Tag: Mokslas

Nors Visata atrodo stabili, dalis šiuolaikinės fizikos teorijų leidžia scenarijų, kad ji gali būti tik laikinoje būsenoje. Jei vadinamasis vakuumas nėra pats žemiausias energijos lygis, perėjimas į stabilesnę būseną teoriškai galėtų vykti staiga ir su didžiulėmis pasekmėmis.

Ši idėja siejama su klaidingo vakuumo irimu, kai sistema įstringa vietiniame energijos minimume, nors egzistuoja dar žemesnė, stabilesnė būsena. Tokiu atveju kvantinis tuneliavimas galėtų suformuoti mažą naujos būsenos burbulą, kuris, pasiekęs kritinį dydį, teoriškai plėstųsi artimu šviesos greičiui.

Ką reiškia klaidingas vakuumas

Kvantinių laukų teorijoje vakuumas nėra absoliuti tuštuma, o mažiausios energijos būsena konkrečiame lauke. Jei energijos reljefe yra keli „duobės“ lygiai, sistema gali būti klaidingame minimume, kuris atrodo stabilus, bet iš principo gali pereiti į dar gilesnę būseną.

Toks perėjimas prasidėtų kvantiniu masteliu, tačiau pasekmės būtų kosminės, todėl tema atsiduria tarp kvantinės teorijos ir reliatyvumo. Būtent ši sankirta laikoma viena svarbiausių vietų, kur fizikai tikisi rasti užuominų apie išsamesnį gamtos dėsnių aprašymą.

Kaip tai buvo imituota laboratorijoje

Kinijos Tsinghua universiteto vadovaujama komanda pasiūlė būdą šį procesą imituoti ne kosmose, o valdomoje sistemoje. Vietoj realaus vakuumo „perjungimo“ buvo naudotas fizikinis analogas: į žiedą išdėstyti Rydbergo atomai, kurių elektronai yra itin aukštos energijos būsenoje.

Rydbergo atomai dėl silpnai prisirišusių elektronų stipriai sąveikauja tarpusavyje, todėl tinka modeliuoti sudėtingas kvantines būsenas. Eksperimente atomai buvo išdėstyti taip, kad susidarytų simetriškas, pakaitinis sukinio išsidėstymas, o vėliau lazeriais ši simetrija buvo sąmoningai suardyta.

Taip sistema galėjo atsidurti dviejuose labai artimuose energijos režimuose, kurie atitiko klaidingo ir „tikrojo“ vakuumo analogus. Stebėta, kaip žiedas su laiku „nuslysta“ į labiau pageidaujamą būseną, o šio virsmo greitis priklausė nuo simetriją laužančio lazerio stiprumo.

Ką tai keičia mokslui, o ne Visatai

Tyrimas nereiškia, kad laboratorijoje buvo sukurta reali grėsmė Visatai ar kad tokie virsmai artėja. Tai yra valdomas analoginis modeliavimas, leidžiantis patikrinti teorines prognozes apie tai, kaip galėtų vykti perėjimas tarp skirtingų energinių būsenų ir kaip formuotųsi „burbulo“ tipo pernaša.

Rezultatai svarbūs tuo, kad atveria naują eksperimentinę platformą tirti procesus, kurių tiesiogiai kosmose patikrinti praktiškai neįmanoma. Tokios kvantinės simuliacijos laikomos viena perspektyviausių krypčių, kai norima suprasti ribines situacijas, kur klasikinis reliatyvumas ir kvantinė fizika pradeda konfliktuoti.

Tyrimo autoriai pabrėžia, kad jų sistema pirmiausia patvirtina pagrindines teorines įžvalgas apie irimo mechaniką, o ne pateikia naują prognozę apie mūsų Visatos likimą. Darbas publikuotas žurnale „Physical Review Letters“.

Šaltiniai:
https://doi.org/10.1103/kqzq-fnr4
https://home.cern/science/physics/standard-model
https://pdg.lbl.gov/2024/reviews/rpp2024-rev-higgs-boson.pdf

CERN fizikai pranešė po Didžiojo hadronų greitintuvo atnaujinimo aptikę naują dalelę. Tai jau 80-oji dalelė, kurią identifikuoti padėjo galingiausias pasaulyje dalelių greitintuvas, o rezultatas siejamas su LHCb eksperimento duomenimis.

Naujoji dalelė pavadinta Ξcc⁺ (Xi-cc-plus). Ji priskiriama barionams – tai dalelių šeima, kuriai priklauso ir protonai bei neutronai, sudarantys atomų branduolius ir didžiąją dalį įprastos materijos.

Kas yra Ξcc⁺ ir kuo ji skiriasi

Kaip ir protonas, Ξcc⁺ sudaryta iš trijų kvarkų, tačiau jos sandara retesnė: du žavieji kvarkai ir vienas žemyn kvarkas. Protoną sudaro du aukštyn kvarkai ir vienas žemyn kvarkas, todėl įprastas protonas yra gerokai lengvesnis.

CERN nurodo, kad Ξcc⁺ yra maždaug keturis kartus masyvesnė už protoną. Didesnę masę lemia tai, kad žavieji kvarkai yra gerokai sunkesni už aukštyn kvarkus, todėl tokie barionai formuojasi rečiau ir gyvuoja trumpiau.

Kodėl šis atradimas svarbus mokslui

LHCb atstovai pabrėžia, kad tai tik antras kartas, kai stebimas barionas su dviem sunkiais kvarkais. Tokie objektai laikomi itin vertingais tikrinant kvantinės chromodinamikos prognozes – teoriją, aprašančią stipriąją sąveiką, kuri sujungia kvarkus į hadronus.

„Rezultatas padės teoretikams tikrinti kvantinės chromodinamikos modelius ir geriau suprasti, kaip kvarkai susijungia ne tik į įprastus barionus ir mezonus, bet ir į egzotiškesnius hadronus“, – sakė LHCb eksperimento atstovas Vincenzo Vagnoni.

CERN taip pat akcentuoja, kad ši dalelė yra pirmasis naujas atradimas, paskelbtas po LHCb detektoriaus atnaujinimų, užbaigtų 2023 metais. Patobulintas detektorius leidžia efektyviau fiksuoti itin trumpai gyvuojančių dalelių skilimo pėdsakus, kai iš pirminio susidūrimo lieka tik netiesioginiai signalai.

Kaip tokios dalelės aptinkamos

Didysis hadronų greitintuvas yra 27 kilometrų ilgio požeminis žiedas maždaug 100 metrų gylyje po Prancūzija ir Šveicarija. Jame protonai įgreitinami iki milžiniškų energijų ir susiduriant sukuria labai trumpai egzistuojančias daleles.

Naujai aptiktos Ξcc⁺ atveju papildomą iššūkį sudaro jos trumpa gyvavimo trukmė: CERN teigia, kad ji turėtų būti apie šešis kartus trumpesnė nei panašios dalelės, apie kurią LHCb skelbė 2017 metais. Dėl to tokios dalelės atpažinimas reikalauja ypač tikslių detektorių ir didelių duomenų kiekių.

Šie rezultatai pasirodo CERN planuojant dar ambicingesnę ateities infrastruktūrą – Future Circular Collider, kuris ateityje turėtų dar labiau praplėsti energijų ribas ir leisti giliau tikrinti fundamentinės fizikos modelius.

Šaltiniai:
– https://home.cern/news/news/physics/lhcb-collaboration-discovers-new-proton-particle
– https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2026/03/17/observation-of-the-doubly-charmed-heavy-proton-%ce%becc/
– https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2017/07/06/observation-of-an-exceptionally-charming-particle/

CERN mokslininkai pirmą kartą sėkmingai pervežė antiprotonus keliu, išbandydami mobilią antimedžiagos gabenimo sistemą. Bandymo metu speciali įranga buvo pakrauta į sunkvežimį ir apvežta maždaug 10 kilometrų maršrutu CERN teritorijoje, o dalelės po kelionės liko išlaikytos spąstuose.

Antimedžiaga laikoma vienu sudėtingiausių šiuolaikinės fizikos tyrimų objektų, nes susidūrusi su įprasta medžiaga ji anihiliuoja ir akimirksniu virsta energingų dalelių pliūpsniu. Dėl to net ir nedidelis antiprotonų kiekis turi būti saugomas itin aukšto vakuumo sąlygomis, o visa sistema privalo būti apsaugota nuo vibracijų ir temperatūros svyravimų.

„Dalelės sugrįžo, taigi tai buvo sėkmė“, – sakė CERN fizikas Stefanas Ulmeris.

Kam to reikia mokslui

Matoma Visatos medžiaga ir antimedžiaga pagal šiuolaikines teorijas turėtų būti beveik identiškos, tik jų elektriniai krūviai ir kai kurios magnetinės savybės yra priešingos. Vis dėlto vienas didžiausių neatsakytų klausimų išlieka, kodėl po Didžiojo sprogimo Visatoje akivaizdžiai įsivyravo medžiaga, nors pradžioje, tikėtina, turėjo susidaryti panašūs medžiagos ir antimedžiagos kiekiai.

CERN veikianti antimedžiagos gamykla yra vienintelė vieta pasaulyje, kur antiprotonai ne tik pagaminami, bet ir sistemingai lėtinami, kaupiami bei tiriami. Tačiau darbas šalia greitintuvų infrastruktūros turi trūkumų: greitintuvo ir lėtintuvo darbo režimai sukelia elektromagnetinius ir mechaninius trikdžius, kurie riboja matavimų tikslumą.

„Tai atveria tiek daug galimybių“, – sakė CERN techninis koordinatorius Francois Butinas.

Kaip buvo gabenami antiprotonai

Per pasirengimą bandymui mokslininkai sugavo 92 antiprotonų debesį ir uždarė jį į pervežimui pritaikytus kriogeninius Penningo spąstus. Dalelės buvo atšaldytos iki 8,2 kelvino, tai yra maždaug minus 268 laipsnių Celsijaus, kad jų judėjimas sulėtėtų ir būtų lengviau stabiliai išlaikyti spąstuose.

Pati sistema, sverianti apie 850 kilogramų, buvo pakelta kranu ir atsargiai pakrauta ant platformos tipo sunkvežimio. Didžiausia rizika buvo kelionės metu, nes važiuojant atsiranda papildomų vibracijų, galinčių paveikti spąstų stabilumą ir matavimo elektroniką.

Kelionės metu Stefanas Ulmeris realiuoju laiku stebėjo signalą, pagal kurį sprendžiama, ar antiprotonai vis dar laikomi spąstuose. Po važiavimo jis patvirtino, kad dalelės išliko savo vietoje, o užfiksuoti nedideli signalo pokyčiai buvo susiję su detektoriaus rezonansinio dažnio poslinkiu keliais hercais, o ne su antiprotonų praradimu.

Kitas žingsnis: laboratorijos visoje Europoje

CERN tikslas yra neapsiriboti simboliniu bandymu teritorijoje, o ateityje antiprotonus vežti į kitas Europos laboratorijas, kur aplinka ramesnė ir tikslumo reikalaujantys matavimai gali būti atlikti geriau. Mokslininkų vertinimu, tyrimus perkėlus iš greitintuvo aplinkos į specializuotas tikslaus matavimo laboratorijas, kai kuriais atvejais būtų įmanoma pasiekti nuo 100 iki 1 000 kartų geresnį matavimų tikslumą.

Viena pirmųjų numatomų krypčių yra tiksliųjų matavimų laboratorija Diuseldorfe, į kurią kelionė keliu truktų apie aštuonias valandas. Tokiam maršrutui reikėtų užtikrinti, kad spąstų superlaidus magnetas visą laiką išliktų žemesnėje nei 8,2 kelvino temperatūroje, o atvykus antiprotonus dar tektų saugiai perkelti į kitą eksperimentinę sistemą, neleidžiant jiems anihiliuoti.

„Didžiausias iššūkis bus atvykus perkelti antiprotonus į eksperimentą taip, kad jie neišnyktų“, – sakė BASE-STEP eksperimento vadovas Christianas Smorra.

Šis bandymas laikomas svarbiu žingsniu link platesnės antimedžiagos tyrimų infrastruktūros, kai dalelės būtų ne tik gaminamos CERN, bet ir reguliariai tiekiamos kitoms mokslinėms grupėms. Tai galėtų pagreitinti fundamentinių simetrijų tyrimus ir suteikti naujų duomenų, padedančių aiškintis, kodėl Visatoje dominuoja medžiaga.

Šaltiniai:

– https://home.cern/news/press-release/experiments/base-experiment-cern-succeeds-transporting-antimatter

– https://home.cern/science/accelerators/antiproton-decelerator

– https://home.cern/science/physics/antimatter

Mokslininkai praneša aptikę anksčiau „paslėptą“ vandens kritinį tašką itin atšaldyto vandens srityje, kai skystis dar neužšąla, bet jo struktūra pradeda elgtis neįprastai. Tyrimas papildo dešimtmečius trukusias diskusijas, kodėl vanduo, artėdamas prie ledo susidarymo, demonstruoja išskirtines fizines savybes.

Vanduo paprastai užšąla ties 0 laipsnių Celsijaus, tačiau tam tikromis sąlygomis jis gali išlikti skystas gerokai žemesnėje temperatūroje. Tokia būsena vadinama peršaldytu vandeniu, o jos matavimai ypač sudėtingi, nes pakanka menkiausio trikdžio, kad prasidėtų kristalizacija ir susiformuotų ledas.

Kas yra kritinis taškas?

Kritinis taškas fizikoje žymi ribą, kurioje medžiagos būsenos pereina viena į kitą taip, kad skirtumas tarp jų išnyksta, o sistemos svyravimai tampa itin ryškūs. Ilgą laiką buvo keliama hipotezė, kad peršaldytas vanduo gali egzistuoti dviejų skirtingų skystų fazių pavidalu: didelio tankio ir mažo tankio skystis.

Naujajame darbe tarptautinė mokslininkų grupė pateikė tiesiogines užuominas, kad toks skysčio ir skysčio virsmas yra realus, o dar svarbiau, jog egzistuoja kritinis taškas, už kurio vanduo pereina į vieną, bet molekuliniu lygmeniu labai nepastovią būseną. Tai padeda sukonkretinti, kur tiksliai slypi vadinamoji matavimų „niekieno žemė“, kai vanduo yra ant ribos tarp skysčio ir ledo.

„Ypatinga tai, kad spėjome atlikti neįtikėtinai greitus rentgeno matavimus dar prieš susidarant ledui ir pamatėme, kaip išnyksta skysčio ir skysčio virsmas bei atsiranda nauja kritinė būsena“, – sakė Stokholmo universiteto mokslininkas Andersas Nilssonas.

Kaip tai pavyko užfiksuoti?

Tyrime derinti du itin greiti metodai: staigus pašildymas infraraudonųjų spindulių lazeriais ir momentinės rentgeno „nuotraukos“, leidžiančios stebėti pokyčius labai trumpais laiko tarpais. Tyrėjai modeliuotai „pervedė“ paruoštą ledą per ribinę sritį, kurioje, kaip manoma, vanduo persitvarko tarp dviejų skystų būsenų.

Remiantis gautais duomenimis, kritinis taškas gali būti apie minus 63 laipsnius Celsijaus ir maždaug 1 000 atmosferų slėgyje. Nors tiksli vieta dar nėra galutinai nustatyta, ribos susiaurintos, todėl tolesni eksperimentai galės tiksliau patikrinti, kaip kinta vandens molekulinė sandara šioje zonoje.

„Dešimtmečius buvo keliamos prielaidos ir kuriamos skirtingos teorijos, o viena jų buvo kritinio taško egzistavimas. Dabar radome, kad toks taškas iš tiesų yra“, – sakė Andersas Nilssonas.

Kodėl tai svarbu ne tik fizikai?

Nors rezultatai skamba labai fundamentalūs, jie svarbūs suprantant vandens elgesį procesuose nuo cheminių reakcijų iki biologijos ir klimato sistemų. Vanduo išsiskiria tuo, kad ledas yra mažesnio tankio nei skystas vanduo, todėl plūduriuoja, o ši anomalija lemia, kaip užšąla ežerai, kaip išsilaiko ekosistemos ir kaip šiluma pasiskirsto gamtoje.

Tyrėjai pabrėžia, kad geresnis peršaldyto vandens supratimas gali padėti tikslinti modelius, taikomus atmosferos ir debesų mikrofizikai, taip pat aiškinantis vandens būsenas ekstremaliomis sąlygomis, pavyzdžiui, kitose planetose ar jų palydovuose. Kitas žingsnis, pasak autorių, yra įvertinti, ką šis kritinis taškas reiškia platesniame fizinių, cheminių ir biologinių procesų kontekste.

„Kitas etapas yra išsiaiškinti, kokias pasekmes šie rezultatai turi vandens svarbai fiziniuose, cheminiuose, biologiniuose, geologiniuose ir su klimatu susijusiuose procesuose“, – sakė Andersas Nilssonas.

Tyrimas publikuotas žurnale Science, o Stokholmo universitetas atskirai pristatė eksperimentinius rezultatus ir jų reikšmę vandens fazių teorijoms. Mokslininkai neatmeta, kad būsimi matavimai leis dar tiksliau „pririšti“ kritinio taško koordinates ir patikrinti, kaip šis perėjimas susijęs su kitomis vandens anomalijomis.

Šaltiniai:
– https://www.su.se/english/divisions/department-of-physics/news/articles/2026-03-27-experimental-discovery-of-a-new-critical-point-in-water
– https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec0018

Fizikai pirmą kartą tiesiogiai užfiksavo reiškinį, kuris skamba provokuojančiai: šviesoje susiformuojančios „tamsos skylės“ gali judėti greičiau nei pati šviesa. Kalbama ne apie daleles ar energijos srautą, o apie vadinamąsias fazės singuliarijas, dar vadinamas optiniais sūkuriais.

Mokslininkai pabrėžia, kad tai neprieštarauja reliatyvumo teorijai, kuri teigia, jog jokie masę turintys objektai, energija ar informacija negali judėti greičiau už šviesą vakuume. Šiuo atveju „greitis“ atsiranda dėl to, kaip kinta bangos raštas ir jo geometrija, o ne dėl fizinio signalo sklidimo.

Kas yra optinis sūkurys?

Šviesa gali būti aprašoma kaip banga, o tam tikromis sąlygomis jos bangos frontas gali „susisukti“ tarsi kamščiatraukis. Tokio susisukimo centre intensyvumas išnyksta, nes banga ten tarsi pati save panaikina, ir lieka nulinio ryškumo taškas.

Būtent tas nulinio intensyvumo taškas ir vadinamas fazės singuliarija. Analogiškas vaizdinys dažnai lyginamas su sūkuriu upėje: pats sūkurys nėra atskira medžiaga, tačiau jo padėtis ir struktūra gali judėti kitaip nei vanduo aplink.

Teoriškai tokio tipo singuliarijų elgsena fizikoje aptarinėjama jau nuo 1970-ųjų: prognozuota, kad dvi priešingo „krūvio“ singuliarijos, artėdamos viena prie kitos, gali įgauti labai didelį regimąjį greitį. Tačiau tiesiogiai stebėti tai realiame eksperimente ilgą laiką trukdė itin maži laiko ir erdvės masteliai.

Kaip pavyko tai pamatyti?

Tyrėjų komanda optinių sūkurių dinamiką fiksavo ne laisvai sklindančioje šviesoje, o medžiagoje, kuri leidžia suformuoti sudėtingus interferencijos raštus. Eksperimente naudota dvimatė medžiaga heksagoninis boro nitridas, kuriame gali sklisti fononų poliaritonai, mišrios prigimties bangos, susietos su šviesa ir kristalo gardelės virpesiais.

Šios bangos juda gerokai lėčiau nei šviesa vakuume ir gali būti stipriai „suspaustos“ erdvėje, todėl jose lengviau sukurti tankų sūkurių tinklą ir sekti jo pokyčius. Vis dėlto svarbiausia buvo ne vien terpė, bet ir matavimo metodas.

Komanda pasitelkė didelės spartos elektroninę mikroskopiją ir elektronų interferometriją, kuri leido pasiekti išskirtinę erdvinę ir laikinę skyrą. Procesai buvo fiksuojami itin trumpais intervalais, siekiančiais kelias kvadrilijonines sekundės dalis, o daugybė pakartotinių paleidimų leido sukonstruoti dinaminį vaizdą iš šimtų kadrų.

„Mūsų atradimas atskleidžia universalius gamtos dėsnius, bendrus visų tipų bangoms: nuo garso ir skysčių srautų iki sudėtingų sistemų, tokių kaip superlaidininkai“, – sakė fizikas Ido Kaminer.

Tyrimo metu buvo matyti, kaip sūkuriai artėja, susiduria ir „anihiliuoja“, o jų padėties kitimas trumpam pasiekia superšviesinius, tai yra greitesnius už šviesą, regimuosius greičius. Esminė detalė ta, kad tai neperneša nei energijos, nei informacijos, todėl pagrindinė reliatyvumo riba nėra pažeidžiama.

Kodėl tai svarbu praktikoje?

Tyrėjai teigia, kad nauji metodai gali tapti įrankiu, leidžiančiu tiksliau žemėlapiuoti itin greitus ir subtilius nanoskalės reiškinius medžiagose. Tokie procesai svarbūs kuriant naujas optoelektronikos, nanofotonikos ir pažangios mikroskopijos technologijas, kuriose lemia ne vien „kas yra“, bet ir „kaip greitai bei kaip tiksliai kinta“.

Taip pat akcentuojama, kad dabar pademonstruotas stebėjimas vyko dvimatėje sistemoje, o kitas žingsnis būtų išplėsti eksperimentus į sudėtingesnes geometrijas. Didesni matmenys galėtų atverti dar įvairesnį singuliarijų elgesį ir padėti geriau suprasti banginių reiškinių „paslėptą dinamiką“ skirtingose fizikos srityse.

„Manome, kad šios naujoviškos mikroskopijos technikos leis tirti paslėptus procesus fizikoje, chemijoje ir biologijoje, pirmą kartą atskleidžiant, kaip gamta elgiasi greičiausiomis ir sunkiausiai pagaunamomis akimirkomis“, – sakė Ido Kaminer.

Darbas publikuotas žurnale Nature.

Šaltiniai:
– https://www.nature.com/articles/s41586-026-10209-z
– https://www.technion.ac.il/en/blog/article/is-darkness-faster-than-light/
– https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_vortex
– https://en.wikipedia.org/wiki/Phonon_polariton

Mokslininkai praneša apie reikšmingą proveržį saulės energijos tyrimuose: laboratoriniais bandymais pasiekta 130 proc. vadinamoji kvantinė išeiga. Tai nereiškia, kad saulės panelė elektrą gamintų 130 proc. efektyvumu, tačiau rodo, jog vienam sugertam šviesos fotonui pavyko sukurti daugiau nei vieną naudingą sužadintą būvį.

Tyrime nagrinėjama, kaip peržengti klasikinį saulės elementų ribojimą, kai dalis šviesos energijos neišvengiamai prarandama šilumos pavidalu. Būtent šie nuostoliai yra viena priežasčių, kodėl vienos sandūros saulės elementų teorinė riba dažnai siejama su maždaug 33 proc. efektyvumu, vadinamu Shockley–Queisser riba.

Pagrindinis naujo metodo principas yra singletinis skilimas, kai vieno fotono sužadinta būsena gali būti padalijama taip, kad susidaro du sužadinti būviai, vadinami eksitonais. Tokiu būdu iš vieno energijos paketo potencialiai „išspaudžiama“ daugiau naudos, o perteklinė energija mažiau prarandama kaip šiluma.

„Turime dvi pagrindines strategijas peržengti šią ribą: arba mažos energijos infraraudonuosius fotonus paversti didesnės energijos regimosios šviesos fotonais, arba, kaip šiame darbe, panaudoti singletinį skilimą, kad iš vieno fotono sukurtume du eksitonus“, – sakė chemikas Yoichi Sasaki iš Kyushu universiteto.

Tyrėjai kaip organinę medžiagą pasirinko tetraceną, kuris yra tinkamas singletinio skilimo procesui. Vis dėlto ankstesniuose bandymuose dažnai kildavo problema, kad energija „pabėgdavo“ dar nespėjus įvykti norimai dauginimo reakcijai, todėl reikėjo sprendimo, kaip greitai ir selektyviai perimti susidariusius būvius.

Šioje vietoje svarbų vaidmenį suvaidino molibdeno kompleksai. Sumaišius tetraceną su molibdeno junginiais, komanda parodė galinti efektyviau „pagauti“ po skilimo susidariusius eksitonus ir nukreipti procesą taip, kad vienam sugertam fotonui vidutiniškai tektų 1,3 sužadinto būvio, išreikšto metalų kompleksų sužadinimu.

„Energija gali būti lengvai perimta mechanizmu, vadinamu Försterio rezonansiniu energijos perdavimu, dar prieš įvykstant dauginimui, todėl mums reikėjo energijos akceptoriaus, kuris selektyviai sugauna po skilimo padaugintus tripletinius eksitonus“, – sakė Y. Sasaki.

Vis dėlto autoriai pabrėžia, kad tai ankstyvos stadijos laboratoriniai bandymai tirpale, o iki realaus pritaikymo saulės moduliuose laukia sudėtingi inžineriniai žingsniai. Reikės šią sistemą patikimai perkelti į kietąją būseną, užtikrinti stabilumą, ilgaamžiškumą ir tai, kad sukaupta energija būtų išlaikoma pakankamai ilgai, kad ją būtų galima efektyviai panaudoti.

Tokie tyrimai svarbūs platesniame kontekste, nes saulės energetika laikoma viena pagrindinių technologijų mažinant priklausomybę nuo iškastinio kuro. Jei pavyktų praktiškai padidinti saulės elementų našumą virš šiandien įprastų ribų, tai galėtų paspartinti pigesnės elektros gamybą ir sumažinti reikiamą panelių plotą tam pačiam energijos kiekiui išgauti, ypač derinant su pažangesnėmis energijos kaupimo technologijomis.

Ką reiškia 130 proc. kvantinė išeiga?

Kvantinė išeiga apibūdina, kiek kartų norimas įvykis įvyksta vienam sugertam fotonui. Šiuo atveju kalbama ne apie visos panelės elektros konversijos procentą, o apie fotono energijos panaudojimą kvantiniu lygiu, kai vienas sugertas fotonas gali inicijuoti daugiau nei vieną sužadinimą sistemoje.

Toks rezultatas laikomas svarbiu įrodymu, kad egzistuoja realus kelias apeiti dalį fundamentalių nuostolių, kurie riboja tradicines schemas. Tačiau rinkoje matomi pokyčiai priklausys nuo to, ar bus įmanoma sukurti pigias, stabilias ir masinei gamybai tinkamas medžiagas, kurios išlaikytų šiuos efektus kasdienėmis eksploatavimo sąlygomis.

Tyrimas publikuotas Journal of the American Chemical Society.

Šaltiniai:
– https://doi.org/10.1021/jacs.5c20500
– https://www.kyushu-u.ac.jp/en/researches/view/377
– https://en.wikipedia.org/wiki/Shockley%E2%80%93Queisser_limit
– https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_yield

Mokslininkai praneša apie svarbų pasiekimą tamsiosios materijos paieškose: Kanados SNOLAB požeminėje laboratorijoje įrengtas eksperimentas „SuperCDMS“ sėkmingai pasiekė darbinę, itin žemą temperatūrą. Tai laikoma kritiniu etapu prieš pradedant pilnavertį detektorių derinimą ir duomenų rinkimą artimiausiais mėnesiais.

„SuperCDMS“ įrengtas giliai po žeme netoli Sadberio, kad būtų maksimaliai sumažintas kosminių spindulių ir natūralios aplinkos radiacijos triukšmas. Tokie foniniai signalai gali užgožti ypač silpnus reiškinius, kurių ieškoma bandant aptikti tamsiosios materijos daleles.

Tamsioji materija yra viena didžiausių šiuolaikinės kosmologijos mįslių: pagal stebėjimus ji turėtų sudaryti apie 85 proc. visos Visatos materijos, tačiau tiesioginių jos aptikimo įrodymų iki šiol nėra. Idėja apie nematomą masę sustiprėjo dar praėjusio amžiaus antroje pusėje, kai galaktikų sukimosi greičiai parodė, kad matomos medžiagos gravitacijos nepakanka paaiškinti jų dinamikai.

Temperatūra, atverianti naują jautrumą

Esminis žingsnis šiam eksperimentui buvo pasiekti vadinamąją bazinę temperatūrą, kuri yra tūkstantosios laipsnio dalies virš absoliutaus nulio. Tokiose sąlygose detektorių viduje sumažėja šiluminiai virpesiai, todėl tampa įmanoma registruoti itin mažus energijos impulsus, potencialiai kylančius nuo retų dalelių sąveikų.

„Bazinių temperatūrų pasiekimas yra didžiulis etapas daugiametėje kampanijoje kuriant mažo fono infrastruktūrą, kurioje veiks mūsų jautrūs kriogeniniai kietojo kūno detektoriai“, – sakė „SuperCDMS“ atstovė spaudai, Minesotos universiteto profesorė Priscilla Cushman.

„Tokiose žemose temperatūrose mūsų įdiegti detektoriai gali ištirti visiškai naują parametrų sritį, kur gali slėptis lengviausios tamsiosios materijos dalelės“, – sakė P. Cushman.

Kaip veikia „SuperCDMS“?

Eksperimento šerdis yra jautrūs detektoriai, įrengti masyviame, kelių metrų dydžio cilindriniame skyde iš itin grynų medžiagų sluoksnių. Šis skydas skirtas apsaugoti nuo neutronų, gama spinduliuotės ir kitų dalelių, kurios gali sukurti klaidingus signalus.

Pasiekus reikiamą temperatūrą, komanda pereina prie kelių mėnesių truksiančio detektorių paleidimo ir kalibravimo. Šiame etape bus tikrinami kanalai, optimizuojami nustatymai ir vertinama, ar sistema stabiliai veikia itin mažo triukšmo režimu.

Kur link juda tamsiosios materijos paieškos

Pastaraisiais metais didelė dalis eksperimentų, ieškančių vadinamųjų WIMP tipo dalelių, nepateikė patvirtinančių rezultatų, todėl mokslininkai vis aktyviau plečia paieškas į mažesnių masių sritį. „SuperCDMS“ yra projektuojamas būtent taip, kad būtų ypač jautrus silpnesniems, lengvesniems kandidatams, kurių signalai anksčiau galėjo būti tiesiog per menki aptikimui.

Svarbi dalis bus ir duomenų analizė: Minesotos universiteto tyrėjai prisidėjo kurdami DI paremtus metodus bei analizės technikas, kurios vėliau padės greičiau atskirti galimus retus signalus nuo foninių reiškinių. Be tamsiosios materijos, tokio lygio jautrumas gali praversti tiriant retus izotopus ir naujus dalelių sąveikos scenarijus, kai energijos pokyčiai yra itin maži.

Nors tai dar nėra tamsiosios materijos aptikimas, bazinės temperatūros pasiekimas reiškia, kad vienas technologiškai sudėtingiausių etapų įveiktas. Artimiausias išbandymas bus stabilus darbas realiomis sąlygomis ir tai, ar itin mažo fono aplinka leis užfiksuoti reiškinius, kurių mokslas laukia dešimtmečius.

Šaltiniai:

– https://cse.umn.edu/college/news/experiment-reaches-critical-temperature-unlock-search-dark-matter

– https://supercdms.slac.stanford.edu/

– https://www.snolab.ca/

– https://science.nasa.gov/universe/dark-matter-dark-energy/dark-matter/

Fizikai ir inžinieriai praneša aptikę reiškinį, kuris keičia įprastą supratimą apie skysčius: tam tikromis sąlygomis jie gali ne tik tekėti ir temptis, bet ir staiga lūžti tarsi kietos medžiagos. Tyrėjai nustatė aiškų lūžio tašką, kai skystis, veikiamas pakankamai didelės įtempio koncentracijos, staiga „perskyla“.

Atradimą atliko Drexel University mokslininkai, dirbę kartu su „ExxonMobil“ tyrėjais. Bandymuose buvo tiriama, kaip klampūs skysčiai elgiasi esant didelėms apkrovoms, o rezultatas iš pradžių atrodė kaip įrangos gedimas, nes lūžį lydėjo ryškus spragtelėjimas.

„Lūžis sukėlė labai garsų spragtelėjimą, kuris mane net išgąsdino“, – sakė Drexel University chemijos inžinierė Thamires Lima.

Kas buvo išbandyta laboratorijoje

Eksperimente skystis buvo įspraudžiamas tarp dviejų metalinių plokštelių ir tempiamas, o procesas filmuojamas didelio greičio kamera. Pirmasis lūžis užfiksuotas klampiame, degutą primenančiame angliavandenilių mišinyje, vėliau analogiškas elgesys pastebėtas ir kitoje medžiagoje, vadinamoje stireno oligomeru.

Tyrėjai pabrėžia, kad reiškinį patikrino pakartotiniais bandymais. Įdomu tai, kad lūžis pasireiškė pasiekus vadinamąjį kritinį įtempį, o ne vien dėl tempimo greičio: klampesni skysčiai gali skilti ir tempiami lėčiau, tačiau pati kritinė riba, panašu, išlieka panaši.

„Tai, ką stebėjome, buvo taip netikėta, kad patvirtinus reiškinį tyrimas virto visiškai kitu moksliniu darbu“, – sakė Drexel University chemijos inžinierius Nicolas Alvarez.

Kodėl tai svarbu pramonei ir medicinai

Skysčių lūžio mechanika gali turėti praktinių pasekmių technologijoms, kuriose skysčiai patiria didelius vietinius įtempius, pavyzdžiui, rašalinių spausdintuvų galvutėse, pluošto formavime ar pažangioje 3D spausdinimo įrangoje. Tokiose sistemose svarbu tiksliai prognozuoti, kada medžiaga išlaikys vientisumą, o kada staiga praras struktūrą.

Mokslininkai taip pat atkreipia dėmesį į biologines sistemas: kraujas, gleivės ir kiti kūno skysčiai dažnai yra klampūs ir sudėtingos sudėties, todėl vietinės įtempių koncentracijos gali turėti įtakos mikrocirkuliacijai ar medicinos prietaisų veikimui. Nors dabar stebėtas efektas buvo fiksuotas laboratorinėmis sąlygomis, jo principai gali padėti geriau suprasti, kaip skysčiai elgiasi ekstremaliose situacijose.

Kas gali vykti skysčio viduje

Tyrėjų duomenimis, įtrūkiai plito itin greitai, maždaug 500–1 500 metrų per sekundę greičiu. Toks greitis siejamas su kavitacija, kai dėl didelio įtempio skystyje susiformuoja labai maža vakuumo pūslelė, galinti tapti lūžio pradžia ir „praplėšti“ skystį.

Mokslininkai pabrėžia, kad ankstesniuose darbuose skysčių „trūkinėjimas“ buvo siejamas su specifinėmis būsenomis, pavyzdžiui, stipriu atšaldymu ar ypatingais mišiniais. Šį kartą naujumas tas, kad kalbama apie paprastus, tekėti galinčius skysčius ir apie aiškiai apibrėžiamą kritinę ribą, pasiekiamą vien dėl pakankamai didelio įtempio plote.

„Mūsų rezultatai rodo, kad pakankamai didele jėga, tenkančia ploto vienetui, tempiamas paprastas skystis pasiekia kritinį įtempį ir tada iš tiesų lūžta kaip kietas kūnas“, – sakė T. Lima.

Tyrėjai priduria, kad kitas žingsnis bus tiksliau paaiškinti, kodėl taip nutinka, ir patikrinti, kaip šis elgesys pasireiškia kituose skysčiuose bei realiomis, ne laboratorinėmis sąlygomis. Jei reiškinys būtų plačiai pritaikomas, jis galėtų pakeisti kai kurių procesų modeliavimą ir saugos ribas pramonėje, kur klampūs skysčiai patiria dideles apkrovas.

Rezultatai paskelbti mokslo žurnale Physical Review Letters.

Šaltiniai:

– https://drexel.edu/news/archive/2026/March/liquid-breaking-point

– https://doi.org/10.1103/t2vy-32wr

Nauji teoriniai skaičiavimai kelia provokuojančią hipotezę: tamsioji materija, kuri, kaip manoma, sudaro apie 85 proc. visos Visatos materijos, galėtų būti ne dalelės, o senoviniai juodųjų skylių likučiai, atsiradę dar iki Didžiojo sprogimo. Toks scenarijus reikštų, kad Didysis sprogimas galėjo būti ne absoliuti pradžia, o perėjimas iš ankstesnės kosminės fazės.

Tamsioji materija tiesiogiai nespinduliuoja ir nesugeria šviesos, tačiau jos buvimas matomas iš gravitacinio poveikio galaktikų sukimui, spiečių dinamikai ir didelio masto Visatos struktūrai. Standartiniame modelyje dažniausiai svarstoma, kad tai dar neatrasta elementari dalelė, bet iki šiol tiesioginiuose paieškos eksperimentuose jos aptikti nepavyko.

Atšokimo Visata vietoj pradžios

Siūloma alternatyva remiasi vadinamąja atšokimo kosmologija. Joje Visata prieš dabartinį plėtimosi etapą galėjo trauktis, pasiekdama labai didelį, bet baigtinį tankį, o tada ne „subyrėti“ į singuliarumą, bet pereiti į plėtimąsi per kvantinės fizikos nulemtą perėjimą.

Didžiojo sprogimo modelis išlieka itin sėkmingas aiškinant kosminį mikrobangų foną ir galaktikų pasiskirstymą, tačiau bendrojo reliatyvumo teorijoje pati pradžia dažnai siejama su singuliarumu. Dalis fizikų singuliarumą laiko ženklu, kad ankstyviausiose stadijose trūksta pilnos teorijos, kuri suderintų gravitaciją ir kvantinę mechaniką.

Kaip galėjo išlikti senoviniai objektai

Atšokimo scenarijuje esminė mintis ta, kad dalis struktūrų galėtų „pereiti“ per perėjimą tarp traukimosi ir plėtimosi. Tyrime teigiama, kad pakankamai dideli dariniai galėjo išlikti, o tarp jų kandidatai būtų juodosios skylės, gravitacinės bangos ir tankio netolygumai.

Modeliuose pabrėžiama kvantinės fizikos idėja, jog ekstremaliuose tankiuose materija gali sukurti slėgį, priešinantįsi tolesniam suspaudimui. Panašūs principai astrofizikoje siejami su degeneraciniu slėgiu, kuris, pavyzdžiui, stabilizuoja baltąsias nykštukes ir neutronines žvaigždes, nors kosmologiniame kontekste tai taikoma gerokai abstrakčiau.

Reliktinės juodosios skylės šiame paveiksle atsirastų dviem keliais: dalis kompaktiškų objektų galėtų tiesiog išgyventi traukimosi fazę, o dalis galėtų susiformuoti netrukus po atšokimo, kai anksčiau susitelkusi materija efektyviai subyrėtų į juodąsias skyles. Tokie objektai būtų „tamsūs“, bet turėtų masę, todėl iš principo atitiktų tamsiosios materijos požymius.

Ryšys su James Webb atradimais

Hipotezė siejama ir su vienu ryškiausių pastarųjų metų astronomijos galvosūkių. James Webb kosminis teleskopas ankstyvojoje Visatoje užfiksavo kompaktiškų, neįprastai raudonų ir ryškių objektų populiaciją, kuri dėl savo savybių kai kuriuose darbuose vadinama mažais raudonais taškais.

Dalis tyrėjų šiuos šaltinius sieja su sparčiai augančiomis juodosiomis skylėmis, galėjusiomis tapti supermasyvių juodųjų skylių, šiandien randamų galaktikų centruose, užuomazgomis. Problema ta, kad standartiniams scenarijams kartais sunku paaiškinti, kaip tokie masyvūs „sėklų“ objektai galėjo susiformuoti taip anksti.

Reliktinių juodųjų skylių idėja siūlo paprastą kryptį: jei masyvios užuomazgos egzistavo iš karto po atšokimo, ankstyvajai Visatai nereikėtų „pradėti nuo nulio“. Vis dėlto tai dar nėra įrodymas, o tik viena iš galimų interpretacijų, kuriai būtini testai su stebėjimais.

Tyrėjai pabrėžia, kad tokią kosmologinę schemą privaloma tikrinti nepriklausomais duomenimis: kosminio mikrobangų fono matavimais, didelio masto galaktikų žemėlapiais, gravitacinių bangų fono paieškomis ir astrofiziniais apribojimais, kiek juodųjų skylių apskritai galėtų sudaryti tamsiąją materiją. Kol kas tai išlieka teorinis pasiūlymas, bet jis primena, kad tamsiosios materijos mįslė vis dar atvira ir gali pareikalauti netikėtų atsakymų.

Šaltiniai:
https://theconversation.com/could-dark-matter-be-made-of-black-holes-from-a-different-universe-278469
https://science.nasa.gov/mission/webb/
https://science.nasa.gov/universe/dark-matter/
https://esawebb.org/

Mokslininkai pademonstravo, kad infraraudonąją šviesą galima patikimai sulaikyti itin ploname, vos 42 nanometrų storio sluoksnyje. Tai maždaug 2 000 kartų ploniau nei žmogaus plaukas, todėl pasiekimas laikomas reikšmingu žingsniu kuriant vis mažesnius ir tikslesnius fotoninius įrenginius.

Tyrimą atliko Varšuvos universiteto komanda, o rezultatai publikuoti mokslo žurnale ACS Nano. Darbas svarbus ne vien dėl rekordinio mastelio: infraraudonosios šviesos bangos ilgis yra didesnis nei regimosios, tad ją suvaldyti mažose struktūrose paprastai gerokai sunkiau.

Kas leido sulaikyti šviesą

Pagrindinis sprendimas buvo medžiaga ir jos mikrostruktūra. Tyrėjai sukūrė itin ploną molibdeno diselenido sluoksnį, pasižymintį dideliu lūžio rodikliu, kuris leidžia efektyviai „lenkti“ ir lėtinti šviesą, taip sudarant sąlygas ją lokalizuoti.

Plonas sluoksnis buvo pagamintas molekulinių pluoštų epitaksijos metodu, kuris leidžia auginti labai tikslius atominius sluoksnius. Ant šios plėvelės suformuotos mikroskopinės juostelės, o tarpai parinkti taip, kad būtų mažesni už infraraudonosios šviesos bangos ilgį, todėl šviesos laukas gali būti sutelkiamas ypač mažoje erdvėje.

Bound state in the continuum efektas

Dar vienas esminis elementas buvo vadinamoji surištoji būsena kontinuume, kai banga lieka „užrakinta“ struktūroje, nors energetiškai egzistuoja sąlygos jai išspinduliuoti į aplinką. Tokį režimą pasiekti galima tik labai tiksliai suprojektavus geometriją, todėl prieš gamybą buvo atliktas detalus modeliavimas.

„Rezultatai atveria kelią plokštiems, itin kompaktiškiems sprendimams, skirtiems lazeriams, bangos fronto valdymui ir sudėtingesnėms topologinėms šviesos būsenoms“, – rašė tyrėjai.

Kodėl tai svarbu technologijoms

Tokie sprendimai laikomi svarbiais fotonikai, kur informacija apdorojama ne elektronais, o fotonais. Teoriškai tai galėtų padėti mažinti šilumos nuostolius ir didinti duomenų apdorojimo spartą, tačiau praktikoje vis dar trūksta patikimų būdų šviesą stabiliai valdyti mikroskopiniu masteliu.

Tyrėjai pabrėžia, kad iki masinės gamybos dar yra kliūčių. Plėvelių auginimo procesas nebuvo idealus, todėl paviršiaus netolygumai buvo šalinami papildomu apdorojimu, tačiau pati metodika rodo, kad panašius fotoninius elementus galima kurti ir iš kitų itin plonų medžiagų.

Molibdeno diselenidas priklauso pereinamųjų metalų dichalkogenidų šeimai, kuri laikoma perspektyvia naujos kartos plonųjų sluoksnių fotonikai ir optoelektronikai. Jei bus patobulinta jų gamyba ir struktūrų formavimas, tai galėtų paspartinti metasluoksnių, ultrakompaktiškų jutiklių ir naujų šviesos valdymo elementų kūrimą.

Šaltiniai:

– https://doi.org/10.1021/acsnano.5c12870

– https://www.nature.com/articles/natrevmats201648

– https://doi.org/10.1038/natrevmats.2017.33