25 август 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Призрачни частици без маса, създадени наскоро, могат да направят компютрите 3000 пъти по-мощни

Фермионите на Вайл - едно откритие след 85 години

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 19 юли 2015 в 08:4480960

Прогнозирана преди 85 години, тези дни бе открита квазичастицата, наречена "фермион на Вайл", от два отделни екипа от учени от Принстън и от Масачузетския технологичен институт. Тази частица се държи в кристали едновременно като материя и антиматерия и се смята, че ще доведе до по-бърза и по-ефективна електроника.

Тайнствената частица, наречена фермион на Вайл е получена от кристален полу-метален материал. Чрез облъчване на кристала с фотони, екипът е произвел поток от електрони, които заедно действат като неуловимите субатомни частици.

Изследователите от Принстън докладват в списание Science (в един и същ брой с учените от MIT) на 16 юли първото наблюдение на фермиони на Вайл, които ако бъдат приложени към следващото поколение електроника, може да дадат възможност за почти свободно и ефективно протичане на ток в електронните елементи и по този начин по-голяма мощност особено за компютрите, предполагат изследователите.

През 2011 г. в изследване в списание Physical Review B учени предполагат, че кристална решетка с определени свойства може да произвежда фермиони на Вайл при подходящи условия. За да се получат тези призрачни частици, материалът трябва да има определен вид асиметрия, а също трябва да бъде полу-метал, материал със свойства между изолатори и проводници. Проблемът бил, че не се е знае с какви именно материали трябва да се пробват, коментира Live Science.

Физиците Су-Ян Сюй (Su-Yang Xu) и М. Хасан Захид (M. Zahid Hasan) и колегите им от Университета Принстън задълбочено проучват база данни, съдържаща почти 1 милион описания на кристални решетки. Решават, че решетката от тантал и арсен е обещаваща и я бомбардират със сноп фотонни лъчи, които активират електроните в материала. Тази допълнителна енергия от фотоните избива електроните от обичайните им позиции в решетката и ги задвижва. Анализирайки преместванията на електроните през решетката, изследователите открили, че електроните действат много странно.

"Електронните квазичастици се държат точно като фермиони на Вайл", споделя Сюй.

Дългоочакваната частица

Преди близо век Херман Клаус Хуго Вайл (Hermann Klaus Hugo Weyl), немски математик и физик-теоретик, докато водели дискусия за фермионите с колегата си от Висшата техническа школа в Цюрих Алберт Айнщайн, Вайл изказва хипотезата за съществуването на безмасови фермиони с доста фантастични свойства. 

И така Херман Вайл през 1929 г. предлага за първи път съществуването на мистериозни частици без маса, които ще имат спин, но също ще имат "хиралност", което означава, че ще пътешестват през пространството или в ляво или в дясно ориентиран вариант, обяснява Сюй. Когато ляв и десен фермион на Вайл се срещнат, те се анихилират един с друг, както се случва, когато се срещне частица и античастица.

Съгласно Стандартния модел, господстващ модел, описващ елементарните частици, съществуват два основни типа частици: бозони и фермиони. Бозоните са носители на взаимодействията, а фермиони изграждат материята. Последните са елементарни частици с полуцял спин (½, 1½,...), например фермиони са електронът, кварките, които пък в тройки образуват частиците на ядрото на атома - неутроните и протоните.

Фермионите са три вида:

  • фермиони на Дирак (масивни),
  • фермиони на Майорана (всяка частица е античастица на самата себе си),
  • фермиони на Вайл (безмасови).

Учените имат доказателства от ускорителите на частици за съществуването на първите две, но досега - ни намек за последните.

Уравнението на Дирак описва масивни фермиони, които се движат със скорости, близки до скоростта на светлината, а частиците на Вайл възникват като решение за случай на безмасови частици.

Изходното уравнение при това се разпада на две, всяко от които се нарича уравнение на Вайл и описва безмасови фермиони с противоположни спиралности.

Докато не бе със сигурност установено от експериментите, че частиците неутриното имат ненулевата маса, последните са смятани за фермиони на Вайл.Сега ги смята за един от двата други вида фермиони - майоранови или диракови, но кои точно все още не е ясно.

Но така или иначе изследването на учените от Принстън показа за първи път фермиони на Вайл. 

По-добре от свръхпроводник

Новото откритие може да проправи пътя за повече електроника.

Фермионите на Вайл са много стабилни и като светлината, ще останат с една и съща скорост и с едно и също направление, докато не се анихилират взаимно с други фермиони на Вайл с противоположна хиралност. В резултат на това те могат да пътуват на дълги разстояния без загуби, без да се разсейват в кристалната решетка и без да генерират на топлина, както правят нормалните електрони. А топлината е едно от основните ограничения на нашите компютри.

"За разлика от електроните, те не са подложени на т.нар обратно разсейване, при което частицата среща препятствие и се губи за тока, като освен това генерира топлина. Фермионите на Вайл просто преминават през това препятствие, сякаш не го забелязват или го заобикалят." - разказва съавторът на Сюй, професор Захид Хасан (Zahid Hasan).

Захид Хасан (снимката) и неговият екип с помощта на сканиращ тунелен микроскоп са намерили фермиони на Вайл. Снимка: Danielle Alio/Princeton University.

Всичко това означава, че новият материал може теоретично да провежда ток по-добре от съществуващите материали, използвани в областта на електрониката. И за разлика от свръхпроводниците, които работят само облени в ултрастуден течен хелий или азот, новият материал може да работи при стайна температура. Освен това, една от странностите на фермионите на Вайл е, че на квантово ниво, когато изпитват електрическо или магнитно поле, могат да превключват хиралността си, обяснява Сюй.

Това странно умение за "телепортация" означава, че може спонтанно да превключват от ляв "аромат" в десен, по същество транспортиране на фермион от един аромат на друго място, каза Лион Баленц (Leon Balents), физик в Университета на Калифорния в Санта Барбара.

Другата група учени от MIT и университета на провинция Чжецян (Китай) е създала друг тип фотонен кристал, вътре в който също възникват същите квазичастици. Според тях, фермионите на Вайл и пораждащите ги кристали може да се използват за създаване на тримерен аналог на графена, материалът, който направи революция в областта на компютрите и въобще в съвременните технологии.

Учените са възхитени не толкова от откриването и перспективите, колко от самото търсене на тези странни фермиони, което подобно на случая с бозона на Хигс свързва теория и експеримент.

 Кристал танталoв арсенид. Снимка: quora.com


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.