Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 41 (vyšlo 16. října, ročník 18 (2020)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Kroutíme, kroutíme... a ejhle, je tu soliton

Petr Kulhánek

Pokud skládáme dva rovinné periodické obrazce, které jsou si blízké, dostaneme jako výsledek kvaziperiodickou strukturu, jíž se říká moaré (z francouzského moiré). Na obrázku níže jsou sloučeny dvě přesně čtvercové sítě, které byly dány nad sebe a jedna z nich pootočena. Moaré je často na obtíž, zejména při fotografování. Fotografie jemně kostkované košile může díky interferenci dvou obrazů a následnému moaré efektu dopadnout katastrofálně. Moaré obrazce nejsou vždy jen na škodu, můžeme je někdy využívat i v našich technologiích. Nedávno (viz AB 21/2019) jsme referovali o dvou pootočených grafenovýchGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. listech. Každý z nich je v jednom směru dobře vodivý a v druhém se chová jako izolant. Ale kombinace dvou pootočených vrstev do moaré obrazce je při určitých úhlech supravodiváSupravodivost – supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil, že při ochlazení rtuti pod teplotu 4,2 K dochází k prudkému poklesu elektrického odporu až na milióntinu původní hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku, ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč se elektrony v ochlazeném materiálu pohybují bez odporu.. V letošním roce referovali vědci z Šanghajské dopravní univerzity, že moaré obrazec může dokonce změnit rozbíhavý laserovýLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. paprsek v solitonSoliton – osamocená vlna, která se šíří na velké vzdálenosti s minimální změnou tvaru. Solitony přenášejí energii z místa na místo a mohou skrz sebe procházet. První soliton pozoroval skotský vědec John Scott Russel na úzkém vodním kanále Union poblíž Edinburghu v roce 1834. Existenci solitonů poprvé teoreticky vysvětlili v roce 1895 holandští matematici Diederik Korteweg a Gustav de Vries. V solitonu je přirozená disperze (rozplývání) kompenzována nelineárními jevy, takže může vzniknout dlouhodobě stabilní útvar.. Tento objev by mohl mít značný význam pro technologie přenášení informací světlem na velké vzdálenosti.

Moaré obrazec vzniklý spojením dvou čtvercových sítí

Moaré obrazec vzniklý spojením dvou čtvercových sítí, které jsou vzájemně
pootočené. Zdroj: Nasim Mansurov/Photography Life

LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.

Soliton – osamocená vlna, která se šíří na velké vzdálenosti s minimální změnou tvaru. Solitony přenášejí energii z místa na místo a mohou skrz sebe procházet. První soliton pozoroval skotský vědec John Scott Russel na úzkém vodním kanále Union poblíž Edinburghu v roce 1834. Existenci solitonů poprvé teoreticky vysvětlili v roce 1895 holandští matematici Diederik Korteweg a Gustav de Vries. V solitonu je přirozená disperze (rozplývání) kompenzována nelineárními jevy, takže může vzniknout dlouhodobě stabilní útvar.

Grafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010.

Supravodivost – supravodivost objevil v roce 1911 Kamerlingh-Onnes, který zjistil, že při ochlazení rtuti pod teplotu 4,2 K dochází k prudkému poklesu elektrického odporu až na milióntinu původní hodnoty. Za tento objev obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku, ale ještě dlouho trvalo, než se podařilo vysvětlit, proč se elektrony v ochlazeném materiálu pohybují bez odporu.

Solitony a moaré

Když v roce 1834 objevil skotský inženýr John Scott Russel na kanále Union první soliton, pravděpodobně ani netušil, že tím otevřel zcela nové odvětví nelineární fyziky. Za normální situace jeví každý vlnový balík disperzi a postupně se rozplývá, tedy rozšiřuje se a slábne. V některých situacích ale zafungují nelineární jevy, které naopak vlnový balík komprimují a zvětšují jeho výšku. Pokud se oba jevy přesně vyrovnají, vznikne soliton – osamocená vlna, která se velmi dlouhou dobu šíří beze změny tvaru a velikosti. Některé solitony se dokonce mohou potkat, projít jeden druhým a pokračovat v pohybu dál v nezměněné podobě. Dnešní fyzika zná velké množství solitonů vznikajících za nejrůznějších podmínek. A vůbec už nemusí jít o vzedmutou vodní hladinu, jak tomu bylo u Russelova pozorování. Například v plazmatu mohou vznikat jakési dutiny, v nichž je pole slabší než v okolí. Tyto dutiny se opět šíří beze změny tvaru a velikosti. Solitony známe také v kmitajících krystalech a solitonem je také světelný impulz šířící se světelným vláknem na velké vzdálenosti.

Moaré obrazce zkoumané čínskou skupinou z Šanghajské dopravní univerzity

Moaré obrazce zkoumané čínskou skupinou z Šanghajské dopravní univerzity.
Zdroj: Qidong Fu a kol./Nature Photonics.

Při experiemntech byly použity krystaly SBN tvořené stronciem, baryem a niobátem

Při experiemntech byly použity krystaly SBN tvořené stronciem, baryem
a niobátem NbO6. Zdroj: Yi Li a kol./Computational Materials Science.

Skupina vědců ze Šanghajské dopravní univerzity, kterou vede čínský fyzik Fangwei Ye, konala experimenty s laserovým světlem procházejícím dvěma tenkými krystalickými vrstvami. Jako látku použili krystaly SBN:61 (stroncium, baryum, niobát) s kubickou podmřížkou. Laserové světlo se ohýbalo na dvou pootočených krystalických mřížích. Následné spojení obou částí svazku vedlo při vhodném úhlu vzájemného pootočení k solitonovému chování. Jde o vůbec první pozorování solitonu vzniklého na moaré struktuře dvou tenkých vrstev. Ukázalo se, že při určitých úhlech pootočení jsou fotony natlačeny do úzkého pásu energií a v moaré struktuře vzniknou excitace (světelné módy), u nichž je disperze velmi malá, a proto postačí jen nepatrné nelineární jevy, které disperzi kompenzují do solitonového řešení. Vhodnou geometrií lze snadno měnit parametry konfigurace a ovlivňovat fyzikální vlastnosti vzniklého solitonu. Zajímavé je, že existuje určitý prahový výkon laseru, pod nímž se solitony nevytvoří.

Experimenty se dvěma pootočenými vrstvami nějaké periodické struktury nabírají na obrátkách a lze očekávat, že v brzké budoucnosti povedou k dalším zajímavým a možná i exotickým vlastnostem různých látek. Před našima očima tak v těchto letech vzniká zcela nová disciplína, které se říká twistronika. Slovo vzniklo obdobně jako elektronika (využívá elektrický náboj) nebo spintronikaSpintronika – spinová elektronika neboli magnetoelektronika. Jde o technologii využívající kvantové vlastnosti spinu elektronu, případně celého atomu. Zatímco klasická elektronika využívá ve všech technologiích pouze náboj elektronu, ve spintronice se kromě náboje elektronu využívá i orientace jeho spinu. (využívá spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. částic). Twistronika využívá potočení či zkroucení (twist) dvou tenkých periodických struktur nad sebou. Na další twistronické objevy se můžeme jen těšit.

Výsledky experimentů na Šanghajské dopravní univerzitě

Výsledky experimentů na Šanghajské dopravní univerzitě. V horní části jsou moaré obrazce, v dolní tvary impulzu v závislosti na jeho výkonu. Vyšší výkony v poslední řadě mají vždy solitonový charakter. Zdroj: Qidong Fu a kol./Nature Photonics.

Odkazy

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage