Následující sérii článků poskytl David Jeřábek, 2:420/53.1, přeložil a zpracoval Jiří Svršek, 2:423/43.

Lokalizace světla bylo dosaženo společným týmem z Amsterdamu a Florencie (kontakt: Ad Lagendijk, [M1]). Uvažujme průchod světla difúzním prostředím, jako je např. mléko, mlha nebo cukr. Světelné vlny se opakovaně rozptylují a intenzita světla klesá s počtem odrazů vln od částic prostředí. V experimentu zmíněného týmu ale došlo k jinému jevu. Vědci použili galiumarsenidový prach, který má velmi vysoký index refrakce, ale velmi nepatrně absorbuje světlo v blízkém infračerveném spektru (vlnová délka 1064 nm). Světelné vlny v tomto médiu vytvářejí stojaté vlnové obrazce, aniž jsou absorbovány. Jde o první příklad "Andersonovy lokalizace" v blízkém viditelném spektru. Takové médium ale nelze považovat za "fotonickou pásmovou propusť" (analogie polovodiče pro elektrony), ale spíše jako "fotonický izolátor". (Wiersma et al., Nature, 18/25 December 1997; viz také [X1])

Plynné hélium bylo objeveno roku 1868 v emisních spektrálních čárách Slunce a v roce 1895 bylo objeveno na Zemi. Hélium je směsí dvou izotopů, které jsou chemicky inertní a teprve nedávno se podařilo připravit několik sloučenin. Jádro atomu hélia He-4 obsahuje dva potony a dva neutrony, jeho spin je nulový a proto je bosonem. Jádro atomu He-3 obsahuje dva protony a jeden neutron, jeho spin je 1/2 a proto je fermionem.

Nemagnetické atomy He-4 se podřizují Boseově-Einsteinově statistice a nemagnetické atomy He-3 se podřizují statistice Fermiho-Diracově. Díky své malé hmotnosti a chemické inertnosti jsou izotopy hélia za normálního tlaku kapalinami až do absolutní nuly. Nulová kinetická energie má svůj původ v Heisenbergově principu neurčitosti a je tak velká, že nedovolí atomům hélia lokalizaci v uzlech krystalické mřížky. Sovětský vědec Piotr Kapica objevil, že při teplotě 2,177 Kelvinů kapalné hélium He-4 přechází do kooperativního stavu a stává se supratekutým (tato fáze kapalného hélia se označuje jako He II).

Americký fyzik německého původu F. London přišel v roce 1938 s myšlenkou, že fázový přechod hélia do stavu He II je spojen s Boseovou-Einsteinovou kondenzací v prostoru hybností. Holandský fyzik C.J. Gorter zpracoval myšlenku dvoukapalinového modelu. Podle této hypotézy kapalina měla být směsí dvou kapalin, jedné s normální hustotou a druhé se supratekutou hustotou.

Sovětský fyzik Lev Davidovič Landau se pokusil vysvětlit zvláštní hydrodynamické vlastnosti hélia He II pomocí zvláštní formy nízkoenergetických kolektivních excitací v kapalině, fononů a rotonů. V tomto spektru se objevovala "energetická mezera", jako u supravodiče. Dokud vnější poruchy měly energii excitací menší než byla určitá kritická hodnota, nemohly s kapalinou, která se chovala jako jediný kolektivní systém, interagovat. V normální kapalině každý atom může vykonávat libovolné pohyby, které mu dovolí sousední atomy a stěny nádoby. V supratekuté kapalině dochází ke kolektivnímu chování atomů.

Fázový přechod z normální fáze He I do fáze He II je velmi dramatický. Objemový bublinový var He I náhle zmizí a tepelná vodivost He 2 se zvýší až 2.10^7 ve srovnání s He I. Tepelný gradient tak náhle vymizí a v objemu kapaliny nemůže vzniknout "horké místo".

Kapalné hélium He II je kapalina, která se chová jako pevná látka nebo jako plyn kvazičástic. Pro vysvětlení supratekutosti je třeba ukázat, že při nízkých energiích v soustavě existují jen fononové excitace. Fonony jsou jsou kolektivní excitace např. krystalové mřížky a nikoliv jednotlivého atomu. Vznik nebo zánik fononu znamená vždy zmenšení nebo zvětšení střední výchylky všech jader v uzlech mřížky. Fonon není v krystalové mřížce lokalizován jako normální částice, ale představuje kvantum excitace všech jader v mřížce. Přitom mřížka nemusí být ideálně periodická. Fonon může existovat také v amorfních látkách nebo kapalinách, jako jsou He-4 nebo He-3. Netlumené zvukové pole je tedy složeno z fononů. Jde o vlny spojené s kmitáním kapalného hélia He II určité hustoty. Fonon nemůže existovat bez svého látkového "podkladu", tedy ve vakuu. [1]

V experimentu, kdy paprsek fononů (krátkých pulsů zvuku pocházejících z horkého vlákna) uvnitř vrstvy supratekutého hélia-4 směřuje zespodu k jejímu povrchu, byla pozorována kvantová evaporace. Podobně jako u fotoelektrického jevu (ve kterém světlo vyráží elektrony z povrchu kovu), fonony vyrážejí atomy hélia z povrchu supravodivé kapaliny. Měřením momentu hybnosti fononů a takto odpařených atomů hélia se zjistilo, že atomy měly původně nulový moment hybnosti paralelní s povrchem kapaliny. Tím bylo poprvé přímo experimentálně prokázáno, že atomy hélia He-4 byly součástí Boseova-Einsteinova kondenzátu, ve kterém se atomy nacházejí v jediném kvantovém stavu. Teorie supravodivého hélia He-4 předpovídá, že atomy setrvávají ve stavu Boseova-Einsteinova kondenátu, ale dosud to nebylo experimentálně potvrzeno. Adrian Wyatt z University of Exeter věří, že tato metoda umožní vytvářet proudy koherentních atomů hélia ("atomový laser"). (Nature, 1 January 1998.)

Kvantovou teleportaci poprvé experimentálně demonstrovali fyzikové z University v Innsbrucku (Anton Zeilinger, 011-43-676- 305-8608; Dik Bouwmeester). Princip kvantové teleportace, který byl navržen v roce 1993 Charlesem Bennettem z IBM (914-945-3118), umožňuje fyzikům vzít foton (nebo jinou částici kvantových rozměrů, jako je atom) a přenést jeho kvantové vlastnosti (jako je polarizace) na jiný foton, a to dokonce i v případě, že oba fotony jsou na různých koncích galaxie. [I2], [N1]

Další verzi kvantové teleportace publikovali vědci z Itálie a Velké Británie (Francesco DeMartini, University of Rome, [M2]) Podobně jako v experimentu v Innsbrucku, se používá pár vázaných fotonů. Zatímco v experimentu z Innsbrucku se teleportuje hodnota polarizace třetího fotonu (přenášená "zpráva") jedním z vázaných fotonů, v experimentu v Římě byl jeden z vázaných fotonů uveden do speciálního stavu polarizace a tento stav se přenesl na druhý vázaný foton. Na rozdíl od experimentu v Innsbrucku, který byl úspěšný pouze v 25 procentech, toto schéma má úspěšnost 100 procent, pokud se použijí správné transformace na druhý foton. (D. Boschi et al., článek v Physical Review Letters). V jiné teoretické práci Sam Braunstein z University of Wales (Bangor) a Jeff Kimble z Caltechu navrhují experimentální metodu pro rozšíření kvantové teleportace z přenosu diskrétních veličin, jako je polarizace, na přenos spojitých veličin, jako je amplituda elektrického pole spojeného se světelným vlněním. (Braunstein et al., Phys. Rev. Lett., 26 January 1998.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.356, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 356 January 27, 1998 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[I2] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.350, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 350 December 10, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[1] Odehnal, Milan: Supravodivost a jiné kvantové jevy. Academia, Praha 1992. ISSN: 0528-7103

[N1] Kvantová teleportace. Physics News Update. Natura 01/98.

Kvantově tunelový tranzistor představuje přepínač, který umožňuje elektronům procházet skrze normálně neprůchodné bariéry. Tento nový typ tranzistoru (Jerry Simmons, 505-844-8402) otevírá nové možnosti v oblasti vysokorychlostních tranzistorů, které bude možno masově použít v současné nanotechnologii. Vědci řídí tok elektronů mezi dvěma vrstvami galiumarsenidu GaAs (každá s tloušťkou jen 15 nm), které jsou odděleny bariérou s AlGaAs (s tloušťkou 12 nm). Ačkoliv elektrony v GaAs normálně nemají dost energie k překonání bariéry AlGaAs, vrstvy jsou tak tenké (jejich tloušťka je srovnatelná s vlnovou délkou elektronu), že elektrony (chápané v tomto případě spíše jako vlny, než jako částice) mohou za přítomnosti dostatečně silného elektrického napětí bariérou díky kvantovým jevům proniknout. V tomto procesu na rozdíl od běžného tranzistoru elektronové vlny neinteragují s atomy nečistot ve vrstvě substrátu. Takové interakce rychlost elektronů výrazně zpomalují. Tranzistory jsou proto schopny přepínat jeden stav na druhý asi pětmiliardkrát za sekundu, tedy asi pětkrát rychleji než galiumarsenidové tranzistory, které jsou pro tento účel určeny. Ačkoliv kvantově tunelové tranzistory jsou známy již od 80. let 20. století, jejich výroba se nerozšířila. Vědci se původně domnívali, že ultratenké vrstvy tranzistoru nebude možno spolehlivě vyrobit používanými metodami mikrolitografie. Vědci ale nedávno vyvinuli novou technologii, která umožňuje do vrstvy substrátu umístit vrstvy o tloušťce jediného atomu.

V současnosti kvantově tunelová paměťová zařízení a digitální logická hradla pracují nejvýše při teplotě 77 K. V roce 1999 se předpokládá vývoj zařízení, která budou pracovat při pokojové teplotě. (J.A. Simmons et al., článek in Applied Physics Letters; snímky v Physics News Graphics)

Pokud americký kongres plán schválí, v laboratoři Oak Ridge National Laboratory bude vybudován zdroj neutronů SNS (Spallation Neutron Source) v ceně 1,3 miliardy dolarů. Zdroj neutronů SNS vytváří neutrony pomocí srážek, kdy paprsek protonů je vrhán proti pevnému cíli (v tomto případě kapalné rtuti), čímž vzniká proud neutronů. Kromě silného toku neutronů SNS pomůže vědcům díky přesně časovaných pulsů protonů zjistit rozdělení energií neutronů během jejich letu. Neutrony nemají elektrický náboj. Proto snadno pronikají do krystalů jejich strukturou. Navíc neutrony mají nenulový magnetický moment, což umožňuje studovat magnetická pole uvnitř ostřelovaných vzorků. SNS bude určitým typem neutronového mikroskopu. Neutrony mají správnou vlnovou délku (energie neutronů je 20 MeV, což odpovídá vlnové délce asi 2 Angstromy) pro studium řady objektů, jako jsou nové materiály, biologické objekty, nebo supravodiče, které jsou ve středu zájmů fyziků. (Science, 23 January 1998; and Physics World, December 1997.)

Physics News Update můžete získávat elektronickou poštou přímo, pokud zašlete zprávu na adresu [M1]. Řádek "Subject" ponechte prázdný a v těle zprávy napište buď "add physnews" pro zajištění zasílání nebo "delete physnews" pro ukončení zasílání. Všechna starší vydání Physics News Update jsou dostupná na [X1].

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.357, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 357. February 4, 1998 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

Známým salónním trikem je rychle škubnout ubrusem, na kterém je prostřen servis. Pokud se ubrusem škubne dostatečně rychle, sklenice vína zůstanou překvapivě na místě.

Na univerzitě Northeastern University tento princip použili v nanoskopickém měřítku, když tenkou vrstvu (pouze jednu nebo dvě molekuly silnou) zmrzlého dusíku použili jako stůl a olověný substrát jako ubrus. Jacqueline Krimová (617-373-2902) a její tým provedli tento druh experimentu kvůli studiu tření na atomové úrovni. Ačkoliv tření má v průmyslovém měřítku význam miliard dolarů, stále tomuto jevu relativně málo rozumíme. Ve své práci Krimová nechala přesné křemenné váhy (s olověným substrátem) klouzat na vzdálenosti 10 nm miliónkrát za sekundu po vrstvě tuhého dusíku. Tímto způsobem se podařilo vyvolat pravděpodobně nejmenší tření (s výjimkou supratekutých kapalin, ve kterých neexistuje žádné tření).

Pokud je olověný substrát ochlazen do supravodivého stavu, tření mezi olovem a tuhým dusíkem se dramaticky poklesne. Vědci se domnívají, že jde o nové a neočekávané chování supravodičů, které teoretikové nepředpokládali. (A. Dayo et al., článek v Physical Review Letters.)

Tryskový tisk světlo emitujících polymerů na tenký film, který provedla Princetonská skupina (James Sturm, 609-258- 5610), otevřel novou cestu pro výrobu světlo emitujících diod LED (Light Emitting Diode) vyrobené z polymerů. Dioda LED je zhotovena z polovodičového materiálu obklopujícího dvě elektrody. Když elektron z jedné elektrody a díra z druhé elektrody se v polovodiči setkají, mohou vzájemně anihilovat za vzniku kvanta světla, fotonu. Diody LED, v nichž polovodičem bude polymer místo anorganického materiálu, jakým je galliumfosfát, by mohly být levnější a bude je možno snadněji vyrobit. Kvůli výrobě takové diody fyzikové v Princetonu nahradili běžný inkoustovou náplň tryskové tiskárny polymerním roztokem, který obsahuje polovodivý polymer polyvinylkarbazol a světlo emitující barvivo rozpuštěné v roztoku chloroformu. Tento roztok vědci natiskli na tenký film z polyesteru, dopovaný oxidem india, který představuje jednu elektrodu diody. Přes vrstvu polymeru je rozprostřen kovový film, který představuje druhou elektrodu diody. Tato technologie vede k výrobě diod emitujících zelené světlo. V jiných experimentech byl polyvinylkarbazol smíšen s barvivy, která emitují červené, zelené nebo modré světlo. Zatím ale tato technologie nebyla použita pro výrobu diod LED. (T.R. Hebner et al., Applied Physics Letters, 2 February 1998.)

Kapalný uhlík je obtížné vyrobit. Vzorek pevného uhlíku, který je pulsy laseru rychle rozpuštěn v kapalnou fázi, přejde nazpět do pevné fáze grafitu. Fyzikové Ruské akademie věd v Moskvě pevný uhlík změnili v kapalný pomocí velmi krátkých pikosekundových pulsů laseru a oznámili pozorování kapalné fáze uhlíku. Jako důkaz uvádějí pozorování periodických proužků na mikroskopických snímcích malých skvrn (asi 200 mikronů) na povrchu grafitu během bombardování laserem. Vědci tvrdí, že tyto proužky nemohou vzniknout ve vzorku pevné fáze. Kapalný uhlík lze sotva postřehnout, avšak před svým přechodem v pevnou fázi dočasně vytváří amorfní strukturu. (M.B. Agranat et al., Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETP) Letters, a Russian journal translated into English by AIP.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.358, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 358 February 11, 1998 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

Dosud se předpokládalo, že světlo s delší vlnovou délkou, než je rozměr otvoru, takovým otvorem nemůže procházet. Překvapivý objev učinil Thomas Ebbesen z NEC (Nippon Electric Corporation) Research Institute v New Jersey, když ozařoval světlem vzorek, který obsahuje otvory o průměru 150 nm na tenkém filmu stříbra napařeného na křemíkovém substrátu. Zjistil, že vzorkem prochází světlo, jehož vlnová délka je desetkrát větší než je průměr otvorů vzorku. Pokud ale byla vlnová délka světla srovnatelná s velikostí otvorů, v některých případech světlo určité vlnové délky procházelo s účinností vyšší než jedna (na úkor ostatních vlnových délek).

Dosud hlavním vysvětlením tohoto jevu je představa, že světlo otvory v materiálu prochází ve formě (nebo s pomocí) povrchových plasmonů, nezářivých elektromagnetických poruch, které vznikají kolektivním chováním elektronů na rozhraní vodičů a nevodičů. Vědci věří, že v této oblasti budou vyvinuty aplikace, které umožní vysílat světlo určitých vlnových délek. Tyto aplikace doplní funkci tzv. fotonických krystalů, které jsou schopny světlo určitých vlnových délek pohltit. (Ebbesen et al., Nature, 12 Feb 1998.)

Polovodičové lasery využívají jako aktivní prostředí přechody typu p-n. Tento princip byl navržen již na počátku kvantové elektroniky. V polovodičovém laseru se využívá přechodů mezi valenční a vodivostní zónou (tzv. přímé přechody). K zesílení záření o dané frekvenci ní dochází na přechodu mezi zónami. Tato frekvence splňuje vztah

h.ní = E[2] - E[1]

kde E[2] je energie hladiny ležící ve vodivostní zóně, E[1] je energie hladiny ve valenční zóně, h je Planckova konstanta. Uvnitř jednotlivých zón dochází k nezářivému přechodu. Polohu energetických hladin uvnitř zón lze ovlivnit koncentrací příměsí polovodiče nebo vnějším působením na přechod, jako jsou změny tlaku nebo teploty. Proto lasery se zcela stejným aktivním prostředím mohou generovat mírně odlišné frekvence záření. Pro čerpání polovodičového laseru se používá optické záření z nějakého nekoherentního zdroje (např. výbojky), proudu elektronů procházejících laserem nebo injektování nosičů náboje do oblasti přechodu, např. bombardováním přechodu rychlými elektrony s energií 10^4 až 10^5 eV. [1]

Kvantové kaskádní lasery, které mají více aktivních přechodů sdružených v kaskádě, jsou důležitým technologickým zařízením pro vytváření světla ve střední infračervené oblasti spektra.

Federico Capasso z Bellových laboratoří (908-582-7737) na zasedání Americké asociace pro pokroky vědy AAAS (American Association for Advancement of Science) oznámil dosažení rekordního výkonu u tohoto typu laseru. V Bellových laboratořích sestavili laser, ve kterém elektron prochází řadou ultratenkých polovodičových vrstev (sestavených do 25 "aktivních oblastí). Při každém průchodu elektron ztrácí část své energie, kterou předává aktivní oblasti za vzniku fotonu (viz Physics News Update 322). Na rozdíl od jiných polovodičových laserů, v nichž elektron se sráží s kladně nabitou dírou a vzniká tak jeden foton (vlnová délka světla laseru je tak určena chemickým složením polovodiče), Capasso oznámil, že jejich poslední prototyp laseru umožňuje, aby reálně všechny elektrony, které procházejí vrstvami, vytvořily až 25 fotonů (s vlnovou délkou, kterou lze snadno nastavit změnou tloušťky vrstev). Při teplotě 80 Kelvinů kvantové kaskádní lasery vytvářejí spojité záření s vlnovou délkou 5,2 mikronu a výkonem 200 miliWattů. V této oblasti záření ostatní polovodičové lasery zatím vytvářejí záření o maximálním výkonu 2 miliWatty. (J. Faist et al., IEEE J. Quantum Electronics, February 1998).

Za pokojové teploty tým Bellových laboratoří vytvořil pulsy dlouhé 50 nanosekund o vlnové délce 8,2 mikronu a výkonu 170 miliWattů.

Protože středovlnné infračervené záření dokonale prochází čistou atmosférou, ale rozptyluje se na molekulách plynů způsobujících skleníkový efekt a na dalších nečistotách, vědci z Národních laboratoří Pacific Northwest National Laboratories (Jim Kelly a Steve Sharpe, 509-375-2699) použili tento zatím testovaný typ laseru pro detekci různých nečistot v atmosféře v koncentracích jen 10 jednotek v biliónu a nižších.

Molekulární individualismus je myšlenka, podle níž fyzikálně identické molekuly se mohou za identických podmínek chovat různě. Tento jev byl pozorován Stanfordskou skupinou (Steven Chu, 415- 723-3571). Uvnitř mikroskopických kapek kapaliny obsahujících prameny DNA stejný tok proudů vlákna DNA rozplete velmi různým způsobem. Jednou se vytvářejí uzly uprostřed, jindy vznikají smyčky na jednom nebo na obou koncích, jindy se prameny vzájemně zachytávají, jindy vznikají volné nespletené prameny. Steven Chu na zasedání Americké asociace pro pokroky vědy AAAS (American Association for Advancement of Science) ve své zprávě uvedl, že toto nechaotické chování je zřejmě způsobeno malými fluktuacemi v počátečních podmínkách, jako jsou malé změny teploty uvnitř kapek. (Stanford news release, February 11, 1998.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.359, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 359 February 18, 1998 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[1] Sochor, Václav: Lasery a koherentní svazky. Academia, Praha 1990. ISBN: 80-200-354-1

(c) 1998 Intellectronics
poslední úprava: 23.2. 1998

časopis o přírodě, vědě a civilizaci