บทความเบื้องหลังนี้จัดทำขึ้นเพื่อ Livescience โดยร่วมมือกับมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ
พวกเราส่วนใหญ่เห็นด้วยว่า 32 ° F, อุณหภูมิที่น้ำค้างเป็นวันที่ค่อนข้างเย็น แต่สิ่งที่เกี่ยวกับ -320 ° F, จุดเดือดของไนโตรเจน…หรือ -452 ° F, จุดเดือดของฮีเลียม?
อุณหภูมิเหล่านี้ร้อนอย่างไม่น่าเชื่อเมื่อเทียบกับก๊าซอะตอมที่ฉันทำงานกับนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในศาสตราจารย์Brian DeMarcoห้องปฏิบัติการที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เราทำการทดลองกับก๊าซอะตอมที่เย็นลงเพียง 10 พันล้านองศาเหนือระดับศูนย์สัมบูรณ์ (-459.67 ° F)
อะตอมที่อุณหภูมิห้องเคลื่อนที่ประมาณ 500 ฟุตต่อวินาที แต่หลังจากที่เราเย็นพวกเขาก็จะเคลื่อนที่ไปเพียงแค่สิบนิ้วหนึ่งวินาทีต่อวินาทีช้ากว่าความเร็วสูงสุดประมาณ 10 เท่าของหอยทากในสวนทั่วไป เราจะทำสำเร็จได้อย่างไร?
กุญแจสำคัญคือการผสมผสานของเลเซอร์และการระบายความร้อนแบบระเหย การแช่แข็งโดยใช้เลเซอร์อาจดูแปลกเนื่องจากเลเซอร์สามารถใช้ในการตัดและทำเครื่องหมายสแตนเลสเช่นด้านหลังของ iPod แสงเลเซอร์ในการทดลองของเราซึ่งประกอบด้วยพลังงานขนาดเล็กหลายพันล้านพันล้านชุดที่เรียกว่าโฟตอนที่บินผ่านอะตอมในแต่ละวินาทีนั้นพิเศษเพราะมันทำให้อะตอมที่เคลื่อนที่ไปทางแสงเลเซอร์ทำให้พวกเขาช้าลง คุณสามารถจินตนาการถึงกระบวนการนี้คล้ายกับการชะลอตัวของรถโดยใช้ลำธารของลูกเทนนิสจำนวนมากที่เดินทางไปในทิศทางตรงกันข้าม
กับดักอะตอม
การระบายความร้อนด้วยเลเซอร์นั้น จำกัด อยู่ที่การทำความเย็นก๊าซอะตอมให้อุณหภูมิใกล้เคียงกับหนึ่งล้านองศาเหนือศูนย์แน่นอน ดังนั้นเช่นเดียวกับร่างกายของคุณเหงื่อออกเพื่อควบคุมอุณหภูมิเราใช้การระบายความร้อนแบบระเหยเพื่อให้ถึงอุณหภูมิต่ำสุดที่เป็นไปได้ในการทดลองของเรา
หลังจากการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์เราจะปิดแสงทั้งหมดและอะตอมจะถูกขังอยู่โดยใช้แม่เหล็ก เราบังคับให้อะตอมพลังงานสูงสุดออกไปและอะตอมที่ถูกทิ้งไว้ข้างหลังกลายเป็นความเย็น เราไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับการได้รับอาการบวมเป็นน้ำเหลืองเนื่องจากทั้งหมดนี้เกิดขึ้นภายในภาชนะสูญญากาศฉนวน
เราทำให้อะตอมเหล่านี้เย็นลงถึงอุณหภูมิต่ำเพื่อให้พฤติกรรมของพวกเขาถูกครอบงำโดยเอฟเฟกต์ควอนตัม
กลศาสตร์ควอนตัมอาจดูแปลกใหม่ แต่มันส่งผลกระทบต่อทุกแง่มุมของชีวิตของคุณตั้งแต่พื้นฐานทางเคมีของการเผาผลาญของคุณไปจนถึงกองกำลังที่ป้องกันไม่ให้เท้าของคุณตกลงมาจากพื้น พฤติกรรมควอนตัมของอนุภาคจำนวนมากเข้าด้วยกันเป็นรากฐานสำหรับเทคโนโลยีที่ทันสมัย ตัวอย่างเช่นวัสดุเช่นเซมิคอนดักเตอร์ในชิปคอมพิวเตอร์ซึ่งประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่เดินทางผ่านผลึกที่เกิดจากไอออนใช้พฤติกรรมควอนตัมของอิเล็กตรอนเหล่านั้นเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์ ผลกระทบควอนตัมบางอย่างในวัสดุไม่เป็นที่เข้าใจกันเช่นสิ่งที่เกิดขึ้นภายในตัวนำยิ่งยวด "อุณหภูมิสูง" ที่สามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของไนโตรเจน ในตัวนำยิ่งยวดความต้านทานต่อการไหลของอิเล็กตรอนผ่านวัสดุจะหายไปต่ำกว่าอุณหภูมิที่แน่นอน
SuperConductors ซึ่งพบได้ทั่วไปในเครื่อง MRI ในโรงพยาบาลทั่วประเทศสามารถใช้งานได้มากขึ้น (เช่นการประหยัดพลังงานในการส่งกระแสไฟฟ้าจากสถานีพลังงานไปยังบ้านของคุณ) หากพวกเขาจะทำงานที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น นักฟิสิกส์ไม่ทราบวิธีการทำสิ่งนี้ให้สำเร็จเพราะเราไม่เข้าใจมากนักเกี่ยวกับการทำงานของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง
เราไม่สามารถใช้พลังที่ทรงพลังที่สุดของเราได้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เพื่อจำลองวัสดุเหล่านี้ - ตอนนี้เราสามารถคำนวณพฤติกรรมของอิเล็กตรอนได้ประมาณ 10 อิเล็กตรอนเมื่อเทียบกับอิเล็กตรอนหลายพันล้านพันล้านพันล้านในลวดตัวนำยิ่งยวด ทุก ๆ 10 ปีความก้าวหน้าในความเร็วของคอมพิวเตอร์ช่วยให้เราเพิ่มอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในการจำลองคอมพิวเตอร์ เรากำลังพยายามที่จะให้ความกระจ่างเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้ในห้องปฏิบัติการของเราโดยใช้วิธีการที่แตกต่างกันมากที่เรียกว่าการจำลองควอนตัม
เราได้สร้างระบบที่แทนที่อิเล็กตรอนด้วยอะตอมเย็น ๆ และคริสตัลไอออนิกด้วยคริสตัลแสง ผลที่ได้คือสิ่งที่เราเรียกว่าเครื่องจำลองควอนตัมเพราะเราได้แทนที่ระบบที่เราต้องการเข้าใจด้วยสิ่งที่เราสามารถวัดและจัดการได้อย่างง่ายดาย วัสดุที่เกิดขึ้นจริงต้องการโพรบที่ละเอียดอ่อนเพื่อดูอิเล็กตรอนและเทคนิคพิเศษและใช้เวลานานในการเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุ ด้วยเครื่องจำลองของเราเราสามารถถ่ายภาพอะตอมโดยตรงและเปลี่ยนลักษณะของ "วัสดุ" เพียงแค่เปลี่ยนลูกบิดในห้องแล็บ
ความคิดในการใช้ระบบควอนตัมหนึ่งระบบเพื่อจำลองอีกอย่างหนึ่งคือการจินตนาการครั้งแรกโดย Richard Feynman ในปี 1981 นักฟิสิกส์ได้รับรางวัลรางวัลโนเบลในปี 1965 และผู้ช่วยในการทำความเข้าใจว่าความล้มเหลวของโอริงนำไปสู่ภัยพิบัติของผู้ท้าชิงในปี 1986
นักเรียนระดับบัณฑิตทำอะไร
การเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในโครงการเช่นนี้มีความรับผิดชอบมากมาย ก่อนอื่นเราต้องสร้างเครื่องจำลองซึ่งเป็นหนึ่งในการทดลองที่ซับซ้อนที่สุดที่สามารถทำได้ในห้องแล็บเกี่ยวกับขนาดของห้องนอนขนาดใหญ่ อุปกรณ์จะแพร่กระจายไปทั่วโต๊ะเหล็กสองอันที่มีน้ำหนัก 1,000 ปอนด์แต่ละอันและลอยโดยลูกสูบอากาศเพื่อลดการสั่นสะเทือน การทดลองใช้เลเซอร์ที่แตกต่างกันมากกว่า 10 ตัวและกระจกและเลนส์หลายร้อยตัว เรามีชั้นวางของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์หลายเครื่องเพื่อใช้งานทั้งหมด โชคดีที่เราต้องตั้งค่าทุกอย่างเพียงครั้งเดียว
บทบาทของฉันในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการทดลองและทำการวัด
บางครั้งเราทำการทดลองโดยคำนึงถึงผลลัพธ์ที่แน่นอน อย่างไรก็ตามเช่นเดียวกับวิทยาศาสตร์ทั้งหมดมักจะมีโชคที่เกี่ยวข้อง ทุกครั้งที่เราได้รับผลลัพธ์ที่เราไม่สามารถเข้าใจได้ในตอนแรก สิ่งเหล่านี้น่าตื่นเต้นที่สุดเพราะพวกเขาเพิ่มความรู้ของเราโดยการท้าทายสิ่งที่เรารู้อยู่แล้ว
การค้นพบล่าสุดของเราเกี่ยวข้องกับชุดการทดลองที่ดูอะตอมที่เคลื่อนที่ผ่านคริสตัลแห่งแสง เราค้นพบว่ากระแสน้ำวนควอนตัม (คล้ายกับวังวนในอ่างอาบน้ำของคุณ) มีบทบาทในการชะลอตัวของอะตอม เพื่อให้เข้าใจถึงผลลัพธ์นี้เราต้องพูดคุยกับนักวิจัยที่อิลลินอยส์ที่ทำงานกับสายไฟและแผ่นงาน พวกเขาบอกกับเราว่า vortices ได้รับการสังเกตว่าขัดจังหวะการไหลของอิเล็กตรอนในสายตัวนำยิ่งยวดขนาดเล็ก แต่กระบวนการนั้นไม่เข้าใจอย่างสมบูรณ์ดังนั้นการวัดของเราอาจช่วยให้เข้าใจวัสดุเหล่านี้ได้ดีขึ้น ในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษานี่เป็นโอกาสที่ดีในการสังเกตว่าพื้นที่ต่าง ๆ ของฟิสิกส์สามารถทำงานร่วมกันได้อย่างไรและเข้าใจว่าการค้นพบนั้นไม่ค่อยเป็นผลมาจากการทำงานของแต่ละบุคคล
ตอนนี้เรากำลังพยายามประดิษฐ์วิธีอื่น ๆ ที่เราสามารถจำลองวัสดุได้ ตัวอย่างเช่นเรากำลังดำเนินการเพื่อเพิ่มความผิดปกติให้กับคริสตัลแห่งแสงของเราเพื่อทำความเข้าใจว่าวัสดุที่มีผลต่อการปรับตัวของวัสดุ เราแทบรอไม่ไหวที่จะทราบว่าวิทยาศาสตร์ใหม่ที่เราจะค้นพบต่อไป!
- วิดีโอ: ไฟเยือกแข็ง
หมายเหตุบรรณาธิการ: งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนโดยมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) หน่วยงานรัฐบาลกลางถูกเรียกเก็บเงินจากการระดมทุนการวิจัยขั้นพื้นฐานและการศึกษาในทุกสาขาของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมดูเบื้องหลังการเก็บถาวร-
