Výzkumníci Kalifornské univerzity v Los Angeles (UCLA, the University of California at Los Angeles) oznámili vývoj zařízení velikosti přenosného osobního počítače pro jadernou fúzi při pokojové teplotě. Jejich výsledek může vést k novému druhu zařízení pro jadernou fúzi a dalším aplikacím, jako jsou mikroskopické raketové motory pro mikroelektromechanické kosmické lodi. Klíčovou komponentou zařízení je pyroelektrický krystal, materiál, který se v případě sloučeniny lithia a niobu mimo jiné používá jako filtr signálu v mobilních telefonech. Pokud se pyroelektrický krystal zahřeje, dojde k jeho polarizaci, tedy k oddělení značného množství nábojů blízko povrchu, což vede ke vzniku elektrického pole s velkou intenzitou. Tento fyzikální jev může urychlovat elektrony na relativně vysoké energie, řádově několika keV.

Výzkumníci z Kalifornské univerzity v Los Angeles (kontakt: Seth Putterman) k pyroelektrickému krystalu přidali několik dalších komponent. Ve vakuové komoře obsahující plyn deuteria umístili pyroelektrický krystal (LiTaO₃) tak, že jedna jeho strana se dotýká měděného disku, na němž je upevněna wolframová sonda. Výzkumníci nejprve ochladili a pak zahřáli krystal, který na svém povrchu vytvořil elektrickou potenciální energii asi 120 kV. Elektrické pole na hrotu sondy bylo dostatečně vysoké (25 V/m), aby bylo schopno odtrhnout elektrony blízkým atomům deuteria. Kladně nabité ionty deuteria byly silně odpuzovány kladným nábojem hrotu sondy a elektrickým polem krystalu. Takto urychlené ionty deuteria narážely do pevného terčíku z deuteridu erbia (ErD₂). Kinetická energie některých iontů byla tak vysoká, že docházelo k jaderné fúzi deuteria. Každá fúzní reakce jader deuteria vytvořila jádro hélia He-3 a neutron s energií 2,45 MeV. Tyto neutrony se staly důkazem probíhající jaderné fúze. V typickém tepelném cyklu výzkumníci naměřili maximum asi 900 neutronů za sekundu, což bylo asi 400 krát více než přirozené pozadí neutronů. Během tepelného cyklu, který trval od 5 minut do 8 hodin v závislosti na teple krystalu, podle odhadů výzkumníků vzniká asi 10^-8 J energie. Pro představu asi 1000 J tepla ohřeje kávu o objemu 250 ml o jeden stupeň Celsia. Použitím větší wolframové sondy, ochlazením krystalu až na kryogenní teploty a použitím terčíku s obsahem tritia by podle výzkumníků bylo možno zvětšit počet pozorovaných neutronů na více než 10⁶ neutronů za sekundu. (Naranjo, Gimzewski, Putterman, Nature, 28. dubna 2005). Experimentální zařízení je překvapivě jednoduché. Podle Setha Puttermana bude možno vyrobit malé zařízení, které ponořené v ledové vodě bude vytvářet jadernou fúzi. [X1]

Výzkumníkům se poprvé podařilo změřit poločas rozpadu jádra atomu niklu-78, které je na neutrony nejbohatší jádro. Tento výsledek pomůže lepšímu pochopení, jak jsou jádra těžkých atomů uspořádána. Odkud se vlastně vzaly atomy zlata? Fyzikové jsou přesvědčeni, že atomy zlata a dalších těžkých prvků (v periodické tabulce prvků za železem) vznikly z lehčích atomů při erupcích hvězd před miliardami let. V "r-procesu" ("r" jako rychlý) během exploze nitra hvězdy vznikaly jádra těchto atomů díky nadbytku volných neutronů. Evoluční vývoj jednotlivých prvků je zachycen například v počítačové simulaci, která popisuje vznik nuklidů jednoho z druhého na WWW stránkách [X2]. V některých případech se vznik prvků v určitých strategických místech může zpomalit. Příkladem je nikl-78, který je "dvojitě magickým" jádrem. Toto jádro má uzavřené neutronové a protonové slupky. V jistém smyslu jde o "vzácné" jádro, podobně jako jsou vzácné plyny (He, Ne, Ar, Kr, Xe), které mají uzavřené všechny elektronové slupky. Nové znalosti o tomto rozhodujícím jádru získáváme obtížně, protože jde o řídce se vyskytující nuklid a lze jej těžko uměle vyrobit. Vědci Národního supravodivého cyklotronu (NCSL, the National Superconducting Cyclotron) na Michiganské státní univerzitě jsou schopni získat 11 jader niklu Ni-78 z několika miliard srážek o vysoké energii. Tento cyklotron je zařízení, které je schopno na Zemi napodobit podmínky při erupcích supernov. Hendrik Schatz [M1] na zasedání Americké fyzikální společnosti v Tampa Bay v polovině dubna 2005 uvedl, že na základě dostupných pozorování rozpadu jader niklu Ni-78 odhadl jeho poločas rozpadu na 110 miliesekund. Tento odhad je však čtyřikrát kratší než předchozí teoretické odhady. Toto jádro představuje "úzké hrdlo" při nukleosyntéze ostatních jader, které bránilo vzniku jader těžších prvků. Přesné podmínky r-procesu však jsou dosud neznámé. Pomocí nových měření lze podmínky modelu nastavit tak, aby model produkoval pozorované množství kovů ve vesmíru. Takto získáme lepší představu o fyzikálních podmínkách, v nichž r-proces ve vesmíru probíhal. (Hosmer et al., Physical Review Letters, 25. března 2005)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 729. April 27, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Kapalný sodík může při pokojové teplotě existovat pouze při tlacích několika miliónů atmosfér. Rozpouštění je záhadné. Objevuje se v době, kdy tepelný pohyb atomů nebo molekul v pevné látce převládne nad meziatomovými nebo mezimolekulovými vazbami. Stlačení pevného vzorku obvykle působí proti účinku tepelného pohybu a proto teplota rozpouštění pevné látky obvykle roste s tlakem. U některých materiálů, jako je voda, však při určitém tlaku teplota tání naopak klesá.

Dosud nejdramatičtější případ takové "záporné křivky tání" studovali výzkumníci z Carnegie Institution of Washington, když použili nejlehčí známý kov, sodík. Při nulovém tlaku sodík taje při teplotě 371 Kelvinů. S rostoucím tlakem teplota tání rovněž vzrůstá až do 1000 Kelvinů při tlaku 30 GPa (asi 300 000 atm). Pak se však situace překvapivě mění. Při dalším růstu tlaku teplota tání sodíku klesá až na méně než 300 Kelvinů při tlaku 118 GPa. Všechny dosud známé materiály se zápornou křivkou tání snižují teplotu tání jen o několik Kelvinů při změně tlaku o několik GPa. U sodíku však teplota tání začíná klesat při teplotě 700 Kelvinů a tlaku 80 GPa. Podle výzkumníka Eugena Gregoryanze [M1] se při tlaku miliónu atmosfér bude sodík rozpouštět při pokojové teplotě. Tato sodíková kapalina je hustější než pevná látka (podobně jako u vody) a může mít zvláštní plastické nebo mechanické vlastnosti. Za určitých okolností by kapalný sodík mohl být dokonce supravodivý. (Gregoryanz et al., Physical Review Letters, květen 2005)

Optický přepravníkový pás pro submikronové objekty vyvinuli fyzikové z Ústavu vědeckých přístrojů v Brně v České republice a z Univerzity v St. Andrews ve Skotsku. Výzkumníci použili zvláštní typ nedifrakčního laserového světla vytvářející velmi úzký paprsek, který nemění šířku ani na velkou vzdálenost. Dva takové proti sobě působící laserové paprsky vytvořily vzorek stojatého vlnění, po němž se mohou posunovat malé polystyrénové kuličky správné velikosti. Tyto kuličky o velikosti od 400 nm do 1000 nm (1 mikron) mají hustotu srovnatelnou s vodou. Již dříve vědci použili takové nedifrakční optické stojaté vlnění pro pohyb částic pomocí síly tlaku záření bez možnosti tento pohyb zastavit použitím pouze jednoho paprsku. Čeští a skotští vědci jsou schopni vytvořit optickou mřížku stojatého vlnění s četnými uzly, které odpovídají maximu intenzity stojaté vlny. Navíc částice lze "uvěznit" poblíž uzlu a všechny uzly se pak mohou pohybovat na velkou vzdálenost změnou relativní fáze proti sobě působících laserových paprsků. Díky samovolnému zaostřování nedifrakčních paprsků může být ve struktuře stojatého vlnění "uvězněno" mnoho částic současně bez významných změn vlastnosti paprsku. Přesnost umístění souvisí s přesností fázového posunu a hloubka této optické pasti (velikost uzlů) je na mikronové úrovni. Pavel Zemánek [M2] tvrdí, že mezi možnými aplikacemi je také přeprava biologických a koloidních mikročástic nebo dokonce ochlazených atomů na velmi nízkou teplotu. (Cizmar et al., Applied Physics Letters, 25. dubna 2005; webové stránky laboratoře [X1])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 730. May 5, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Tým teoretických fyziků dosáhl dosud nejlepší předpovědi hmotnosti částice. Po několika dnech, kdy byl jejich článek zaslán časopisu Physical Review Letters, byla hmotnost částice přesně změřena v laboratoři Fermilab a změřená hodnota byla neobvykle přesně v souladu s předpovězenou hodnotou.

Jak známé částice získaly svoji hmotnost? Odpověď možná poskytne mřížková kvantová chromodynamika (QCD, lattice Quantum Chromodynamics), výpočetní přístup, jak analyzovat vzájemné interakce kvarků. Kvarky si lze představit umístěné ve vrcholech mřížky podobné krystalické struktuře. Interakce kvarků probíhají výměnou gluonů a lze si je představit jako hrany mezi vrcholy mřížky. Gluony jsou nositeli silné jaderné interakce, jejíž vlastnosti popisuje kvantová chromodynamika. Pomocí tohoto přístupu lze počítat hmotnosti známých hadronů. Připomeňme, že hadrony se dělí na dvě velké skupiny, baryony a mesony. Baryony jsou složeny ze tří kvarků a mesony ze dvou kvarků. Až donedávna tyto výpočty však byly pouze hrubou aproximací. Významného zlepšení bylo dosaženo v roce 2003, když neurčitosti předpovědí hmotnosti poklesly z úrovně 10 procent na úroveň 2 procent. Hmotnost protonu bylo možno určit na několik procent od změřené hodnoty. Tohoto pokroku bylo dosaženo díky lepším znalostem lehčích kvarků a také díky většímu výpočetnímu výkonu. Vědci si mohou učinit lepší představu o "moři kvarků", virtuálních kvarcích, jejichž prchavá přítomnost má značný vliv na "valenci" kvarků. Například proton se skládá ze tří valenčních kvarků, dvou kvarků "up" a jednoho kvarku "down" a z moře dalších kvarků, které neustále vznikají a zanikají po dvojicích podle Heisenbergova principu neurčitosti kvantové teorie. Podle tohoto principu ve vakuu (prostoru zbaveného jak částic tak záření) neustále vznikají a zanikají páry částic, protože pro neurčitost energie a času musí platit  $\Delta E \cdot \Delta t >= \hbar/2\pi$.

Nyní se výzkumníkům poprvé podařilo předpovědět hmotnost hadronu pomocí mřížkové kvantové chromodynamiky. Andreas Kronfeld [M1] a jeho kolegové z laboratoře Fermilab, Univerzity v Glasgow a ze Státní univerzity v Ohio oznámily výsledek výpočtu mesonu B_c, který obsahuje antikvark "bottom" a kvark "charmed". Předpovězená hmotnost tohoto mesonu je 6304 +/- 20 MeV. Tato přesnost nevychází pouze z výše uvedené diskuse, ale také z metod studia těžkých kvarků. O několik dní později byla hmotnost tohoto mesonu určena experimentálně na 6287 +/- 5 MeV. Tento úspěch je vynikající a posiluje důvěru, že mřížková kvantová chromodynamika bude schopna určit vlastnosti ostatních hadronů. (Allison et al., Physical Review Letters, 6. května 2005, webové stránky pro mřížkovou kvantovou chromodynamiku [X1])

Podle nové hypotézy bychom mohli pozorovat paprsky neutrin o energii řádově několika TeV, které jsou emitovány určitými pulsary ve vesmíru. Pulsar je rychle rotující neutronová hvězda, která má silná magnetická pole a proto svoji energii vyzařuje ve formě radiových vln pouze v úzkém svazku. Bennett Link ze Státní univerzity v Montaně tvrdí, že mladá, rychle rotující neutronová hvězda může vyzařovat energii ve formě roentgenova záření s výkonem srovnatelným s naším Sluncem, avšak z povrchu asi 5 miliardkrát menšího. Kolem hvězdy vznikají mocná elektrická pole o intenzitě až 10¹⁵ V.m^-1. Tato pole mohou urychlit protony v jejich blízkosti na energie až 10¹⁵ eV. Když se tyto protony srazí s fotony roentgenova záření, mohou vzniknout delta částice (v podstatě těžké fotony). Tyto delta částice se rozpadají za vzniku neutrin o vysoké energii. Celý mechanismus, tedy urychlení protonu, vytvoření částice delta a vznik neutrin, je spojen s rotací pulsaru podobně jako radiové záření. Pokud by byl použit vhodný detektor neutrin, bylo by možno pulsary objevit pomocí jejich neutrin. Pokud by taková neutronová hvězda byla ve stejné vzdálenosti jako naše Slunce, Země by přijímala asi milión neutrin o energii 50 TeV na centimetr čtverečný za sekundu. Bennett Link [M2] odhaduje, že ve vzdálenosti 15 tisíc světelných let od Slunce se nachází asi deset neutrinových pulsarů. Dále odhaduje, že tyto vysoce energetické zdroje neutrin by mohly způsobit 10 detekcí neutrin ročně v detektoru o rozměrech km², což je efektivní velikost zařízení IceCube, které je nyní budováno. Neutrinové pulsary by mohly být nejvýkonnějšími spojitými zdroji neutrin ve vesmíru a jejich detekce by zřejmě posílila myšlenku neutrinové astronomie. (Link and Burgio, Physical Review Letters, 13. května 2005)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 731. May 12, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.