Suprapevnost – stav hmoty z říše fantazie  
Řeč je zde o suprapevnosti, exotickém stavu hmoty, ve kterém si hmota zachovává atributy pevného tělesa, a přitom umí procházet porézními překážkami tak, jako kdyby žádné nebyly. Objev nové fáze hmoty oznámili fyzici Eun-Seong Kim a Mores Chan z Penn State University ve vydání časopisu Nature z 15. ledna tohoto roku.

Pokud jste někdy náhodou viděli film Terminátor II, ve kterém hlavní záporný hrdina, robot z tekutého kovu, prochází ocelovou mříží tak, že jí prostě proteče, kladli jste si možná otázku, jestli vůbec kdy bude možné dosáhnout něčeho takového, a nebo jestli vás tvůrci tohoto akčního trháku jednoduše netahají za nos. Roboty ani jiné předměty, kteří za pokojové teploty dokáží protékat nějakou děrovanou překážkou, přičemž si zároveň uchovávají svou pevnou konstituci, sice ještě lidé vyrobit neumí, nicméně pokud slevíme z požadavku pokojové teploty a spokojíme se s teplotami blízkými k absolutní nule, tak od poloviny ledna tohoto roku už situace vypadá přece jen trochu jinak. Řeč je zde o suprapevnosti, exotickém stavu hmoty, ve kterém si hmota zachovává atributy pevného tělesa, a přitom umí procházet porézními překážkami tak, jako kdyby žádné nebyly. Ve vydání časopisu Nature z 15. ledna tohoto roku oznámili fyzici Eun-Seong Kim a Mores Chan z Penn State University jejich objev nové fáze hmoty, suprapevného hélia 4, které se chová podobně jako dávno známý supratekutý stav hélia, jenže na rozdíl od něj se nachází nikoliv v tekutém, ale v pevném stavu.

Výzkumníci připravili důvtipný experiment, který demonstroval schopnost nového stavu hmoty procházet bez jakéhokoliv odporu porézními překážkami. Do těsné kapsle uzavřeli kotouč porézního materiálu Vycor, což je sklu podobný materiál s jemnými póry atomárních rozměrů. Porézní kotouč předtím nasytili héliem 4, ochladili na teplotu 2 Kelviny, a kapsli vystavili tlaku 63 atmosfér, při němž hélium přešlo do pevného stavu. Zvýšený tlak byl nezbytný, neboť je již dlouho známo, že na rozdíl od všech ostatních látek není možno jakkoliv velkým ochlazením převést tekuté hélium do pevného stavu při běžném atmosférickém tlaku – pevná fáze helia totiž vzniká až při teplotách blízkých absolutní nule za tlaku minimálně 25 atmosfér. Kapsle s kotoučem byla připevněna ke svislé tenké tyčce, která procházela středem kotouče – kotouč sám byl orientován ve vodorovné poloze. Poté byl kotouč jemně uveden do rotačního pohybu kolem svého středu, tedy kolem osy procházející tyčkou, ke které byl připevněn. Protože ale tyčka byla zároveň připevněna k nehybnému přístroji, výsledkem byly malé torzní kmity kotouče – kotouč díky pružnosti tyčky, kterou svým pohybem kroutil, vykonával rotační pohyby tam a zpět podobné, jaké můžeme vidět u rotačních kyvadélek některých ozdobných nástěnných hodin. Perioda těchto torzních kmitů závisí jednak od tuhosti tyčky, která je těmito kmity kroucena, a jednak od hmotnosti rotující hmoty.

Až do té doby probíhal experiment naprosto standardně, aniž by bylo zapotřebí uvažovat o nějakém atypickém stavu hmoty. Prostě pevný porézní kotouč nasycený héliem 4, které bylo za daného tlaku 63 atmosfér a teploty 2 K také v pevném stavu, vykonával torzní kmity kolem tyčky, k níž byl upevněn. V dalším kroku experimentu se postupně snižovala teplota, přičemž se dále měřila perioda torzních kmitů kotouče. Ta se pomaličku měnila se snižující se teplotou, protože teplota mírně ovlivňuje konstanty pružnosti materiálů, a tedy i pružnost tyčky, na které byl připevněn kotouč. Při teplotě 0,175 K došlo ale k náhlému skoku v periodě kmitů – kotouč se nyní otáčel mnohem rychleji, jako kdyby se stal rázem lehčím. Rychlost jeho otáčení odpovídala tomu, jako kdyby najednou helium uteklo z kapsle, v níž byl uzavřen kotouč. Jenže nebylo tomu tak, protože po opětovném zvýšení teploty nad 0,175 K se perioda torzních kmitů opět skokem vrátila na předchozí hodnotu. Hélium tedy v kotouči stále bylo, jenže pod teplotou 0,175 K nerotovalo – pohyb porézního kotouče jej nechal v klidu, hélium prostě porézní látkou procházelo stejně, jako protéká voda drátěnou metlou, pokud jí ve vodě pomaličku otáčíme.

Souvislost periody torzních kmitů kotouče se stavem hélia v něm obsaženém si můžeme přiblížit na jednoduchém příkladu – mějme kýbl s vodou, který držíme za držadlo v ruce. Pokud náhle zarotujeme kýblem kolem jeho svislé osy, voda v první chvíli zůstane nehnutá, teprve až za chvíli se díky tření o stěny kýblu uvede do rotačního pohybu. Uvést do rotace kýbl s vodou dá menší práci, než uvést do stejné rotace kýbl s ledem, a to právě proto, že v případě tekuté vody v první chvíli měníme rotační stav pouze samotného kýblu, kdežto v případě kýblu s ledem už od první chvíle měníme rotaci kýblu i s celým jeho obsahem. Pokud bychom kýbl s vodou připevnili ke svislé tyči, naměřili bychom samozřejmě v první chvíli kratší torzní periodu, než u kýblu s ledem, ačkoliv by celková hmotnost obou kýblů byla stejná.

V případě s porézním kotoučem z popsaného experimentu se jedná o cosi mírně podobného, i když jsou zde minimálně dva důležité rozdíly. Za prvé, zatímco v případě kýblu s vodou se perioda jeho torzních kmitů ochlazením prodlouží, protože se voda změní v led, tak v případě popisovaného experimentu je tomu naopak – ochlazením pod 0,175 K se perioda torzních kmitů zkrátí, tedy jakoby se naopak hélium stalo ochlazením z pevného stavu tekutým. Za druhé, v případě kýblu s vodou se po krátkém čase voda díky vnitřnímu tření rozpohybuje spolu s kýblem – v případě kotouče s héliem 4 tomu ale tak není, pohyb hélia skrze póry kotouče se děje bez jakéhokoliv tření.

Dlužno říci, že samotný pohyb hélia bez tření není žádnou novinkou – u kapalného hélia pod teplotou 2,177 K dochází ke vzniku tzv. supratekutosti, kdy vymizí jakékoliv třecí síly, odpor či viskozita, takže supratekuté helium teče bez překážek i těmi nejmenšími štěrbinami, které by pro normální kapalinu byly neprůchodné. Supratekutost objevil již v roce 1938 legendární fyzik P. L. Kapica, a s ní spoustu do té doby naprosto nevídaných kousků, které supratekuté hélium mělo ve svém repertoáru – supratekuté hélium umělo samo po stěnách vylézt z otevřené nádoby, nebo do nádoby částečně dnem ponořené pod hladinu zase po stěnách samo nalézt, při osvětlení ponořených kapilár vytvářelo nepochopitelné fontány, a hlavně teklo bez jakéhokoliv odporu skrze libovolné porézní překážky.

Naměřený skok v periodě torzních kmitů v porézním kotouči s héliem by tedy byl velice snadno vysvětlitelný tak, jako by ochlazením došlo k přechodu hélia do supratekutého stavu – díky svým supratekutým vlastnostem by pak docházelo k tomu, že zatímco kotouč rotuje, supratekuté hélium jím bez odporu prochází, takže kotouč rotuje sám. Hélium nemá důvod měnit svůj rotační stav, protože s kotoučem téměř neinteraguje (chová se vůči kotouči jako zvláštní druh vakua), a díky tomu změny rotace kotouče na něj nemají žádný vliv.

Je tedy možné říci, že Kim a Chan vlastně nic převratného neobjevili, pouze jen vytvořili dávno známý supratekutý stav v héliu obsaženém v kotouči? Ne, mezi stavy supratekutosti a suprapevnosti jsou totiž podstatné rozdíly. Suprapevnost se totiž podle teorie na rozdíl od supratekutosti vyznačuje uspořádáním charakteristickým pro krystal (proto se také o suprapevných stavech hmoty hovoří jako o kvantových krystalech). Zatímco v supratekutém héliu se jako tekutina pohybují pouze atomy hélia, v suprapevném héliu se pohybují i mezery analogické defektům v krystalické mřížce, a to souběžně s atomy hélia, přičemž jejich vzájemné rozmístění zůstává stejné. Na druhou stranu by se ale možná kvůli schopnosti prostupovat děravými překážkami a současně schopnosti udržet si svůj „tvar“ hodila místo představy pevného skupenství spíše představa jakéhosi kvantového želé, které by odpovídalo chování hélia v experimentu.

Suprapevnost je teorií předpovídána už desítky let, ale její experimentální potvrzení se zatím nedařilo. Když už to vypadalo, že v jednom experimentu byla suprapevnost docílena, byl tento výsledek zpochybněn tím, že v celé následující sérii experimentů se totéž nepodařilo. Navíc není vždycky až tak jednoduché z experimentálně naměřených dat správně interpretovat děje, které v měřeném vzorku probíhají. Procesy probíhající v kondenzovaných (tj. kapalných či pevných) látkách za tak nízkých teplot jsou velice komplikované, protože zde dochází k celé řadě kolektivních jevů, které jednou vedou k vzniku kolektivních excitací, které se v látce chovají jako např. zvláštní druhy částic (takové excitace  pak nazýváme kvazičástice), kdežto jindy třeba vedou k naprosto nečekaným fázovým přechodům, kdy se skokem mění některé charakteristiky látky. Protože je výpočetně i analyticky nemožné odvodit chování kondenzovaných látek ze základních fyzikálních rovnic, kterým se podřizují jednotlivé částice látky (a to z toho důvodu, že i ty nejmenší vzorky obsahují trilióny až kvadrilióny atomů, takže by bylo nutné řešit rovnice s trilióny až kvadrilióny proměnných, což je možná i na příštích sto let naprostá utopie), je nutné vytvořit fenomenologické, nezřídka až zoufale zjednodušené modely, na nichž se dají studovat pro nás důležité vlastnosti systému (např. vznik supratekutosti, supravodivosti, suprapevnosti, ale třeba také feromagnetismu, nebo vznik nových stavů – fází – hmoty). Při řešení těchto fenomenologických modelů někdy pomůže důvtip teoretika, jindy je ale nutné se nakonec opřít o mohutnou výpočetní sílu těch největších superpočítačů, jejichž výpočetní výkon dokáží i tyto zjednodušené modely polykat jako nenasytní bumbrlíčci. A aby to nebylo tak jednoduché, tak ani výsledky těchto náročných simulací nejsou vždycky snadno a jednoznačně interpretovatelné.

Přes všechny tyto problémy učinila teorie za posledních patnáct let znatelný pokrok. Například co se týče suprapevnosti, tak ta je studována nejen coby možný stav pevného hélia 4, ale i v mnohých naprosto odlišných systémech, jako jsou např. směsi bosonů a fermionů v optických pastech či na optické mříži. Bosony jsou částice (ať už základní, nebo i složené) s celým spinem, zatímco fermiony mají spin polocelý. Spin je vnitřní charakteristika každé částice, přičemž z teorie plyne, že může nabývat pouze celých či polocelých hodnot. Chování částic s polocelým spinem je diametrálně odlišné od chování částic se spinem celým, a proto pro jakoukoliv částici je jednou z jejích nejdůležitějších charakteristik to, do jaké z těchto dvou skupin patří (zda mezi bosony, nebo mezi fermiony). Celost nebo polocelost spinu velice výrazně ovlivňuje to, jakým způsobem se částice daného druhu budou uspořádávat vůči sobě navzájem. V optických pastech či na optické mříži jsou atomy udržovány na určitých pozicích pomocí vhodně volených laserových paprsků, jejichž elektromagnetická pole díky dipólovým momentům vhodně zvolených atomů umožňují s těmito atomy různým způsobem manipulovat. Podle teorie také v tomto případě existují možné fázové přechody do různých stavů, mezi nimiž kromě jiných exotických možností figurují také supratekutý a suprapevný stav. V modelech se suprapevnost projevuje jako supratekutosti podobný stav hmoty, který se ale vyznačuje periodickým prostorovým uspořádáním, a v některých případech vykazuje také supravodivé rysy, jako je např. Meissnerův jev (díky němu se supravodiče odpuzují od jakkoliv natočených magnetů, takže se např. magnety samovolně vznáší nad supravodiči nebo naopak supravodiče nad magnety), nebo průtok elektrického proudu s nulovými ztrátami. I to je mimochodem jeden z důležitých momentů, který vysvětluje ohromnou pozornost, která je výzkumům nových stavů hmoty věnována.

Ukazuje se také, že suprapevnost není jediným zvláštním stavem systému kondenzovaných bosonů či fermionů, ale že existuje více druhů uspořádání částic při dostatečně nízkých teplotách v závislosti na volných parametrech toho kterého modelu – ať už jimi je intenzita vnějších polí, hustota zaplnění energetických hladin částicemi, počet defektů v mříži, či jiných hodnot, které ovlivňují chování modelu. Mezi těmito stavy existují přechody podobné, jaké existují např. při změně teploty mezi magnetickou a nemagnetickou fází u magnetických látek. Dochází tu skokově k náhlé změně uspořádání látky, takže ta se pro určitou oblast parametrů chová třeba jako feromagnetikum, pro jinou oblast jako supratekutý stav, a pro nějakou speciální oblast třeba zrovna jako suprapevná látka. Je důležité dodat, že každá fáze vyžaduje splnění určitých relativně přísných podmínek pro svou existenci, a proto jak supratekutý, tak suprapevný, ani jiný exotický stav není žádnou samozřejmostí, která se dá očekávat u kterékoliv látky, pokud ji budeme dostatečně intenzivně ochlazovat či stlačovat. To je také jeden z důvodů, proč nebyla suprapevnost experimentálně pozorována už dříve, ačkoliv už desítky let uměli odborníci ochlazovat látky na mnohem nižší teploty (řádově desítky nanoKelvinů), než jaké ve svém experimentu použili Kim a Chan.

Suprapevnost, supratekutost a supravodivost, ale také např. laserový paprsek, jsou realizacemi tzv. Bose-Einsteinova kondenzátu, což je stav hmoty, kdy se jednotlivé částice nějakého prostředí začínají chovat kolektivně, kdy díky kvantovým zákonitostem ztrácí svou individualitu a částice celého systému se začíná chovat synchronně – toto chování nazýváme také koherencí. Příčinou tohoto chování je částicově-vlnová povaha hmoty – každá částice se kromě svých částicových vlastností chová také jako vlna o určité vlnové délce, čehož se již od dvacátých let dvacátého století úspěšně využívá např. při rentgenových analýzách struktury látek. Vlnová délka každé částice je nepřímo úměrná kinetické energii této částice, a protože se při ochlazování energie částic zmenšuje, roste spolu s ním i vlnová délka částic. Dokud mají částice tak malou vlnovou délku, že je mnohem menší, než je průměrná vzdálenost mezi nimi, tak se částice i přes svoji vlnovou povahu chovají stále relativně individuálně, tedy tak, jak to od nich očekávala klasická fyzika. Jakmile ale dojde k nárůstu vlnové délky jednotlivých částic tak, že se v dosahu vlnové délky jedné částice ocitnou částice sousední, přihlásí se ke slovu velice zvláštní kvantový fenomén, kterým je principiální nerozlišitelnost částic.

Podle tohoto principu (experimentálně mnohokrát velmi dobře potvrzeného) neexistuje možnost, jak dvě stejné částice rozlišit jednu od druhé podobně, jako bychom to mohli udělat např. se zrnky písku, která bychom si v principu mohli označkovat jedinečnými značkami, takže bychom i po jejich důkladném promíchání mohli rozlišit, které zrnko se odkud kam dostalo. U principiálně nerozlišitelných částic toto není možné, a ač se to z laického pohledu nezdá, tento fakt má velice dalekosáhlé experimentální důsledky. Máme-li jednu částici v místě A, a druhou, principiálně nerozlišitelnou částici v místě B, pak je tento stav naprosto nerozlišitelný od stavu, ve kterém si obě částice vyměnili svá místa. Tento fakt nás nemusí znepokojovat do doby, dokud se vlnové balíky obou částic nepřekrývají, protože nám je jedno, která částice je která, hlavně když máme jistotu, že se každá z nich vyskytuje na dobře definovaném místě, ze kterého se prakticky nehne.

Odlišná situace ale nastane v případě, že se vlny obou částic prodlouží natolik, že se vlnové balíky příslušející těmto částicím navzájem překryjí. V tom okamžiku se nikdy nedozvíme, kolikrát či jak často si obě částice vyměnili místo, a jestli momentálně na místě A sedí ta částice, která tam byla na začátku, nebo jestli její místo nezabrala částice původně sedící v místě B. Možná si řeknete, že to přece nic neznamená, protože i rozlišitelné částice, jako je proton a elektron, se mohou za určitých podmínek svými vlnovými balíky překrývat, a nic zvláštního se neděje – např. v každém atomu vodíku překrývá vlnový balík elektronu proton sedící v centru atomu. Rozdíl je v tom, že v případě principiálně nerozlišitelných částic dojde k redukci počtu stavů, v jakých se systém může nacházet. U rozlišitelných částic např. můžete nechat expandovat vlnový balík jedné částice tak, že překryje vlnový balík druhé částice, a vlnový balík třetí částice, přičemž vlnové balíky druhé a třetí částice se nepřekrývají. U rozlišitelných částic vám zůstává jistota, že druhá a třetí částice si mezi sebou místa nevymění, protože umíte odlišit vlnový balík první částice od vlnových balíků zbylých dvou – vlnové balíky rozlišitelných částic se zkrátka mezi sebou nemísí, mohli bychom si je formálně obarvit každý jinou barvou, takže bychom vždycky měli přehled, která částice se nám jak chová. V daném případě bychom tedy viděli, že je neposedná první částice, zatímco druhé dvě způsobně sedí na svých místech. Pokud ale použijeme principiálně nerozlišitelné částice, a vlnový balík první částice necháme expandovat přes maličké vlnové balíky druhé a třetí částice, nemůžeme říct vůbec nic. Všechny tři nerozlišitelné částice si mezi sebou budou nekontrolovatelně vyměňovat svá místa, navíc nebudeme schopni říct, která částice tento zmatek vyvolala, protože výsledný stav bude naprosto identický, jako bychom na začátku nechali expandovat místo první vlnový balík druhé nebo třetí částice, zatímco zbylé dvě by způsobně zůstávaly na svých místech.

Vraťme se nyní k ochlazování systému identických částic. V okamžiku, kdy se vlnové balíky jednotlivých částic překryjí s vlnovými balíky částic sousedních, vznikne díky principiální nerozlišitelnosti částic naprosto dokonalá propletená polévka částic, kdy přestává mít smysl hovořit o jednotlivých částicích jako o individualitách – v takovém stavu se totiž kterákoliv z částic systému může objevit na kterémkoliv místě tohoto systému s naprosto identickou pravděpodobností, jako kterákoliv jiná částice. Díky tomu se všechny částice systému začínají chovat jednotně – jakékoliv působení na jedinou částici systému si naprosto stejným dílem mezi sebe rozdělí všechny částice. Pohyb částic již téměř neomezují běžné překážky, které by dokázaly zastavit každou jednotlivou částici, a to proto, že pro částice v tomto stavu není žádný problém si kdykoliv vyměnit místo s jinou částicí, které se do cesty nic nestaví, a tímto způsobem bez jakéhokoliv odporu překážku obejít. Výsledkem jsou naprosto nepochopitelné vlastnosti suprapevnosti, supratekutosti či supravodivosti, kdy se látka (v případě supravodivosti jsou jí elektronové páry) pohybuje bez jakéhokoliv odporu okolním prostředím. Tento obecně pojatý stav hmoty se nazývá Bose-Einsteinovým kondenzátem. Své jméno získal po vynikajícím indickém fyzikovi Bosem, který první přišel na myšlenku, že by se za určitých speciálních podmínek mohly částice s celočíselným spinem (nazvané na jeho počest bosony) seskupovat do takového kolektivního stavu. Fermiony (částice s polocelým spinem) se přímo takto sdružovat nemohou, mohou ale nejprve vytvořit páry, které už mají celočíselný spin, a takto vzniklé páry mohou za ještě přísnějších podmínek kondenzovat podobně, jako bosony (tímto způsobem vzniká např. supravodivost, kdy elektrony se jakožto fermiony s polovičním spinem nejprve spárují do tzv. Cooperových párů, a ty pak vytvoří Bose-Einsteinův kondenzát, který se látkou pohybuje bez jakéhokoliv odporu).

Experimentálním potvrzením suprapevnosti se docílilo toho, že Bose-Einsteinovy kondenzáty byly potvrzeny u třetího skupenství hmoty. Jako první byly objeveny v případě supratekutosti hélia 4, tj. Bose-Einsteinovým kondensátem zde bylo kapalné skupenství. V posledních letech byly Bose-Einsteinovy kondenzáty připraveny z řídkých, hluboce ochlazených par některých prvků, zde tedy šlo o skupenství plynné. Objev suprapevnosti znamená potvrzení existence Bose-Einsteinovy kondenzace i pro  pevné skupenství hmoty.

Závěrem se lze zeptat, k čemu vlastně může být tento objev použit? Znamená to snad, že se máme těšit do budoucna na to, že budeme umět např. sami sebe uvádět do supravodivého stavu, ve kterém budeme umět hravě protékat mřížemi, prosoukávat se sebemenší štěrbinou, nebo procházet porézní zdí? Asi ne, a raději to ani nezkoušejte, protože teplotu pod jedním Kelvinem by dost možná nerozchodil ani ten Terminátor. Koneckonců ani supratekutost, na rozdíl od průmyslově již relativně široce využívané supravodivosti, nemá dodnes prakticky žádné pořádné uplatnění. Na druhou stranu je nepochybné, že právě materiálový výzkum, jehož je studium nových stavů hmoty součástí, poskytuje velice masivní prakticky aplikovatelné výstupy pro moderní průmysl, ať už jím jsou nové druhy polovodičů, speciální materiály pro nové přesné detekční přístroje, speciální mikroprvky do výpočetní techniky, účinnější metody přenosu signálů v optických vláknech, a nepřeberné množství dalších aplikací. Studium exotických stavů hmoty je vlastně taková třešnička na dortu, je to směr výzkumu tažený vábivým hlasem nejméně dvou Sirén – jedním z nich je sen o dosažení supravodivosti za pokojové teploty, druhým pak možnost postavit časem kvantový počítač dost možná právě na základě dokonalého pochopení vlastností Bose-Einsteinových kondensátů, či obecně jiných kvantových exotických stavů hmoty. A i když dosažení jak jednoho, tak druhého z těchto cílů je možná dodnes ještě hudbou daleké budoucnosti, poznatky získávané cestou za těmito vrcholy se už dnes aplikují v jiných, dnes už používaných průmyslových aplikacích.

Autor: Pavel Brož
Datum: 04.02.2004
Tisk článku

Hravá přírodověda -
 
 
cena původní: 399 Kč
cena: 355 Kč
Hravá přírodověda


Diskuze:

Samozřejmě

Pavel Brož,2004-06-10 09:30:17

To přirovnání k terminátorovi samozřejmě nejde brát doslovně, je to pouze způsob, jak si umět představit na makroskopické úrovni to, co ta suprapevná látka dělá na úrovni mikroskopické. Na suprapevnou látku za pokojové teploty a normálního tlaku, bude-li někdy vůbec existovat, což není vůbec jisté, si budeme muset ještě hodně dlouho počkat a spolu s ní i na experimenty ve větším měřítku, než je trocha helia v malé kapsli, které se dá uchladit na několik milikelvinů, což ve větším měřítku je téměř nemožná věc.
Jinak ale vážně není vyloučeno, že při procházení makroskopických překážek tam nějaký odpor bude, na rozdíl od procházení překážek mikroskopických. Důvod je ten, že je přitom nutné přemisťovat atomy suprapevné látky na vzdálenosti dalece přesahující jejich koherentní délku, a to chování pak bude jiné. Nicméně, jak už jsem zmínil, na nějaký reálný experiment a la terminátorův průchod makroskopickou mříží si budeme muset určitě ještě desítky let počkat (a možná nebude možný nikdy).

Odpovědět

makroskopicka prekazka

arqe,2004-06-10 00:24:49

Jestlize to helium zustalo celou dobu uvnitr kapsle, tak snad to s tim protekanim suprapevne faze makroskopickymi prekazkami nebude jako s terminatorem.

Jedine snad pokud by suprapevna faze prochazela makroskopickou prekazkou s odporem s nezmenenou strukturou, mikroskopickou bez odporu.

Coz mi - z meho zcela laickeho pohledu -nedava moc smysl.

Odpovědět

Kolo

Honza L.,2004-04-13 18:17:51

Moc se mi líbí spekulace o tom, co by prováděl superpevný předmět při "průlezu" nějakou větší dírkou a nemohl jsem si nevzpomnět na známá cimrmanovské: "...zatímco kolo (jízní, šlapací) bylo v západní evropě prostředkem horních deseti tisíc, u nás prostředkem podivínů a v carském rusku námětem ostrých debat anarchistických spolků..."
Myslím, že jsme tu na tom dost podobně jako v tom carském rusku. :o)

Odpovědět

2 jarda g

Vojta Hála,2004-03-25 17:15:56

Hm, a ženská se zase píše se s. ;-)

Odpovědět

Díky za upozornění :-)))

Pavel Brož,2004-03-05 12:00:35

Omlouvám se za tu chybku, dělám jí navíc relativně často. Přitom sám patřím do kategorie češtinářských prudičů a na gramatické chyby druhých jsem velice alergický - ovšem potom, co zpětně čtu svoje vlastní texty po jejich odeslání mi kolikrát přeběhne mráz po zádech nad tím, co jsem schopen na svém milovaném rodném jazyku spáchat :-))) Platí-li hinduistický karmický zákon, pak je mi předurčeno stát se v příštím životě věčným poškolákem neustále opisujícím větu: "Budu po sobě pečlivě číst svoje texty" :-)))

Odpovědět

Shoda

JARDA G,2004-03-04 20:02:34

Díky za pěkný článek, nevyčítám, jen je roztomilé, že autor schopný takového výkonu v popularizaci těžko uchopitelných fyzikálních jevů ( i já jsem se chytil), není schopen udržet shodu podnětu a přísudku. Částice je "ta" tj. žencká a tudíž má nárok na tvrdé Y. Zdravím!

Odpovědět

Jó, tak to bych taky rád věděl :-)))

Pavel Brož,2004-02-19 14:25:52

Vím jak to myslíte, zkrátka Vás zajímá, zda by ten materiál procházel nějakými většími než mikroskopickými otvory, tj. jestli by bylo možno např. vytáhnout suprapevné hélium z lahve s úzkým hrdlem, a pokud ano, tak jak by se přitom měnil tvar toho suprapevného hélia - zvolil jsem dobrý příměr? Po pravdě řečeno netuším, jak by to vypadalo, pokud vím, žádný experiment tohoto druhu neproběhl. Mohu pouze spekulovat, k čemu by došlo. Takže rozhodující je pro vznik suprapevnosti i supratekutosti to, že částice v tomto stavu jsou silně delokalizované, tj. že jejich vlnová délka výrazně převyšuje rozměry těchto částic. Pokud se tedy těmto částicím postaví do cesty nějaká překážka o velikosti menší nebo srovnatelná s vlnovou délkou těchto částic, tak tato částice ji jednoduše "obteče" (podobně, jako signál velmi dlouhých vln "obteče" třeba kopec mezi vysílačem a přijímačem, takže ten kopec nepřekáží navázání spojení, i když nejsou splněny podmínky pro přímou viditelnost). Pod tím obtékáním jedné částice kolem překážky je nutné si představit nikoliv obtékání nějakého hmotného fluida, to obtékání se týká vlnové funkce částice, která udává pravděpodobnost výskytu částice v tom kterém bodě. Pro to obtékání je rozhodující poměr mezi vlnovou délkou částice (délkou vlny, která udává pravděpodobnost jejího výskytu), a charakteristickým rozměrem překážky. Pokud by hypoteticky byla Vaše kruhová destička, skrz kterou byste pasíroval to suprapevné hélium, tak tenká, že by její tloušťka byla menší, než vlnová délka atomů hélia, a zároveň by také její průměr byl srovnatelný s touto vlnovou délkou, tak by ty atomy byly tak delokalizované, že by se u těch, které by byly v blízkosti té destičky nedalo s určitostí říct, jestli se nacházejí na svrchní nebo spodní straně destičky. Díky tomu a díky otvoru uprostřed destičky by tedy při tom pasírování suprapevného hélia skrze destičku vlnová funkce těchto atomů mohla celkem plynule "přetéct" na druhou stranu destičky, a je docela dobře možné (to nakonec mělo probíhat v jiné podobě v tom Chanově experimentu) že by na druhé straně to suprapevné hélium zaujalo stejnou konfiguraci (např. rozmístění defektů ve své krystalové mříži), jako nad destičkou (místo tvaru píši o té konfiguraci, protože ten tvar je držen jen díky enormnímu tlaku, který není možno při dané extranízké teplotě vytvořit žádnou plynnou nebo kapalnou látkou, takže ten tlak je určen tvarem nějaké vnější kapsle, která to hélium uvnitř sebe utlačuje - vypadalo by to tedy tak, že máme pevnou kapsli tvaru válce, ta svým tlakem udržuje v pevném stavu hélium uvnitř, a skrze toto hélium se pomalu pasíruje ten kotouček odzdola nahoru, který je také uvnitř té kapsle).
Jiná situace by nastala, kdyby ten kotouček měl tloušťku nebo průměr mnohonásobně převyšující vlnovou délku těch atomů hélia. Mohl by mít např. podobu vysokého válce s tenkým otvorem vyvrtaným ve své ose, nebo širokého válce s otvorem uprostřed (nebo vysokého i širokého zároveň). Otázkou pak je, jestli se podaří tlakem nacpat to suprapevné hélium do toho otvoru, a pokud ano a podaří se ho procpat na druhou stranu toho válce, jestli výsledné rozmístění defektů v tom procpaném suprapevném héliu bude stejné, jako před tím procpáním. Opravdu netuším, ale spíše se domnívám, že ne, že to bude podobný proces, jako když skrz ten válec procpete např. plastelínu, tj. domnívám se, že výsledné rozmístění defektů v tom suprapevném héliu po tom procpání bude jiný, a to v důsledku toho, že během pasírování toho hélia tím otvorem dojde k dekoherenci vlnové funkce těch atomů v důsledku jejich interakce se stěnami materiálu v tom otvoru. Jinými slovy, zatímco v Chanově experimentu hélium muselo obtékat v porézním materiálu překážky, jejichž rozměry byly srovnatelné s rozměry vlnové délky těch atomů hélia, ve Vašem myšlenkovém experimentu by se obtékaly překážky, jejichž rozměry by vysoce převyšovaly tuto vlnovou délku. Výsledek takového experimentu neumím odhadnout, pouze se domnívám, že rozmístění těch defektů by po tom pasírování bylo jiné (o tvaru se zde opět nemá smysl bavit, ten je určen tvarem té kapsle, která to hélium udržuje pod tím tlakem v pevném stavu). Asi jsem Vás zmátl tím úvodním přirovnáním s Terminátorem na začátku toho článku, omlouvám se, to bylo pouze přirovnání mající za cíl navodit představu, o jaký děj se zhruba jedná. V samotném Chanově experimentu docházelo k pasírování suprapevného hélia přes mikroskopické, nikoliv makroskopické překážky, žádný experiment s pasírováním suprapevného hélia skrze makroskopické překážky zatím nebyl zveřejněn. Slovy makroskopický a mikroskopický je zde míněno to, zda je typický rozměr překážky výrazně větší, nebo naopak srovnatelný s vlnovou délkou těch atomů hélia.

Odpovědět

Dotaz

Matej,2004-02-18 18:12:24

Nechapu, jak by takovy superpevny valec prochazel materialem. Predstavme si, ze mam superpevny valec a pak kruhovou desticku, ktera ma vetsi prumer(ta je z nejakeho normalniho materialu). V destice vytvorime otvor cimz docilime podminky porezniho materialu. No a tedka polozime superpevny valec na desticku a zacneme pomalu na valec tlacit. Jak to bude probihat. Kdyz bude napriklad dno superpevneho valce uprostred desticky(cili ze to bude vypadat na prurezu nejak tahle |-----|-|-----| superpevny valec pronikl do poloviny desticky). Co se stane s hmotou ktera je podle nakresu uvnitr desticky(mezi dvojicemi |-----|) ztrati se, nebo prejde pres diru za desticku, tim by ale material nedrzel tvar, protoze by to vypadalo jako by se protahl.... doufam ze sem popsal jasne jak to myslim:))

Odpovědět

ztráta momentu hybnosti

Pavel Brož,2004-02-11 12:22:39

Pokud v okamžiku přechodu do suprapevného stavu to hélium zrovna rotovalo, tj. mělo nenulový moment hybnosti, tak si ho mohlo nadále ponechat, naopak, zatímco obyčejné pevné hélium svůj moment hybnosti při brždění kotouče a jeho roztáčení v opačném směru mění (přes nulu na postupně až na moment hybnosti opačný tomu původnímu), tak to suprapevné hélium si naopak v tomto případě svůj moment hybnosti ponechává nezměněný. To, co se skokem mění, je moment setrvačnosti, nikoliv moment hybnosti (ten se mění spojitě v důsledku roztáčení a brždění kotouče v důsledku torzních kmitů). Moment setrvačnosti udává, jakou sílu musíme vynaložit, abychom dané těleso roztočili na nějakou úhlovou rychlost. Tato síla je menší, pokud musíme roztáčet a brzdit jenom samotný keramický disk (event. i s tou částí hélia, která na rozdíl od druhé části hélia zůstala v obyčejném pevném stavu), než když musíme roztáčet a brzdit disk i s veškerým v něm obsaženým héliem. Proto se v okamžiku, kdy dojde k odvázání suprapevné složky hélia od zbytku systému, skokem změní vlastní frekvence těch torzních oscilací.

Odpovědět

zakon zachovania

Ratafak Plachta,2004-02-11 00:43:16

ak to helium rotovalo spolu s tim poreznim materialom predtim ako sa stalo supertekute (superpevne) ako to ze prechodom do noveho stavu stratilo svoj moment hibnosti

Odpovědět

Diky

Petr Gola,2004-02-09 20:54:11

Dekuji za obsahly clanek i s kompelxnim vysvetlenim problematiky. Preji vic takovych :)

Odpovědět

Díky

Martin - Techblog,2004-02-07 18:33:58

Moc děkuji za vyčerpávající odpověď. Myslím, že na tomto základě jsem schopný to "pochopit."

Odpovědět

Podle mě tomu bránila ta kapsle

Pavel Brož,2004-02-07 18:12:52

To mě napadlo také, proč to suprapevné hélium neproteče ven, ale ten porézní materiál byl zavřený v té kapsli. Ta kapsle tam podle mě držela ten porézní disk stlačený na tak velký tlak, protože není možné realizovat takový tlak nějakým okolním plynem, v němž by se kotouč nacházel - každý plyn mimo hélia by totiž při teplotě 2 K byl dávno v pevném skupenství i při normálním tlaku, hélium pak by při této teplotě a normálním tlaku bylo kapalné, při tlaku nad 25 atmosfér už také pevné. Takže pokud chtěli udržet to hélium v porézní látce při tlaku 62 atmosfér, museli jej uzavřít do nějaké kapsle, která ten tlak uvnitř sebe udržela.

Bohužel v té původní, ale ani žádné jiné zprávě není nikde uvedeno, jakému poměrnému množství hélia v suprapevném stavu ten skok v setrvačnosti odpovídal. Samozřejmě se dá uvažovat o tom, že do suprapevného stavu přešla jen část toho hélia, není vyloučeno ani to, že hélium se rozdělilo na dvě složky, suprapevnou a klasicky pevnou. Tohleto totiž dělá i supratekuté hélium, existuje v něm jak supratekutá, tak obyčejně tekutá složka. Díky tomu se v některých směrech chová supratekuté hélium jako normální kapalina, např. když se roztočí nádoba se supratekutým héliem, tak se roztočí i hélium a vytvoří klasickou parabolu (meniskus) na své hladině. Ukazuje se, že v supratekutém stavu není možné jednu složku od druhé odfiltrovat podobně, jako bychom např. oddělily dvě různě husté fáze nějakého roztoku - poměr obou složek závisí jenom na teplotě systému, tj. i kdybychom teoreticky oddělili tu supratekutou fázi od té nesupratekuté, v obou dílech se následně vytvoří obě složky, mezi nimiž se ustanoví opět stejný poměr, jako byl v původním neodděleném tekutém héliu.

Musím přiznat, že samotná zpráva o tomto konkrétním experimentu mě žádnou extra dobrou představu o tom suprapevném stavu nedala, a proto jsem si dal práci s pročtením článků pojednávajících o problému suprapevnosti, které jsou volně dostupné na archivu xxx.lanl.gov, na heslo supersolidtam najdete 27 článků. Teprve , když jsem jich zhruba deset přelouskal, získal jsem dojem, že nejde jen o nějaký dryáčnický experiment s naprosto nulovým přínosem, který je jen mediálně dobře prodatelný, ale že suprapevnost je studována již dlouhou dobu, a že souvisí s některými velice zajímavými směry výzkumu, jako jsou Bose-Einsteinovy kondenzáty na optické mříži, a mnohé příbuzné směry, od nichž se dá v blízkých letech očekávat mnoho převratného. Teprve potom jsem se rozhodl, že o tom napíšu článek, protože jsem nechtěl psát o věci, o jejímž významu sám značně pochybuji.

Odpovědět

Pěkný článek

Martin - Techblog,2004-02-06 22:33:04

Díky za výborný a komplexní článek. Ale jedné věci nerozumím (když pominu "extempore" s kvantovou fyzikou :-)). Když ty částice nekladly odpor rotaci (nevytvářely moment setrvačnosti), zdůvodňujete to tím, že procházely materiálem. Proč se tedy nepropadly dolů? Nebo přinejmenším nevyletěly ven? Když rotovaly, tak na ně musela působit odstředivá síla i v okamžiku ztuhnutí.
Četl jsem původní zprávu Probable Discovery..., kde je možná lepší vysvětlení než u vašich příkladů. Nejjasnější mi to je, když to chápu jako pevnou látku, která je vlastně uvnitř (supra)tekutá - což by odpovídalo i experimentu s tou "houbou". :-)

Martin
Weblog Techblog

Odpovědět

faktorizace 15

Pavel Brož,2004-02-06 14:49:50

No on to byl s tou "kvantově výpočetní" faktorizací čísla 15 trochu dost legrační experiment. "Procesorem" byla sedmiatomová molekula v kvantově provázaném stavu, ale protože dnes neexistuje možnost kontinuálně detekovat stavy jedné jediné takové molekuly, tak se těch molekul musely použít kvadrilióny, přičemž všechny prováděly tentýž výpočet. Je to trochu podobné tomu, jako bychom neuměli odečíst pro jeho malou hodnotu napětí na výstupu klasického procesoru, a tak bychom těch procesorů vzali celou stodolu a měřili jejich součtové napětí, přičemž by všechny procesory musely počítat naprosto totéž. Existují pádné důvody pro domněnku, že tento směr vývoje kvantových počítačů se v principu nemůže dostat příliš daleko za úlohy o obtížnosti malé násobilky.

V tom filmu Arnold tvrdil, že nemají čas, ale myslel tím zřejmě, že se Terminátor II brzy slije do původní podoby. Ale i kdyby měli najednou něco jiného na práci, takže se nechtěli zdržovat, tak ve výsledku je podle mě Terminátor II zdržel mnohem více, takže kdyby si raději dali tu práci rozkopat jeho střepy do všech koutů té haly, dokud byly ještě zrmzlé, a následně je pak vynést do oddělených popelnic, tak by si Terminátor II už ani neškrt. Hrozně rád bych viděl, jak ty jeho kousky tekutého kovu lezou po stěnách nahoru z těch popelnic. Podle mě je tento moment jeden z méně promyšlených kousků filmu. Možná jsem ale zapomněl, že tam něco mělo explodovat (to je docela možné, protože ve filmech se Schwarzenegerem až na výjimky furt něco exploduje).

Odpovědět

BE kondenzat

Kamil,2004-02-06 08:54:45

Zdravim,
uz mi doklaplo, co ti m myslite. Mate pravdu ze staveni QC odspoda je bolestive a lide z oboru se vsazi, zda se poradny QC podari do 50 nebo az do 100 let. Ale progres by opravdu mohl byt v makroskopickych projevech kvantoveho sveta, coz je prave BE kondenzat. Pri te prilezitosti sem si vzpomnel, ze jina platforma je z podobneho soudku a jsou jim Josephsonovy spoje - kterymi proudi makroskopiske proudy ale maji mikroskopiske vlastnosti (superpozice a snad i entanglement). BTW zminujete pokus o faktorizaci 15. To je vubec kapitola sama pro sebe. v IBM se snazili prave donutit se chovat makroskopickou latku podle kv. pravidel, ale o realizaci kv. vypoctu vlastne neslo, problem byl v tom, ze tech molekul tam bylo jako v bulkovem (3D) materialu a to rozhodne nebyl cisty stav. Na druhou stranu to ale nebylo nic jako BE kondenzat. No a provadet NMR na jedne molekule to opravdu jeste nikdo neumi.

Co se tyce Terminatora, ja mam pocit, ze z deje filmu vyplynulo, ze na to nemeli cas, nebo se mylim? Asi budu muset tu klasiku znovu videt :)

Kamil

Odpovědět

vím, že to má své mouchy :-)))

Pavel Brož,2004-02-05 20:30:55

Děkuji za pochvalu i cenné připomínky. Přiznám se, že mě samotnému se tento můj vlastní článek čte velice špatně, má to mizerný sloh, je to nudné, ve snaze přiblížit problematiku laickým čtenářům jsem se zoufale zahrabal v těžkopádných a nepřesvědčivých přirovnáních, a pár obrázků by tomu určitě taky prospělo :-))) Snad se časem zlepším :-))) K těm připomínkám Kamila - je to pravda, z textu to může vypadat, jako by elektrony byly mezi sebou rozlišitelné, stejně tak protony, to je přesně to, co mě člověka jakž takž seznalého s kvantovou teorií nenapadne, dokonce jsem to neuviděl ani když jsem si ten článek pročetl dneska před Vaším komentářem. Takže ta věta by měla správně vypadat nějak takto: "Možná si řeknete, že se mohou překrývat vlnové balíky protonu a elektronu, a přitom elektron je od protonu rozlišitelný...". Pokusím se dát si pozor propříště na podobné možné disinterpretace. Ano, pevnolátkařské výpočty mohou být v některých případech i velice elegantní, není tam jednoduchá souvislost mezi počtem částic a složitostí výpočtu (to by se např. ve statistické termodynamice, kde se pracuje klidně i s kvintilióny částic nikdo nikdy k ničemu nedopočítal). Měl jsem na mysli situace, kde elegantní analytické řešení neexistuje, a kde se např. model testuje na existenci nějakého atypického fázového přechodu - tam se kolikrát stane, že nelze postupovat např. poruchovými metodami, a kdy i mikroskopické fluktuace dosti nepředvídatelně ovlivňují chování systému na větších vzdálenostech. V některých z těchto situací pak může dát solidní představu o chování systému až jeho velice náročná numerická situace (a mnohdy ani pak ne se stoprocentní jistotou). Souvislost BE kondenzátu s kvantovými počítači představuje vlastně jakousi samostatnou potenciální větev možného vývoje kvantových počítačů. Pro kvantové počítání je nezbytné vytvoření kvantově provázaného stavu - a takovýmto stavem BE kondenzát je. Jednou cestou jsou pokusy postavit kvantový počítač "odzdola", tj. skládáním jednotlivých tzv. qubitů, kvantových analogů bitů, které jsou tvořeny většinou subsystémy s malým počtem částic, které se nacházejí v kvantově propleteném stavu (např. elektrony v "kvantové tečce", jednoduché molekuly, apod.). Tento směr je dosti omezen tím, že přes všechny potenciální výhody oproti klasickým bitům je manipulace s jednotlivými qubity velice obtížná, a dosažitelné množství takovýchto qubitů agregovaných do většího funkčního celku je zanedbatelně malé. Zjednodušeně řečeno, co naplat, že qubit umí oproti bitu o mnoho navíc, když těchto qubitů nedokážeme zapojit do funkčního celku ani tolik, aby zvládly dělení celých čísel, které se učí malé děti na prvním stupni základní školy (možná si vzpomínáte, jakým úspěchem před asi dvěma lety byl kvantový počítač, který uměl rozložit číslo 15 na 3x5 - v tomto případě "počítaly" tuším asi sedmiatomové molekuly, ve kterých byly stavy těchto sedmi atomů kvantově propletené). Jiným směrem je snaha využít jako kvantový počítač např. BE kondenzát ochlazených par nějakého vhodně vybraného prvku. Takový kondenzát se sestává až z triliónů částic, které se nacházejí v navzájem kvantově propleteném stavu. V principu je možné s tímto kondenzátem interagovat např. pomocí laserového paprsku, který tímto obláčkem par prochází. Realizace kvantového počítače na tomto principu jsou sice ještě vzdálené, ale nikoliv nemožné. A právě specifika interakce tohoto BE kondenzátu třeba s tím laserovým paprskem či obecně nějakým vnějším polem mohou být v budoucnu rozhodující pro možné využití takového kondenzátu pro kvantové počítání.
Co se týče zamrznutí Terminátora II, tak to byla věc, nad kterou mi rozum zůstal stát - proč ho proboha ten první Terminátor nenaházel po kusech do nějakých oddělených beden, a ty pak nenaházel do té slévárny, když pak do ní toho druhého Terminátora sestřelil :-))) No, možná by s tekutým, dusíkem měl problém i Terminátor I, který z tekutého kovu nebyl, takže se raději sbalil a zdrhl.

Odpovědět

Hezky článek pro odborníky

Zdeněk J.,2004-02-05 18:35:09

Článek se mi líbil a při jeho čtení se mi příjemně zavzpomínalo na studium na matfysu. Obávám se ale, že pro čtenáře, který nemá fyzikální vzdělání, je článek trošku obtížnější na pochopení. Možná by pomohlo přidat několik nákresů a ubrat (a nebo podrobněji vysvětlit ) specializované fyzikální výrazy. Jinak O.K.

Odpovědět

poznamek par

Kamil,2004-02-05 16:12:34

Zdravim,
gratuluji k velmi peknemu clanku mel bych jen par poznamek:
1) vim ze to myslite dobre a mluvite o spravne vzajemne nerozlisistelnosti elektronu a protonu, ale z textu to vypada, ze elektrony (protony) jsou na rozdil od fotonu rozlisitelne
2) pevnolatkarske vypocty nemuseji byt vzdy tak komplikovane viz treba vypocet kv. Hallova jevu (Laughlin) sice je to 2D system ale tech castic je tam taky habadej, no ale uznavam, ze v drtivy vetsine pripadu je to peknej vopruz
3) na zaveru mluvite o lepsim pochopeni kv. pocitacu skrze BE kondenzat, musete mi upresnit co tim myslite?
4) Terminator by teplotu pod 1K nerozdejchal, viz scena, kdy zamrzl v tekutem dusiku a nebyt blizkosti slevarny, meli by hlavni hrdinove pokoj

Zdravi Kamil

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni
















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace