I fisici hanno appena scoperto un modo per tracciare le particelle quantiche inosservate

I fisici hanno appena scoperto un modo per tracciare le particelle quantiche inosservate

Varsha Y S/Wikimedia

Uno dei principi alla base della teoria dei quanti è che gli oggetti quantici possono esistere come onde o particelle. Ma, non esistono nemmeno finché non vengono misurati, rendendo apparentemente irrealizzabile identificare o rintracciare oggetti quantici quando non vengono osservati.

Ma di recente i fisici hanno affrontato questo problema e hanno dimostrato che non è impossibile tracciare particelle quantistiche non osservate.

David Arvidsson-Shukur, il primo autore dello studio e un dottorato di ricerca studente al Cambridge’s Cavendish Laboratory, si interessò a una premessa fisica chiamata “la funzione d’onda”.

Mentre sembrava contenere una grande quantità di informazioni, era stato usato più come uno strumento matematico che come una rappresentazione di particelle quantiche reali, ha spiegato Arvidsson-Shukur in un comunicato stampa.

“Ecco perché abbiamo accettato la sfida di creare un modo per tracciare i movimenti segreti delle particelle quantiche.”

All’interno di questo nuovo studio, pubblicato sulla rivista Physical Review A, i ricercatori dell’Università di Cambridge hanno dimostrato che, esaminando il modo in cui un oggetto quantico interagisce con il suo ambiente invece di misurare l’oggetto stesso, è possibile tracciare le particelle quantistiche non osservate.

Quando le particelle si muovono, “taggano” il loro ambiente.

Ogni “tag” o interazione con il loro ambiente codifica le informazioni all’interno delle particelle. Così Arvidsson-Shukur ei suoi coautori hanno sviluppato un metodo per mappare queste interazioni di “tagging” senza osservarle direttamente.

Inoltre, seguendo questi “tag”, i ricercatori hanno scoperto che potevano decodificare l’informazione dalle particelle alla fine di un esperimento quando le particelle venivano osservate.

Ciò consentirà agli scienziati di seguire il movimento delle particelle quantiche, dando loro molte più informazioni sui loro comportamenti.

Il dominio Proibito

Questo nuovo modo di tracciare le particelle quantiche non osservate potrebbe consentire agli scienziati di testare le vecchie previsioni in meccanica quantistica.

Questi includono idee come quella che una particella può esistere in due luoghi contemporaneamente, o suggerimenti come la telepatia in cui le informazioni possono essere trasmesse tra due persone senza che nessuna particella si muova tra di esse.

Quindi, non solo questa ricerca dimostra che ciò che una volta si pensava fosse un’impossibilità fisica è, infatti, possibile – potrebbe anche consentire ai ricercatori di verificare la potenziale realtà della telepatia.

Ma, forse ancora più importante, questo esperimento ha ampliato la comprensione dei fisici delle particelle d’onda.

In precedenza, si pensava che fossero strumenti computazionali astratti, usati solo per prevedere il risultato degli esperimenti quantistici. Ma i ricercatori di questo studio hanno scoperto che le informazioni codificate in ogni particella quantica dopo ogni interazione “taggata” sono direttamente correlate alla funzione d’onda.

“Il nostro risultato suggerisce che la funzione d’onda è strettamente correlata allo stato reale delle particelle”, ha spiegato Arvidsson-Shukur nel comunicato stampa.

“Quindi, siamo stati in grado di esplorare il” dominio proibito “della meccanica quantistica: fissando il percorso delle particelle quantiche quando nessuno le sta osservando”.

Questa ricerca potrebbe aiutare a sostenere gli sforzi continui per comprendere il movimento e il comportamento delle particelle quantistiche e delle particelle d’onda.

Le “verità” fondamentali della fisica quantistica potrebbero essere testate da una grande quantità di nuove informazioni e molte nuove scoperte interessanti potrebbero essere in corso.

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L’universo non dovrebbe esistere. Lo annunciano gli scienziati del CERN

L’universo non dovrebbe esistere.

Lo annunciano gli scienziati del CERN

Grazie alle tue stelle fortunate sei vivo. È veramente un miracolo della natura. Questo non ha nulla a che fare con la spiritualità o la religione e tutto ciò che ha a che fare con la scienza. La vita stessa potrebbe non essere il miracolo. Anche se non l’abbiamo ancora trovato altrove, la nostra galassia da sola è così piena di pianeti simili alla Terra che, matematicamente parlando, uno di loro deve mantenere la vita, anche se è solo la varietà microbica. La vita intelligente può essere un’altra questione.

Ciò che gli scienziati del CERN dicono come risultato del loro ultimo esperimento è: l’universo stesso è un miracolo, poiché non dovrebbe esistere affatto. Questo è ovviamente preso in riferimento alla teoria del Big Bang. Anche se prevalente, non è l’unica teoria a spiegare come tutto e tutto sia nato. Tuttavia, in questa visione, tutto inizia con la singolarità.

Secondo il Big Bang, l’universo iniziava come un punto delle dimensioni di un granello di sabbia che era inimmaginabilmente caldo, insondabilmente denso e pieno di materia ed energia. Poi, naturalmente, è esploso, facendo uscire i suoi contenuti e alla fine, formando l’universo come lo conosciamo. Ci sono alcuni problemi con questa teoria. Per uno, c’è il crescente tasso di espansione universale, noto come la costante di Hubble. Secondo il Big Bang, le cose dovrebbero rallentare o addirittura contrarsi. L’energia oscura è la spiegazione convenzionale, anche se non possiamo dimostrare che esiste.

C’è un altro problema ed è qui che entrano gli scienziati del CERN. L’ambiente che ha prodotto le particelle che compongono l’universo, come li conosciamo ora, dovrebbe aver creato parti uguali di materia e antimateria. Tuttavia, quest’ultimo è sorprendentemente raro. Non solo, una divisione 50-50 avrebbe visto ogni particella unirsi con il suo polo opposto, creando una raffica di energia inimmaginabile e senza lasciare nulla dietro, salvo un vasto vuoto ululante di un cosmo. Eppure, eccoci qui.
Una teoria è che la materia e l’antimateria devono in qualche modo essere radicalmente differenti. Ma l’ultimo esperimento del CERN non trova questo il caso. Secondo il Modello standard di fisica, un manuale per ogni particella conosciuta nell’universo e come opera, ogni tipo di atomo ha il suo polo opposto, la sua antiparticella, con la stessa massa, ma con una carica elettrica opposta.

In questo studio, gli scienziati del CERN hanno cercato di discernere quale fondamentale differenza debbano avere tali particelle, per convalidare l’esistenza del cosmo. Sono arrivati ​​vuoti. I fisici nella collaborazione BASE al CERN, hanno studiato le proprietà magnetiche di protoni e antiprotoni con una precisione misteriosa. Alcune buone notizie: i risultati hanno supportato il modello standard, poiché le particelle si sono comportate esattamente come previsto.

Lo squilibrio materia-antimateria, come viene chiamato, è un argomento molto popolare tra i fisici delle particelle in questi giorni, con molti team in giro per il mondo che lo esaminano. Il ricercatore del CERN Christian Smorra era nel team che ha condotto l’esperimento più recente. Ha detto a Science Alert: “Tutte le nostre osservazioni trovano una simmetria completa tra materia e antimateria, motivo per cui l’Universo non dovrebbe esistere realmente”.

Ha aggiunto: “Un’asimmetria deve esistere qui da qualche parte, ma semplicemente non capiamo dov’è la differenza. Qual è la fonte della rottura della simmetria?” Le scoperte di lui e dei suoi colleghi sono state pubblicate sulla rivista Nature.
Protoni e antiprotoni erano l’ultimo ostacolo quando si trattava di particelle che potevano spiegare lo squilibrio materia-antimateria. Gli scienziati dell’Università di Mainz in Germania hanno escogitato un modo per valutare il magnetismo di una particella di antimateria che è 350 volte più preciso del metodo precedente. La lettura è stata incredibile, in nove posti!

-2.7928473441 magnetoni nucleari. Un protone ha lo stesso livello di magnetismo, solo che è positivo. Sebbene lo studio non sia riuscito a spiegare l’estremo pregiudizio del nostro universo nei confronti della materia, ci ha fornito una migliore comprensione del magnetismo di un antiprotone.

L’antimateria non dura a lungo. In quanto tale, deve essere contenuto. I ricercatori hanno utilizzato due trappole Penning, che sono dispositivi che trattengono le particelle di antimateria utilizzando un campo elettrico e un campo magnetico. Stefan Ulmer, portavoce per la collaborazione BASE al CERN, ha dichiarato nel comunicato stampa:

“La misurazione degli antiprotoni era estremamente difficile, e ci lavoravamo da dieci anni. L’ultima svolta è arrivata con l’idea rivoluzionaria di eseguire la misurazione con due particelle. Questo risultato è il culmine di molti anni di continua ricerca e sviluppo e il completamento con successo di una delle misurazioni più difficili mai eseguite con uno strumento come la trappola Penning. ”

Fino ad ora, gli scienziati hanno sondato le differenze tra le particelle e i loro opposti confrontando la loro carica elettrica, il magnetismo e la massa. Successivamente, questa squadra pianifica di investigarli in termini di gravità, per vedere se esiste una discrepanza. Un’altra collaborazione internazionale con sede al CERN, chiamata ALPHA, studierà quale asimmetria, se esiste, esiste tra idrogeno e antiidrogeno. Nel frattempo, la squadra BASE ha in programma di esaminare ulteriormente le antiparticelle magneticamente.

Un altro importante sviluppo del CERN, un nuovo acceleratore lineare introdotto presso lo stabilimento a maggio, consentirà al Large Hadron Collider (LHC) di raggiungere una maggiore luminosità entro il 2021. Il Direttore Generale del CERN, Fabiola Gianotti, ha dichiarato alla sua inaugurazione: “Questa fase di alta luminosità aumenterà considerevolmente il potenziale degli esperimenti LHC per scoprire una nuova fisica e misurare le proprietà della particella di Higgs in modo più dettagliato. “Forse le scoperte fatte qui aiuteranno a svelare il segreto dietro lo squilibrio materia-antimateria.

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Scienziati scoprono nuovo materiale che non può essere spiegato dalla fisica classica

Scienziati scoprono nuovo materiale che non può essere

spiegato dalla fisica classica

Un team internazionale di fisici si è “imbattuto” in un materiale completamente nuovo, che hanno chiamato “Weyl-Kondo semimetal”.

Il “semimetallo” appartiene a una categoria di sostanze conosciute come “materiali quantistici”.

I materiali quantistici hanno varie proprietà bizzarre, alcune delle quali potrebbero contribuire a future innovazioni tecnologiche come il calcolo quantico – considerato da molti come la prossima rivoluzione nella tecnologia dei computer.
Per il momento, tuttavia, i ricercatori che lavorano su materiali quantistici stanno cercando di capire come funzionano e quanto possono essere più utili.

“La parola quantum in materiali quantici significa che hanno proprietà che non possono essere descritte dalla fisica classica – dobbiamo invocare la fisica quantistica”, ha detto la dottoressa Amalia Coldea, ricercatrice di materiali quantistici presso l’Università di Oxford che non è stata coinvolta in questo nuovo studio.

“Spesso ci riferiamo a materiali in cui vi sono interazioni molto forti tra i loro componenti: non si conoscono le proprietà che avranno e non si può prevedere in anticipo”.

Poiché gli scienziati non hanno necessariamente le teorie per prevedere il comportamento dei materiali quantistici, spesso li creano prima sperimentalmente e li misurano per osservare le loro proprietà.

Le nuove scoperte, pubblicate nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, sono emerse in questo modo, con un team dell’Università di Tecnologia di Vienna che ha svolto lavori sperimentali per lo sviluppo di nuovi materiali, e un team della Rice University che ha svolto attività teoriche.

“Avevamo il materiale e la teoria in via di sviluppo in parallelo”, ha detto il prof Silke Buehler-Paschen, che ha guidato il team di Vienna.
Questo lavoro si è poi arricchito con il lavoro teorico svolto dal dott. Hsin-Hua Lai e dal suo team alla Rice University, che ha realizzato il potenziale per creare un materiale completamente nuovo.

“Ci siamo imbattuti in un modello in cui, all’improvviso, abbiamo scoperto che la massa era passata da 1.000 volte la massa di un elettrone a zero”, ha affermato il dott. Lai.

Scoperta la: “Particella angelo” che è composta sia dalla materia che dall’anti-materia

Questa è una caratteristica dei “fermioni di Weyl”, particelle elusive inizialmente proposte oltre 80 anni fa.

Gli scienziati si sono resi conto che queste particelle provenivano da un fenomeno noto come “effetto Kondo”, portandole a nominare il loro nuovo materiale, il semimetallo Weyl-Kondo.

Mentre questa ricerca è ancora di interesse principalmente per altri ricercatori quantistici, il Prof Buehler-Paschen è chiaro su dove potrebbe portare alla fine.

“Attualmente progettiamo questi materiali per trovare nuovi effetti”, ha affermato. “Li cerchiamo perché questi effetti potrebbero essere molto utili, con applicazioni tecnologiche come il calcolo quantico.”

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Fisici eccitati dalla scoperta di una nuove forma di materia, l’excitonium

Fisici eccitati dalla scoperta di una nuove forma di materia, l’excitonium.


Il professore di fisica Peter Abbamonte e gli studenti universitari Anshul Kogar e Mindy Rak, con il contributo dei colleghi dell’Illinois, dell’Università della California, Berkeley e dell’Università di Amsterdam, hanno dimostrato l’esistenza di questa enigmatica nuova forma di materia, che ha perplesso gli scienziati dal momento che è stato inizialmente teorizzato quasi 50 anni fa.
Il team ha studiato i cristalli non drogati del diseleniuro di titanio (D-TiSe 2 ) del metallo di transizione spesso analizzato e ha riprodotto i loro risultati sorprendenti cinque volte su diversi cristalli clivati. Jasper van Wezel, professore di fisica all’Università di Amsterdam, ha fornito un’interpretazione teorica cruciale dei risultati sperimentali.

Quindi cos’è esattamente l’excitonium?

L’eccitonio è un condensato – esibisce fenomeni quantici macroscopici, come un superconduttore, o superfluido, o cristallo elettronico isolante. È composto da eccitoni, particelle che si formano in uno strano accoppiamento meccanico quantistico, vale a dire quello di un elettrone sfuggito e il buco lasciato indietro.

Sfida la ragione, ma si scopre che quando un elettrone, seduto sul bordo di una banda di valenza affollata di elettroni in un semiconduttore, si eccita e salta oltre il gap energetico verso la banda di conduzione altrimenti vuota, si lascia indietro un ” buco “nella banda di valenza. Quel buco si comporta come se fosse una particella con carica positiva, e attira l’elettrone sfuggito. Quando l’elettrone fuoriuscito con la sua carica negativa, si accoppia con il foro, i due formano notevolmente una particella composita, un bosone – un eccitone.
In realtà, gli attributi particellari del buco sono attribuibili al comportamento collettivo della folla circostante di elettroni. Ma questa comprensione rende l’accoppiamento non meno strano e meraviglioso.

Perché l’eccitonium ha impiegato 50 anni per essere scoperto in materiali reali?

Fino ad ora, gli scienziati non hanno avuto gli strumenti sperimentali per distinguere positivamente se quello che sembrava eccitonico non fosse in realtà una fase di Peierls. Sebbene sia completamente indipendente dalla formazione di eccitoni, le fasi di Peierls e la condensazione di eccitoni condividono la stessa simmetria e gli osservabili simili: un super-lattice e l’apertura di un gap di energia a singola particella.


Abbamonte e il suo team sono stati in grado di superare questa sfida utilizzando una nuova tecnica sviluppata dalla spettroscopia di perdita di energia a elettroni (M-EELS). M-EELS è più sensibile alle eccitazioni della banda di valenza rispetto alle tecniche anelastiche di diffusione di raggi X o di neutroni. Kogar esegue il retrofit di uno spettrometro EEL, che da solo può misurare solo la traiettoria di un elettrone, dando la quantità di energia e quantità di moto perse, con un goniometro, che consente alla squadra di misurare con precisione lo slancio di un elettrone nello spazio reale.

Con la loro nuova tecnica, il gruppo è stato in grado per la prima volta di misurare le eccitazioni collettive delle particelle bosoniche a bassa energia, gli elettroni e i fori associati, indipendentemente dal loro momento. Più specificamente, il team ha ottenuto la prima osservazione in assoluto in qualsiasi materiale del precursore della condensazione di eccitoni, una fase di plasmone morbida che è emersa quando il materiale si è avvicinato alla sua temperatura critica di 190 Kelvin. Questa morbida fase plasmonica è la prova della “fumata” della condensazione di eccitoni in un solido tridimensionale e la prima prova definitiva per la scoperta dell’eccitonium.

“Questo risultato ha un significato cosmico”, afferma Abbamonte. “Da quando il termine ‘excitonium’ è stato coniato negli anni ’60 dal fisico teorico di Harvard Bert Halperin, i fisici hanno cercato di dimostrare la sua esistenza.I teorici hanno discusso se si tratterebbe di un isolante, un conduttore perfetto o un superfluido – con alcuni argomenti convincenti Da anni ’70, molti sperimentalisti hanno pubblicato prove dell’esistenza dell’eccitonium, ma le loro scoperte non erano una prova definitiva e potevano anche essere spiegate da una transizione di fase strutturale convenzionale. ”

Rak ricorda il momento, lavorando nel laboratorio di Abbamonte, quando ha compreso per la prima volta la portata di questi risultati: “Ricordo che Anshul era molto entusiasta dei risultati delle nostre prime misurazioni su TiSe 2. Stavamo facendo calcoli in una lavagna in laboratorio mentre lui mi spiegò che avevamo appena misurato qualcosa che nessuno aveva mai visto prima: un morbido plasmon “.
“L’entusiasmo generato da questa scoperta è rimasto con noi per l’intero progetto”, continua. “Il lavoro svolto su TiSe 2 mi ha permesso di vedere la promessa unica che la nostra tecnica M-EELS ha per far avanzare la nostra conoscenza delle proprietà fisiche dei materiali e ha motivato la mia continua ricerca su TiSe 2 “.

Kogar ammette che scoprire l’eccitonium non era la motivazione originale per la ricerca – il team aveva deciso di testare il loro nuovo metodo M-EELS su un cristallo che era prontamente disponibile – cresciuto all’Illinois dall’ex studente universitario Young Il Joe, ora del NIST. Ma sottolinea, non a caso, che l’eccitonium era un grande interesse:

“Questa scoperta è stata fortuita, ma io e Peter abbiamo avuto una conversazione circa 5 o 6 anni fa affrontando esattamente questo argomento della modalità elettronica soft, anche se in un contesto diverso, l’instabilità del cristallo di Wigner. perché si stava verificando in TiSe 2 , sapevamo che si trattava di un risultato importante, e quello che si era creato nelle nostre menti per alcuni anni “.

Le scoperte del team sono state pubblicate nell’edizione dell’8 dicembre 2017 della rivista Science nell’articolo “Le firme della condensazione di eccitoni in un dogenogenuro di metalli di transizione”.

Questa ricerca fondamentale è una grande promessa per sbloccare ulteriori misteri della meccanica quantistica: dopo tutto, lo studio dei fenomeni quantici macroscopici è ciò che ha modellato la nostra comprensione della meccanica quantistica. Potrebbe anche fare luce sulla transizione dell’isolatore di metallo nei solidi di banda, in cui si ritiene che la condensazione dell’eccitone abbia un ruolo. Oltre a ciò, le possibili applicazioni tecnologiche dell’eccitonium sono puramente speculative.

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