedented precision and made the MOT unusually small, so that the trap
sizes were similar. They first isolated a few cesium atoms within the MOT,
confining them with a strong magnetic field to a clump about 10 µm wide.
Fluorescent emissions from the atoms, measured by a sensitive photon detector,
revealed the number of trapped atoms--usually between 1 and 10. Then they
switched on the optical dipole laser and switched off the MOT system a few
milliseconds later. All of the atoms stayed trapped, suspended by the laser
light alone. When the team switched the MOT back on, the fluorescent emissions
showed that none of the atoms fled for times as long as one minute.
The
team's next step is to transport the trapped atoms a few millimeters to another
device, such as a cavity containing one photon. Coauthor Victor Gomer envisions
such a system as a ready source of atoms for experiments in quantum information
processing. "It will be possible to deliver a given number of atoms on
demand," Gomer says. The gentleness of the optical dipole trap will let
researchers manipulate the atomic states of such atoms and observe their
quantum dynamics for many seconds--hardly possible in a MOT.
"I'm
absolutely delighted with this paper," says retired physicist Arthur
Ashkin of Bell Laboratories/Lucent Technologies in Holmdel, New Jersey. The
technique should make it possible to study controlled interactions between
single atoms and single photons, says Ashkin, who pioneered the optical dipole
trap. "This is quantum mechanics at its ultimate. I think the community
will jump on it."
atomic
beams, which could maximize the advantages of atoms over photons.
The two
teams--one based at the University of Arizona in Tucson and one at the
University of Innsbruck, Austria--propose essentially the same recipe. Imagine
atoms that have three spin states: 0, +1, and -1. Start with a Bose-Einstein
condensate of atoms entirely in the spin 0 state, and raise its energy (with
microwaves) above that of the +1 and -1 states. The condensate will no longer
be in the ground state, and atoms will tend to drop to the lowest energy states
via spin-conserving collisions. Pairs of spin 0 atoms will collide and generate
pairs of entangled spin +1 and -1 atoms, and these will increase their kinetic
energy (speed) to compensate for their loss of "spin energy." After
each of these collisions, the two fast moving entangled atoms will then head
straight out of the atom trap in opposite directions.
Han Pu of
Arizona says that for a cigar shaped condensate, most of the entangled pairs
will emerge as two beams along the cigar axis, and additional traps at each end
could capture a large number of escaping atoms. These clouds could serve as
plentiful sources for experiments. The Innsbruck team, led by Ignacio Cirac and
Peter Zoller, calculates the unusual statistical properties of the beams: The
total spin is exactly zero, and the fluctuations about this value are much
smaller than would be expected for any classical set of atoms.
Mikhail
Lukin of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics says the results
"may open a new chapter in the physics of non-classical states."
According to Lukin, the suppressed fluctuations may lead to atomic clocks with
unparalleled precision, since today's best clocks are limited by fluctuations.
As for the experimental implementation of the proposals, Pu says at least one
lab has already gone part-way, and experimentalists need only use current
technology. "All the pieces are already there," says Pu.
Singoli atomi
B. Ueberholz/Univ on-demand. del sixpack atomico de
Bonn.
La luce fluorescente emessa da una mezza dozzina atomi di cesio
rivela un µm stretto appena 10 della serie
di ingranaggi attraverso,
limitato dai campi magnetici e dai
laser. I fisici tedeschi hanno
inventato un modo trasferire tutti quegli
atomi in una presa che usa
un singolo fascio laser -- una regolazione
più promising per la
manipolazione di quantum.
I calcolatori di quantum del futuro possono
fucile con le calcolazioni
alterando le condizioni di quantum di massa
di atomi limitati
all'interno delle prese intelligenti. Tuttavia, i fisici atomici
devono in primo luogo imparare come disporre
alcuni atomi neutri in
tali prese e gestire le loro tendenze
fuoriuscire o cambiare a caso le
loro condizioni di quantum durante la
manipolazione. Nei 30
OctoberPRL, i ricercatori tedeschi segnalano
che hanno trasferito con
successo un numero esattamente conosciuto di
atomi del cesio da una
presa che usa i laser ed i campi magnetici
in uno snare più calmo che
usa soltanto un singolo fascio laser. Le strette di tecnica
promettono come sorgente di un atomo
bene-comportato alla volta.
Entrambe le prese sono strumenti popolari
per i fisici atomici. Il
primo, chiamato una presa a magneto ottico,
o MOT, conta su pressione
di radiazione da parecchi fasci laser
limitare gli atomi all'interno
d'un campo magnetico. Gli atomi assorbono i fotoni dai laser ed
allora re-emettono i fotoni nei sensi
casuali. Questo processo
ritarda gli atomi fino a che non si
depositino in un nodo freddo al
centro del campo magnetico. Al contrario, la seconda presa utilizza
un singolo laser. In questa cosiddetta presa ottica del dipolo, il
campo elettrico oscillante del laser
polarizza gli atomi neutri e li
attrae, appena poichè un asta di plastica
caricato attrae i capelli
neutri o i trucioli di carta. L' attrazione è più alta al punto
focale tagliente del fascio laser. Una presa ottica è più fragile
d'un MOT, ma gli atomi linger più
tranquillamente là perché il
laser è sintonizzato ad una frequenza a cui
gli atomi non assorbono i
fotoni.
I fisici hanno mescolareato gli atomi neutri fra le due
prese, ma non con alta efficienza o con
conoscenza precisa di quanti
atomi sono stati limitati. Il nuovo studio da Daniel Frese ed i suoi
colleghe all' università di Bonn ha compiuto
entrambe le abilità.
La squadra ha allineato i centri del loro
MOT e presa ottica del
dipolo con precisione senza precedente ed ha
reso il MOT insolitamente
piccolo, di modo che i formati della presa
erano simili. In primo
luogo hanno isolato alcuni atomi del cesio
all'interno del MOT,
limitante li con un campo magnetico forte ad
un gruppo circa µm 10
largamente.
Emissioni fluorescenti dagli atomi, misurati da un
rilevatore sensibile del fotone, rivelatore
il numero di atomi
bloccati -- solitamente fra 1 e 10. Allora si sono inseriti il laser
ottico del dipolo ed hanno passato fuori del
sistema di MOT alcuni
millisecondi più successivamente. Tutti gli atomi rimasti
intrappolati, sospeso dalla luce di laser da
solo. Quando la squadra
ha passato il MOT indietro sopra, le
emissioni fluorescenti hanno
indicato che nessun degli atomi sono fuggito
per i periodi finchè un
minuto.
Il punto seguente della squadra è trasportare gli atomi
bloccati alcuni millimetri ad un altro dispositivo,
quale una cavità
che contiene un fotone. Il victor Gomer di Coauthor prevede un
sistema come sorgente pronta degli atomi per
gli esperimenti nell'
elaborazione dell'informazione di
quantum. " sarà possibile
trasportare un dato numero di atomi a
richiesta, " Gomer dice. Il
gentleness della presa ottica del dipolo
lascerà i ricercatori
maneggiare le condizioni atomiche di tali
atomi ed osservare il loro
dynamics di quantum per molti secondi --
appena possibili in un MOT.
" assolutamente mi diletto con questa
carta, " dice il fisico
pensionato Arthur Ashkin delle tecnologie
della Bell
Laboratories/Lucent
in Holmdel, New Jersey. La tecnica dovrebbe
permettere di studiare le interazioni
controllate fra i singoli atomi
ed i singoli fotoni, ad esempio Ashkin, che
ha aperto la strada alla
presa ottica del dipolo. " questo è meccanici di quantum al
relativo
ultimo.
Penso che la Comunità salti su esso. " fasci atomici, in
grado di elevare i vantaggi degli atomi
sopra i fotoni. Le due
squadre -- una basata all' università de
Arizona in Tucson ed una
all' università di Innsbruck, l' Austria --
propongono essenzialmente
la stessa ricetta. Immaginare gli atomi che hanno tre condizioni di
rotazione:
inizio 0, +1 e -1, con un Bose
Why Now?
|
For
cosmologists the old Chinese curse, "May you live in interesting
times," is beginning to seem all too appropriate. According to the latest
evidence, a mysterious "antigravity" force--the so-called dark
energy--appears to be a major component of the cosmos. The dark energy density
is thought to remain constant in time, while matter continues to be
"diluted" as the Universe expands. That raises a question: Why do we
happen to live in the "interesting times" when the density of dark
energy and that of matter happen to be similar, when one is not overwhelmed by
the other? That's the riddle a team of theorists have tackled in the 14
NovemberPRL, and they claim to have found a simple explanation involving
only the most basic parameters from high energy physics.
The team,
led by Nima Arkani-Hamed of the University of California at Berkeley, focuses
on two key energy scales: the so-called Planck mass MPl ~ 1018
GeV, at which quantum gravity effects become important, and the electroweak
mass MEW ~ 103 GeV, characteristic of the energy
at which the electromagnetic and weak interactions become unified. They start
by noting that these two mass scales can be combined to produce a roughly
accurate value for the dark energy density: (MEW2/MPl)4.
(Energy density has units of GeV4 in this system.) Using
supersymmetry and other particle physics concepts, they sketch out some ideas
for why these two fundamental parameters might be so easily related to the dark
energy density.
They then
point out another apparent coincidence: the similarity between the matter
density of the Universe and a third important cosmological parameter, the
energy density of heat radiation. Most of the matter in the Universe is thought
to be dark matter, but despite its mysterious nature, cosmologists believe they
understand in general terms how the density of all matter evolves as the
Universe expands and cools. Using the century-old Stefan-Boltzmann law, which
relates temperature to the corresponding amount of radiation, Arkani-Hamed and
his colleagues estimated the temperature of the Universe at which the amounts
of matter and radiation should coincide. Arkani-Hamed explains that the result
is about MEW2/MPl, which works
out to 10 K, close to the Universe's current temperature.
According
to the Stefan-Boltzmann law, at that temperature the matter and radiation
energy densities are (MEW2/MPl)4--exactly
the formula the team found gives roughly the correct value for the dark energy
density. In other words, we should now be living at a time when the energy
density of radiation, dark matter, and dark energy should all coincide, just as
the observations suggest.
The
result is a bold assault on a deep mystery, says Joe Lykken, of the Fermi
National Accelerator Laboratory near Chicago: "This apparent triple
coincidence is certainly an important puzzle in modern cosmology, and if the MEW2/MPl
relation is true, it does indeed explain the coincidence in a deep way."
Lykken adds, however, that the rough derivations of Arkani-Hamed and his
colleagues are based on toy models. "The only way to prove their
conjecture is to discover and verify some big, new, beyond-the-standard-model
theory that has the desired properties." Arkani-Hamed agrees, but adds,
"These coincidences are puzzling, and it's time to take them
seriously--they may be giving us a clue towards such a theory."
Perchè Ora?
I cosmologists nazionali del mosca di Quarks del
laboratorio dell' acceleratore del Fermi si
domandano perchè
sembriamo vivere nell' era in cui i tre
componenti principali dell'
universo esistono in quantità simile. Una spiegazione coinvolge l'
energia che caratterizza la forza del
electroweak, osservata nell'
azione nella rappresentazione di questo
artista delle piste reali
della particella da uno scontro del
protone-anti-protone.
Per i cosmologists i cinesi anziani curse,
" maggio che vivete nei
periodi interessanti, " stanno
cominciando a sembrare tutto l' troppo
adatto.
Secondo l' ultima prova, una forza " antigravità "
mysterious -- la cosiddetta energia scura --
sembra essere un
componente importante dell' universo. La densità scura di energia si
pensa per rimanere costante a tempo, mentre
la materia continua " ad
essere diluita " mentre l' universo si
espande. Quel aumenti una
domanda:
Perchè sembriamo vivere " nei tempi interessanti " quando
la densità di energia scura e di quella
della materia sembra essere
simile, quando una non è soprafata dall'
altra? Quello è il riddle
una squadra di teorici ha affrontato nei 14
NovemberPRL e sostengono
scoprire che una spiegazione semplice
coinvolge soltanto i parametri
più fondamentali da fisica delle
particelle. La squadra, condotta
che da Nima Arkani-Hamed dell' università di
California a Berkeley,
fuochi su due scale chiave di energia: il cosiddetto ~ totale 1018
GeV di Planck MPl, a cui la gravità di
quantum effettua si transforma
in importante e nella massa del electroweak
MEW ~ 103 GeV,
caratteristico dell' energia a cui le
interazioni elettromagnetiche e
deboli sono unificate. Cominciano notando che queste due scale
totali
possono essere unite per produrre un valore
approssimativamente esatto
per la densità scura di energia: (MEW2/MPl)4. (la densità di
energia ha unità di GeV4 in questo
sistema.) Usando concetti
supersymmetry ed altri di fisica della
particella, abbozzano verso
l'esterno alcune idee per perchè questi due
parametri fondamentali
potrebbero essere collegati così facilmente
con la densità scura di
energia.
Allora precisano un' altra coincidenza apparente: la
somiglianza fra la densità della materia
dell' universo e d'un terzo
parametro cosmologico importante, la densità
di energia di radiazione
di calore.
La maggior parte della materia nell' universo si pensa per
essere materia scura, ma malgrado la
relativa natura mysterious, i
cosmologists ritengono che capiscano in
generale come la densità di
tutta la materia si evolve mentre l'
universo si espande e si
raffredda.
Usando la legge di cento anni di Stefan-Boltzmann, che
collega la temperatura alla quantità
corrispondente di radiazione,
Arkani-Hamed ed i suoi colleghe ha valutato
la temperatura dell'
universo a cui gli importi della materia e
della radiazione dovrebbero
coincidere.
Arkani-Hamed spiega che il risultato è circa MEW2/MPl,
che risolve a 10 K, vicino alla temperatura
corrente dell' universo.
Secondo la legge di Stefan-Boltzmann, a
quella temperatura le densità
di energia di radiazione e della materia
sono (MEW2/MPl)4 -- la
formula la squadra trovata dà esattamente
approssimativamente il
valore corretto per la densità scura di
energia. Cioè dovremmo ora
vivere in un momento in cui la densità di
energia di radiazione,
della materia scura e dell' energia scura se
tutti coincidono, appena
poichè le osservazioni suggeriscono. Il risultato è un assalto
GRASSETTO su un mistero profondo, ad esempio
Joe Lykken, del
laboratorio nazionale dell' acceleratore del
Fermi vicino a Chicago:
" questa coincidenza triplice apparente
è certamente un puzzle
importante in cosmology moderno e se il
rapporto di MEW2/MPl è
allineare, effettivamente spiega la
coincidenza in un modo profondo. "
Lykken aggiunge, tuttavia, che le
derivazioni approssimative di
Arkani-Hamed e dei suoi colleghe sono basate
sui modelli del
giocattolo.
" l' unico modo dimostrare la loro congettura deve
scoprire e verificare qualche grande, nuovo,
teoria del
oltre-$$$-standard-modello che ha le
proprietà volute. "
Arkani-Hamed è conforme, ma aggiunge, "
queste coincidenze stanno
imbarazzando ed è tempo di prenderle
seriamente -- possono darci un
indizio verso una tal teoria. "
The Most Accurate Defect Measurement
|
Fault
lines between pure crystals affect conductivity in superconductors and the
properties of semiconductors in computer chips, so researchers are keen to
measure them precisely. A new technique, reported in the 11 DecemberPRL,
uses an electron beam to measure so-called stacking faults to an accuracy of a
trillionth of a meter ( 1 pm), ten times better than previous techniques.
Taking advantage of the purity of a coherent electron beam, the authors
detected the interference of electrons transmitted through large regions of
pure crystal on each side of the defect. The technique may improve
understanding of crystal interfaces and their relationship with material
properties.
Conventional
electron microscopes use incoherent beams, usually created by heating a
filament, so the electron waves originating from different parts of the
filament are not synchronized. But coherent beams come from a sharp tungsten
tip from which the electrons are liberated by an electric field. The waves line
up more coherently from such a source, just as light streaming through a
pinhole in a screen is more coherent than that of a lightbulb. Coherent
electron microscopes have become commercially available in just the past five
years or so, but they are still quite expensive.
With
improvements in coherent electron sources has come a series of new, more
precise techniques for measuring material structures. The latest system,
developed by Yimei Zhu and his colleagues at Brookhaven National Laboratory in
Upton, NY, uses one of the best electron microscopes in the world, but the
machine acts more like a ruler than a camera in this case, since the
measurement does not involve creating an image.
To make
the measurement, Zhu and his colleagues first used conventional electron
microscopy to find a stacking fault in an otherwise high quality, thin crystal
of a high temperature superconductor (Bi2Sr2CaCu2O8).
They then lined up the fault with the center of their electron beam and focused
it at a point 160 µm in front of the sample, which created a "shadow
image" behind the crystal. That image included a large number of
diffraction spots, similar to those created in x-ray crystallography, except
that each spot consisted of a striped disk containing oscillating wave
interference patterns. The electron waves traveling through the left side of
the fault interfere with those traveling through the slightly offset crystal
structure on the right side, which leads to the interference patterns.
Thanks to
the coherent beam, the team was able to resolve interference patterns out to
the 31st disk from the center ("31st order reflection"). By comparing
the data with computer simulations, they determined that the space between
crystal planes at one of the faults was 0.319 nm shorter than the normal
spacing, to an accuracy of 0.001 nm --about 1/100 of the width of a small atom.
By comparison, the best electron microscopy can image stacking faults with a
resolution of about 0.16 nm, although it gives an image of the atoms as well.
Zhu points out that he has used both techniques on the same sample with the
same machine.
"It's
a very nice application," says John Cowley of Arizona State University
(ASU) in Tempe, but he cautions that the technique is somewhat specialized:
"You can't look at any old crystal with any old defect in it." But
Stephen Pennycook says the technique might be generalized to include other
defect types. The method should help researchers relate interface structures
with their effects on material properties, says John Spence of ASU. "A
very nice idea."
Il laboratorio del Y. Zhu/Brookhaven
National di misura di difetto
più esatto esatto ad un difetto. La larghezza d'una riga pulita del
difetto fra due cristalli puri può essere
misurata ad un' esattezza
di 1 picometer, 1/100 di larghezza d'un
atomo, usando un fascio
elettronico coerente. Le simulazioni su elaboratore di molti
modelli
di interferenza (sopra) sono abbinate ai
dati per dare l' alta
esattezza.
Le righe del difetto fra i cristalli puri
interessano la
conducibilità in superconductors e nelle
proprietà dei
semiconduttori nei circuiti integrati di
calcolatore, in modo da i
ricercatori sono acuti misurarli
precisamente. Una nuova tecnica,
segnalata nel 11 DecemberPRL, usa un fascio
elettronico per misurare i
cosiddetti difetti di impilamento ad un'
esattezza d'un trillionth
d'un tester (1 pm), dieci tecniche più
meglio precedenti di volte.
Approfittando della purezza d'un fascio
elettronico coerente, gli
autori hanno rilevato l' interferenza degli
elettroni trasmessi con le
grandi regioni del cristallo puro da ogni
lato del difetto. La
tecnica può migliorare la comprensione delle
interfacce di cristallo
e del loro rapporto con le proprietà
materiali. I microscopi
elettronici convenzionali usano i fasci
incoerenti, creati solitamente
riscaldando un filamento, in modo da le onde
dell' elettrone che
provengono dalle parti differenti del
filamento non sono
sincronizzate. Ma i fasci coerenti vengono da una punta tagliente del
tungsteno da cui gli elettroni sono liberati
da un campo elettrico.
Le onde allineano più coerentemente da una
tal sorgente, appena
poichè la luce che effluisce con un foro di
spillo in uno schermo è
più coerente di quella d'un lightbulb. I microscopi elettronici
coerenti sono diventato disponibili in
commercio durante appena i
cinque anni scorsi o così, ma sono ancora
abbastanza costosi. Con i
miglioramenti in elettrone coerente le
sorgenti è venuto una serie di
nuove, tecniche più precise per la misurazione
delle strutture
materiali.
L' ultimo sistema, sviluppato da Yimei Zhu ed i suoi
colleghe al laboratorio nazionale di
Brookhaven in Upton, NY, gli usi
uno dei microscopi elettronici migliori nel
mondo, ma la macchina si
comporta più come un righello che una
macchina fotografica in questo
caso, poiché la misura non coinvolge creare
un' immagine. Per
effettuare la misura, Zhu ed i suoi colleghe
in primo luogo hanno
usato la microscopia elettronica
convenzionale per trovare un difetto
di impilamento in una qualità al contrario
alta, cristallo sottile
d'un superconductor a temperatura elevata
(Bi2Sr2CaCuÒ8). Allora
hanno allineato il difetto con il centro del
loro fascio elettronico e
lo hanno messo a fuoco ad un µm del punto
160 davanti il campione, che
ha creato " un' immagine dell' ombra
" dietro il cristallo. Che l'
immagine ha incluso tantissimi punti di
diffrazione, simili a quelli
ha creato in cristallografia dei raggi X,
salvo che ogni punto ha
consistito d'un disco a strisce che contiene
i modelli di interferenza
oscillanti dell' onda. Le onde dell' elettrone che attraversano
through la parte di sinistra del difetto
interferiscono con quelle che
attraversano through la struttura di
cristallo un po' sfalsata dalla
parte di destra, che conduce ai modelli di
interferenza. Grazie al
fascio coerente, la squadra potevano
risolvere i modelli di
interferenza fuori al trentunesimo disco dal
centro (" trentunesima
riflessione di ordine "). Paragonando i dati alle simulazioni su
elaboratore, hanno determinato che lo spazio
fra gli aerei a cristallo
ad uno dei difetti fosse 0,319 nm più corti
del gioco normale, ad un'
esattezza di 0,001 nm -- circa 1/100 della
larghezza di piccolo atomo.
Tramite il confronto, i difetti di
impilamento migliori di immagine
della latta di microscopia elettronica con
una risoluzione di circa
0,16 nm, anche se dà un' immagine degli
atomi pure. Zhu precisa che
ha usato entrambe le tecniche sullo stesso
campione con la stessa
macchina.
" è un' applicazione molto piacevole, " dice John Cowley
dell' università di Stato dell' Arizona
(ASU) in Tempe, ma ammonisce
che la tecnica è specializzata
piuttosto: " non potete guardare
alcun vecchio cristallo con alcun vecchio
difetto in esso. " Ma
Stephen Pennycook dice che la tecnica potrebbe
essere generalizzata
per includere altri tipi di difetto. Il metodo aiutare i ricercatori
a collegare le strutture dell' interfaccia
con i loro effetti sulle
proprietà materiali, ad esempio John Spence
di ASU. " un' idea molto
piacevole. " Il laboratorio del Y. Zhu/Brookhaven National di misura
di difetto più esatto esatto ad un
difetto. La larghezza d'una riga
pulita del difetto fra due
Melting in a Superconductor
|
We would
see a lot more high temperature superconducting devices if the materials were
capable of carrying a large electric current. The maximum, or "critical
current" at zero resistance depends intimately on the properties of
so-called vortices, tiny eddies of current that swirl around in a
superconductor whenever a large current or magnetic field is present. Vortices
can form their own lattice, independent of the material's atomic structure.
Now, in the 22 January PRL, a team shows the first clear structural
evidence that the vortex lattice can literally melt or freeze, just like ice or
water. They also show that the phase transition is synchronized with a well
known spike up in the critical current--confirming once again that manipulation
of the vortex behavior will be a key to raising currents through
superconductors.
When
vortices are present, "a superconductor isn't a superconductor," says
Jeffrey Lynn of the National Institute of Standards and Technology in
Gaithersburg, MD. Moving vortices create resistance to a current flow, so zero
resistance only occurs when the material has enough flaws to "pin"
the vortex lattice in place--which isn't usually a problem with real crystals.
As a superconductor is warmed, its critical current drops, but researchers have
found that over a narrow range of temperatures, the critical current suddenly
increases and then decreases again. This "peak effect" is thought to
be caused by a "softening" of the warming vortex lattice--
with a Jell-O-like consistency, vortices can more easily find pinning sites
(defects) in
the atomic lattice, which briefly allows more supercurrent to flow.
In the
last few years, this lattice softening was shown to be a real melting
transition to a "vortex liquid" in high temperature superconductors.
But the techniques were somewhat indirect because there is no good way to
directly image the vortices at high temperatures in these materials. It was
also unclear how the melting was connected with the peak effect--if it was at
all--and whether such vortex melting is unique to high temperature
superconductors. After all, no one had seen a vortex lattice melt in low
temperature superconductors after more than 40 years of studying their
vortices.
Sean Ling
of Brown University in Providence, RI, Lynn, and their colleagues, hoped to
settle these questions by combining their skills in vortex imaging and magnetic
susceptibility measurements. (Susceptibility is closely related to the critical
current.)
They built a susceptometer capable of monitoring a sample while it was also
being hit with neutrons to determine the vortex structure.
Using a
crystal of niobium (a low-temperature superconductor), the team zeroed in on
the narrow region of the peak effect with their susceptometer and--with neutron
diffraction--directly observed the vortex melting, which occurred
simultaneously. They demonstrated what Ling calls "hallmarks" of the
phase transition: supercooling of the liquid and superheating of the solid.
Just as ultrapure water can remain liquid below its freezing point--until a
small ripple or impurity sparks crystallization--the team showed that the
supercooled vortices became solid only after being perturbed by an oscillating
magnetic field.
The paper
is "a milestone contribution to the field," says George Crabtree of
Argonne National Laboratory in Illinois. "It is the first convincing
experiment showing two distinct configurational states that can be reproducibly
generated" and clearly suggests a phase transition. In fact, adds Lynn,
this phase transition is immune to some of the complications of more familiar
solids and liquids. "This could be a prototype system to study melting
phenomena in general," he says.
Bozhevolnyi
says that distance is plenty.
The team
made a lattice of smooth gold bumps 400 nm apart on a gold surface but left
bump-free channels through the lattice to serve as wave guides. They created
SPPs by aiming near infrared laser light at a standard light-to-SPP coupling
device on the surface and detected them using a scanning near-field optical
microscope (SNOM). The SNOM’s glass fiber tip picks up a small leakage of
electromagnetic waves as it’s scanned across the surface to build up an image.
The
images show that 782-nm-light-induced SPPs cannot penetrate into the periodic
structure, whereas at somewhat longer wavelengths, they do penetrate.
Bozhevolnyi calls this steep wavelength dependence "smoking gun
evidence" of the band gap effect. Other images show SPPs traveling along
waveguides, although not quite the way the team expected. "We did not know
that one should be careful with the width of the channel," Bozhevolnyi
admits, because theorists have not yet tackled this challenging problem.
But soon
they will, says Alexei Maradudin of the University of California at Irvine.
"It's a clever idea [that] I'm sure will stimulate theoretical work,"
he says, adding that the paper has got him thinking about doing some related
calculations. William Barnes of the University of Exeter in the U.K. and
Maradudin believe that SPP photonic structures may be important for devices in
the future, but Barnes is also interested in the basic physics. "The
interaction between surface plasmon modes and periodic structures is full of
unanswered questions," he says.
Fondendosi in un Superconductor X. S.
Ling/Brown Univ. Come ghiaccio
ed acqua.
Secondo questi dati di diffrazione del neutrone, la grata
di cosiddetti vortici magnetici in un
superconductor gira dal solido
(parte superiore, T = 4,1 K) a liquido
(parte inferiore, T = 4,8 K)
durante il heating. La configurazione di vortice direttamente
interessa la quantità di corrente che
elettrica un superconductor
può trasportare.
Vedremmo i dispositivi superconducting molto
più a temperatura
elevata se i materiali fossero capaci di
trasportare una grande
corrente elettrica. Il massimo, o " la corrente critica
" a
resistenza zero dipende intimamente dalle
proprietà di cosiddetti
vortici, gorghi molto piccoli della corrente
che turbinano intorno in
un superconductor ogni volta che un grande
campo corrente o magnetico
è presente.
I vortici possono formare la loro propria grata,
indipendente dalla struttura atomica del
materiale. Ora, nel 22
gennaio PRL, una squadra mostra la prima
prova strutturale libera che
la grata di vortice può fondersi o congelare
letteralmente, appena
come ghiaccio o acqua. Egualmente indicano che la transizione di
fase
è sincronizzata con un punto ben noto in su
nella corrente critica --
confermando ancora una volta che la
manipolazione del comportamento di
vortice sarà un tasto a sollevare le
correnti con i superconductors.
**time-out** quando vortice essere presente, " un superconductor
essere non un superconductor, " di
Jeffrey Lynn National Institute of
Standards and Technology Gaithersburg, MD.
commovente vortice cre
resistenza un corrente flusso, in modo da
zero resistenza soltanto
accad quando materiale abbastanza difetto
per " appunt " vortice grata
sul posto -- che essere non usuale un
problema con reale cristallo.
Mentre un superconductor è scaldato, le
relative gocce correnti
critiche, ma i ricercatori hanno trovato che
sopra una gamma stretta
di temperature, gli aumenti critici della
corrente improvvisamente ed
allora diminuisce ancora. Questo " effetto peak " si pensa
per essere
causato " da un rammollimento "
della grata di riscaldamento di
vortice -- con una consistenza di
Jell-O-like, i vortici inscatolano
più facilmente il ritrovamento che appunta i
luoghi (difetti) nella
grata atomica, che brevemente concede più
supercurrent fluire.
Durante gli ultimi anni, questa grata che
ammorbidisce è stata
indicata per essere una transizione di
fusione reale " ad un liquido
di vortice " in superconductors a
temperatura elevata. Ma le tecniche
erano in qualche modo indirette perché non
ci è direttamente buono
modo all' immagine i vortici alle alte
temperature in questi
materiali.
Era egualmente poco chiaro come la fusione è stata
collegata con l' effetto peak -- se fosse
affatto -- e se tale fusione
di vortice è unica ai superconductors a
temperatura elevata. Dopo
tutto, nessuno avevano visto una grata di
vortice fondersi in
superconductors di temperatura insufficiente
dopo più di 40 anni di
studiare i loro vortici. Sean Ling dell' università marrone in
Providence, in RI, in Lynn e nei loro
colleghe, sperati per risolvere
queste domande unendo le loro abilità nella
formazione immagine di
vortice e nelle misure magnetiche di
predisposizione.
(predisposizione è collegata strettamente
alla corrente critica.)
Hanno costruito un susceptometer capace di
controllo del campione
mentre egualmente stava colpendo con i
neutroni per determinare la
struttura di vortice. Usando un cristallo di niobio (un
superconductor a bassa temperatura), la
squadra azzerata dentro sulla
regione stretta dell' effetto peak con il
loro susceptometer e -- con
diffrazione del neutrone -- direttamente ha
osservato il vortice
fondersi, che ha accaduto
simultaneamente. Hanno dimostrato che
cosa
Ling chiama " marchi di garanzia "
della transizione di fase:
surraffreddamento del liquido e di
surriscaldamento del solido.
Appena mentre l' acqua di ultrapure può
rimanere liquida sotto il
relativo punto di congelazione -- fino ad
una piccola ondulazione o
impurità scintilla la cristallizzazione --
la squadra ha indicato che
i vortici surraffreddati sono diventato
solidi solo dopo la
perturbazione da un campo magnetico
oscillante. La carta è " un
contributo della pietra al campo, "
dice George Crabtree del
laboratorio nazionale di Argonne nell'
Illinois. " è il primo
esperimento convincente che mostra due
condizioni configurational
distinte che possono reproducibly essere
generate " e chiaramente
suggeriscono una transizione di fase. Infatti, aggiunge Lynn, questa
transizione di fase è immune ad alcune delle
complicazioni dei solidi
e dei liquidi più esperti. " questo ha potuto essere un sistema
del
prototipo per studiare i fenomeni di fusione
nella g
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Golfing con un singolo fotone Phys. Rev. Lett. 87, (2001) cratere di quantum 050402. La probabilità di individuazione
del fotone in una gamma stretta sia di posizione che di quantità di
moto sembra simultaneamente essere negativa, grazie al principio di
incertezza. Dove i misteri di quantum sono
interessati, il gatto di Schrödinger non ha niente su un singolo
fotone -- almeno avreste certa probabilità di individuazione
del felino, se morti o vivo. In opposizione, se cercaste un
fotone in un piccolo spazio, all'interno d'una gamma limitata di quantità
di moto, sembrereste avere una probabilità negativa di
individuazione esso. **time-out**
questo sconosciuto risultato rivel up
misura comparire 30 luglio stampa emissione PRL e essere sradic
Heisenberg incertezza principio, che limit quanto preciso voi pot
simultaneo misur un oggetto posizione e momentum.Light un particella e
un onda. **time-out** esso essere non duro per defin termine "
posizione " e " quantità di moto " per chiaro particella (fotone), ma
questo quantità dov essere defin un più astratto senso per chiaro onda. La una o la altra definizione può essere rappresentata nello
spazio di fase di quantum, che osserva qualcosa come un corso collinoso
di golf. Le coordinate nord-sud contrassegnano la posizione del
fotone, mentre le coordinate est-ovest danno la quantità di moto. L' altezza della terra ad ogni punto è tanto come la probabilità di
individuazione del fotone là. Ma nel mondo di quantum, in cui la
posizione del fotone e la quantità di moto non possono essere
determinate simultaneamente, questa " altezza " può essere capita
soltanto come approssimazione alla probabilità. **time-out** nuovo esperimento Alex Lvovsky e suo collega università Konstanz Germania
mostr che fotone fase spazio conten un circolare cresta, dove fotone
essere probabile per essere trov, e un profondo cratere centro, dove
vostro probabilità trov fotone sembr per essere negative.Probability
pot non essere negativo, ma fotone quantum fase spazio pot conten
negativo valle perché Heisenberg incertezza principio non consent
voi per comprim fotone tale un stretto gamma. Se dissipate una banda attraverso il corso
di golf -- rappresentando una gamma stretta
di posizioni -- e provate a putt il fotone su esso, il fotone
immediatamente spalma fuori su la lunghezza della riga. Così invece di misurazione delle valli
negative direttamente, la squadra di
Lvovsky ha fatto l' equivalente di camminare intorno ai bordi del
corso e le altezze medie di misurazione seguendo le righe dissipate in
molti directions.To differenti compiono quell' abilità, Lvovsky ed i
suoi accoppiamenti dei fotoni creati colleghe che ripartiscono la
stessa condizione di quantum. Hanno misurato il comportamento
ondulato di un raggio di luce e particella-come comportamento
dell' altro -- essenzialmente accedere alla stessa condizione del
fotone con due fasci differenti. I ricercatori hanno usato il primo
fascio come bussola: Misurando la fase (casuale) dell' onda nel
fascio, potrebbero dissipare le bande attraverso il corso di golf nei
sensi differenti. Per ottenere l' altezza media lungo ogni
orientamento della banda, hanno contato il numero di volte che un fotone è
stato rilevato dall' altro fascio coincidente con una data fase
nel primo fascio. Lvovsky dice che questo era il primo esperimento
per misurare sia l' onda che la natura della particella di singolo
fotone simultaneously.This che traccia la tecnica è stata sviluppata da
Michael Raymer all' università de Oregon. Per Raymer, l' esperimento era
impressionante perché ha prodotto i singoli fotoni in
pacchetti dell' onda definiti pozzo. Mentre l' esperimento è "
un passo avanti reale " per il suo gioco della fisica, ad esempio Raymer,
esso egualmente suggerisce che se il golf miniatura va mai quantum,
stiamo andando divertirsi che troviamo la sfera. |
Faster than a Speeding Light Wave
19
May 2000
|
The
starship Enterprise routinely flies faster than light, but of course, nothing
really goes that fast. Well, almost nothing. Physicists have been concocting
light pulses that do travel faster than c (the speed of light in
a vacuum) for almost two decades, although none of the experiments could be
used to send information that fast, according to most physicists. The
latest demonstration, described in the 22 May PRL, may be the most
dramatic, as it dispenses with some of the complexities of most other
experiments: The light pulses travel through free space--not a highly absorbing
material--and their superluminal (faster than light) feat covers a distance of
30 wavelengths, much farther than in any previous work.
According
to relativity, a faster-than-light signal would allow an observer traveling in
some fast moving reference frame to see the signal arrive before it was
sent--in other words, she could predict the future. That would violate the
sacred causality principle, which says that "causes" always precede
"effects." Most physics students learn that for light waves in some
media, the "phase velocity"--the speed at which a sine wave
travels--can exceed c, since you can't send a signal with a constant
amplitude wave that extends forever into the future and the past. But teachers
often say that the "group velocity"--the speed of a wave pulse, like
a single traveling "wiggle" on a stretched rope--cannot be larger
than c because it represents the speed of a physical signal.
Researchers
have now measured many group velocities higher than c. "It's just
not true what they say in the textbooks," says Raymond Chiao of the
University of California at Berkeley. For example, a Gaussian shaped light
pulse can travel faster than c through some highly absorbing materials.
The explanation is that the central piece of the pulse is attenuated more than
the earliest piece. Although the pulse shape is unchanged, it comes out
smaller, and the "leading edge" of the input pulse is transformed to
become the peak of the emerging pulse, a process called "reshaping."
So no part of the pulse is actually transmitted faster than c, says
Chiao.
In the
new experiments, led by Anedio Ranfagni of the Italian National Research
Council in Firenze, the setup looks innocent enough: The team sent microwaves
(3.5 cm wavelength) through a narrow, ring-shaped opening onto a large and
nearby focusing mirror, which collimated the waves into a beam propagating back
from the mirror, beyond and behind the source. They "modulated" the
microwaves with rectangular pulses (sharp "amplify" and
"attenuate" commands, in rapid succession) and detected the pulses at
positions between 30 and 140 cm from the source, along the beam axis. The slope
of their plot of arrival times vs. distance led to an apparent propagation
speed of 5 to 7% above c, although beyond about 1 m, the speed
approached c, all of which agreed with previous predictions.
Aephraim
Steinberg of the University of Toronto explains that such a beam is unusual.
The light detected at each point along the beam has actually arrived via an
"off-axis detour" to some part of the large mirror, rather than
having traveled down the beam. So the light pulse detected at 60 cm simply took
less of a detour than the light detected at 30 cm from the source, says
Steinberg. "The wave at 60 cm was already en route along a sort of
'shortcut' while you were detecting the wave at 30 cm," he says. The
pulses are reshaped by the slit and mirror in this case, rather than by the special
properties of a medium through which the light propagates.
Ranfagni
doesn't accept Steinberg's interpretation and states in the paper that "a
shadow of a doubt" remains regarding the existence of superluminal
signals. Despite some shortcomings in the quality and quantity of data,
Steinberg believes the new results are correct and important because "it's
much harder to see where the loophole is" that saves causality. He says
that as physicists come up with ever more surprising examples of faster-than-light
propagation, they hope to approach a "universal understanding" of
light propagation in all circumstances.
V Velocemente d'una macchina chiara d'
accelerazione di velocità del
filo di ordito maggio dell' onda di 19 2000
Daniel Corley. la corsa
della Veloce-che-luce probabilmente rimarrà
la fantascienza, ma nelle
circostanze speciali, gli impulsi di luce
possono passare le onde
chiare in un vuoto.
L' impresa di starship vola ordinariamente
più velocemente della
luce, ma naturalmente, niente realmente va
quello velocemente. Bene,
quasi niente. I fisici stanno inventando gli impulsi luminosi che
viaggiano più velocemente della c (la
velocità di luce in un vuoto)
per quasi due decadi, anche se nessun degli
esperimenti potrebbero
essere usati per trasmettere le informazioni
che digiunano, secondo la
maggior parte dei fisici. L' ultima dimostrazione, descritta nel 22
maggio PRL, può essere il più drammatico,
poichè eroga con alcune
delle complessità della maggior parte degli
altri esperimenti:
**time-out** light impulso viaggi attraverso
libero spazio -- non un
alto assorb materiale -- e loro superluminal
(velocemente che luce)
abilità copr un distanza 30 lunghezza
d'onda, molto lontano che
qualsiasi previous lavoro. Secondo la relatività, un segnale della
veloce-che-luce permetterebbe un osservatore
che viaggia in un certo
telaio commovente veloce di riferimento per
vedere il segnale arrivare
prima che fosse trasmesso -- cioè potrebbe
predire il futuro. Quello
violerebbe il principio sacred di causalità,
che dice che " le cause
" precedono sempre " gli effetti.
" **time-out** maggior parte
fisica
allievo impar che per chiaro onda alcun
media, " fase velocità " --
velocità cui un seno onda viaggi -- pot
ecced c, poiché voi pot non
trasmett un segnale con un costante ampiezza
onda che estend per
sempre futuro e esperienza. Ma gli insegnanti dicono spesso che "
la
velocità del gruppo " -- la velocità
d'un impulso dell' onda, come
un singolo " wiggle " mobile su
una corda allungata -- non può essere
più grande della c perché rappresenta la
velocità d'un segnale
fisico.
I ricercatori ora hanno misurato molte velocità del gruppo
più superiore alla c. " è giusta non non allineare che cosa
dicono
nei manuali, " dice Raymond Chiao dell'
università di California a
Berkeley.
Per esempio, un a forma di impulso luminoso gaussiano può
attraversare più velocemente della c through
alcuni materiali
altamente assorbenti. La spiegazione è che la parte centrale dell'
impulso è attenuata più della parte più in
anticipo. Anche se la
figura di impulso è immutata, viene verso
l'esterno più piccolo e "
il bordo principale " dell' impulso
dell' input è trasformato per
transformarsi in nel picco dell' impulso d'
emersione, un processo
chiamato " rimodellare. " Così nessuna parte dell' impulso realmente
è trasmessa più velocemente di la c, ad
esempio Chiao. Nei nuovi
esperimenti, condotti da Anedio Ranfagni del
Consiglio di ricerca
nazionale italiano in Firenze, la messa a
punto sembra abbastanza non
colpevole:
La squadra ha trasmesso le microonde (una lunghezza d'onda
di 3,5 centimetri) attraverso uno stretto,
apertura a sezione
circolare su un grande e ad uno specchio di
focalizzazione vicino, che
ha collimato le onde in un fascio che si
propaga indietro dallo
specchio, oltre e dietro la sorgente. " hanno modulato " le microonde
con gli impulsi rettangolari (sharp "
amplifica " e " attenuare " i
comandi, nella successione veloce) ed hanno
rilevato gli impulsi alle
posizioni fra 30 e 140 centimetri dalla
sorgente, lungo l' asse del
fascio.
Il pendio del loro diagramma dei tempi di arrivo contro la
distanza ha condotto ad una velocità
apparente di propagazione di 5 a
7% sopra la c, anche se oltre circa 1 m., la
velocità avvicinata a c,
che è stato d'accordo con le previsioni
precedenti. Aephraim
Steinberg dell' università di Toronto spiega
che un tal fascio è
insolito.
La luce rilevata ad ogni punto lungo il fascio realmente è
arrivato via " una deviazione di
fuori-asse " ad una certa parte di
grande specchio, piuttosto che ha viaggiato
giù il fascio. Così l'
impulso luminoso rilevato a 60 centimetri ha
preso semplicemente di
meno d'una deviazione che la luce rilevata a
30 centimetri dalla
sorgente, ad esempio Steinberg. " l' onda a 60 centimetri era già in
viaggio lungo un ordinamento ' della
scorciatoia ' mentre stavate
rilevando l' onda a 30 centimetri, "
che dice. Gli impulsi sono
rimodellati dalla fessura e si rispecchiano
in questo caso, piuttosto
che dalle proprietà speciali d'un media con
cui la luce si propaga.
Ranfagni non accetta l' interpretazione e le
condizioni di Steinberg
nella carta che " un' ombra d'un dubbio
" rimane per quanto riguarda
l' esistenza dei segnali di
superluminal. Malgrado alcune
imperfezioni nella qualità e nella quantità
di dati, Steinberg crede
il nuovo risultato
25 May 2000
Counting the Ripples in a Light Wave
|
Measuring
the frequency of your heartbeat is pretty simple--just count the beats in a
given period of time. Even a radio frequency signal at 100 MHz can be measured
by an electronic counter in much the same way. But a 600 THz (6 × 1014
Hz) light wave oscillates far too fast to count, so precision measurements of
optical frequencies have traditionally used huge and cumbersome setups,
available only to a handful of labs worldwide. In the 29 MayPRL a
collaboration of physicists reports they have drastically simplified the
process to the point that almost any physics lab could measure optical
frequencies nearly as precisely as the standards institutes do. The new
technique will lead to new tests of a host of fundamental physics principles
Measuring
things to 12 decimal places is not just boring detail work, maintains John Hall
of the National Institute of Standards and Technology (NIST) and the University
of Colorado in Boulder. As measurements of the light associated with atomic
transitions have become more accurate over the past century, researchers have
learned more about the quantum
world
and the physics of atoms. "It's like one of those Russian dolls--you just
never come to the last one," says Hall.
In 1983
Hall and his colleagues publisehd the most precise optical frequency
measurement at the time, but it took eight physicists and perhaps 20 lasers.
Starting from the 9 GHz signal of a cesium atomic clock, which defines the unit
of frequency (Hertz), they needed to double and triple the frequencies of
various oscillators in a "chain," to directly connect with the
frequency of light to be measured. Carefully comparing each frequency in the
chain with the next one allows the equivalent of counting the number of cycles
in a light wave each second.
Hall, Ted
Hänsch of the Max Planck Institute in Garching, Germany, and their colleagues,
have now bridged that gap in one step. The system uses a laser that generates
ultrashort light pulses--12 fs, or 1.2 × 10-14 s in width--at a rate
near 100 MHz, which is synchronized with an atomic clock. The spectrum (Fourier
transform) of this light is a "comb" of ultranarrow lines spaced
every 100 MHz in frequency, over a limited range of light frequencies. The team
sends this light through a new type of optical fiber that spreads the reddish
pulses over most of the visible range, creating a comb with millions of lines
whose spacing is precisely determined by the cesium clock. As compared to, say,
tripling a laser frequency to get the third harmonic--about as far as one could
go directly in the past--the comb allows access to the four millionth harmonic.
"That's four million stable lasers," says Hall.
Ideally,
the frequency of any laser beam could then be determined by using standard
techniques to find the distance in frequency between the laser line and one of
the comb lines. The only problem is that, while the comb spacing is
precisely known (about 100 MHz), its absolute position is not defined. So the
team used the fundamental and second harmonic lines of a neodymium:YAG laser
(frequencies exactly a factor of two apart) to get the extra information needed
to nail down any optical frequency. In the process, they made the most accurate
measurement ever of the YAG frequency, at the level of 10-11. They
also measured two standard laser lines to similar accuracy as proof that the
system gives results equal to or better than those of the international
standards agencies. Later refinements, published recently in Science, have
allowed the team to eliminate the YAG laser from the setup.
Hall
foresees a commercial instrument being marketed within five years that will
allow any physicist to measure an optical frequency down to the kHz level as
easily as they now measure radio frequencies. The technology has already
spawned experiments that push theories of fundamental atomic physics to new
limits. Leo Hollberg, also of NIST, but not directly involved in the work, says
the new technique is "a revolution in frequency measurement" that
will likely lead to new super-accurate clocks based on optical frequencies,
rather than the microwaves of today's atomic clocks. Hall expects many
unpredictable applications for a device that provides four million stable laser
lines at once.
and muons
provide one of the few probes up to the task. A muon is a heavier,
shorter-lived sibling of the electron, and by virtue of its spin, the muon is
sensitive to magnetic fields. In the technique called muon spin rotation (µSR)
energetic muons plow into a sample and get stuck inside, like BBs shot into a
loaf of bread. When muons expire--after 2 microseconds on average--they beget
electrons, and by carefully observing these electrons, researchers obtain
precise pictures of the magnetic field at the site where the muons took their
last breaths.
The typical
limitation to the muon spin rotation technique arises from the muons' high
speed. "Conventional muons, with energies of about 4 MeV, will pass
straight through many samples of interest," says Ted Forgan, of the
University of Birmingham in England, a co-author of the new paper. At this
energy, traveling at one-fifth the speed of light, muons embed themselves
relatively deep inside a target. Elvezio Morenzoni and his colleagues at the
Paul Scherrer Institute in Switzerland refined the latest µSR technique, in
which they slow the muons to just 15 eV in energy by sending them through a
dense gas. By varying a voltage that accelerates the muons, the team can
control the precise depth to which the particles penetrate a sample.
A
superconductor provided the ideal first task for the technique. A cold
superconductor normally expels magnetic fields from its interior, but the field
infiltrates the edges of the superconductor to a depth of hundreds of
nanometers. Since the mid-1930s, physicists have assumed that the internal
magnetic field strength decreases exponentially with increasing depth, but no
one had devised a way to directly measure the field strength so close to the
surface. In the new experiments, Forgan, Morenzoni, and their colleagues used
muons at six different energies between 3 and 30 keV to probe a HTSC to a depth
of up to 152 nm. The results show a precisely exponential decrease of the
penetrating magnetic field, confirming the decades-old assumption, and showing
that HTSCs follow the same behavior as traditional superconductors.
Jeff
Sonier, of Los Alamos National Laboratory in New Mexico, sees significant
implications for the added capabilities of µSR. The research community now has
"a sensitive magnetic probe which can be used to study both the surface
and bulk of the same sample," he says. That will allow more precise tests
of theories of superconductivity and other magnetic phenomena.
Laboratori della Bell, fibra del Rainbow di
tecnologie di Lucent. Una
fibra ottica recentemente sviluppata può trasformare
nella luce
monocromatica luce bianca che misura l'
intero spettro visibile. (in
questa immagine, i colori differenti si
dominano alle posizioni
differenti lungo la fibra.) La fibra è una parte critica di nuovo
schema per la misurazione delle frequenze
ottiche esattamente come la
latta dei laboratori migliore, per mezzo
soltanto di singolo laser.
La misurazione della frequenza del vostro
battito cardiaco è
abbastanza semplice -- conteggio giusto i
battimenti in un dato
periodo di tempo. Anche un segnale di frequenza radiofonica a 100
megahertz può essere misurato da un
contatore elettronico più o meno
allo stesso modo. Ma un' onda della luce di 600 THz (× 6 1014 hertz)
oscilla lontano troppo veloce al conteggio,
in modo da le misure di
precisione delle frequenze ottiche hanno
usato tradizionalmente le
messe a punto enormi ed ingombranti,
disponibili soltanto ad una
manciata di laboratori universalmente. Nei 29 MayPRL una
collaborazione dei rapporti dei fisici
drasticamente hanno facilitato
il processo al punto che quasi tutto il
laboratorio di fisica potrebbe
misurare quasi precisamente le frequenze
ottiche come gli istituti di
standard.
La nuova tecnica condurrà alle nuove prove d'una miriade
di principii fondamentali di fisica che
misurano le cose a 12 posti
decimali non è lavoro di particolare noioso
giusto, effettua John
Corridoio
del National Institute of Standards and Technology (NIST) e
l' università di Colorado a Boulder. Mentre le misure della luce
connessa con le transizioni atomiche sono
diventato più esatte
durante il secolo passato, i ricercatori
hanno imparato più circa il
quantum che conta l' ondulazione in un mondo
chiaro dell' onda e la
fisica degli atomi. " è come una di quelle bambole russe --
non
venite appena mai a quella ultima, "
dice Corridoio. In Corridoio
1983 e nel suo publisehd dei colleghe la
misura di frequenza ottica
più precisa allora, ma in esso ha preso otto
fisici e forse 20 laser.
A partire dal segnale di 9 GHz d'un orologio
atomico del cesio, che
definisce l' unità di frequenza (Hertz),
hanno dovuto raddoppiare e
triplicare le frequenze di vari oscillatori
" in una catena, "
direttamente per collegare con la frequenza
di luce da misurare. Con
attenzione paragonare ogni frequenza nella
catena a quella seguente
permette l' equivalente di conteggio del
numero di cicli in un' onda
chiara ogni secondo. Corridoio, Ted Hänsch dell' istituto massimo
di
Planck Garching, in Germania ed i loro
colleghe, ora ha colmato quella
lacuna ad un punto. Il sistema utilizza un laser che genera gli
impulsi luminosi del ultrashort -- 12 fs, o
1,2 × 10-14 s nella
larghezza -- ad un tasso vicino a 100
megahertz, che è sincronizzato
con un orologio atomico. Lo spettro (trasformata di fourier) di
questa luce è " un pettine " delle
righe del ultranarrow ha spaziato
ogni 100 megahertz nella frequenza, sopra
una gamma limitata di
frequenze chiare. La squadra trasmette questa luce attraverso un
nuovo tipo di fibra ottica che sparge gli
impulsi rossastri sopra la
maggior parte della gamma visibile, creante
un pettine con milioni di
righe di cui il gioco è determinato
precisamente dall' orologio del
cesio.
Rispetto per esempio a triplicare una frequenza del laser per
ottenere la terza armonica -- circa per
quanto una ha potuto andare
direttamente nel passato -- il pettine
permette l' accesso alla
milionesima armonica quattro. " che è quattro milione laser stabili,
" dice Corridoio. Nel migliore dei casi, la frequenza di tutto
il
fascio laser ha potuto allora essere
determinata usando le tecniche
standard per trovare la distanza nella
frequenza fra la riga del laser
e quella delle righe del pettine. L' unico problema è che, mentre il
gioco del pettine è conosciuto precisamente
(circa 100 megahertz), la
relativa posizione assoluta non è definita. Così la squadra ha
usato il fondamentale e le righe in secondo
luogo armoniche d'un laser
di neodymium:YAG (frequenze esattamente un
fattore di due diversi) per
ottenere le informazioni supplementari hanno
dovuto inchiodare giù
qualsiasi frequenza ottica. Nel processo, hanno effettuato mai la
misura più esatta della frequenza di YAG, al
livello di 10-11.
Egualmente hanno misurato due righe standard
del laser ad esattezza
simile come prova che il sistema fornisce
risultati uguali a o
migliorano che quelle delle agenzie
internazionali di standard. I
perfezionamenti successivi, pubblicati
recentemente nella scienza,
hanno permesso che la squadra eliminasse il
laser di YAG dalla messa a
punto.
Corridoio prevede uno strumento commerciale che è introdotto
in cinque anni quello
Apply Quantum Principle with Caution
19
November 1999
|
In the
early 20th century physicists realized that classical physics fails to explain
atoms, even though it works well for baseballs and planets. Part of the early
atomic theory relied on Niels Bohr's correspondence principle, which states
that the quantum theory must agree with the classical theory in situations
where the classical theory is accurate. For atoms, the classical limit has
always meant highly excited energy states, in which the energy spacing between
quantum states is so small as to resemble the continuum of states predicted by
Newtonian physics. While this idea works well for some special cases like the
hydrogen atom, a paper in the 22 November PRL shows that high-energy
states are not necessarily classical, so Bohr's commonly-used formulation of
the principle is not correct in general.
Bohr's
original 1913 model of the hydrogen atom was based in part on his
correspondence principle: When the electron is far from the proton--say, a
meter away--it should act like a classical charge, emitting light with the same
frequency that it orbits the proton. It worked famously for Bohr, and the
principle was formalized and extended over the years. Today textbooks state
that classical and quantum theories must agree for large quantum numbers, and
many researchers expect all atomic calculations at large quantum numbers to
agree with Bohr-like "semiclassical" predictions.
Bo Gao of
the University of Toledo in Ohio was studying the rotational-vibrational states
of diatomic molecules close to breaking apart and was surprised that the
semiclassical predictions became less accurate at higher quantum
numbers. The problem, Gao eventually realized, is that a state with a large
quantum number is not necessarily "more classical"--the correct
classical limit is a state where the quantum mechanical wave associated with
the particles has a short wavelength.
Ultracold
atoms can have extremely long wavelengths, so even if a pair of them attract
one another at a great distance--equivalent to a molecule in a highly excited
vibrational state--the semiclassical theory might still not apply. Neutral
atoms do not attract one another as strongly as oppositely charged particles,
which follow the Coulomb inverse-square law. Gao found that most commonly
studied atomic force laws--such as the van der Waals interaction--fail to
follow Bohr's version of the correspondence principle.
"We
did not have a good quantum theory for those very highly excited states of
molecules," says Gao, so most researchers use complex computer codes to
calculate their properties. He explains that without a more direct theory, the
semiclassical approach has remained popular "because it's a very simple
result." Gao maintains that both physics teachers and researchers need to
clarify their understanding of the correspondence principle.
"Fortunately,
Bohr picked the Coulomb potential for his first study," notes Chris Greene
of the University of Colorado at Boulder, because it's one of the few cases
where Bohr's formulation of the correspondence principle works. He says that
others studying cold atoms in the past several years have noticed the problem
in different guises. As physicists learn more, Greene adds, "the more
remarkable it seems that the line of research Bohr initiated led ultimately to
the correct quantum mechanical theory."
finding
is an example of the enigmatic behavior researchers will have to understand as
they try to develop quantum computers.
If Alice
wants to tell Bob which direction to look for her, she can align the spin of an
electron in that direction and count on Bob's spin analyzer to decode the
information. The uncertainty principle always limits Bob's accuracy, but his
guess at the direction will be closer if Alice sends a second identically
prepared electron. In 1995 Serge Massar of the University of Brussels and Sandu
Popescu of the University of Cambridge and Hewlett-Packard Laboratories in Bristol,
United Kingdom, showed that Bob's accuracy is
maximized if he measures the spins in a way that quantum mechanically
"entangles" them--so that they no longer have separate identities--rather
than measuring them individually. Now Popescu and Nicolas Gisin of the
University of Geneva in Switzerland show that the direction Bob determines
would be even more accurate if the pair of spins were antiparallel, rather than
parallel.
Popescu
explains that the effect is purely quantum mechanical and defies classical
intuition. If Alice used a single spin aligned antiparallel to the direction
she wanted to communicate, Bob could simply turn his spin analyzer upside down,
or just switch the labels on the "spin up" and "spin down"
indicator lights. So with one spin, parallel and antiparallel spins provide the
same information. But if Alice sends a pair of spins, and Bob uses the optimal
measurement technique, the spins must become entangled and measured as a single
entity. There is no separate part of Bob's analyzer devoted to each spin
individually, no way for him to reverse the output for one spin and not for the
other. Popescu and Gisin show that the "fidelity" of Bob's
measurement is 0.75 for parallel spins and about 0.79 for antiparallel spins,
which means that the antiparallel pair contains a bit more information.
Researchers
have only recently begun to scrutinize the information content of quantum
states, says Popescu, and as they do, "we run into all kinds of
paradoxical behaviors like this." By investigating them he and his
colleagues hope to better understand quantum information and provide insights
to those developing quantum computation, encryption, and other applications.
"It's
remarkable how many new insights into quantum mechanics one gets" by
applying information theory to the quantum world, says William Wootters of
Williams College in Williamstown, Massachusetts. He adds that the field has
developed mainly in the past few years, even though some of the results, such
as those of Gisin and Popescu, could have been discovered many decades ago if
anyone had asked the right questions.
Applicare il principio di quantum con l'
attenzione il 19 novembre
1999 B.
D. Esry & C. H. Greene/Univ. degli scontri di freddo del
Colorado.
Questa simulazione mostra gli atomi in un condensato del
due-componente Bose-Einstein ad una
temperatura vicino a 1 nK, dove la
formulazione di Bohr del principio della
corrispondenza viene a
mancare il più drammaticamente.
Nell' inizio del 20esimo secolo i fisici si
sono resi conto che la
fisica classica non riesce a spiegare gli
atomi, anche se funziona
bene per i baseballs ed i pianeti. La parte della teoria atomica
iniziale ha contato per principio della
corrispondenza di Niels Bohr,
che dichia che la teoria di quantum deve
essere d'accordo con la
teoria classica nelle situazioni dove la
teoria classica è esatta.
Per gli atomi, il limite classico ha
significato sempre le condizioni
altamente eccitate di energia, in cui il gioco
di energia fra le
condizioni di quantum è così piccolo quanto
a assomigliare alla
continuità delle condizioni previste dalla
fisica del Newtonian.
Mentre questa idea funziona bene per alcuni
casi speciali come l'
atomo dell' idrogeno, una carta del 22 nelle
esposizioni novembre PRL
che le condizioni ad alta energia non sono
necessariamente classiche,
in modo da la formulazione comunemente usata
di Bohr del principio non
è corrette in generale. Il modello 1913 di originale di Bohr dell'
atomo dell' idrogeno è stato basato in parte
per suo principio della
corrispondenza: Quando l' elettrone è lontano dal protone -- dire,
un tester assente -- esso dovrebbe
comportarsi come una carica
classica, emettente luce con la stessa
frequenza che orbita intorno al
protone.
Ha funzionato famously per Bohr ed il principio è stato
formalizzato e si esteso nel corso degli
anni. Oggi i manuali
dichiano che le teorie di quantum e
classiche devono essere conforme
per i grandi numeri di quantum e molti
ricercatori invitare tutte le
calcolazioni atomiche ai grandi numeri di
quantum per essere d'accordo
con Bohr-come le previsioni "
semiclassical ". Bo Gao dell'
università di Toledo nell' Ohio stava
studiando le condizioni di
rotazione-vibratorie delle molecole diatomic
vicino a rompersi a parte
ed è stato sorprendo che le previsioni
semiclassical sono diventato
meno esatte agli più alti numeri di
quantum. Il problema, Gao
finalmente realizzato, è che una condizione
con un grande numero di
quantum non è necessariamente " più
classica " -- il limite classico
corretto è una condizione in cui l' onda
meccanica di quantum
connessa con le particelle ha una lunghezza
d'onda corta. Gli atomi
di Ultracold possono avere lunghezze d'onda
estremamente lunghe, in
modo da anche se un accoppiamento di loro
attrae uno un altro ad una
distanza grande -- equivalente ad una
molecola in una condizione
vibratoria altamente eccitata -- la teoria
semiclassical potrebbe
però non applicarsi. Gli atomi neutri non attraggono uno un altro
fortemente quanto le particelle in modo
opposto caricate, che seguono
la legge del inverso-quadrato di
coulomb. Gao ha trovato che le leggi
atomiche il più comunemente studiate della
forza -- quale l'
interazione di Waals del der del furgone --
non riescono a seguire la
versione di Bohr del principio della
corrispondenza. " non abbiamo
avuti una buoa teoria di quantum per quelle
condizioni molto altamente
eccitate delle molecole, " dice Gao,
così la maggior parte dei codici
di calcolatore complessi di uso dei ricercatori
per calcolare le loro
proprietà.
Spiega quello senza una teoria più diretta, il metodo
semiclassical è rimasto popolare "
perché è un risultato molto
semplice. " Gao effettua che sia gli insegnanti che i ricercatori di
fisica devono chiarire la loro comprensione
del principio della
corrispondenza. " fortunatamente, Bohr ha selezionato il potenziale
di coulomb per il suo primo studio, "
nota Chris Greene dell'
università di Colorado a Boulder, perché è
uno dei pochi casi dove
la formulazione di Bohr del principio della
corrispondenza funziona.
Dice che altri che studiano gli atomi freddi
nel passato parecchi anni
hanno notato il problema nei guises
differenti. Poichè i fisici
imparano più, Greene aggiunge, " più
notevole sembra che la riga di
ricerca Bohr iniziata ha condotto infine
alla teoria meccanica di
quantum corretto. " l' individuazione è un esempio dei
ricercatori
enigmatic di comportamento dovrà capire
poichè provano a sviluppare
i calcolatori di quantum. Se Alice desidera dire a Bob al quale senso
per cercarlo, può allineare la rotazione
d'un elettrone in quanto
senso e conteggio sull' analizzatore di
rotazione del Bob per
decodificare le informazioni. Il principio di incertezza limita
sempre l' esattezza del Bob, ma la sua
congettura al senso sarà più
vicina se Alice trasmette un secondo
identico
Quantum Info
Defies Logic
16
July 1999
|
Quantum
computers promise to perform calculations much faster than silicon-based
computers by manipulating the strange rules of quantum mechanics. Since an atom
can inhabit many quantum states at once, it can perform many operations
simultaneously. But the best ways of storing and transmitting data are
sometimes surprising in the quantum realm. In the 12 JulyPRL a team
shows that storing a direction in space with two oppositely directed
(antiparallel) spins is more efficient than using two parallel spins, even
though in the classical world there is no difference. The finding is an example
of the enigmatic behavior researchers will have to understand as they try to
develop quantum computers.
If Alice
wants to tell Bob which direction to look for her, she can align the spin of an
electron in that direction and count on Bob's spin analyzer to decode the
information. The uncertainty principle always limits Bob's accuracy, but his
guess at the direction will be closer if Alice sends a second identically
prepared electron. In 1995 Serge Massar of the University of Brussels and Sandu
Popescu of the University of Cambridge and Hewlett-Packard Laboratories in
Bristol, United Kingdom, showed that Bob's accuracy is
maximized if he measures the spins in a way that quantum mechanically
"entangles" them--so that they no longer have separate
identities--rather than measuring them individually. Now Popescu and Nicolas
Gisin of the University of Geneva in Switzerland show that the direction Bob
determines would be even more accurate if the pair of spins were antiparallel,
rather than parallel.
Popescu
explains that the effect is purely quantum mechanical and defies classical
intuition. If Alice used a single spin aligned antiparallel to the direction
she wanted to communicate, Bob could simply turn his spin analyzer upside down,
or just switch the labels on the "spin up" and "spin down"
indicator lights. So with one spin, parallel and antiparallel spins provide the
same information. But if Alice sends a pair of spins, and Bob uses the optimal
measurement technique, the spins must become entangled and measured as a single
entity. There is no separate part of Bob's analyzer devoted to each spin
individually, no way for him to reverse the output for one spin and not for the
other. Popescu and Gisin show that the "fidelity" of Bob's
measurement is 0.75 for parallel spins and about 0.79 for antiparallel spins,
which means that the antiparallel pair contains a bit more information.
Researchers
have only recently begun to scrutinize the information content of quantum
states, says Popescu, and as they do, "we run into all kinds of
paradoxical behaviors like this." By investigating them he and his
colleagues hope to better understand quantum information and provide insights
to those developing quantum computation, encryption, and other applications.
"It's
remarkable how many new insights into quantum mechanics one gets" by
applying information theory to the quantum world, says William Wootters of
Williams College in Williamstown, Massachusetts. He adds that the field has
developed mainly in the past few years, even though some of the results, such
as those of Gisin and Popescu, could have been discovered many decades ago if
anyone had asked the right questions.
Il quantum Info defies la logica il 16
luglio 1999 Intel Corporation
che raggiunge i relativi limiti. I calcolatori di quantum potrebbero
sorpassare teoricamente questo circuito
integrato avanzato da un PC,
ma i teorici ancora stanno risolvendo le
regole di sorpresa per le
informazioni di maneggiamento usando i
meccanici di quantum.
I calcolatori di quantum promettono di
effettuare i calcolatori di
quanto silicone-silicon-based di
calcolazioni molto più velocemente
maneggiando le regole sconosciute dei
meccanici di quantum. Poiché
un atomo può abitare molte condizioni di
quantum immediatamente, può
realizzare simultaneamente molti
funzionamenti. Ma i modi migliori di
memorizzazione e di trasmettere dei dati a
volte stanno sorpresendo
nel regno di quantum. Nei 12 JulyPRL una squadra mostra che quello
memorizzare un senso nello spazio con le due
rotazioni in modo opposto
dirette (del antiparallel) è più efficiente
del usando le due
rotazioni parallele, anche se nel mondo
classico non ci è differenza.
L' individuazione è un esempio dei
ricercatori enigmatic di
comportamento dovrà capire poichè provano a
sviluppare i calcolatori
di quantum.
Se Alice desidera dire a Bob al quale senso per cercarlo,
può allineare la rotazione d'un elettrone in
quanto senso e conteggio
sull' analizzatore di rotazione del Bob per
decodificare le
informazioni. Il principio di incertezza limita sempre l' esattezza
del Bob, ma la sua congettura al senso sarà
più vicina se Alice
trasmette un elettrone identicamente
preparato di secondo. In Serge
1995 Massar dell' università di Bruxelles e
di Sandu Popescu dell'
università di laboratori del Hewlett-Packard
e de Cambridge a
Bristol, Regno Unito, indicato che l'
esattezza del Bob è elevata se
misura le rotazioni in un modo che il
quantum meccanicamente " le
impiglia " -- in modo che più non abbiano
identità separate --
piuttosto che misurandole
individualmente. Ora Popescu e Nicolas
Gisin dell' università di Ginevra in
Svizzera indicano che il senso
Bob determina sarebbe ancor più esatto se l'
accoppiamento delle
rotazioni fosse antiparallel, piuttosto che
parallelo. Popescu spiega
che l' effetto è puramente quantum meccanico
e defies l' intuizione
classica.
Se Alice usasse un antiparallel stato allineato la singola
rotazione al senso ch'ha desiderato
comunicare, Bob potrebbe
semplicemente girare il suo analizzatore di
rotazione inverso, o l'
interruttore giusto le etichette "
sulla rotazione in su " e " sulle
luci di indicatore di rotazione giù
". Così l' una rotazione, le
rotazioni del antiparallel e di parallelo
forniscono le stesse
informazioni. Ma se Alice trasmette un accoppiamento delle rotazioni
e Bob usa la tecnica ottimale di misura, le
rotazioni devono essere
impigliate e misurate come singola
entità. Non ci è parte separata
dell' analizzatore del Bob dedicata
individualmente ad ogni rotazione,
a nessun modo affinchè lui inverta l' uscita
per l' una rotazione e
non per l' altra. Popescu e Gisin indicano che " la fedeltà " della
misura del Bob è 0,75 per le rotazioni
parallele e circa 0,79 per
antiparallel fila, che significa che l'
accoppiamento del antiparallel
contiene un ancora un poco le
informazioni. I ricercatori
recentemente hanno cominciato soltanto a
controllare il contenuto di
informazioni delle condizioni di quantum, ad
esempio Popescu e come, "
funzioniamo in tutti i generi di
comportamenti paradossali come
questo. " Studiandoli lui ed i suoi colleghe sperano di capire più
meglio le informazioni di quantum e di
fornire le comprensioni a
quelle calcolo sviluppantesi di quantum, la
crittografia ed altre
applicazioni. " è notevole quanto nuove visioni dei meccanici uno di
quantum ottiene " applicando la teoria
di informazioni al mondo di
quantum, ad esempio William Wootters dell'
università in
Williamstown,
Massachusetts del Williams. Aggiunge che il campo si è
sviluppato pricipalmente nel passato pochi
anni, anche se alcuni dei
risultati, come quelli di Gisin e di
Popescu, potrebbero essere
scoperti molte decadi fa se chiunque avesse
fatto le domande esatte.
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Atoms in 3D
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What do The
Creature From the Black Lagoon and atomic microscopy have in common? More
than you might think, according to a paper in the 5 March PRL. A
Japanese physicist proposes a method for creating three-dimensional images of
atoms by applying the same stereoscopic techniques used to make 3D pulp-fiction
movies. Unlike other methods that require complex calculations, the process is
simple, fast, and might even someday allow for real-time 3D video of atoms and
molecules.
Since the
early 20th century, researchers have learned about atomic arrangements using
diffraction--the scattering of x rays and electrons from crystals. But the
traditional methods can be tedious and require many trial-and-error
calculations. Within the past 15 years, physicists have developed several more
direct techniques. One scheme, called photoelectron diffraction, uses high
energy photons to knock electrons loose inside the sample. These electrons then
pass through the sample and generate a diffraction pattern. Some researchers
believe that the peaks in the diffraction pattern can be related directly to
the distance between the emitter and scattering atoms. This means that the
structure of the crystal can be obtained directly from diffraction data,
without more complex analysis.
For
several years, Hiroshi Daimon of the Nara Institute of Science and Technology
in Japan has studied an unusual feature of photoelectron diffraction. He has
bombarded his samples with circularly polarized light, which contains photons
with spin angular momentum. This angular momentum is transferred to the
electrons and changes their trajectories, creating a diffraction pattern that
is rotated slightly--either clockwise or counter-clockwise, depending on the
light's direction of rotation.
Inspired
by 3D stereograms in magazines, Daimon came up with a use for this phenomenon.
Stereograms require a pair of colored glasses to separate blue and red images
and create a three-dimensional illusion. It turns out that the equations for
stereoscopic images are similar to those for circularly polarized photoelectron
diffraction. Just as the blue and red images each illustrate a scene from a
slightly different point-of-view, the two diffraction patterns represent
slightly different views of a crystal. Daimon demonstrated the technique by
making a stereoscopic pair of images of the atoms inside a tungsten crystal.
But Brian Tonner of the University of Central Florida
in Orlando is uncertain whether such a technique could truly work. "The
notion that a diffraction pattern like this can be interpreted in terms of real
space and time positions is still under scientific debate," he says.
Still, Tonner concedes, it is not implausible that this technique could work
and, because it is so simple, could even permit real time imaging of molecules,
a prospect that he describes as "very exciting."
Atomi in 3d
Phys. Giro. Lett. 86, 2034 (2001) due punti della
vista.
Gli accoppiamenti di atomico-regolano le immagini fatte dalla
diffrazione del fotoelettrone con luce
circolarmente polarizzata
destra e sinistra possono essere fusi in uno
stereoscopico, 3d vista
(cristallo del tungsteno indicato qui).
Che cosa la creatura dalla laguna nera e la
microscopia atomica hanno
il in comune? Più di voi hanno potuto pensare, secondo una carta nel
5 marzo PRL. Un fisico giapponese propone un metodo per la creazione
delle immagini tridimensionali degli atomi
applicando le stesse
tecniche stereoscopiche usate per fare i
movies di polpa-romanzo 3d.
Diverso di altri metodi che richiedono le
calcolazioni complesse, il
processo è semplice, veloce e potrebbe
livellare qualche giorno tiene
conto il video in tempo reale 3d degli atomi
e delle molecole. Dall'
inizio del 20esimo secolo, i ricercatori
hanno imparato circa le
disposizioni atomiche usando la diffrazione --
la dispersione dei
raggi e degli elettroni di x dai
cristalli. Ma i metodi tradizionali
possono essere noiosi e richiedere molte
calcolazioni di
prova-e-errore. Nei 15 anni scorsi, i fisici hanno sviluppato
parecchie tecniche più dirette. Uno schema, chiamato la diffrazione
del fotoelettrone, usa gli alti fotoni di
energia per battere gli
elettroni allentati all'interno del
campione. Questi elettroni allora
attraversano il campione e generano un
modello di diffrazione. Alcuni
ricercatori ritengono che i picchi nel
modello di diffrazione possano
essere riferiti direttamente alla distanza
fra l' emettitore ed atomi
di dispersione. Ciò significa che la struttura del cristallo può
essere ottenuta direttamente dai dati di
diffrazione, senza analisi
più complessa. Per parecchi anni, Hiroshi Daimon dell' istituto de
Nara della scienza e della tecnologia nel
Giappone ha studiato una
caratteristica insolita della diffrazione
del fotoelettrone. Ha
bombardato i suoi campioni con luce
circolarmente polarizzata, che
contiene i fotoni con quantità di moto
angolare di rotazione. Questa
quantità di moto angolare è trasferita agli
elettroni e cambia la
loro traiettoria, creante un modello di
diffrazione che è ruotato un
po' -- in senso orario o in senso
antiorario, secondo il senso della
luce di rotazione. Ispirato dagli stereograms del 3d in scomparti,
Daimon ha fornito un uso per questo
fenomeno. Gli stereograms
richiedono un accoppiamento dei vetri
colorati separare le immagini
blu e rosse e creare un' illusione
tridimensionale. Risulta che le
equazioni per le immagini stereoscopiche
sono simili a quelle per la
diffrazione circolarmente polarizzata del
fotoelettrone. Appena come
le immagini che blu e rosse ciascuno
illustra una scena da una
punto-de-vista un po' differente, i due
modelli di diffrazione
rappresentare le viste un po' differenti
d'un cristallo. Daimon ha
dimostrato la tecnica facendo un
accoppiamento stereoscopico delle
immagini degli atomi all'interno d'un
cristallo del tungsteno. Ma
Brian Tonner dell' università di Florida
centrale a Orlando è
incerto se una tal tecnica potrebbe
allineare funzionare. " la
nozione che un modello di diffrazione come
questo può essere
interpretato in termini di spazio reale e
posizioni di tempo è ancora
sotto il dibattito scientifico, "
dice. Eppure, Tonner concede, non
è incoerente che questa tecnica potrebbe
funzionare e, perché è
così semplice, potrebbe persino consentire
la formazione immagine in
tempo reale delle molecole, un prospetto che
descrive come " molto
emozionante. "
An Angstrom-long Meter Stick
|
When you
want to measure the width of a window frame or the height of your growing
child, it helps to have a good meter stick. But on the atomic scale, accurate
measurements are harder to come by. In the 17 JulyPRL, a team reports a
potential new standard of length for short distances based on radiation from the
excited nuclei of iron atoms. Further improvements may make this standard an
important tool for probing the structure of matter, where physicists must gauge
the separations between nuclei with an accuracy of millionths of an angstrom.
The
meter, once defined as the gap between two etchings on a metal bar in Paris, is
now set as the distance that light from a helium-neon laser travels in
1/299,792,458 second. However, the wavelength of that laser light--about 6330
Å--is too large to use as a reference for measurements of atomic dimensions.
Instead, researchers use the regular spacing between atoms in a silicon
crystal, known as the lattice constant. This measurement is the most accurate
length standard at x-ray wavelengths now in use: 5.43102088 Å, known to within
0.029 parts per million. But the silicon lattice constant requires ultrapure
crystals and keen controls on temperature and pressure, making it difficult for
most labs to reproduce.
Fortunately,
Nature provides a simpler solution: the Mössbauer effect. Atomic nuclei in a
crystal or foil can absorb and emit photons (Mössbauer radiation) with
extremely well-defined energies. Bright pulses of x rays from a synchrotron
beam can stimulate the effect when the x-ray wavelength matches the Mössbauer
wavelength.
In the
new work, Yuri Shvyd'ko of the University of Hamburg and his colleagues used
iron-57, whose nuclei emit Mössbauer radiation with a wavelength of 0.86
angstroms. "That wavelength is so easy to reproduce with uniquely high
accuracy," says Shvyd'ko, since it requires no special lab conditions.
However, measuring the wavelength accurately calls for intense x-rays. Shvyd'ko
and his team used x-ray beams at the German Electron Synchrotron (DESY) in
Hamburg and the Advanced Photon Source at the Argonne National Laboratory in
Illinois.
To gauge
the Mössbauer wavelength accurately, the team first calibrated their
"wavelength selector"--an arrangement of crystals that picks out a
specific wavelength from the x-ray beam by rotating on a finely controlled pivot.
They aimed the output of the selector at a silicon crystal and used the
relationship between the silicon lattice constant and the (Bragg) scattering
angles to determine three reference wavelengths with high precision. With the
selector calibrated, they simply found the wavelength that excited Mössbauer
radiation in a foil of iron-57. The result was 0.86025474 Å, accurate to within
0.19 parts per million. "This is elegant and incredibly skilled
work," says Eric Isaacs of Lucent Technologies in Murray Hill, New Jersey.
"It's metrology at its best." A team in Japan led by Zhang Xiaowei of
the High-Energy Accelerator Research Corporation in Tsukuba recently published
a slightly different value for the iron-57 Mössbauer wavelength using another technique.
Coauthor
Wolfgang Sturhahn of Argonne hopes the team can improve the data by at least a
factor of 10 with an even tighter beam of x rays. If that occurs, the Mössbauer
iron-57 line may surpass the silicon lattice constant as the flagship standard
at x-ray and gamma-ray wavelengths. It might then be used as a reference in
measurements of fundamental physical constants. Sturhahn also foresees
higher-resolution maps of crystal structures. In the case of biological
proteins, such maps could illuminate their functions by showing in greater
detail how proteins interact with other molecules on the subatomic level.
Una sorgente Angstrom-lunga di standard del
laboratorio del R. B.
Fenner/Argonne National del bastone del
tester. I ricercatori hanno
misurato esattamente la lunghezza d'onda dei
raggi di x emessi dai
nuclei che hanno eccitato in questa stagnola
sottile di ferro
(indicato nel colore falso). Dopo alcuni miglioramenti nella misura,
questa lunghezza d'onda ha potuto
transformarsi in " nel bastone del
tester " standard per atomico-regola
gli esperimenti.
Di quando desiderate misurare la larghezza
un telaio del Window o l'
altezza del vostro bambino crescente,
contribuisce ad avere un buono
bastone del tester. Ma sulla scala atomica, le misure esatte
sono
più dure da ottenere. Nei 17 JulyPRL, una squadra segnala un nuovo
livello potenziale della lunghezza per le
distanze corte basate su
radiazione dai nuclei eccitati degli atomi
del ferro. Ulteriori
miglioramenti possono rendere a questo
standard uno strumento
importante per il sondaggio della struttura
della materia, in cui i
fisici devono misurare le separazioni fra i
nuclei con un' esattezza
dei millionths
d'un angstrom. Il tester, definito una volta come lo
spacco fra due acquaforte su una barra del
metallo a Parigi, ora è
regolato come la distanza che si illuminano
dalle corse helium-neon
del laser in 1/299.792.458 di seconde. Tuttavia, la lunghezza d'onda
di quella luce di laser -- circa 6330 Å -- è
troppo grande per usare
come riferimento per le misure delle
dimensioni atomiche. Invece, i
ricercatori usano il gioco normale fra gli
atomi in un cristallo del
silicone, conosciuto come il costante della
grata. Questa misura ora
è lo standard di lunghezza più esatto alle
lunghezze d'onda dei
raggi X nell' uso: 5,43102088 Å, conosciuto
all'interno di 0,029
parti per milione. Ma il costante della grata del silicone richiede
sul rendente la i cristalli di ultrapure e
comandi acuti la
temperatura e pressione, difficile per la
maggior parte dei laboratori
riprodurre.
Fortunatamente, la natura fornisce una soluzione più
semplice:
l' effetto di Mössbauer. I
nuclei atomici in un cristallo
o in una stagnola possono assorbire ed
emettere i fotoni (radiazione
di Mössbauer) con le energie estremamente
ben definite. Gli impulsi
luminosi dei raggi di x da un fascio del
sincrotrone possono stimolare
l' effetto quando la lunghezza d'onda dei
raggi X abbina la lunghezza
d'onda di Mössbauer. Nel nuovo lavoro, Yuri Shvyd'ko dell'
università di Amburgo ed i suoi colleghe
hanno usato iron-57, di cui
i nuclei emettono la radiazione di Mössbauer
con una lunghezza d'onda
di 0,86 angstroms. " quella lunghezza d'onda è così facile
riprodurre con esattezza unicamente alta,
" dice Shvyd'ko, poiché non
richiede stati speciali del
laboratorio. Tuttavia, misurando la
lunghezza d'onda richiede esattamente i
raggi X intensi. Shvyd'ko e
la sua squadra hanno usato i fasci di raggi
X al sincrotrone tedesco
dell' elettrone (DESY) a Amburgo e la
sorgente avanzata del fotone al
laboratorio nazionale di Argonne nell'
Illinois. Per misurare
esattamente la lunghezza d'onda di
Mössbauer, la squadra in primo
luogo ha calibrato il loro " selettore
di lunghezza d'onda " -- una
disposizione dei cristalli che seleziona una
lunghezza d'onda
specifica dal fascio di raggi X ruotando su
un perno con precisione
gestito.
Hanno mirato l' uscita del selettore ad un cristallo del
silicone ed hanno usato il rapporto fra la
grata del silicone costante
e (Bragg) la dispersione si inclina per
determinare tre lunghezze
d'onda di riferimento con alta
precisione. Con il selettore
calibrato, hanno trovato semplicemente la
lunghezza d'onda che ha
eccitato la radiazione di Mössbauer in una
stagnola di iron-57. Il
risultato era 0,86025474 Å, esatti
all'interno di 0,19 parti per
milione.
" questo è elegante ed in lavoro incredibilmente esperto, "
dice Eric Isaacs delle tecnologie di Lucent
in collina di Murray, New
Jersey.
" è la metrologia al relativo la cosa migliore. " Una
squadra nel Giappone ha condotto da Zhang
Xiaowei dei High-Energy
Accelerator Research Corporation in Tsukuba
recentemente ha pubblicato
un valore un po' differente per la lunghezza
d'onda di iron-57
Mössbauer usando un' altra tecnica. Coauthor Wolfgang Sturhahn di
Argonne spera che la squadra possa
migliorare i dati almeno da un
fattore di 10 con un fascio ancora più
stretto dei raggi di x. Se
quello accade, la riga di Mössbauer iron-57
può sorpassare il
costante della grata del silicone come lo
standard della nave
ammiraglia alle lunghezze d'onda dei raggi
gamma e dei raggi X.
Potrebbe allora essere usata come
riferimento nelle misure dei
costanti fisici fondamentali. Sturhahn egualmente prevede i programmi
higher-resolution delle strutture di
cristallo. **time-out**
contenitore biologico proteina, tali
programma pot chiar loro funzione
mostr più dettagliatamente greater detail
come proteina interag con
altro
molecola secondario
One Less Bottleneck for Fusion
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You don't
need temperatures as hot as the Sun for nuclear fusion. Rather than squeezing
nuclei together with high temperature and pressure, the muon catalyzed fusion
(µCF) approach lets a muon do the squeezing--by forcing a pair of nuclei into
close quarters as the muon orbits at a short distance. Some researchers hope to
make it practical for power generation in the future, although they have also
been interested in the muonic molecule itself. A collaboration reporting in the
21 AugustPRL has now directly observed a dramatic enhancement in the
formation of the muonic molecule, an essential process considered a
"bottleneck" for µCF, using a new approach: They created a beam of
muonic tritium atoms to get a clean, isolated measurement of the exotic molecule
created just before fusion.
The goal
in nuclear fusion is to force a deuteron (d = proton + neutron) and a
triton (t = proton + 2 neutrons) into such close proximity that the
strong nuclear attraction between the two pulls them together, overriding their
electrical repulsion. In µCF, the muon does this by first replacing the
electron orbiting a triton, to make muonic tritium, or µt. The µt
then corrals one of the d nuclei of a D2 molecule ( 2 d's
+ 2 electrons) to form dµt, without separating from the other, more
distant d nucleus and two electrons. The dµt is so tightly bound
that it acts like a single nucleus in this unusual, 3-nucleus, "compound
molecule" that is the critical intermediate before fusion occurs.
A single
muon zipping through a medium enriched with deuterium and tritium can catalyze
perhaps 150 fusions, but ten times that number would be needed for a reactor to
"break even" in energy. One of the bottlenecks that limit the µCF
process is the formation of the dµt because the molecule has trouble
getting rid of the kinetic energy of the µt. Experiments beginning in
the 1980s suggested that if theµt comes in with enough energy, the dµt
can form in an excited state and deliver the extra energy to specific rotations
and vibrations of the 3-nucleus molecular complex. Theories predicted that this
"resonant enhancement" would be optimized with a µt having 1
eV of energy, but the only way to control its energy was indirect--by heating
the medium, which could only achieve the equivalent of 0.05 eV.
Now an
international collaboration led by Glen Marshall of TRIUMF in Vancouver,
Canada, has dramatically demonstrated the resonant formation of the dµt
at ten times the rate of previous experiments by creating a µt beam. The
TRIUMF lab's muon beam was aimed at an "upstream" target of
tritium-enriched hydrogen followed by a "moderation" layer to slow
down the µt's produced in the first layer. The µt's then flew
through an 18-mm gap--which the team used to clock their speed--before hitting
the final, "downstream" target of deuterium (D2) cooled to
3 K. Since the tritium is radioactive, team member Makoto Fujiwara, now of the
University of Tokyo, calls the experiment "cold fusion with hot
atoms."
The
researchers cleanly measured the number of fusions (which produce detectable
alpha particles) at each µt energy. Their data confirm the predictions
of a dµt enhancement near 1 eV and also probe the energy structure of
three vibrational states of the compound molecule, because the likelihood of
fusion depends on the µt energy matching the vibrational energies.
James
Cohen of Los Alamos National Laboratory in New Mexico says the new data
strongly suggest that the first bottleneck in µCF can be eliminated, and only
one other remains--the tendency of the muon to "stick" to the
outgoing alpha particle after fusion--although "that one would seem to be
less amenable to control," he says. Still, Cohen is most interested in the
basic physics of forming the compound molecule, whether or not µCF leads to a
practical device. He's also very impressed with the experiment itself.
"Theorists think something can't be done experimentally, and clever
experimentalists are able to do it anyway," he says, noting that a decade
ago "I'd have said I couldn't imagine any way of doing it."
Uno meno grave ostacolo per fusione Makoto
Fujiwara ed obiettivo di
TRIUMF il doppio. Una squadra di fisici ha usato questo accoppiamento
degli obiettivi in un fascio del muon per
effettuare la misura più
pulita tuttavia del processo centrale nel
muon ha catalizzato la
fusione, un tipo di fusione nucleare che non
richiede le temperature
del superhot.
Non avete bisogno delle temperature calde
quanto il sole per fusione
nucleare.
Piuttosto che comprimendo i nuclei insieme alla temperatura
elevata ed alla pressione, il metodo di
fusione catalizzato muon (µCF)
lascia un muon fare comprimere -- forzando
un accoppiamento dei nuclei
nei quarti vicini come le orbite del muon ad
una distanza corta.
Alcuni ricercatori sperano di renderli
pratico per la produzione di
energia in avvenire, anche se egualmente si
sono interessati alla
molecola muonic in se. Una collaborazione che segnala nel 21
AugustPRL ora direttamente ha osservato un
aumento drammatico nella
formazione della molecola muonic, un
processo essenziale ha
considerato " un grave ostacolo "
per µCF, usando un nuovo metodo: Ha
creato un fascio degli atomi muonic del
tritio per ottenere una misura
pulita e isolata della molecola esotica
creata appena prima fusione.
L' obiettivo nella fusione nucleare è di
forzare un deuteron (d =
protone + neutrone) e un tritone (t =
protone + 2 neutroni) in tali
prossimità di fine che l' attrazione
nucleare forte fra i due le tira
insieme, escludendo la loro repulsione
elettrica. In µCF, il muon fa
questo in primo luogo sostituendo l'
elettrone che orbita intorno ad
un tritone, per fare il tritio muonic, o il
µt. Il µt allora corrals
uno dei nuclei di d D2 d'una molecola (2 d +
2 elettroni) per formare
il dµt, senza separare dall' altro, dal
nucleo più distante di d e da
due elettroni. Il dµt è limitato così strettamente che si comporta
come un singolo nucleo in questo insolito,
3-nucleus, " molecola
compound " che è l' intermediario
critico prima che la fusione
accada.
Un singolo muon che chiude con chiusura a lampo con un media
arricchito con il deuterio ed il tritio può
catalizzare forse 150
fusioni, ma dieci volte che il numero
sarebbe necessario affinchè un
reattore " si rompa persino "
nell' energia. Uno dei gravi ostacoli
che limitano il processo di µCF è la
formazione del dµt perché la
molecola ha difficoltà eliminare l' energia
cinetica degli
esperimenti di µt. che cominciano negli anni
80 ha suggerito che se il
theµt entra con abbastanza energia, il dµt
può formare in una
condizione eccitata e trasportare l' energia
supplementare alle
rotazioni ed alle vibrazioni specifiche del
complesso molecolare
3-nucleus.
Le teorie hanno predetto che questo " aumento sonoro "
sarebbe ottimizzato con un µt che ha 1 eV di
energia, ma l' unico modo
gestire la relativa energia era indiretto --
riscaldando il media, in
grado di realizzare soltanto l' equivalente
di 0,05 eV. Ora una
collaborazione internazionale condotta da
Glen Marshall di TRIUMF a
Vancouver, Canada, ha dimostrato
drammaticamente la formazione sonora
del dµt a dieci volte il tasso degli
esperimenti precedenti creando un
fascio del µt. Il fascio del muon del laboratorio di TRIUMF era
puntato su obiettivo " verso l'alto
" di idrogeno tritio-arricchito
seguito da uno strato " di moderazione
" per rallentare il µt prodotto
nel primo strato. Il µt allora ha volato con del 18millimetro uno
spacco -- che la squadra ha usato
cronometrare la loro velocità --
prima di colpire il finale, obiettivo "
downstream " del deuterio (D2)
raffreddato a 3 K. Since il tritio è
radioattivo, membro Makoto
Fujiwara della squadra, ora dell' università
di Tokyo, chiamate l'
esperimento " fusione fredda con gli
atomi caldi. " I ricercatori in
modo pulito hanno misurato il numero di
fusioni (che producono le
particelle di alfa rilevabili) ad ogni energia
del µt. I loro dati
confermano le previsioni d'un aumento del
dµt vicino a 1 eV ed
egualmente sondano la struttura di energia
di tre condizioni
vibratorie della molecola compound, perché
la probabilità di fusione
dipende dall' energia del µt che abbina le
energie vibratorie. James
Cohen del laboratorio nazionale del Los
Alamos nel New Mexico dice che
i nuovi dati suggeriscono fortemente che il
primo grave ostacolo in
µCF può essere eliminato e soltanto un altro
rimane -- la tendenza
del muon " attaccare " alla
particella di alfa uscente dopo fusione --
anche se " quell' sembrerebbe essere
meno favorevole a controllo, "
dice.
Eppure, Cohen è più interessato nella fisica di base di
formare la molecola compound, se o
Entangled Atomic Beams
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According
to quantum mechanics, a pair of specially prepared particles can be far apart but
retain a bizarre "entangled" relationship, where measurement of one
has an immediate impact on the state of the other. Most experiments with
entanglement have used isolated pairs of photons or two continuous light waves
consisting of many entangled photon pairs. In the 6 NovemberPRL, two
teams independently propose a simple way of creating two entangled beams of
atoms, using a Bose-Einstein condensate--a cloud of atoms cooled to its quantum
mechanical ground state. These entangled beams would allow new tests of the
weirdest ideas in quantum mechanics and new avenues of research into the
fundamental concepts of quantum information, the basis for quantum computing
and quantum cryptography. Another more distant application may be atomic clocks
that beat conventional limits of precision.
Researchers
can create a pair of photons in which one is horizontally polarized and the
other vertically polarized, but the polarization of each one remains
unknown--and according to quantum mechanics, undefined--until one is measured.
If entangled photon pairs are produced at a high enough rate, the individual
particles merge into continuous light beams which have been used to test the
so-called Bell inequalities, the fundamental equations describing entanglement.
Researchers have also used them to look at entanglement-related effects such as
quantum state teleportation. Atoms are thought to be better suited to such
applications than photons because almost every atom can be detected, and
because they should be less prone to "disentangling" in response to
outside disturbances. Although a few labs have generated pairs of entangled
atoms--one spin up, the other spin down--none have produced entangled atomic
beams, which could maximize the advantages of atoms over photons.
The two
teams--one based at the University of Arizona in Tucson and one at the
University of Innsbruck, Austria--propose essentially the same recipe. Imagine
atoms that have three spin states: 0, +1, and -1. Start with a Bose-Einstein
condensate of atoms entirely in the spin 0 state, and raise its energy (with
microwaves) above that of the +1 and -1 states. The condensate will no longer
be in the ground state, and atoms will tend to drop to the lowest energy states
via spin-conserving collisions. Pairs of spin 0 atoms will collide and generate
pairs of entangled spin +1 and -1 atoms, and these will increase their kinetic
energy (speed) to compensate for their loss of "spin energy." After
each of these collisions, the two fast moving entangled atoms will then head straight
out of the atom trap in opposite directions.
Han Pu of
Arizona says that for a cigar shaped condensate, most of the entangled pairs
will emerge as two beams along the cigar axis, and additional traps at each end
could capture a large number of escaping atoms. These clouds could serve as
plentiful sources for experiments. The Innsbruck team, led by Ignacio Cirac and
Peter Zoller, calculates the unusual statistical properties of the beams: The
total spin is exactly zero, and the fluctuations about this value are much
smaller than would be expected for any classical set of atoms.
Mikhail
Lukin of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics says the results
"may open a new chapter in the physics of non-classical states."
According to Lukin, the suppressed fluctuations may lead to atomic clocks with
unparalleled precision, since today's best clocks are limited by fluctuations.
As for the experimental implementation of the proposals, Pu says at least one
lab has already gone part-way, and experimentalists need only use current
technology. "All the pieces are already there," says Pu.
Fasci Atomici Impigliati Phys. Rev.
Lett. 85, (2000) intrichi 3991
mass-produced. Gli scontri fra gli atomi di rotazione 0 in un
condensato specialmente preparato di Bose-Einstein
produrrebbero in
modo opposto hanno diretto i fasci degli
atomi impigliati, che
potrebbero essere usati per le indagini
sull' intrico e sulla teoria
di informazioni di quantum. Nel passato soltanto i fasci dei fotoni
impigliati sono stati prodotti.
Secondo i meccanici di quantum, un
accoppiamento delle particelle
specialmente preparate può essere diverso
lontano ma mantenere un
rapporto " impigliato " bizzarro,
dove una misura di una ha un effetto
immediato sulla condizione dell' altra. La maggior parte dei
esperimenti con l' intrico hanno usato gli
accoppiamenti isolati dei
fotoni o di due onde continue della luce che
consistono di molti
accoppiamenti impigliati del fotone. Nei 6 NovemberPRL, due squadre
propongono indipendentemente un modo semplice
di creazione dei due
fasci impigliati degli atomi, usando un
condensato di Bose-Einstein --
una nube degli atomi raffreddati alla
relativa condizione al suolo
meccanica di quantum. Questi fasci impigliati permetterebbero le
nuove prove delle idee più bizzarre nei
meccanismi di quantum ed in
nuovi viali di ricerca sui concetti
fondamentali delle informazioni di
quantum, della base per la computazione di
quantum e del cryptography
di quantum.
Un' altra applicazione più distante può essere orologi
atomici che battono i limiti convenzionali
di precisione. I
ricercatori possono creare un accoppiamento
dei fotoni in cui uno è
polarizzato orizzontalmente e l' altro è
polarizzato verticalmente,
ma la polarizzazione di ogni rimane
sconosciuta -- e secondo i
meccanici di quantum, undefined -- fino a
misurare uno. Se gli
accoppiamenti impigliati del fotone sono
prodotti su ad un abbastanza
tasso, le diverse particelle si fondono nei
raggi di luce continui che
sono stati usati per verificare le
cosiddette diseguaglianze della
Bell, le equazioni fondamentali che
descrivono l' intrico. I
ricercatori egualmente le hanno usate per
guardare gli effetti
intrico-relativi quale teleportation della
condizione di quantum. Gli
atomi si pensano per essere adatti più
meglio a tali applicazioni che
i fotoni perché quasi ogni atomo può essere
rilevato e perché
dovrebbero essere " disentangling
" meno incline in risposta alle
dispersioni esterne. Anche se alcuni laboratori hanno generato
gli
accoppiamenti degli atomi impigliati -- l'
una rotazione in su, l'
altro la rotazione si scola -- nessun hanno
prodotto i fasci atomici
impigliati, in grado di elevare i vantaggi
degli atomi sopra i fotoni.
Le due squadre -- una basata all' università
de Arizona in Tucson ed
una all' università di Innsbruck, l' Austria
-- propongono
essenzialmente la stessa ricetta. Immaginare gli atomi che hanno tre
condizioni di rotazione: l' inizio 0, +1 e -1, con un condensato di
Bose-Einstein degli atomi interamente nella
condizione di rotazione 0
e solleva la relativa energia (con le
microonde) sopra quella delle +1
e -1 condizioni. Il condensato più non sarà nella condizione al
suolo e gli atomi tenderanno a cadere alle
condizioni di energia più
basse via gli scontri
fil-spin-conserving. Gli accoppiamenti
degli
atomi di rotazione 0 si scontreranno e
genereranno gli accoppiamenti
degli atomi impigliati di rotazioni +1 e -1
e questi aumenteranno la
loro energia cinetica (velocità) per
compensare la loro perdita " di
energia di rotazione. " Dopo ciascuno di questi scontri, i due atomi
impigliati muoventesi veloci allora
dirigeranno diritto dalla presa
dell' atomo nei sensi opposti. L' unità di elaborazione di Han dell'
Arizona dice che per un sigaro ha modellato
il condensato, la maggior
parte degli accoppiamenti impigliati
emergerà come due fasci lungo l'
asse del sigaro e le prese supplementari ad
ogni estremità potrebbero
bloccare tantissimi atomi di
fuoriuscita. Queste nubi hanno potuto
servire da sorgenti abbondanti per gli
esperimenti. La squadra de
Innsbruck, condotta da Ignacio Cirac e Peter
Zoller, calcola le
proprietà statistiche insolite dei
fasci: La rotazione totale è
esattamente zero e le fluttuazioni circa
questo valore sono molto più
piccole di essere previsto per l' insieme
degli atomi affatto
classico.
Mikhail Lukin del centro di Harvard-Smithsonian per
astrofisica dice che i risultati "
possono aprire un nuovo capitolo
nella fisica delle condizioni non-classiche.
" Secondo Lukin, le
fluttuazioni soppresse possono condurre agli
orologi atomici con
precisione unparalleled, poiché gli odierni
orologi i migliori sono
limitati dalle fluttuazioni. Per quanto riguarda l' implementazione
sperimentale delle proposte, l' unità di
elaborazione dice che almeno
un laboratorio già è andato parzialmente e
tecnologia corrente di
uso di bisogno di experimentalists soltanto
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Left-Handed Nuclei
Many
molecular structures have two forms that are mirror images of one another,
often called left- and right-handed forms. Now a collaboration reports in the
5 February PRL that potato-shaped atomic nuclei can also have a
"handedness" when they spin about an asymmetric axis. The shape of
these nuclei has been uncertain, and the results simultaneously demonstrate
that nuclei can be rigidly "triaxial"--ellipsoidally shaped, with
axes of different lengths in all three dimensions. Since symmetries are
fundamentally related to basic interactions, experts are excited about
evidence that nuclei are less symmetric than previously thought and expect it
to lead to a deeper understanding of nuclear structure. Physicists
have always looked for symmetries--and broken symmetries--because they can
lead to fundamental principles. For example, the fact that any experiment
will come out the same way today as it will tomorrow ("time translation
symmetry"), leads to the classical conservation of energy. Once, nuclei
were assumed to be spheres, the ultimate symmetric shape, until research
showed they could be extremely elongated like cigars. In the 1960s theorists
first speculated that nuclei could be triaxial in shape--and therefore even
less symmetrical--but there was no direct way to observe it. Theoretical
work by Stefan Frauendorf of the University of Notre Dame in Indiana and the
Rossendorf Research Center in Dresden, Germany, and his colleagues [1, 2] showed that
triaxial nuclei with odd numbers of both protons and neutrons
("odd-odd" triaxial nuclei) could have handedness. According to
their results, observing the so-called chirality would provide solid evidence
for stable triaxial shapes, while also establishing handedness as a new
property of nuclei. Nucleons
like to pair up and form a shell structure, just as electrons do in atoms. In
some odd-odd nuclei, the unpaired proton and neutron can orbit independently,
above the remaining "core" nucleons, which spin as a single unit.
If the proton and neutron in a football-shaped nucleus orbit around the same
axis on which the core spins, the nucleus is highly symmetric, like a
vertically oriented top. But for triaxial nuclei with the right numbers of
protons and neutrons, the two independent nucleons can orbit about the
shortest and longest axes, while the core spins about the third,
intermediate-length axis. In this case, the three sources of rotation can be
oriented in two different ways with respect to one another--left-handed and
right-handed--and the total spin is askew to the three principal axes. Krzysztof
Starosta of the State University of New York at Stony Brook and other
experimentalists have now collaborated with Frauendorf and found evidence for
handedness in odd-odd nuclei. They aimed beams of heavy ions at targets of
selected elements to produce nuclei with 75 neutrons and 55, 57, 59, and 61
protons (cesium, lanthanum, praseodymium, and promethium) in a wide variety
of spin states. In experiments at Stony Brook and Yale University, the team
detected the energies and directions of gamma rays emitted by the nuclei and
found the energies of each spin state. "Our experimental techniques were
not revolutionary," admits Starosta, but no one had attempted the tests
previously, in part because of the complexities of untangling the data for
odd-odd nuclei. The
team found a long series of "doublets"--pairs of closely spaced
energy states with the same amounts of angular momentum that corresponded to
otherwise identical nuclei. The simplest explanation, the team concluded, was
that the pairs of states arose from the two different types of handedness. "The
question of whether stable triaxial nuclear shapes exist has been debated for
decades," says Mark Riley of Florida State University in Tallahassee.
Starosta and his colleagues have "hit upon the first direct
evidence," which Riley says is causing quite a stir in the nuclear
physics world. Patata del K. Starosta/SUNY Nuclear dei
nuclei di Left-Handed. Quando un nucleo con i numeri dispari di protoni
e di neutroni ha ascie di tre lunghezze differenti, può mostrare
" una manualità, " secondo gli orientamenti delle orbite unpaired del
neutrone e del protone. Sia la manualità che la figura della
patata sono recentemente asimmetrie dimostrate per i nuclei. Molte strutture molecolari hanno due forme
che sono lle immagini di una un altro dello specchio, spesso
chiamate forme di sinistra e di mano destra. Ora una collaborazione segnala nel 5 febbraio PRL che i patata-a forma di nuclei atomici possono
anche avere " una manualità " quando filano circa un asse
asimmetrico. La figura di questi
nuclei è stata incerta ed i risultati dimostrano
simultaneamente che i nuclei possono essere rigidamente " a
tre assi " -- ellipsoidally a forma di, con le ascie delle lunghezze
differenti in tutte e tre le dimensioni. Poiché le simmetria sono collegate fondamentalmente con le interazioni di base, gli esperti sono
eccitati circa prova che i nuclei sono meno simmetrici che
precedentemente hanno pensato e che prevedono che da condurre ad una
comprensione più profonda di structure.Physicists nucleare abbia
cercato sempre le simmetria -- e simmetria rotte -- perché possono condurre
ai principii fondamentali. Per esempio, il fatto che tutto l'
esperimento verrà verso l'esterno lo stesso modo oggi come domani ("
simmetria di traduzione di tempo "), conduce alla conservazione di
energia classica. Una volta che, i nuclei fossero presupposti per essere
sfere, l' ultima figura simmetrica, fino a che la ricerca non li
mostrasse potrebbe essere estremamente prolungata come i
sigari. **time-out** anni 60 teorico in primo luogo specul che nucleo pot
essere a tre assi figura -- e quindi ancor meno less simmetrico -- ma là
essere nessun diretto modo per osserv it.Theoretical lavoro Stefan
Frauendorf università Notre dame Indiana e Rossendorf ricerca centro
Dresda, Germania, e suo collega [ 1, 2 ] indic che a tre assi
nucleo con dispari numero protone e neutrone (" dispari-dispari
" a tre assi nucleo) pot manualità. Secondo i loro risultati, osservare il cosiddetto chirality fornirebbe la prova solida per
figura a tre assi stabile, mentre anche stabiliva la manualità come
nuova proprietà dei nuclei. I nucleoni gradiscono accoppiare in su e
formare una struttura delle coperture, appena come gli elettroni fanno
in atomi. In alcuni nuclei dispari-dispari, il protone ed il neutrone
unpaired possono orbitare intorno a indipendentemente, sopra i
nucleoni restanti " di nucleo ", che filano come singola unità. Se il protone ed il neutrone in un gioco del calcio-a forma di nucleo
orbitano intorno a intorno allo stesso asse su cui il nucleo fila, il
nucleo è altamente simmetrico, come una parte superiore verticalmente
orientata. Ma per i nuclei a tre assi con i giusti numeri di protoni e
di neutroni, i due nucleoni indipendenti possono orbitare intorno a
circa le ascie più corte e più lunghe, mentre il nucleo fila circa il
terzo, asse di intermedio-lunghezza. In questo caso, le tre sorgenti di
rotazione possono essere orientate in due modi
differenti riguardo ad uno un altro -- sinistro e di mano destra -- e la
rotazione totale è storte ai tre axes.Krzysztof principali Starosta
dell' università di Stato di New York al ruscello pietroso ed altri
experimentalists ora hanno collaborato con Frauendorf ed hanno
trovato la prova per la manualità nei nuclei dispari-dispari. Hanno mirato i fasci degli ioni pesanti agli obiettivi degli elementi selezionati
per produrre i nuclei con 75 neutroni e 55, 57, 59 e 61 protone (cesio,
lantanio, praseodymium e promethium) in un' ampia varietà di
condizioni di rotazione. Negli esperimenti al ruscello ed all' università
pietrosi di Yale, la squadra ha rilevato le energie ed i sensi
dei raggi gamma emessi dai nuclei ed ha trovato le energie di ogni
condizione di rotazione. " le nostre tecniche sperimentali non erano
rivoluzionarie, " ammette Starosta, ma nessuno avevano tentato
precedentemente le prove, in parte a causa delle complessità di
districh dei dati per la squadra dispari-dispari di nuclei.The hanno
trovato una serie lunga di accoppiamenti " dei doublets "
-- delle condizioni molto attentamente spaziate di energia con gli stessi importi
di quantità di moto angolare che hanno corrisposto ai nuclei
al contrario identici. La spiegazione più semplice, la squadra
conclusiva, era che gli accoppiamenti delle condizioni sono
risultato dai due tipi differenti di domande di handedness."The di se
la figura nucleare a tre assi stabile esiste è stata dibattuta per le
decadi, " dice il contrassegno
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Newton's Still Correct
You
might think that Newton's law of gravity is about as solid as any principle
in physics. But if some of the latest grand unification theories are correct,
gravity may not operate exactly the way we expect. The 19 February PRL
reports experiments that test Newton's inverse-square law down to 200 µm,
with at least ten times the sensitivity of previous tests. Newtonian gravity
remains in tact so far, which eliminates some theories proposing extra
spatial dimensions, beyond the three we know. But extra dimensions may still
exist, "curled up" to smaller sizes. While
string theories promise to unify the four known types of forces in one
framework, they also require at least six extra spatial dimensions. These
dimensions are said to be curled up in a way that makes them normally
invisible--like the width of a distant telephone pole on the horizon, you
can't see them until you come in close. Extra dimensions might solve other
problems as well, says Jens Gundlach of the University of Washington in
Seattle, such as the surprising feebleness of gravity compared with
electromagnetism and the nuclear forces. According to this view, gravity's
effects spread into other dimensions, whereas the other forces are limited to
our three-dimensional world. "Gravity is so weak because it's
diluted," he says. Theorists
predicted that some of the extra dimensions might extend as far as a
millimeter or so, making them accessible to tabletop experiments: With two
"large" extra dimensions, the 1/r2 law of gravity would
look more like 1/r4 at close range. Now a University of Washington
team led by Eric Adelberger and Blayne Heckel, and including Gundlach,
reports the first and most sensitive of a new generation of precision, short
range gravity tests searching for extra dimensions. Inside
a high vacuum chamber, the team suspended a small metal ring from a torsion
(twisting) pendulum and placed a slowly rotating disk below it. The ring and
disk were perforated by ten holes each, and gravity tended to align the holes
ten times per revolution. A second disk rotating just below the first one
also had ten holes, but at positions designed to partially cancel the
attraction of the upper disk to the ring. A mirror affixed to the pendulum
reflected a laser beam and allowed Adelberger and his colleagues to detect
slight rotations of the ring. Gundlach explains that the experiment was
difficult partly because electrostatic fields--static electricity--could
easily overwhelm the tenuous gravitational force. The team carefully
stretched a 20-micrometer-thick sheet of metal between the ring and disks to
shield from such effects. The
researchers recorded the rotation of the ring suspended at heights between
200 µm and 5 mm. At 2 mm--the height where cancellation was maximized--they
saw the complete cessation of motion expected from Newtonian gravity, and
their data at other heights were also completely consistent with the
textbooks. The
team came up with a "brilliant design" and carried out a
"beautiful experiment," says Aharon Kapitulnik of Stanford University
in Palo Alto, CA. One important aspect, he explains, is that they measured a
complete cancellation of the gravitational force at one height but could then
move the ring above and below that height to check that their apparatus
detected gravity cleanly, free of background interference. Kapitulnik is
working on a much shorter range measurement of gravity and says he's never
discouraged by so-called null results that do not disprove Newton. "It's
important to do it, and somebody has to do it," he says. Del Newton C.d. Hoyle/T Corretto
Ancora. McGonagle/Univ. dell' attrazione vicina de Washington. Le dimensioni spaziali supplementari -- oltre i tre che conosciamo --
potrebbero alterare la legge del inverso-quadrato del Newton di gravità
alle distanze corte. Ma misure usando un anello sospeso (argento)
sopra un' esposizione del disco di rotazione (rame colorato) che il
Newton è basso corretto almeno a µm 200. Potreste pensare che la legge del Newton
di gravità fosse circa solida quanto tutto il principio nella
fisica. Ma se alcune di ultime grandi teorie di unificazione sono
corrette, la gravità non può funzionare esattamente il modo che
prevediamo. Del 19 i rapporti febbraio PRL sperimenta legge del
inverso-quadrato di quel Newton della prova giù a µm 200, con almeno dieci
volte la sensibilità delle prove precedenti. La gravità newtoniana rimane finora nel tatto, che elimina alcune teorie che
propongono le dimensioni spaziali supplementari, oltre i tre che
conosciamo. Ma le dimensioni supplementari possono tranquillo esistere,
" arricciato su " ai più piccoli formati. Mentre le teorie della stringa promettono di unificare i quattro tipi conosciuti di
forze in una struttura, egualmente richiedono almeno sei
dimensioni spaziali supplementari. Queste dimensioni sarebbero arricciate in
su in un modo che le rende normalmente invisibili -- come la
larghezza d'un palo distante sull' orizzonte, del telefono non potete più
vederli fino a che voi venire nella fine. Le dimensioni supplementari hanno potuto risolvere altri problemi pure, ad esempio Jens Gundlach
dell' università di Washington a Seattle, quale il feebleness
di sorpresa di gravità rispetto ad elettromagnetismo ed alle
forze nucleari. Secondo questa vista, gli effetti della gravità si
spargono in altre dimensioni, mentre le altre forze sono limitate al
nostro mondo tridimensionale. " la gravità è così debole perché è
diluita, " che lui says.Theorists ha predetto che alcune
delle dimensioni supplementari potrebbero estendersi fino ad un
millimetro o così, rendendole accessibili agli esperimenti da
tavolo: Con due " le grandi
" dimensioni supplementari, la legge 1/r2 di
gravità osserverebbero più come 1/r4 gamma vicina. Ora un' università di squadra de Washington ha condotto da Eric Adelberger
e Blayne Heckel ed includendo Gundlach, i rapporti il primo
ed il più sensibile di nuova generazione di precisione, gravità corta
della gamma verifica la ricerca delle dimensioni
supplementari. All'interno di alto alloggiamento di vuoto, la squadra ha
sospeso un piccolo anello del metallo da un pendolo di torsione
(torcere) ed ha disposto un disco lentamente di rotazione sotto esso. L' anello ed il disco sono stati perforati da dieci fori ciascuno e la
gravità ha teso ad allineare i fori dieci volte per il giro. Un secondo disco che ruota appena sotto quello primo anche avuto dieci fori, ma
alle posizioni destinate parzialmente per annullare l' attrazione
del disco superiore all' anello.
Uno specchio affisso al pendolo ha riflesso un fascio laser e che ha permesso che Adelberger ed i suoi
colleghe rilevassero le rotazioni leggere dell' anello. Gundlach spiega che l' esperimento era parzialmente difficile perché i campi
elettrostatici -- elettricità statica -- potrebbero
sopraffare facilmente la forza gravitazionale inconsistente. La squadra ha allungato con attenzione un foglio 20-micrometer-thick di metallo
fra l' anello ed i dischi allo schermo da tali ricercatori di
effects.The hanno registrato la rotazione dell' anello sospeso alle
altezze fra 200 µm e 5 millimetri. A 2 millimetri -- l' altezza dove l'
annullamento è stato elevato -- hanno visto la cessazione completa di
movimento attesa da gravità newtoniana ed i loro dati ad altre altezze
erano egualmente completamente costanti con la squadra di
textbooks.The hanno fornito " un disegno brillante " ed hanno
effettuato " un esperimento bello, " dice Aharon Kapitulnik dell' università
della Stanford a Palo Alto, CA.
Una funzione importante, spiega, è che hanno misurato un annullamento completo della forza gravitazionale
ad un' altezza ma potrebbero allora spostare l' anello sopra
e sotto quell' altezza per controllare che il loro apparecchio abbia
rilevato la gravità pulita, esente da interferenza della priorità
bassa. Kapitulnik sta lavorando ad una misura molto più corta
della gamma di gravità e che dice che non è scoraggiato mai tramite i
cosiddetti risultati nulli che non confutano il Newton. " è importante farlo e qualcuno deve farlo,
" dice. |
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Dye Doesn't Follow Fluid Flow
It's a
morning ritual: Pour a cup of coffee, stir in some cream, and watch the color
lighten from nearly black to a pleasing brown. The cream diffuses quickly as
it traces the flow of coffee generated by your spoon. Most tracer particles
follow that routine in nature, but now researchers have found a twist. In the
12 February PRL, a team shows that subtle changes in the forces acting
on tracer particles can focus them within specific parts of the overall flow,
creating unexpected stripes or eddies of high concentration. The effect could
alter the rates of chemical reactions within mixing chambers, and it may
influence the motion of water droplets in the atmosphere. When
particles get mixed into a fluid, some follow random trajectories, blurring
into a smooth distribution throughout the fluid. In a cylindrical lab
container stirred by spinning disks, this chaotic mixing forms a
doughnut-shaped surface of whirling particles. However, other particles
travel along the toroidal surface on orbits that carry them past the same
spots again and again. Ordinarily
those repeated orbits don't stand out if all tracer particles follow the
chaotic fluid flow faithfully. But large or massive tracer particles can
concentrate along specific trajectories, so their flow pattern is not
representative of the overall flow. Now Fernando Muzzio and his colleagues at
Rutgers University in Piscataway, NJ, have accidentally discovered another
way to concentrate tracer particles into patterns: gradually alter their
buoyancies or densities. Graduate
student Mario Alvarez had prepared two batches of fluorescent dye to inject
into a cylindrical mixer containing glycerine. A batch of green dye was
neutrally buoyant, so it spread into the glycerine to form the expected
torus. However, a slightly less dense batch of red dye streaked into narrow
chains. This behavior was puzzling, but after more experiments and some
computer simulations, the cause seemed to be a time-dependent buoyancy: As
the red dye slowly floats up, it gradually spreads out and becomes less
buoyant. Parcels of dye may have enough upward speed to break into one of the
horizontal bands of glycerine flow but then lose buoyancy and become trapped
in them for long times. The dye would not form this pattern if it rose at a
constant rate. "Because there is a transient change in the density over
time, [the dye] becomes focused," says team member Troy Shinbrot.
"To me that is really bizarre." The
main application is in modeling chemical reactions, Shinbrot says. Local
temperature changes may cause some of the reactants to concentrate within
narrow regions as they flow through a mixing chamber, leading to different
reaction products in different spots. Shinbrot also speculates that transient
solar heating of water droplets in the air would alter their buoyancies
enough to form focused eddies, thus affecting the dynamics of clouds. The
research throws an interesting curve into models of how impurities travel
through dynamic fluids, says physicist Thomas Solomon of Bucknell University
in Lewisburg, PA. "This clearly is a new mechanism by which focusing can
occur within real flows," he says. "It merits more discussion, and
the paper throws it open for the community to try to interpret. La Tintura Non segue La Quantità di fluido
Phys. Rev. Lett. 86, 1207 (2001) nastro della tintura. Un effetto di sorpresa intrappola le particelle rosse della tintura all'interno
delle fasce strette in un serbatoio di liquido girantesi. Tale focalizzazione può influenzare le reazioni chimiche ed i movimenti del
vapore acqueo nell' atmosfera. È un rituale di mattina: Versare una tazza di caffè, mescolarsi in certa crema e guardare il colore
alleggerire da quasi nero ad un colore marrone piacevole. La crema si diffonde rapidamente mentre segue il flusso di caffè generato dal
vostro cucchiaio. La maggior parte delle particelle dell' elemento
tracciante seguono quella procedura in natura, ma ora i ricercatori
hanno trovato una torsione.
Nel 12 febbraio PRL, una squadra indica che i cambiamenti sottili nelle forze che si comportano sulle
particelle dell' elemento tracciante possono metterli a fuoco
all'interno delle parti specifiche del flusso generale, creando le bande
inattese o i gorghi di alta concentrazione. L' effetto potrebbe alterare i tassi delle reazioni chimiche all'interno delle camere di
carburazione e può influenzare il movimento delle goccioline dell' acqua
nelle particelle di atmosphere.When ottiene mixed in un
liquido, alcuni segue la traiettoria casuale, offuscante in una
distribuzione regolare durante il liquido. In laboratorio cilindrico un contenitore si è mescolato filando i dischi, questi forme di
miscelazione caotiche una superficie a forma di ciambella delle particelle
girantesi. Tuttavia, altre particelle viaggiano lungo la superficie
toroidal sulle orbite che le trasportano ancora oltre gli stessi punti
ed again.Ordinarily quelle orbite ripetute non si levano in piedi
fuori se tutte le particelle dell' elemento tracciante seguono
fedelmente la quantità di fluido caotica.
Ma le grandi o particelle voluminose dell' elemento tracciante possono concentrarsi lungo la
traiettoria specifica, in modo da il loro modello di flusso non è
rappresentativo del flusso generale.
Ora Fernando Muzzio ed i suoi colleghe all' università di Rutgers in Piscataway, NJ, ha scoperto
casualmente un altro modo concentrare le particelle dell' elemento
tracciante nei modelli: alterare gradualmente i loro buoyancies o
l' allievo Mario Alvarez di densities.Graduate aveva preparato due
serie di tintura fluorescente per iniettare in un miscelatore cilindrico
che contiene la glicerina.
Una serie di tintura verde era neutro capace di galleggiare, in modo da si è sparsa nella glicerina per formare
il toro previsto. Tuttavia, una serie un po' meno densa di
tintura rossa si è striata nelle catene strette. Questo comportamento stava imbarazzando,
ma dopo più esperimenti ed alcune simulazioni
su elaboratore, la causa ha sembrato essere una galleggiabilità
dipendente dal tempo: Mentre la tintura rossa galleggia lentamente in
su, si sparge gradualmente fuori e diventa meno capace di
galleggiare. I pacchetti della
tintura possono avere abbastanza velocità
ascendente per rompersi in una delle fasce orizzontali di flusso della
glicerina ma allora per perdere la galleggiabilità ed essere
intrappolata in loro per i molti periodi.
La tintura non formerebbe questo modello se aumentasse ad un tasso costante. " Poiché ci è un cambiamento transitorio nella densità col tempo, [ la tintura ] è messo
a fuoco, " dice il membro Troy Shinbrot della squadra. " a me che è realmente l'
applicazione principale di bizarre."The è nella
modellistica delle reazioni chimiche, Shinbrot dice. I mutamenti di temperatura locali possono causare alcuni dei reattivi al concentrato
all'interno delle regioni strette mentre attraversano una camera di
carburazione, conducendo ai prodotti differenti di reazione in punti
differenti. Shinbrot egualmente specula che il riscaldamento solare
transitorio delle goccioline dell' acqua nell' aria
altererebbe i loro buoyancies abbastanza per formare i gorghi messi a
fuoco, così interessare il dynamics di ricerca di clouds.The getta
una curva interessante nei modelli di come le impurità attraversano
through i liquidi dinamici, ad esempio il fisico Thomas Solomon dell'
università di Bucknell in Lewisburg, PA. " questo è chiaramente un nuovo meccanismo da cui mettere a fuoco può accadere all'interno
dei flussi reali, " lui dice.
" merita più discussione ed i tiri di carta esso aperto affinchè la Comunità provi ad
interpretare" |
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The Incredible Shrinking Nucleus
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Objects
in nucleus may be smaller than they appear. At least, that's what a paper in
the 5 March PRL suggests. The authors measured the decay of a lithium
isotope that had at its core a lambda particle--a neutron with one of its two
down quarks replaced by a strange quark--and found that the nucleus had
shrunk. The lambda particle travels to the center of the nucleus and acts
to bind it more tightly together. This experiment is one of the first to give
physicists a look at interactions of such strange nucleons inside the nucleus.
In 1983
theorists predicted that the presence of a lambda particle inside a lithium
nucleus could cause it to shrink. Since a lambda is neither a proton nor
a neutron, it is not constrained by the Pauli exclusion principle, which
prevents identical nucleons from occupying the same space and defines the size
of the nucleus. This property allows the lambda to take up no space and to
slide into the center of a nucleus, where its strong binding energy pulls the
other nucleons closer together. But for almost twenty years, there was no
experiment that could confirm this prediction.
Now a
collaboration led by Kiyoshi Tanida of Tokyo University has found evidence that
nuclear shrinkage does exist. The team fired pions into a target of
lithium to produce lithium-lambda nuclei. They found the lifetime of these
excited nuclei by measuring the spectrum of gamma rays emitted when the
lithium-lambdas decayed to their ground state. "The lifetime is very
sensitive to the size of the nucleus," Tanida explains, so it led directly
to a size estimate.
This
experiment was challenging because it required an extremely accurate
measurement of the gamma rays, which were emitted in every direction from the
target. The team used an instrument called Hyperball, which consists of 14
high-resolution germanium detectors positioned in a spherical arrangement.
Hyperball is one of a handful of such sensitive spherical detector arrays
world-wide.
The researchers accounted for the fact that the lambda
particle takes up no space inside the nucleus but found that it shrunk by an
additional 19%, because of the lambda's tight binding. But Tanida admits that
using lifetime to measure size is not 100% accurate. "There are other
things that can change the lifetime, such as deformation of the nucleus,"
Tanida says. Still, the evidence is strong enough to gain the attention of
others in the field. "It's the first [experiment] that's ever been done in
this way," says John Millener of Brookhaven National Laboratory in New
York. Millener believes that gamma ray experiments like this will eventually
allow nuclear physicists to understand how strange impurities, like the lambda,
can affect the size, shape, and collective motion of nuclei.
Il Nucleo Shrinking Incredibile H.
Tamura/Tohoku Univ. Occhi sul
nucleo.
I ricercatori hanno usato Hyperball 14 rilevatori sensibili
per indicare che un quark sconosciuto
ristringe drammaticamente il
formato d'un nucleo.
Gli oggetti nel nucleo possono essere più
piccoli di compaiono.
Almeno, quello è ché carta nel 5 marzo PRL
suggerisce. Gli autori
hanno misurato il deperimento d'un isotopo
del litio che ha avuto al
relativo nucleo una particella di lambda --
un neutrone con uno dei
relativi due giù quarks ha sostituito da un
quark sconosciuto -- e
trovato che il nucleo aveva ristretto. La particella di lambda
viaggia al centro del nucleo e si comporta
per legarla più
strettamente insieme. Questo esperimento è uno del primo per dare
a
fisici uno sguardo alle interazioni di tali
nucleoni sconosciuti
all'interno del nucleo. In 1983 i teorici hanno predetto che la
presenza d'una particella di lambda
all'interno d'un nucleo del litio
potrebbe indurla a ristringere. Poiché una lambda è nè un protone
nè un neutrone, non è costretta dal
principio di esclusione di
Pauli, che impedisce i nucleoni identici l'
occupazione dello stesso
spazio e definisce il formato del
nucleo. Questa proprietà permette
che la lambda non prenda spazio e faccia
scorrere nel centro d'un
nucleo, in cui la relativa energia di legame
forte tira insieme gli
altri nucleoni più vicini. Ma per quasi venti anni, non ci era
esperimento che potrebbe confermare questa
previsione. Ora una
collaborazione condotta da Kiyoshi Tanida
dell' università de Tokyo
ha trovato la prova che il restringimento
nucleare esiste. La squadra
ha infornato i pions in un obiettivo di
litio per produrre i nuclei
litio-lambda. Hanno trovato il corso della vita di questi nuclei
eccitati misurando la gamma di raggi gamma
emessi quando il
litio-lambdas è decaduto alla loro
condizione al suolo. " il corso
della vita è molto sensibile al formato del
nucleo, " Tanida spiega,
in modo da ha condotto direttamente ad una
valutazione di formato.
Questo esperimento era challenging perché ha
richiesto una misura
estremamente esatta dei raggi gamma, che
sono stati emessi in ogni
senso dall' obiettivo. La squadra ha utilizzato uno strumento
chiamato Hyperball, che consiste di 14
rilevatori ad alta definizione
del germanio posizionati in una disposizione
sferica. Hyperball è
uno d'una manciata di tali allineamenti
sferici sensibili del
rilevatore universalmente. I ricercatori hanno rappresentato il fatto
che la particella di lambda non prende
spazio all'interno del nucleo
ma hanno trovato che esso ristretti da un
19% supplementare, a causa
del grippaggio stretto della lambda. Ma Tanida ammette che quello
usando il corso della vita per misurare il
formato non è 100% esatto.
" ci sono altre cose che possono
cambiare il corso della vita, quale
deformazione del nucleo, " Tanida
dice. Eppure, la prova è
abbastanza forte guadagnare l' attenzione di
altre nel campo. " è la
prima [ esperimento ] che è fatto mai in
questo modo, " dice John
Millener del laboratorio nazionale di
Brookhaven a New York. Millener
crede che gli esperimenti gamma del raggio
come questo finalmente
permettano che i fisici nucleari capiscano come
le impurità
sconosciute, come la lambda, possono
interessare il formato, la figura
ed il movimento collettivo dei nuclei.