Darüber hinaus kalt: Wie funktioniert die Welt bei-459 Grad

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Die meisten von uns würden zustimmen, dass 32 ° F, die Temperatur, bei welcher Wasser friert, ist ein ziemlich kalter Tag, aber was über-320 ° F, den Siedepunkt von Stickstoff... oder-452 ° F, den Siedepunkt von Helium?

Diese Temperaturen sind unglaublich heiß im Vergleich zu den Atom-Gasen, mit denen, die ich als Doktorand bei Professor Brian DeMarco Lab an der University of Illinois zusammenarbeite. Wir machen Experimente mit Atom Gase gekühlt, nur 10 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (-459,670 ° F).

Bewegen sich die Atome bei Raumtemperatur etwa 500 Fuß pro Sekunde, aber nachdem wir ihnen kühlen sie bewegen sich zur bloßen Zehntel Zoll pro Sekunde, etwa 10 mal langsamer als der obere Geschwindigkeit einer gemeinsamen Garten Schnecke. Wie erreichen wir dieses Kunststück?

Der Schlüssel ist eine Kombination aus Laser und Verdunstungskühlung. Kühlung mit Hilfe von Lasern mag seltsam, da Laser zum Schneiden und markieren Sie Edelstahl, wie die Rückseite eines iPod verwendet werden können. Das Laserlicht in unserem Experiment aus Milliarden von Milliarden von winzigen Energiepakete Photonen besteht, dass fliegen vorbei die Atome pro Sekunde ist speziell, weil es nur aus den Atomen das Laserlicht in Richtung streut genannt, wodurch sie zu verlangsamen. Sie können diesen Vorgang so ähnlich wie ein Auto mit einen Strom von viele Tennisbälle, die Reisen in die entgegengesetzte Richtung zu verlangsamen vorstellen.

Einfangen von Atomen

Laser cooling beschränkt sich auf kühlen das Atom Gas auf Temperaturen in der Nähe von einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Also, wie Ihr Körper schwitzt, um seine Temperatur zu regulieren, verwenden wir Verdunstungskälte, um die niedrigste Temperatur in unserem Experiment möglich zu erreichen.

Nach Laserkühlung wir schalten Sie das Licht und die Atome sind gefangen, mit Hilfe von Magneten. Wir zwingen die höchste Energie-Atome zu verlassen, und die Atome zurückgelassen werden kälter. Wir brauchen nicht zu kümmern, Erfrierungen, da all dies geschieht in einem isolierenden Vakuum Behälter.

Wir kühlen diese Atome zu so niedrigen Temperaturen, so dass ihr Verhalten von Quanteneffekten dominiert wird.

Quantenmechanik exotisch mag, aber es betrifft jeden Aspekt Ihres Lebens, von der chemischen Basis Ihres Stoffwechsels, die Kräfte, die verhindern, dass Ihre Füße durch den Boden fallen. Das Quantenverhalten von vielen Teilchen ist zusammen die Grundlage für einen Großteil der modernen Technologie. Z. B. Materialien wie die Halbleiter in Computer-Chips, die von Elektronen durch Kristalle gebildet durch Ionen bestehen, das Quantenverhalten von diesen Elektronen, um Transistoren zu machen. Einige Quanteneffekte in Materialien sind nicht gut verstanden, wie was passiert im Inneren "Hochtemperatursupraleiter", die bei Temperaturen höher als der Siedepunkt von Stickstoff funktionieren können. In einem Supraleiter verschwindet der Strömungswiderstand der Elektronen durch das Material unterhalb einer bestimmten Temperatur.

Supraleiter, bereits häufig in MRT-Geräten in Krankenhäusern im ganzen Land genutzt werden, für viel mehr (z. B. Übertragung von Strom aus einem Kraftwerk zu Ihrem Haus Energie sparen) Wenn sie bei noch höheren Temperaturen funktionieren würde. Physiker wissen nicht, wie um dies zu erreichen, weil wir nicht viel über wie Hochtemperatur-Supraleiter Arbeit verstehen.

Wir können sogar unsere leistungsstärksten Supercomputer verwenden, um diese Materialien zu simulieren – gerade jetzt berechnen wir nur das Verhalten von ca. 10 Elektronen, im Vergleich zu den Millionen von Milliarden von Milliarden von Elektronen in einem supraleitenden Draht. Alle 10 Jahre, Fortschritte in der Geschwindigkeit von Computern lassen Sie uns nur ein Elektron eine Computersimulation hinzufügen. Wir versuchen Licht auf diese Materialien in unserem Labor mit einen ganz anderen Ansatz namens Quantensimulation.

Wir haben ein System aufgebaut, das die Elektronen mit ultrakalten Atomen und den Ionischen Kristall mit einem Kristall des Lichts ersetzt. Das Ergebnis nennt man einen Quantensimulator, weil wir das System, wollen wir etwas verstehen ersetzt haben, können wir leicht zu messen und zu manipulieren. Aktuelle Materialien erfordern sensiblen Sonden, die Elektronen und spezielle und aufwändige Techniken, um die Materialeigenschaften ändern zu betrachten. Mit unserem Simulator können wir direkt Bild der Atome und ändern die Art des "Materials" nur durch eine Änderung der Knöpfe im Labor.

Die Idee der Verwendung ein Quantensystem, um andere zu simulieren wurde zuerst von Richard Feynman 1981 vorgestellt, ein Physiker erhielt den Nobelpreis im Jahr 1965 und unterstützt, die für das Verständnis, wie o-Ring Scheitern auf der Challenger-Katastrophe im Jahr 1986 führte.

Was tun, Absolventkursteilnehmer

Wird ein Student mit einem solchen Projekt beinhaltet viele Aufgaben. Zuerst hatten wir unser Simulator zu bauen ist eines der komplexesten Experimente, die in einem Labor etwa so groß wie ein großes Schlafzimmer getan werden kann. Die Ausrüstung wird über zwei Stahltischen verbreitet, die 1000 Pfund wiegen und sind durch Luft-Kolben zur Schwingungsreduzierung schwebte. Das Experiment verwendet mehr als 10 verschiedene Laser und Hunderten von Spiegeln und Linsen. Wir haben Regale für elektronische Bauteile und mehrere Computer, um die ganze Sache zu laufen. Glücklicherweise hatten wir nur alles auf einmal eingestellt.

Meine Rolle als Student geht es vor allem das Experiment und Messungen.

Manchmal laufen wir das Experiment mit einem bestimmten Ergebnis im Auge. Jedoch wie alle Wissenschaft ist in der Regel ein bisschen Glück beteiligt. Jeder einmal in eine Weile wir ein Ergebnis erzielen, das wir am Anfang nicht verstehen können. Diese sind die aufregendsten, weil sie einen unseres Wissens durch die Herausforderung, was wir bereits wissen.

Unsere Neuentdeckung Beteiligten eine Reihe von Experimenten, die die Atome bewegen durch den Kristall des Lichts zu betrachten. Wir entdeckten, dass Quanten Wirbel (ähnlich wie die Strudel in Ihrer Badewanne) eine Rolle spielen bei der Verlangsamung der Atome. Um zu verstehen, dieses Ergebnis hatten wir mit Forschern an Illinois zu sprechen, die mit supraleitenden Drähte und Bleche. Sie erzählten uns, dass Wirbel beobachtet hatte, um den Fluss von Elektronen in winzigen supraleitenden Drähten zu unterbrechen, sondern Prozess nicht vollständig verstanden ist, so unsere Messungen dazu beitragen können, um diese Materialien besser zu verstehen. Als Student war dies eine gute Gelegenheit zu beobachten, wie die verschiedenen Bereiche der Physik zusammenarbeiten kann und verstehen dieser Entdeckung ist selten das Ergebnis eines einzelnen Arbeiten isoliert.

Im Moment versuchen wir, andere Wege zu erfinden, dass wir Materialien simulieren können. Beispielsweise arbeiten wir an unserer Kristall des Lichts zu verstehen, wie Verunreinigungen im Material beeinflussen Supraleitung Störung hinzufügen. Wir können nicht warten, um herauszufinden, was die neue Wissenschaft, die wir als nächstes entdecken können!

• Video: Einfrieren Licht

• Die seltsamsten kleinen Dinge In der Natur

• Hinter den Kulissen: Archiv der wöchentlichen Geschichten

Anmerkung der Redaktion: Dieser Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (NSF), der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Sehen, die hinter den Kulissen Archiv.