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10 unmögliche Dinge, die Physiker möglich gemacht haben
In der fremden Welt der Physik ist das Unmögliche immer möglich. In letzter Zeit ist es vielen Wissenschaftlern jedoch gelungen, diese Einschränkung zu übertreffen und spektakuläre erste Erfolge zu erzielen.
10 Gesetzgebende Kälte
In der Vergangenheit konnten Wissenschaftler ein Objekt nicht hinter einer Barriere, der sogenannten "Quantengrenze", kühlen. Um etwas frostig zu machen, muss ein Laser seine Atome und ihre Wärme erzeugenden Vibrationen verlangsamen. Ironischerweise bringt Laserlicht Wärme in den Handel. Trotz Absenkung der Temperatur wird auch verhindert, dass die Quantengrenze unterschritten wird. Überraschenderweise konstruierten die Physiker eine Trommel aus vibrierendem Aluminium und es gelang ihnen, ihre Temperatur auf 360 MikroKelvin oder 10.000 Mal mehr zu kühlen als die Tiefen des Weltraums. Die Trommel hatte einen Durchmesser von 20 Mikrometern (ein menschliches Haar ist 40 bis 50 Mikrometer) und das Experiment entsprach der berühmten Grenze.
Einst galt es als unmöglich, war der Durchbruch eine neuartige Lasertechnik, mit der Licht „gepresst“ werden kann, wodurch die Partikel mit einer stärkeren Stabilität in eine Richtung gelenkt werden. Dies beseitigte die Schwankungen des Lasers, die Wärme hinzufügten. Die Trommel ist das kühlste mechanische Objekt, das jemals aufgenommen wurde, aber nicht die kälteste Materie, bei der es sich um ein Bose-Einstein-Kondensat handelt. Trotzdem könnte die Errungenschaft eines Tages eine Rolle in der superschnellen Elektronik spielen und dazu beitragen, das Verhalten fremder Menschen in der Quantenwelt zu enträtseln, das erscheint, wenn Materialien sich ihren physikalischen Grenzen nähern.
9 Das hellste Licht
Die Ausstrahlung unserer eigenen Sonne ist schon bemerkenswert. Stellen Sie sich nun das kombinierte Licht einer Milliarde Sonnen vor. Das entspricht ungefähr dem, was Physiker kürzlich in einem Labor zum Leben erweckt haben. Offiziell die hellste Helligkeit, die jemals auf der Erde zu sehen war, verhielt sich das Licht unerwartet. Es veränderte das Erscheinungsbild der Objekte.
Um dies zu verstehen, muss man sehen, wie die Sicht funktioniert. Photonen müssen von Elektronen gestreut werden, bevor ein Sehen möglich wird. Unter normalen Umständen stoßen Elektronen ein Photon auf einmal an. Wenn etwas heller wird, bleibt die Form normalerweise dieselbe wie bei weniger Licht. Der leistungsstarke Laser, der in dem Experiment verwendet wurde, zerstreute 1.000 Photonen. Da Streuung der Sichtbarkeit gleich ist, hat die Intensität, mit der sie aufgetreten ist, das Verhalten der Photonen und somit die Wahrnehmung eines beleuchteten Objekts verändert. Dieser merkwürdige Effekt wurde deutlicher, als das Supersonnenlicht stärker wurde. Da die normale Energie und Richtung der Photonen verändert wurde, wurden Licht und Farben auf ungewöhnliche Weise erzeugt.
8 Molekulares schwarzes Loch
Ein Team von Physikern hat kürzlich etwas geschaffen, das sich wie ein schwarzes Loch verhält. Sie verwendeten den leistungsfähigsten Röntgenlaser, die Linac Coherent Light Source (LCLS), um Jodmethan und Jodbenzolmoleküle zu zappen. Die Forscher erwarteten, dass der Strahl die meisten Elektronen aus dem Jodatom des Moleküls schöpft und dabei ein Vakuum hinterlässt. In Experimenten mit schwächeren Lasern saugte diese Leere dann Elektronen aus dem äußersten Teil des Atoms auf. Als LCLS schlug, geschah das erwartete, gefolgt von etwas Überraschendem. Anstatt mit sich selbst anzuhalten, begann das Jodatom Elektronen von benachbarten Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen zu essen. Es war wie ein kleines schwarzes Loch in einem Molekül.
Nachfolgende Schüsse schlugen die gestohlenen Elektronen aus, aber die Leere saugte noch mehr. Der Zyklus wurde wiederholt, bis das gesamte Molekül explodierte. Das Jodatom war das einzige, das sich so benahm. Größer als der Rest absorbierte es eine enorme Menge an Röntgenenergie und verlor seine ursprünglichen Elektronen. Durch den Verlust war das Atom stark genug, um die Elektronen von kleineren Atomen zu entfernen.
7 Metallischer Wasserstoff
Man nennt es den "heiligen Gral der Hochdruckphysik", aber bisher ist es keinem Wissenschaftler gelungen, metallischen Wasserstoff herzustellen. Als möglicher Supraleiter ist es eine stark nachgefragte Form des normalerweise gasförmigen Elements. Die Möglichkeit, Wasserstoff in ein Metall umzuwandeln, wurde erstmals 1935 vorgeschlagen. Physiker vermuteten, dass massiver Druck die Umwandlung bewirken könnte. Das Problem war, dass niemand so extremen Druck ausüben konnte.
Im Jahr 2017 hat ein US-amerikanisches Team eine alte Technik verfeinert und das theoretische Material zum ersten Mal ins Leben gerufen. Frühere Experimente wurden in einer Vorrichtung durchgeführt, die Diamant-Amboßzelle genannt wird. Die Kraft wird durch die Verwendung zweier gegenüberliegender synthetischer Diamanten erzeugt, die jedoch immer an der kritischen Stelle reißen. Die Physiker verwendeten die Zellkammer, entwickelten jedoch einen neuen Formungs- und Polierprozess, um die gefürchteten Brüche zu verhindern. Das Gerät konnte dann einen erstaunlichen Druck erzeugen: mehr als 71,7 Millionen Pfund pro Quadratzoll. Nicht einmal in der Mitte der Erde findet man einen solchen Druck.
6 Computerchip mit Gehirnzellen
Wenn es um das Herzblut der Elektronik geht, könnte Licht eines Tages den Strom ersetzen. Die Physiker haben das Potenzial des Lichts in dieser Hinsicht vor Jahrzehnten erkannt, als klar wurde, dass seine Wellen nebeneinander laufen können und somit eine Vielzahl von Aufgaben gleichzeitig erfüllen können. Herkömmliche Elektronik stützt sich auf Transistoren, um Stromwege zu öffnen und zu schließen, wodurch die Möglichkeiten begrenzt werden. Eine bemerkenswerte neuere Erfindung war ein Computerchip, der das menschliche Gehirn nachahmt. Es „denkt“ schnell, indem es Lichtstrahlen verwendet, die in einer zu Neuronen analogen Weise miteinander interagieren.
In der Vergangenheit wurden einfachere neuronale Netze geschaffen, die Ausrüstung umfasste jedoch mehrere Tabellen. Alles kleinere wurde für unmöglich gehalten. Der aus Silikon gefertigte neue Chip misst einige Millimeter im Durchmesser und rechnet mit 16 Neuronen.Laserlicht tritt in den Chip ein und teilt sich dann in Strahlen auf, die jeweils Signalnummern oder Informationen durch Helligkeitsänderung enthalten. Die Intensität der Laser, die austreten, gibt die Antwort auf die Anzahl der Zahlen oder die Informationen, für die sie eine Lösung bereitstellen sollten.
5 Unmögliche Form der Materie
Sag Hallo zu Supersolids. Dieser Spinner ist nicht so schwer, wie der Name vermuten lässt. Stattdessen hat das bizarre Material die starre kristalline Struktur aller Feststoffe, während es gleichzeitig als Flüssigkeit erscheint. Dieses Paradoxon sollte nicht realisiert werden, da es der bekannten Physik nicht gewachsen ist. Im Jahr 2016 produzierten jedoch zwei unabhängige wissenschaftliche Teams Materie mit den Markenzeichen eines Supersolid. Unglaublicherweise verwendeten beide unterschiedliche Ansätze, um das zu erreichen, was viele nicht für eine einzige Technik geeignet waren.
Die Schweizer Wissenschaftler schufen ein Bose-Einstein-Kondensat (die kälteste Materie aller Zeiten), indem sie Rubidiumgas bis zum eisigen Extrem vakuumkühlten. Das Kondensat wurde dann zu einer Zweikammervorrichtung bewegt, wobei jede Kammer kleine gegenüberliegende Spiegel enthielt. Laser förderten eine Umwandlung, und die Teilchen reagierten, indem sie sich im kristallinen Muster eines Feststoffs anordneten, während das Material seine Fließfähigkeit beibehielt. Die Amerikaner erreichten dieselbe seltsame Hybridmaterie, erzeugten jedoch nach der Behandlung von Natriumatomen mit Verdampfungskühlung und Lasern ihr Kondensat. Dann haben sie die Dichte der Atome mit Lasern verschoben, bis die kristallähnliche Struktur in ihrer flüssigen Probe erschien.
4 Flüssigkeit mit negativer Masse
Im Jahr 2017 haben Physiker ein verblüffendes Ding entworfen: eine Form von Materie, die sich der Kraft zuwendet, die sie weggedrängt hat. Obwohl es nicht gerade ein Bumerang ist, hat es eine negative Masse. Positive Masse ist die Normalität, an die die meisten Menschen gewöhnt sind: Sie stoßen etwas an, und das Objekt wird in die Richtung beschleunigt, in die es hineingeschoben wurde. Zum ersten Mal wurde eine Flüssigkeit geschaffen, die sich so verhält, wie es sonst niemand in der physischen Welt gesehen hat. Wenn es gedrückt wird, beschleunigt es rückwärts.
Wiederum wurde ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidiumatomen herausgefroren. Wissenschaftler hatten jetzt eine Superfluid mit regelmäßiger Masse. Sie trieben ihre Atome fest mit Lasern zusammen. Dann sorgte ein zweiter Satz Laser dafür, dass die Atome die Art und Weise ändern, in der sie sich drehen. Wenn er sich aus dem festen Halt der ersten Laser löst, hätte sich ein normales Fluid nach außen und von seiner Mitte weg ausgebreitet, was im Wesentlichen den Schub ausübt. Das veränderte Rubidium Superfluid breitete sich bei einer ausreichend schnellen Geschwindigkeit nicht aus, sondern stoppte in einer Anzeige mit negativer Masse.
3 Zeitkristalle
Als Frank Wilczek, ein Physiker, der mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, Zeitkristalle vorschlug, klang die Idee verrückt - vor allem, dass sie im Grundzustand Bewegung erzeugen könnten, der niedrigsten Energieebene in der Materie. Bewegung ist theoretisch unmöglich, da dort, wo wenig oder gar nichts vorhanden ist, Energie benötigt wird. Wilczek glaubte daran, dass eine permanente Bewegung erreicht werden könnte, indem die Atomausrichtung eines Kristalls in den Grundzustand und aus dem Grundzustand versetzt wird. Die atomare Struktur eines solchen Objekts würde sich in der Zeit wiederholen und konstantes Schalten ohne Energie erzeugen. Dies widersprach den Gesetzen der Physik, aber im Jahr 2017, fünf Jahre nachdem Wilczek die bizarre Materie vorstellte, fanden die Physiker heraus, wie man sie herstellt.
Ein Team manipulierte zehn miteinander verbundene Ytterbium-Ionen mit zwei Lasern. Einer bildete ein Magnetfeld, während der zweite das Drehen der Atome einstellte, bis Wilczeks Flipping auftrat. In Harvard wurde ein Zeitkristall geboren, in dem Stickstoffverunreinigungen in Diamanten geschlagen wurden. Obwohl Zeitkristalle jetzt akzeptiert werden und nicht nur eine verrückte Theorie, müssen sie regelmäßig gezapft werden, um weiterzublättern. Sie sind möglicherweise nicht Wilczeks ewige Geräte, aber die Zeitkristalle sind anders als alles, was Forscher jemals untersucht haben.
2 Bragg-Spiegel
Ein Bragg-Spiegel kann nicht viel reflektieren und hat eine zierliche Größe von 1.000 bis 2.000 Atomen. Es kann jedoch Licht reflektieren, was es an Orten nützlich macht, an denen kleinste Spiegel benötigt werden, wie in der modernen Elektronik. Die Form ist nicht konventionell; Die Atome hängen im Vakuum und ähneln einer Perlenkette. Im Jahr 2011 hat eine deutsche Gruppe die bisher reflektierendste (80 Prozent) erstellt, indem sie einen Klumpen von zehn Millionen Atomen in ein Gittermuster gelasert hat.
Seitdem haben dänische und französische Teams die Anzahl der benötigten Atome stark verdichtet. Anstatt Atome zusammen zu zappen, reihten sie sie neben mikroskopische Lichtleitfasern. Bei korrektem Abstand wird die Bragg-Bedingung angewendet, wobei eine Lichtwellenlänge direkt zu ihrem Ursprungspunkt reflektiert wird. Als Licht durchgelassen wurde, entkamen einige der Faser und schlugen auf die Atome. Die dänischen und französischen Saiten reflektierten jeweils um 10 und 75 Prozent, aber beide brachten das Licht in die entgegengesetzte Richtung zurück. Abgesehen von vielversprechenden grenzenlosen Fortschritten in der Technologie kann es eines Tages auch in fremden Quantengeräten nützlich sein, da die Atome zusätzlich das Lichtfeld für die Wechselwirkung miteinander nutzen.
1 2-D-Magnet
Physiker haben seit den 70er Jahren versucht, einen 2-D-Magneten herzustellen, der jedoch immer gescheitert ist. Ein echter 2-D-Magnet behält seine magnetischen Eigenschaften auch nach seiner Entfernung in den Zustand bei, der ihn zweidimensional macht - eine Schicht, die nur ein Atom dick ist. Wissenschaftler begannen zu zweifeln, ob ein solcher Magnet überhaupt möglich ist.
Im Juni 2017 wählten die Forscher Chromtriiodid, um schließlich einen 2-D-Magneten zu erstellen. Die Verbindung war aus mehreren Gründen attraktiv: Es war ein geschichteter Kristall, der perfekt zum Ausdünnen geeignet war und mit einem permanenten Magnetfeld ausgestattet war, und seine Elektronen hatten eine bevorzugte Spinrichtung.Dies waren kritische Pluspunkte, die dazu beitrugen, dass das Chromtriiodid magnetisch blieb, selbst nachdem der Kristall bis zu seiner letzten Atomschicht abgeschält worden war.
Der weltweit erste echte 2-D-Magnet tauchte bei überraschend warmen 228 Grad Celsius auf. Es war kein Magnet mehr, als eine zweite Schicht ersetzt wurde, erlangte jedoch seine Eigenschaften wieder, wenn eine dritte und vierte Schicht hinzugefügt wurden. Im Moment arbeitet es nicht bei Raumtemperatur und Sauerstoff schädigt es. Trotz ihrer Fragilität können Physiker mit 2-D-Magneten Experimente durchführen, die bisher nicht möglich waren.