Αναζήτηση αυτού του ιστολογίου

Αναζήτηση αυτού του ιστολογίου

Δευτέρα, 6 Οκτωβρίου 2014

Είδαν στο μικροσκόπιο σωματίδιο ύλης και αντιύλης







Επιστήμονες στις ΗΠΑ πέτυχαν επιτέλους αυτό που πολλοί φυσικοί προσπαθούσαν να κάνουν εδώ και δεκαετίες: να δουν για πρώτη φορά στο μικροσκόπιο το μυστηριώδες σωματίδιο Ματζοράνα, το οποίο είναι άκρως ″εξωτικό″, καθώς συμπεριφέρεται ταυτόχρονα ως ύλη και αντιύλη. Το επίτευγμα, πέρα από τη σημασία του για τη θεμελιώδη φυσική, μπορεί να έχει και μελλοντικές πρακτικές εφαρμογές, αξιοποιούμενο για τη δημιουργία ισχυρότερων κβαντικών υπολογιστών.


Οι φυσικοί θεωρούν ότι κάθε σωματίδιο της ύλης έχει ένα αντίστοιχο αντιύλης με ίση μάζα, αλλά αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Όταν αυτά τα δύο έρχονται σε επαφή, το ένα εξουδετερώνει το άλλο και αλληλοκαταστρέφονται. Όμως από τη δεκαετία του ’30, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι υπάρχουν σωματίδια που είναι «και τα δύο σε συσκευασία του ενός».

Ένα τέτοιο σωματίδιο (φερμιόνιο) είχε προβλεφθεί θεωρητικά από το 1937 από τον ιταλό φυσικό Έτορε Ματζοράνα, από τον οποίο και πήρε το όνομά του. Ο Ματζοράνα είχε επιμείνει ότι υπάρχει ένα παράξενο σταθερό σωματίδιο που μπορεί να είναι τόσο ύλη όσο και αντιύλη. Αν και μέχρι σήμερα διάφορες μορφές αντιύλης έχουν ανιχνευθεί, το «κυνήγι» για την επιβεβαίωση της ύπαρξής του συγκεκριμένου σωματιδίου - Ιανού δεν είχε ως τώρα αποδώσει καρπούς.

Η παρατήρηση έγινε από ερευνητικές ομάδες των πανεπιστημίων Πρίνστον και Τέξας - Όστιν, με επικεφαλής τον καθηγητή φυσικής Αλί Γιατζανί, και η σχετική δημοσίευση έγινε στο κορυφαίο επιστημονικό περιοδικό "Science". Για τον εντοπισμό του φευγαλέου φερμιονίου χρησιμοποιήθηκε ένα πανύψηλο διώροφο μικροσκόπιο και το «Ματζοράνα» εντοπίστηκε στην άκρη ενός πολύ λεπτού υπεραγώγιμου σύρματος από μόλυβδο και μαγνητικό σίδηρο, πλάτους μόλις ενός ατόμου και πάχους τριών ατόμων. Τα υλικά με υπεραγωγιμότητα επιτρέπουν την ανεμπόδιστη κίνηση των ηλεκτρονίων (δηλαδή του ηλεκτρικού ρεύματος) χωρίς αντίσταση.

Αντίθετα με άλλα σωματίδια, όπως π.χ. το διάσημο μποζόνιο του Χιγκς, που βρέθηκε στο κενό, στο εσωτερικό ενός γιγάντιου επιταχυντή μετά από συγκρούσεις άλλων σωματιδίων, το Ματζοράνα ανακαλύφθηκε στο εσωτερικό ενός συγκεκριμένου υλικού, στο Κέντρο Πολύπλοκων Υλικών του Πρίνστον. Σωματίδια όπως το Ματζοράνα λέγονται «αναδυόμενα», επειδή προκύπτουν από τις συλλογικές ιδιότητες της περιβάλλουσας ύλης και δεν μπορούν να υπάρξουν έξω από το υπεραγώγιμο υλικό. Για το πείραμα, με χρηματοδότηση και από το Πολεμικό Ναυτικό των ΗΠΑ, η θερμοκρασία έπρεπε να πέσει στους μείον 272 βαθμούς Κελσίου, μόλις ένα βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Παρά την ″υβριδική″ φύση του (μαζί ύλη και αντιύλη, οι οποίες κανονικά αλληλοεξουδετερώνονται, όταν έλθουν σε επαφή), το φερμιόνιο Ματζοράνα είναι αναπάντεχα σταθερό, εμφανιζόμενο ουδέτερο, με αποτέλεσμα να αλληλεπιδρά πολύ ασθενώς με το περιβάλλον του. Αυτή ακριβώς η ασυνήθιστη ιδιότητά του θα μπορούσε να αξιοποιηθεί, ώστε το σωματίδιο να χρησιμοποιηθεί ως κβαντικό δυαδικό ψηφίο (qubit) για την κωδικοποίηση κβαντικών δεδομένων σε έναν μελλοντικό υπολογιστή. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι, με τις κατάλληλες εργαστηριακές συνθήκες, και άλλα υπεραγώγιμα υλικά -εκτός από το σύρμα τους από μόλυβδο και σίδηρο- θα μπορούσαν να παράγουν στην άκρη τους το Ματζοράνα.

Οι επιστήμονες στρέφουν πλέον την προσοχή τους στην αναζήτηση «ελεύθερων» σωματιδίων Ματζοράνα στη φύση, που δεν «αναδύονται» απλώς μέσα σε ένα υπεραγώγιμο υλικό. Μερικοί υποπτεύονται ότι ένα άλλο μυστηριώδες σωματίδιο, το νετρίνο, το οποίο επίσης αλληλεπιδρά πολύ ασθενώς με το υλικό περιβάλλον του, μπορεί να είναι τελικά ένα είδος Ματζοράνα. Κάποιοι άλλοι θεωρούν το Ματζοράνα ως υποψήφιο σωματίδιο της μυστηριώδους αόρατης σκοτεινής ύλης, η οποία αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ύλης του σύμπαντος.



Νέο σωματίδιο είναι ταυτόχρονα ύλη και αντιύλη

Το αντίθετο του εαυτού του
(Πηγή: Ilya Dorzdov, Ali Yazdani Lab)  
Ίχνη του σωματιδίου Μαγιοράνα ανιχνεύθηκαν στα άκρα ενός μικροσκοπικού καλωδίου από άτομα σιδήρου



Πρίνστον, Νιου Τζέρσεϊ

Έπειτα από οκτώ δεκαετίες αναζήτησης, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον αναφέρουν ότι εντόπισαν σαφή ίχνη ενός σωματιδίου που συμπεριφέρεται ως το αντισωματίδιο του εαυτού του. Στο μέλλον, τα λεγόμενα «σωματίδια Μαγιοράνα» θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν στους κβαντικούς υπολογιστές.

Από τα τέλη της δεκαετίας του 1920, οι φυσικοί γνωρίζουν ότι για κάθε σωματίδιο της ύλης υπάρχει ένα αντίστοιχο σωματίδιο αντιύλης, το οποίο πάντα έχει ίδια μάζα αλλά αντίθετο φορτίο. 

Όταν ένα σωματίδιο τύχει να συναντήσει το αντισωματίδιό του, και τα δύο εξαϋλώνονται σε μια έκρηξη ενέργειας. 

Όπως όμως προέβλεψε ο ιταλός φυσικός Εττόρε Μαγιοράνα το 1937, ορισμένα σωματίδια συμπεριφέρονται ως αντισωματίδια του εαυτού τους. Πιθανά ίχνη αυτών των παράξενων σωματιδίων είχαν ανιχνευτεί και στο παρελθόν, δεν ήταν όμως τόσο πειστικά όσο η νέα έρευνα.

Το σωματίδιο που φαίνεται ότι ανακάλυψαν οι ερευνητές στο Πρίνστον συμμορφώνεται με τις προβλέψεις του Μαγιοράνα. Δεν είναι όμως ένα αυθύπαρκτο σωματίδιο, αλλά ένα είδος σωματιδίου που αναδύεται από τη συλλογική συμπεριφορά άλλων σωματιδίων ύλης.


Το σωματίδιο Μαγιοράνα εμφανίστηκε στις άκρες ενός καλωδίου από χρυσό, με πάχος ενός μόλις ατόμου, το οποίο είχε τοποθετηθεί σε μια υπεραγώγιμη διάταξη από μόλυβδο.

Η αλληλεπίδραση του νανοκαλωδίου με τον υπεραγωγό ανάγκασε τα ηλεκτρόνια του σιδήρου να σχηματίσουν ζεύγη με τα γειτονικά τους ηλεκτρόνια. Καθένα από αυτά τα ζεύγη μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ζεύγος ηλεκτρονίου και αντι-ηλεκτρονίου.

Στις άκρες του καλωδίου, όμως, τα ηλεκτρόνια δεν έχουν γείτονα για να σχηματίζουν ζεύγος. Αυτό τα αναγκάζει να συμπεριφέρονται ταυτόχρονα ως ηλεκτρόνια και αντιηλεκτρόνια, να συμπεριφέρονται δηλαδή ως σωματίδια Μαγιοράνα.

Η ανακάλυψη, η οποία δημοσιεύεται στο κορυφαίο περιοδικό Science, θα πρέπει τώρα να επιβεβαιωθεί από ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες. Εφόσον όμως ευσταθεί θα μπορούσε να δώσει νέα ώθηση στις προσπάθειες εντοπισμού αυθύπαρκτων σωματιδίων Μαγιοράνα, τα οποία μπορούν να υπάρξουν ελεύθερα ακόμα και έξω από την υπεραγώγιμη διάταξη.

Στο απώτερο μέλλον, τα σωματίδια Μαγιοράνα θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν πρακτικά στους λεγόμενους κβαντικούς υπολογιστές, στους οποίους κάθε bit πληροφορίας μπορεί να βρίσκεται ταυτόχρονα στις καταστάσεις «0» και «1».

Στους υποτυπώδεις κβαντικούς υπολογιστές που έχουν αναπτυχθεί ως σήμερα, η πληροφορία αποθηκεύεται στην κβαντική κατάσταση ηλεκτρονίων ή άλλων σωματιδίων. Ωστόσο οι κβαντικές ιδιότητες μπορούν εύκολα να διαταραχθούν ή να καταρρεύσουν εξαιτίας εξωτερικών παρεμβολών.

Τα σωματίδια Μαγιοράνα θα μπορούσαν να δώσουν τη λύση, δεδομένου ότι αλληλεπιδρούν ελάχιστα με το περιβάλλον τους, και επομένως θα ήταν πιο σταθερά από ό,τι τα σημερινά κβαντικά bit.





Πηγή: Ilya Dorzdov, Ali Yazdani Lab




Βαγγέλης Πρατικάκης
Newsroom ΔΟΛ

Πηγή: kathimerini.gr , news.in.gr

Δεν υπάρχουν σχόλια :

Δημοσίευση σχολίου

Φεισμπουκ

Τουιτερ