Wissenschaftler schlugen Atom gegen Atom und entfesselten ein magnetisches Monster. Ein bahnbrechendes Experiment hat ein Feld erzeugt, das so stark ist, dass es den Griff eines Neutronensterns in den Schatten stellen könnte. Rotierende Magnete können eine Levitation erzeugen, die für die Physik nahezu unmöglich ist. Zum ersten Mal hatten Physiker ein klares Verständnis dafür, wie sich einzelne Atome wie Wellen verhalten.
Das Universum ist ein Ort starker magnetischer Extreme. Magnetare können beispielsweise Magnetfelder von mehr als 100 Billionen Gauß erzeugen – im Vergleich dazu erzeugt der Magnet Ihres Kühlschranks ein Feld von nur 100 Gauß. Dieser extrem starke Magnetismus kann die Form des Sterns so weit verzerren, dass der Stern Gravitationswellen in das Universum aussendet. Doch dieses raumzeitverändernde Magnetfeld erreicht nicht einmal annähernd die Stärke der in der Quantenwelt erzeugten Felder.
Das von Wissenschaftlern erzeugte Magnetfeld war etwa 10.000-mal stärker als das eines Magnetars
Neue Forschungen des Solenoidal Tracker at RHIC (STAR)-Experimentes des Brookhaven National Laboratory mit dem Relativistic Heavy Ion Collider in Upton, New York, haben ein „superstarkes“ Magnetfeld im Inneren des Quark-Gluon-Plasmas entdeckt, das sich nach dem Abschalten des Zentrums gebildet hat schwerer Atomkerne. Laut Ergebnissen, die letzte Woche in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht wurden, war dieses Magnetfeld etwa 10.000 Mal stärker als das eines Magnetars.
„Diese sich schnell bewegenden positiven Ladungen sollten ein sehr starkes Magnetfeld erzeugen, das voraussichtlich 10 18 Gauss beträgt“, sagte Co-Autor Gang Wang, ein STAR-Physiker an der UCLA, in einer Pressemitteilung. „Dies ist wahrscheinlich das stärkste Magnetfeld in unserem Universum.“
Mit einem RHIC von der Größe eines Hauses verfolgten Wissenschaftler die Kollisionsbahnen schwerer Ionen (z. B. Gold) nach einer außermittigen Kollision. Theorien gehen davon aus, dass eine solche Kollision ein starkes Magnetfeld erzeugen würde – einige positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen, die nicht an der Kollision beteiligt waren, würden im resultierenden Quark-Gluon-Plasma wirbeln, wenn sie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit vorbeiziehen.
Nachdem sie andere Ursachen für ein so starkes Magnetfeld ausgeschlossen hatten, entdeckten die Forscher eine „ladungsabhängige Ablenkung“, die nur durch ein Phänomen verursacht werden konnte, das als Faraday-Induktion bekannt ist (benannt nach dem berühmten Pionier des Elektromagnetismus aus dem 19. Jahrhundert). Diese spezifische Induktion kann nur durch den schnellen Zerfall eines starken Magnetfelds verursacht werden. Die Wechselwirkung beeinflusste die Flugbahn der geladenen Teilchen, die die Wissenschaftler dann messen konnten.
Draufsicht auf eine außermittige Kollision. Abbildung (B) stellt ein superstarkes Magnetfeld beim Zerfall dar, das durch Faraday-Induktion einen elektrischen Strom induziert. Dies beeinflusst die Flugbahn geladener Teilchen, die vom RHIC eingefangen werden. Die Größe der Abweichung hängt mit der Leitfähigkeit des Quark-Gluon-Plasmas zusammen.
Und das ist auch gut so, denn im Gegensatz zu Magnetaren, die lediglich ihr ganzes Leben lang starke Magnetfelder erzeugen, treten diese superstarken Magnetfelder, die durch außerzentrische Kollisionen entstehen, nur für zehn Millionstel Milliardstel oder Milliardstel Sekunden auf. Dies macht es unmöglich, es allein einzufangen, seine Wirkung zeigt sich jedoch in der resultierenden Streuung subatomarer Teilchen.
„Wir können den Leitfähigkeitswert aus unseren Messungen der kollektiven Bewegung ableiten“, sagte Co-Autor Diyu Shen, ein STAR-Physiker an der Fudan-Universität in China, in einer Pressemitteilung. „Der Grad der Ablenkung der Partikel hängt direkt von der Stärke des elektromagnetischen Feldes und der Leitfähigkeit im QGP ab – und noch nie hat jemand die Leitfähigkeit des QGP gemessen.“
Das Verständnis der Eigenschaften von Quark-Gluon-Plasma hilft Physikern zu verstehen, wie das Universum nur wenige Augenblicke nach dem Urknall aussah, bevor frei bewegliche Quarks und Gluonen zu Hadronen – Protonen und Neutronen – verschmolzen, die Atome bildeten. Diese Kollisionen sollten Experten auch dabei helfen, die Komplexität des magnetischen Chiralitätseffekts (CME) zu untersuchen.
Es stellt sich heraus, dass rotierende Magnete eine Levitation erzeugen können, die für die Physik nahezu unmöglich ist
Bei dem in Entwicklung befindlichen neuen, auf Rotation basierenden Prinzip der magnetischen Levitation wird die Schwerkraft grundsätzlich nicht berücksichtigt. Bei dieser spinstabilisierten Levitation wird ein sich drehender Magnet verwendet, um den Schwebemagneten zu stabilisieren und an Ort und Stelle zu fixieren.
Magnetschwebetechnik wird bereits weltweit eingesetzt und das neue Prinzip findet Anwendung bei der berührungslosen Handhabung von Objekten.
Die Schwerkraft ist im Wesentlichen kein Teil der physikalischen Gleichung, wenn die spinstabilisierte Levitation ins Spiel kommt. Während die Forschung weiterhin an der Entwicklung einer neuen Art der Magnetschwebebahn arbeitet, die aus einem sich drehenden Rotormagneten besteht, der einen darüber schwebenden Schwimmer schweben lässt, sind Wissenschaftler zu dem Schluss gekommen, dass diese neue Art der Anti-Schwerkraft-Levitation reale Anwendungen hat.
Ein Forschungsteam der Technischen Universität Dänemark, das 2021 erstmals vom türkischen Elektronikingenieur Hamdi Ukar demonstriert wurde, erweiterte das Konzept der Gegengravitation und veröffentlichte seine Ergebnisse im Oktober 2023 in der Zeitschrift Physical Review Applied. In ihrer Forschung zeigte das Team, wie einfach dieses Konzept zu erstellen und zu replizieren ist.
Sie zeigten auch, welche erstaunliche und unerwartete Physik diesen gesamten Prozess ermöglicht.
Magnetschwebebahn (manchmal auch Magnetschwebebahn genannt) wurde bereits auf der ganzen Welt beobachtet, von schwebenden Zügen bis hin zu Hochgeschwindigkeitsautos. Aber die spinstabilisierte Levitation könnte aufgrund ihrer Kompatibilität mit dem berührungslosen Design künftige Anwendungen der magnetischen Levitation vereinfachen. Moderne Magnetschwebebahnmodelle erfordern Steuerungssysteme, um Magnetkraft bereitzustellen und Energieflüsse zu leiten. Stattdessen erfordert dieser neue Ansatz nur die Drehung eines Magneten, um den anderen an Ort und Stelle zu halten.
„Die Magnete sollten nicht hängen bleiben, wenn sie nahe beieinander platziert werden“, sagte Rasmus Björk, Studienleiter und Physiker an der TU-Dänemark, laut The Debrief. „Normalerweise ziehen sie sich gegenseitig an oder stoßen sie ab. Aber wenn man einen der Magnete dreht, stellt sich heraus, dass man echtes Einfrieren erreichen kann. Und das ist das Seltsamste. Die auf Magnete wirkende Kraft sollte sich nicht ändern, nur weil man einen von ihnen dreht, es scheint also einen Zusammenhang zwischen Bewegung und magnetischer Kraft zu geben.“
Der Rotormagnet dreht sich. Wenn der Motor den Rotormagneten in Bewegung halten kann, kann er die Aufgabe übernehmen, einen anderen Magneten, einen sogenannten Schwimmer, in der Schwebe zu halten. „Wir haben herausgefunden, dass beim Schweben“, schreiben die Autoren in der Studie, „die Frequenz des Schwimmermagneten mit der des Rotormagneten synchronisiert ist und bemerkenswerterweise die Magnetisierung des Schwimmers nahe an der Rotationsachse des Rotormagnetpols ausgerichtet ist.“ .“
Aber warum? Nun, im Gegensatz zu dem, was man aufgrund der Gesetze der Magnetostatik erwarten würde, stellt sich heraus, dass der Schwimmer seine Magnetisierung im Wesentlichen senkrecht zum Magnetfeld des Rotors ausrichtet.
„Es ist ziemlich überraschend, dass sich die magnetische Levitation in einem so relativ einfachen System entwickelt“, sagte Björk gegenüber Physics World.
Diese Entdeckung bedeutet, dass der Schwimmer aufgrund der Wechselwirkung stabil schweben kann. „Jeder versteht intuitiv, dass die magnetostatische Kraft, die ein Magnet auf einen anderen ausübt, entweder anziehend oder abstoßend sein kann“, sagte Frederic Laust Durhus, Studienleiter und Physiker an der TU-Dänemark, gegenüber Physics World. „Ohne Rotation dreht sich ein freier Magnet, sodass die Kraft rein anziehend wird und die Magnete dann miteinander kollidieren. Das Besondere an dem neuen Magnetschwebesystem ist, dass die Rotation selbst es dem Schwimmer ermöglicht, in einer widersprüchlichen Konfiguration zu bleiben, fast senkrecht zum Feld des Schwimmers, wo die magnetostatische Kraft ihn gleichzeitig anzieht und abstößt.
Ein solcher Aufbau könnte sich für alles von der Magnetpartikelerfassung bis hin zu berührungslosen Roboteranwendungen als nützlich erweisen, da der Aufbau im Vergleich zu stromabhängigen Systemen deutlich vereinfacht ist.
„Das Wichtigste an unserem Experiment zur Demonstration der magnetischen Levitation ist, wie extrem einfach es durchzuführen ist“, sagte Björk gegenüber Physics.
Auf der Suche nach der Quantengravitation
Das Schweben von Magneten bei Minustemperaturen könnte zu revolutionären Entdeckungen im Weltraum führen. Einstein konnte den Code der Quantengravitation nicht knacken. Wissenschaftler sind einen Schritt näher gekommen. Obwohl drei der vier Grundkräfte der Natur in der Quantenwelt zu finden sind, bleibt die Schwerkraft der einzige Außenseiter.
Ein neues Experiment, das von einem internationalen Team europäischer Wissenschaftler durchgeführt wurde, hat die kleinste jemals gemessene Schwerkraftmessung aufgezeichnet – nur 30 AttoNewton (aN).
Durch die Messung eines Teilchens mit einem Gewicht von nur 0,43 mg könnten zukünftige Messungen in die Quantenwelt vordringen und die immer schwer fassbare Quantengravitation enthüllen.
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie hat dazu beigetragen, unser Verständnis darüber, wie massive Körper im Universum interagieren und die Struktur der Raumzeit beeinflussen, neu zu definieren, und die Quantenfeldtheorie definiert die atomare Welt.
Während diese beiden Theorien ihre Welten gut beschreiben (obwohl es immer Raum für Verbesserungen gibt), passen sie nicht gut zusammen, was ein ziemliches Problem darstellt, wenn man die Physik des Kosmos unter einem Satz von Theorien und Regeln vereinen möchte. Während die physische Welt Hinweise auf vier Grundkräfte enthält – Elektromagnetismus, die schwache Kernkraft, die starke Kernkraft und die Schwerkraft –, weist die Quantenwelt nur die ersten drei auf. Aus diesem Grund suchen Physiker seit fast einem Jahrhundert nach Beweisen für die Quantengravitation.
Diese Suche nach der Quantengravitation hat die größten Denker verblüfft, darunter auch Einstein selbst, der in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie sagte, dass es kein Experiment zum Beweis der Quantengravitation gab. Obwohl Einstein einer der begabtesten Physiker aller Zeiten war, trafen seine Vorhersagen nicht immer ein. Einstein hielt es einst für wahrscheinlich unmöglich, Gravitationswellen jemals zu entdecken, und jetzt verfügt LIGO über eine wachsende Liste davon. Könnte Einstein also mit Quantengravitationsexperimenten falsch liegen?
Ein internationales Team von Wissenschaftlern der britischen University of Southampton, der Universität Leiden in den Niederlanden und des italienischen Instituts für Photonik und Nanotechnologie möchte das unbedingt herausfinden. In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, beschreibt das Team detailliert den innovativen Prozess, durch den sie die kleinste jemals aufgezeichnete Schwerkraft entdeckten. Die Schwerkraft wurde an einem winzigen Partikel mit einer Größe von nur 0,43 mg nachgewiesen. Es ist nicht gerade eine Quantenwelt, aber sie ist so klein, dass sie fast an sie grenzt.
„Ein Jahrhundert lang haben Wissenschaftler vergeblich versucht zu verstehen, wie Schwerkraft und Quantenmechanik zusammenarbeiten“, sagte Tim Fuchs von der University of Southampton, Hauptautor der Studie, in einer Pressemitteilung. „Wir haben jetzt erfolgreich Gravitationssignale bei der kleinsten jemals aufgezeichneten Masse gemessen, was bedeutet, dass wir dem endgültigen Verständnis, wie es im Tandem funktioniert, einen Schritt näher gekommen sind. Von hier aus werden wir mit dieser Technik beginnen, die Quelle zu verkleinern, bis wir auf beiden Seiten die Quantenwelt erreichen.“
Wie die meisten Durchbrüche in der Quantenwelt erfordert dieser Aufbau extrem niedrige Temperaturen – nur ein Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Diese niedrige Temperatur ermöglichte in Kombination mit supraleitenden Vorrichtungen, sogenannten Fallen, das Schweben der Probe. Laut Pressemitteilung konnten die empfindlichen Instrumente dank „fortschrittlicher Schwingungsisolierung“ einen schwachen Schub von nur 30 AttoNewton (aN) erkennen, was einem Milliardstel eines Milliardstel Newtons entspricht (so wie eine Attosekunde ein Milliardstel ist). einer Sekunde). Wenn Wissenschaftler die Grenzen der möglichen Kleinstgrößen von Gravitationsmessungen weiter ausreizen können, werden sie bald in der Lage sein, in den Quantenbereich vorzudringen.
„Unsere neue Technik, die extrem niedrige Temperaturen und Geräte zur Isolierung von Teilchenvibrationen nutzt, ist wahrscheinlich vielversprechend für die Messung der Quantengravitation“, sagte Hendrik Ulbricht von der University of Southampton, Mitautor der Studie, in einer Pressemitteilung. „Die Aufklärung dieser Geheimnisse wird uns helfen, weitere Geheimnisse über die Struktur des Universums aufzudecken, von den kleinsten Teilchen bis zu den größten kosmischen Strukturen.“
Neue Bilder zeigen, wie sich Atome in Quantenwellen verwandeln – genau wie Schrödinger es vorhergesagt hat
Eine neue Bildgebungstechnik, die die Umwandlung gefrorener Lithiumatome in Quantenwellen erfasst, könnte zur Erforschung einiger der am wenigsten verstandenen Aspekte der Quantenwelt eingesetzt werden. Die Wissenschaftler, die das bildgebende Verfahren erfunden haben, veröffentlichten ihre Ergebnisse auf dem Preprint-Server arXiv, sodass ihre Forschung noch nicht von Experten begutachtet wurde.
Zum ersten Mal hatten Physiker ein klares Verständnis dafür, wie sich einzelne Atome wie Wellen verhalten.
Das Bild zeigt scharfe rote Punkte fluoreszierender Atome, die sich in unscharfe Klumpen aus Wellenpaketen verwandeln, was die Idee demonstriert, dass Atome als Teilchen und Wellen existieren – einer der Eckpfeiler der Quantenmechanik.
Das Bild zeigt auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlte Lithiumatome als rote Punkte. Durch die Kombination mehrerer dieser Bilder konnten die Autoren beobachten, wie sich Atome wie Wellen verhalten. Verstraeten et al.
„Die Wellennatur der Materie bleibt einer der auffälligsten Aspekte der Quantenmechanik“, schreiben die Forscher in der Arbeit. Sie fügen hinzu, dass ihre neue Technik zur Abbildung komplexerer Systeme verwendet werden könnte und Einblicke in einige grundlegende Fragen der Physik liefern könnte.
Der Welle-Teilchen-Dualismus wurde erstmals 1924 vom französischen Physiker Louis de Broglie vorgeschlagen und zwei Jahre später von Erwin Schrödinger erweitert. Er besagt, dass alle quantengroßen Objekte und damit alle Materie gleichzeitig als Teilchen und Wellen existieren.
Die berühmte Schrödinger-Gleichung wird von Physikern üblicherweise als Aussage interpretiert, dass Atome als wellenartige Wahrscheinlichkeitspakete im Raum existieren, die dann bei Beobachtung in diskrete Teilchen kollabieren. Diese bizarre Eigenschaft der Quantenwelt ist zwar nicht intuitiv, wurde aber in zahlreichen Experimenten bestätigt.
Um diese unscharfe Dualität einzufangen, kühlten Physiker zunächst Lithiumatome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ab, indem sie sie mit Photonen oder Lichtteilchen aus einem Laser bombardierten, um ihnen ihren Impuls zu entziehen. Sobald die Atome abgekühlt waren, wurden sie von den neuen Lasern in diskreten Paketen in einem optischen Gitter eingefangen.
Als die Atome abkühlten und eingeschlossen wurden, schalteten die Forscher das optische Gitter regelmäßig aus und wieder ein, wodurch die Atome von einem eingeschlossenen teilchenähnlichen Zustand in einen wellenähnlichen Zustand und dann wieder zurück expandierten.
Die Kamera des Mikroskops zeichnete das von Atomen im Teilchenzustand emittierte Licht zu zwei verschiedenen Zeitpunkten auf, wobei sich die Atome dazwischen wie Wellen verhielten. Durch das Sammeln vieler Bilder zeichneten die Autoren die Form dieser Welle auf und beobachteten, wie sie sich im Laufe der Zeit ausdehnte, was völlig im Einklang mit Schrödingers Gleichung stand.
„Diese Bildgebungstechnik besteht darin, das Gitter wieder einzuschalten, um jedes Wellenpaket in eine einzelne Mulde zu projizieren und es wieder in ein Teilchen umzuwandeln – es ist keine Welle mehr“, sagte der Co-Autor der Studie, Tariq Yefsa, ein Physiker am French National Centre. in wissenschaftlicher Forschung und der Ecole Normale Supérieure in Paris, sagte gegenüber WordsSideKick.com. „Man kann sich unsere Bildgebungsmethode als eine Möglichkeit vorstellen, die Dichte der Wellenfunktion zu messen, ähnlich den Pixeln einer CCD-Kamera.“ Eine CCD-Kamera ist eine gängige Art von Digitalkamera, die zur Aufnahme von Bildern ein ladungsgekoppeltes Gerät verwendet.
Wissenschaftler sagen, dieses Bild sei nur eine einfache Demonstration. Ihr nächster Schritt wird darin bestehen, damit Systeme aus stark wechselwirkenden Atomen zu untersuchen, die weniger erforscht sind.
„Die Untersuchung solcher Systeme kann unser Verständnis seltsamer Materiezustände verbessern, wie sie beispielsweise in den Kernen extrem dichter Neutronensterne oder im Quark-Gluon-Plasma vorkommen, von dem angenommen wird, dass es kurz nach dem Urknall existierte“, sagte Yefsa.