Werbung

Wissenschaftler verwirrt, flüssiges Licht bei Raumtemperatur zu finden

Licht kann zu einer Superflüssigkeit verflüssigt werden und es schadet nicht.

Was wäre, wenn Ihr Computerprozessor nur bei weniger als -200°C arbeiten könnte? Nun, das ist bei fast allen Quantencomputern der Fall, wie heat neigt dazu, Fehler in den Qubits zu erzeugen, die im Quantencomputing verwendet werden. Jedoch neueste Forschung zeigt, dass verflüssigte elektrische Energie das Potenzial hat, Quantencomputern zu ermöglichen, bei Raumtemperatur zu arbeiten, genau wie Ihr Laptop, und dies ist nicht das einzige scheinbar unmögliche Problem, das flüssiges Licht lösen kann.

Bisher wurde Licht immer als Welle oder Strom von Photonen betrachtet, und neue Entdeckungen finden immer noch statt, was neben der bekannten Wellen- und Teilchennatur des Lichts neue Eigenschaften zutage fördert. Dennoch könnte sich die Möglichkeit, dass Lichtenergie in flüssiger Form bei Raumtemperatur existiert, vielleicht eines Tages als bahnbrechende Entdeckung erweisenden Energiesektor zu transformieren oder sogar die Art und Weise zu ändern, wie zukünftige Technologien gedacht werden.

Flüssiges Licht und die Entstehung von Supraflüssigkeiten

SN Bose und Albert Einstein. Quelle: Ferdinand Schmutzer/Wikimedia Commons

Flüssiges Licht kann als Superfluid kategorisiert werden, abgeleitet von der Fähigkeit von Partikeln, in einem Zustand zu kondensieren, der als a bekannt istBose-Einstein-Kondensat BEC. Superfluide Bose-Einstein-Kondensate folgen eher den Regeln der Quantenphysik als der klassischen Physik. Sie können elektrische Energie tragen und leiten, existieren aber im Allgemeinen nur für Sekundenbruchteile und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Eine Veröffentlichung aus dem Jahr 2017im TagebuchNaturphysik hat gezeigt, dass dies nicht immer notwendig ist.

In den frühen 1920er Jahren schickte der indische Wissenschaftler Satyendra Nath Bose Albert Einstein eine Veröffentlichung, in der er das Planck-Gesetz für die Schwarzkörperstrahlung herleitete, indem er die Photonen als Gas aus identischen Teilchen behandelte.

Einstein verallgemeinerte Bose-Theorie zu einem idealen Gas aus identischen Atomen oder Molekülen, für das die Anzahl der Teilchen erhalten bleibt. Er sagte auch voraus, dass die Teilchen bei ausreichend niedrigen Temperaturen im niedrigsten Quantenzustand des Systems zusammengeschlossen werden. Dies ist das Phänomen, das wirjetzt Bose-Einstein-Kondensation nennen.

Werbung

Bose und Einstein arbeiteten auch zusammen, um Bose-Einstein-Statistiken zu entwickeln, ein Verfahren zur Bewertung der möglichen Zustände von Quantensysteme die identische Teilchen mit ganzzahligem Spin enthalten.

In den folgenden Jahren versuchten viele Theorien und Experimente, BEC im Labor herzustellen. Allerdings dauerte es bis zum 5. Juni 1995, dass die Wissenschaftler Eric Cornell und Carl Wieman machte 1995 das erste Kondensat im Labor des Joint Institute for Laboratory Astrophysics JILA an der University of Colorado, indem eine Wolke aus 2000 Rubidiumatomen auf nahe den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde.

Es folgte nur wenige Monate später die Bildung eines größeren Kondensats von Natriumatomen durch eine Gruppe um Wolfgang Ketterle, Professor für Physik am MIT.Diese frühen Experimente von Cornell, Weiman und Ketterle förderten die Entwicklung weiterer BECs und für diesen außergewöhnlichen Beitrag wurden alle drei 2001 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Werbung

Wie flüssiges Licht bei Raumtemperatur existieren kann?

Quelle: Daniel Falcao/Unsplash

2017, eine Gruppe von Forschernvon Polytechnique Montréal, Kanada, und dem italienischen CNR Institute of Nanotechnology haben sich zusammengetan, um ein Experiment durchzuführen, das zeigte, dass Licht bei Raumtemperatur einen suprafluiden Zustand erreichen kann.Vorstudien hatte bestätigte bereits die Möglichkeit, dass Licht als Suprafluid existiert, aber alle vorherigen Experimente mussten extrem niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verwenden, um Photonen stark genug zusammenzubinden, damit sie sich wie Moleküle verhalten und sich in eine Supraflüssigkeit verwandeln.

Während des Experiments 2017 wurde ein ultradünner Film aus organischen Molekülen zwischen zwei stark reflektierenden Spiegeln eingelegt und dieser Aufbau wurde weiter einem 35-Femtosekunden-10⁻¹⁵-Sekunden-Laserstrahl ausgesetzt. Diese intensive Licht-Materie-Wechselwirkung führtezur Bildung einer Supraflüssigkeit.


"Die außergewöhnliche Beobachtung in unserer Arbeit ist, dass wir gezeigt haben, dass Suprafluidität auch bei Raumtemperatur unter Umgebungsbedingungen mit Licht-Materie-Partikeln, den Polaritonen, auftreten kann."

Werbung

Daniele Sanvitto, Forscher, CNR Nanotec

Laut den Forschern "die Photonen wechselwirken mit Elektron-Loch-Paaren, Exzitonen genannt, in einem Halbleiter. Diese Exzitonen erzwingen ein Dipolmoment, das mit dem Dipol des elektromagnetischen Feldes kombiniert wird und die Exzitonen und die Photonen stark koppelt. Das Endergebnis ist ein Polariton, als Quasiteilchen betrachtet, bestehend aus Halblicht und Halbmaterie, das sich selbst bei Raumtemperatur wie ein Bose-Einstein-Kondensat oder Suprafluid verhält.

Dieses BEC wird auch als Flüssiglicht bezeichnet.

Sie fügen weiter hinzu: „Auf diese Weise können wir die Eigenschaften von Photonen wie ihre effektive Lichtmasse und schnelle Geschwindigkeit mit starken Wechselwirkungen aufgrund der Elektronen in den Molekülen kombinieren. Unter normalen Bedingungen kräuselt und wirbelt eine Flüssigkeit um alles herumdie seine Strömung behindert. In einer Supraflüssigkeit werden diese Turbulenzen um Hindernisse herum unterdrückt, so dass die Strömung unverändert weiterfließt".

Werbung

Mögliche Anwendungen von flüssigem Licht

Quelle: Umberto/Unsplash

Die Produktion von flüssigem Licht bei Raumtemperatur verspricht interessante Entwicklungen im Bereich Elektronik, Healthcare, Data Science und vielen anderen Bereichen:

  • Die Anzahl der auf einem Halbleiterchip installierten Transistoren wird allgemein so beschrieben, dass sie sich alle zwei Jahre um den Faktor zwei erhöht auch bekannt als Mooresches Gesetz.Dieses Wachstum ist notwendig, um den wachsenden Anforderungen an eine erhöhte Geschwindigkeit gerecht zu werden, die für eine schnelle Datenübertragung erforderlich ist.Im Jahr 2016 erstellten Forscher der University of Cambridge eine Polariton-Schalter in der Lage, elektrooptische Signale mit hoher Geschwindigkeit zu leiten. Dieses auf Flüssiglicht basierende Gerät hat das Potenzial, die physikalischen und technischen Einschränkungen aktueller Transistorchips zu überwinden.
  • Eine Forschungsarbeit betitelt Phänomenologische Konsequenzen superflüssiger Dunkler Materie mit Baryon-Phonon-Kopplung veröffentlicht im September 2018, theoretisiert, dass Dunkle Materie 85% Materie im Universum ist Dunkle Materie ebenfalls suprafluid ist. Wenn sich diese Theorie als richtig erweist, besteht die Möglichkeit, dass weitere Forschungen zu flüssigem Licht das ebenfalls eine Supraflüssigkeit ist kann unser Verständnis von Dunkler Materie und Dunkler Energie verbessern.
  • Es besteht die Möglichkeit, dass flüssiges Licht gespeichert und für die spätere Verwendung gespeichert werden könnte, dies hätte enorme Anwendungsmöglichkeiten, da elektrischer Strom derzeit nicht einfach in großen Mengen gespeichert werden kann. Strom muss kontinuierlich produziert und verwendet werden, das heißtein limitierender Faktor bei der Entwicklung eines nachhaltigeren Energiesystems. Daher könnte sich die Fähigkeit, elektrischen Strom bei Raumtemperatur zu speichern, als unschätzbar für die Entwicklung nachhaltigerer Energiequellen erweisen.
  • Forscher des CNR Institute und Polytechnique Montréal auch vorschlagen dass die Flüssiglichttechnologie zur Entwicklung fortschrittlicherer und effizienterer Versionen von laserbasierten Geräten, Computern, Sonnenkollektoren und LED-basierten elektronischen Geräten führen könnte.

Von der Quantenstatistik bis zum Quantencomputer hat unser Wissen über BECs und flüssiges Licht einen langen Weg zurückgelegt, aber wird diese geladene Supraflüssigkeit jemals eine effektive und gängige Lösung für unseren Energiebedarf werden können? Die Antwort liegt in der Zukunft.

Folgen Sie uns auf

Bleiben Sie über die neuesten technischen Nachrichten auf dem Laufenden

Geben Sie einfach Ihre E-Mail ein und wir kümmern uns um den Rest :

Mit der Anmeldung stimmen Sie unseren zuNutzungsbedingungen und Datenschutzrichtlinie. Sie können sich jederzeit abmelden.