Dosud největší záblesk světla z vesmíru byl zaznamenán 27. prosince 2004. Světelný záblesk pocházel z objektu SGR 1806-20 ve vzdálenosti asi 50 tisíc světelných let od naší Galaxie. Zkratka "SGR" znamená "soft gamma repeater" (zdroj opakovaného měkkého gama záření), tedy třídu neutronových hvězd, které mají velmi silné magnetické pole. Takové "magnetické neutronové hvězdy" mohou náhle explodovat a vyslat do vesmíru obrovské množství energie ve formě záření gama a záření delších vlnových délek. Erupci této hvězdy nejprve zaznamenaly dalekoledy na oběžné dráze ve spektru gama záření po dobu několika minut. Radiové emise pak byly zaznamenávány po dobu několika měsíců. Pro srovnání, záblesk gama záření byl jasnější než Měsíc v úplňku. (tisková konference NASA, 18. února 2005) [X1], [X2]
 

Uhlíkové nanotrubičky, tenká dutá uhlíková vlákna o tloušťce několika nanometrů a délce několika mikronů mají překvapivé optické, elektrické, teplotní a mechanické vlastnosti. Zřejmě největším praktickým využitím v blízké budoucnosti budou směsi nanotrubiček s řadou pevných a kapalných kompozitních materiálů. Fyzik Erik Hobbie z NIST měřil vlastnosti toku nanotrubiček v roztoku kapalného polymeru mezi dvěma rovnoběžnými deskami. Studoval síly smykového tření pohybem jedné z desek. Obecně jsou nanotrubičky uspořádány náhodně a velmi snadno se mohou splétat. Při nižší koncentraci a dostatečné síle smykového tření se však nanotrubičky uspořádávají podobně jako molekuly v kapalném krystalu. Jakmile se však síla smykového tření zmenší nebo vzroste koncentrace, nanotrubičky se začnou znovu splétat. Při dalším růstu koncentrace splétání nanotrubiček vzrůstá a vznikají shluky, které jsou pozorovatelné pouhým okem. Tyto shluky jsou rovnoběžné s deskami a kolmé ke směru toku. Při ještě vyšších koncentracích (asi 3%) jsou shluky ještě větší a tok se zastaví. V tomto spleteném stavu síť nanotrubiček vytváří obdobu fraktální geometrie. Prostudování této geometrie by přispělo k celé řadě průmyslových procesů, v nichž budou nanotrubičky využívány.

Erik Hobbie oznámil své výsledky na zasedání americké Společnosti rheologie v Lubbocku v Texasu v únoru 2005. [X3]
 

"Optické víry" mohou obsahovat dodatečnou informaci o hmotě. Mohly by se proto stát novým a potenciálně mocným optickým nástrojem, jak navrhuje společný španělsko-americký tým. Obyčejný světelný paprsek, pokud ho pozorujeme čelně, vypadá jako jasný kruh. Avšak zvláštní typ světla, nazývaný "optický vír", při čelním pozorování vypadá jako jasný prstenec obklopující tmavší střed. Optické víry jsou nejjednodušším typem paprsku, který má nenulový orbitální úhlový moment.

Světelné paprsky s nenulovým orbitálním momentem představují novou optickou geometrickou fázi. Abychom objasnili podstatu a význam tohoto jevu, rozdělíme vysvětlení na několik částí, kdy budeme uvažovat samostatně fázi, orbitální úhlový moment světla a fázi světla.

Objasněme nejprve pojem fáze. Mnoho periodických jevů lze popsat fází. Například u ručičkových hodin fází (orientací) minutové ručičky chápeme její úhlovou vzdálenost od dvanáctky, tedy například čtvrt, půl, tři čtvrtě. Každých 60 minut minutová ručička prochází bodem se stejnou fází. Periodické jevy lze často popsat funkcí

y(t) = A \sin(\omega t + \phi)

kde A představuje amplitudu (maximální odchylku od nulové polohy), \omega představuje úhlovou frekvenci (počet průchodů nulovou polohou za určitý časový interval) a \phi představuje fázi, tedy časové posunutí nejbližší nulové polohy y=0 od časového okamžiku t=0.

Nyní uvažujme jiný typ fáze. Představme si šipku na povrchu Země orientovanou na sever. Řekněme, že stojíme na rovníku. Nyní beze změny orientaci šipky touto šipkou posuneme po rovníku o jeho jednu čtvrtinu. Původní šipka a nová šipka stále směřuje na sever. Nyní posuňme původní a novou šipku až na severní pól. Obě šipky budou svírat pravý úhel. Vidíme, že pohybem po uzavřené křivce došlo v určitém bodě ke změně orientace šipky. Jinými slovy, kvůli vlastní zakřivené geometrii dráhy se objevila změna fáze. Tento typ změny fáze se může vyskytnout v kvantových systémech.

Nyní objasněme pojem orbitálního úhlového momentu. Částice světla nese hybnost rovnou podílu Planckovy konstanty a vlnové délky odpovídající vlny. Světlo však má také vnitřní úhlový moment označovaný jako spin. Spinový úhlový moment lze orientovat polarizátory. Světlo jako elektromagnetické vlnění lze popsat vektorem elektrické intenzity a vektorem magnetické indukce. Vektor elektrické intenzity světla osciluje vertikálně nahoru a dolů nebo horizontálně dopředu a nazpět. Pokud je světelná vlna kruhově polarizována (elektrické pole se pohybem vlny stáčí jako vývrtka), pak spin odpovídá dvěma různým způsobům stáčení tohoto pole: ve směru a proti směru hodinových ručiček. Pro účely počítačového zpracování dat bity 0 a 1 mohou odpovídat buď vertikální a horizontální polarizaci anebo polarizaci ve směru a v protisměru pohybu hodinových ručiček.

Co však pro světlo znamená termín "orbitální" úhlový moment? Co je oněmi orbitami? Zobrazme hodnoty elektrického pole na vertikální rovinný řez světelným paprskem. Pro vertikálně polarizované světlo je elektrické pole ve všech bodech řezu orientováno vertikálně. Tato orientace se v čase nemění.

Pro kruhově polarizované světlo budou pole v řezu v určitém okamžiku orientována stejným způsobem. O okamžik později se však elektrické pole částečně posune například ve směru hodinových ručiček, tedy změní se fáze elektrického pole, avšak orientace pole v každém bodě vertikálního řezu zůstane stejná. Použitím zvláštních mřížek lze vytvořit zcela odlišný mód světla, kdy fáze elektrického pole se stáčí kolem osy paprsku světla. Světlo pak nese orbitální úhlový moment. Celý princip si lze prohlédnout na webových stránkách Colgate University [X4].

Optické víry, tedy světlo nesoucí orbitální úhlový moment, se intenzivně studují od počátku 90. let 20. století. Můžeme si představit, že při pozorování těchto paprsků ze strany tyto paprsky v prostoru vytvářejí spirály. Jednotlivé dráhy této spirály představují oblasti s konstantní fází (například oblasti s maximální intenzitou elektrického pole). Tato "spirálovost" světla představuje další "stupeň volnosti", který výzkumníci mohou využít pro optické ukládání a následné získávání informací o objektech, jimiž paprsek prochází. V konvenčním laserovém paprsku energie se šíří rovnoběžně s osou paprsku, jako voda ve výtrysku. Avšak v paprsku s orbitálním úhlovým momentem se energie šíří po spirále kolem osy paprsku. Běžné paprsky nesou pouze "spinový úhlový moment", který souvisí s polarizací světla. Všechny možné stavy spinu lze realizovat pomocí právě dvou stavů polarizace (vertikální a horizontální nebo ve směru a proti směru hodinových ručiček). Paprsky s nenulovým orbitálním momentem však mají mnoho stavů. Vyšší stavy souvisejí s těsnější spirálou, tedy s rychlejším pohybem energie po spirále. Z tohoto důvodu lze do paprsku zakódovat velké množství informace. Navíc lze vytvořit paprsek, který je superpozicí mnoha stavů orbitálního úhlového momentu. Výzkumníci označují tyto různé komponenty orbitálního úhlového momentu za "spirální spektrum".

Lluis Torner a jeho kolegové z nového Ústavu pro fotonické vědy (ICFO, Institute for Photonic Sciences) v Barceloně přišli s myšlenkou "digitálního spirálního zobrazování". Paprsek běžného tvaru osvětlí zkoumaný vzorek. Na vzorku se dopadající paprsek rozptýlí a změní se jeho spirální komponenty. Rozkladem paprsku na jeho jednotlivé komponenty orbitálního úhlového momentu (tedy analýzou "spirálního spektra" rozptýleného paprsku) lze zřejmě získat rozsáhlé informace o zkoumaném vzorku. Spirální spektrum by mohlo být citlivé na nanoskopické nepravidelnosti v geometrických a strukturních vlastnostech zkoumaného vzorku. Proto by mohlo být užitečným nástrojem pro detekci biologických a chemických sloučenin, a pro prozkoumání biologických vzorků citlivých na světlo s orbitálním úhlovým momentem. Očekává se, že by světlo s orbitálním úhlovým momentem mohlo zvětšit množství dat ukládaných na kompaktních discích. (Torner, Torres, Carrasco, Optics Express, 7. února 2005; kontakt Lluis Torner, [X5]; více informací o světle s orbitálním úhlovým momentem: Physics Today, květen 2004 a New Scientist, 12. června 2004).

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 721. February 24, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

[I2] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 639. May 30, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Molekula C-60 ve tvaru fotbalového míče mimo jiné obsahuje 240 valenčních elektronů, udržujících celou strukturu pohromadě. Tato molekula v podstatě představuje přechod mezi molekulou a pevným tělesem. Výzkumný tým Laboratoře pokročilých zdrojů světla (Advanced Light Source Laboratory) v Berkeley se rozhodl prozkoumat pohyb všech těchto elektronů. Výzkumníci vložili molekuly C-60 do paprsku (aby je nejprve ionizovali) a pak je ostřelovali fotony ultrafialového záření. Energie absorbovaného fotonu se přeměnila na kolektivní pohyb elektronů, označovaný jako plasmon. Již dříve byl pozorován "povrchový plasmon" o energii 20 eV. Absorbce ultrafialového záření způsobila soustavnou oscilaci souboru elektronů, která se projevovala jako malá koule elektrického náboje. V provedeném experimentu byla potvrzena druhá resonance s energií 40 eV. Tento druhý typ kolektivní excitace elektronů lze považovat za "objemový plasmon", protože jeho tvar osciluje vůči středu molekuly C-60.

Společný výzkumný tým se skládá z fyziků Nevadské university, Reno (Ronald Phaneuf, [M1]), americké Národní laboratoře Lawrence Berkeleye (Lawrence Berkeley National Lab), z Univerzity Justa Liebiga (Giessen, Německo) a z Ústavu Maxe Plancka v Drážďanech (Dresden). (Scully et al., Physical Review Letters, 18. února 2005)
 

První důkaz kvantového propletení tří makroskopických objektů v supravodivém obvodu podali výzkumníci Marylandské univerzity. Vědci studovali elektrický obvod při teplotách blízké absolutní nule a nalezli nový důkaz, že zákony kvantové mechaniky platí nejen pro mikroskopické částice, jako jsou atomy a elektrony, ale také pro velká elektronická zařízení, supravodivé kvantové bity (qubity). Výzkumníci již dříve vytvořili supravodivé kvantové bity a několika výzkumným skupinám se podařilo kvantově proplést (přivést do společného kvantového stavu s jedinou vlnovou funkcí) dva tyto makroskopické objekty.

Nyní výzkumníci poprvé pozorovali kvantovou interakci tří makroskopických komponent: niobového obvodu složeného z indukční cívky a kondenzátoru (LC obvodu) a páru Josephsonových přechodů (dvě dvojice supravodičů oddělených nevodičem). Všechna tři makroskopická zařízení se chovala podobně jako atom. Oscilační obvod LC spojený s Josephsonovými přechody přenášel kvantované oscilace proudu z jednoho Josephsonova přechodu na druhý. Obvod LC však nesloužil pouze jako propojení. Jeho chování záviselo na chování Josephsonových přechodů a bylo určeno zákony kvantové mechaniky. Vědci získali důkaz kvantového propletení nepřímo, pomocí mikrovlnných impulsů, jimiž testovali Josepshonovy přechody. V budoucích experimentech očekávají, že tento důkaz získají přímo. Supravodivé obvody, jako je tento obvod, představují slibnou cestu k praktickým kvantovým počítačům, v nichž se musí dosáhnout kvantového propletení mnoha kvantových bitů.

Zvětšení supravodivých zařízení na systémy mnoha kvantových bitů bude možné, až se podaří zdokonalit jednotlivé kvantové bity, tvrdí člen týmu Frederick Strauch (nyní NIST, [M2]). Cílem je vyrobit dostatečně kvalitní obvody, v nichž supravodivé kvantové bity dosáhnou velmi nízkých úrovní šumu, které jsou pro kvantové počítání zcela nezbytné. (Xu et al., Physical Review Letters, 21. ledna 2005)
 

Někteří vědci jsou již dlouho přesvědčeni, že blesky mohou vytvářet roentgenové záření. Až donedávna však veškeré důkazy byly nejednoznačné, především kvůli nepředvídatelnému chování blesků. Série experimentů z posledních několika let, které provedli Joseph Dwyer a jeho kolegové z Floridského ústavu technologie a z Floridské univerzity, prokázala, že blesky skutečně vyzařují silné výtrysky roentgenového záření o energii až 250 keV (tedy dvakrát více, než vytváří roentgenový přístroj při vyšetření plic). Tyto roentgenové paprsky většinou nevznikají ve světelných záblescích, ale v neviditelných vodících kanálcích, které se před zábleskem šíří z oblaků do země a vytvářejí pro něj cestu. Dwyer a jeho kolegové objevili, že roentgenové záření vzniká v okamžicích, kdy vodící kanálek mění prudce svůj směr. Z neznámých důvodů se blesky nepohybují po spojité dráze z oblaků až do země, ale pohybují se v posloupnosti nespojitých skoků. V některých skocích se původní paprsek rozštěpí na několik dalších paprsků. Dwyer dokázal, že také v těchto případech vzniká roentgenové záření.

Roentgenové záření vzniká v silných elektrických polích, která prudce urychlují elektrony na rychlost blízkou rychlosti světla. Tyto urychlené elektrony narážejí na částice ve vzduchu a vytvářejí roentgenové záření. Dwyer tvrdí, že občas se objevuje také gama záření s ještě vyšší energií, které však vzniká v samotných bouřkových oblacích. (Dwyer et al., Geophysical Review Letters, 16. ledna 2005.)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 722. March 3, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.