عدم قطعیت در مقیاس بزرگ

آزمایشِ در مقیاس بزرگِ اصلِ هایزنبرگ٬ می‌تواند وسیله ای برای شکارِ امواج گرانشی باشد.

اصل عدم‌قطعیت هایزنبرگ٬ انگاره‌ای از مکانیک کوانتومی٬ در مقیاسی که با چشم غیرمسلح قابل مشاهده است٬ نشان داده شده است. این تحقیق که در مجله‌ی ساینس و در ۱۵ فوریه توصیف شده٬ به دانشمندان برای آشکارسازی اختلالاتِ خُرد در تاروپودِ فضا که با ادغام سیاه‌چاله‌ها حادث می‌شود٬ کمک می‌کند.
به گفته‌ی کیت شواب (Keith Schwab)٬ فیزیک‌دانی از کل‌تک٬ کسی که در این تحقیق دخیل نبوده است: «اصل عدم‌قطعیت به روشهای مختلفی نشان داده شده است، اما دیدن آن در یک شی مکانیکیِ قابل مشاهده٬ مایه‌ی هیبت است.» وی می‌افزاید: در کنار کاربردهای اخترفیزیکی٬ این مطالعه می‌تواند به روش‌های کابردی جهتِ فرستادن و پردازشِ اطلاعات در رایانه‌های کوانتومی منجر گردد.
اصل عدم قطعیتِ مشهورِ سال ۱۹۲۷ فیزیک‌دان آلمانی٬ ورنر هایزنبرگ٬ بیان می‌کند که یک حد بنیادین برای میزان دقتِ اندازه‌گیریِ مکان و تکانه ی خطیِ یک شی در زمان یکسان وجود دارد. هایزنبرگ برای نشان دادن نظریه‌اش٬ مثالی را با استفاده از میکروسکوپی برای مکان‌یابی یک تک الکترون ارائه داد. برای انجام چنان آزمایشی نیاز است تا نور، الکترون مورد نظر را مورد اصابت قرار دهد. وی پیشنهاد داد که مشکل از این‌جا ناشی می‌شود که حتی اگر تک فوتونی از نور به الکترون لگدی بزند٬ تکانه‌خطی و در نتیجه مکان آن را تغییر می‌دهد.
این رابطه بین مکان و تکانه‌ی خطی معمولاً نقش قابل اغماضی را در اشیای به حد کافی بزرگ که با چشم غیر مسلح قابل دیدن هستند بازی می‌کند- اثرات دیگر همچون برخوردِ حرارتی، تکانه‌ی خطی بسیار بیشتری را نسبت به تکانه‌ای که نور در اندازه‌گیری آن‌ها وارد می‌کند٬ اعمال می‌کند. بااین‌حال٬ فیزیک‌دان توماس پوردی (Thomas Purdy) و تیمش در JILA در بولدرِ کولو می‌خواهند تا اصل عدم‌قطعیت را در مقیاس ماکرو نشان دهند. بنابراین آن‌ها شروع به اندازه‌گیریِ مکان شی قابل مشاهده‌ای٬ متشکل از یک میلیون میلیارد اتم٬ با استفاده از گلوله‌ی لیزریِ شامل ۱۰۰ میلیون فوتون کردند.
تیم پوردی طبل کوچکی را با استفاده از یک چارچوب سیلیکونی، با پهنای در حدود 5/0 میلی‌متر که سرتاسر آن را با پوسته ی  نیتریدِ سیلیکون انعطاف‌پذیر کشیده اند، کار خود را شروع کرده اند. برای حذف اثرات گرما٬ محققان این طبل را تا دمای ۴ درجه بالای صفر مطلق خنک کرده‌اند. پس از آن، آینه‌های کوچکی را به هر طرف آن طبل اضافه کردند، لیزر را روشن نموده و اجازه دادند تا نور بین دو آینه رفت‌و‌برگشت داشته باشد.
چنان‌چه نور رفت‌و‌برگشت کند٬ بیشترِ فوتون‌ها به طبل برخورد کرده و تکانه‌ی خطی٬ قبل از آن‌که سرانجام به آشکارسازی که مکان طبل را محاسبه می‌کند داخل شود٬ منتقل می‌شود. بر طبق نظریه‌ی هایزنبرگ٬ این طبل در مرتبه‌ی پیکومتر یا تریلینوم یک متر٬ که ناشی از لگدهای کوچک از طرفِ فوتون‌هاست٬ ارتعاش می‌کند.
هر چند ممکن است دوبرابر ارزش پیکومترهای عدم‌قطعیت در متن یک شی به اندازه‌ی هشت برابر بزرگتر از آن هم به نظر نیآید، اما برای دانشمندانی که به اندازه‌گیری‌های فوق‌العاده دقیق نیاز دارند بسیار اهمیت دارد.
در پروژه‌ای در لوئیزیانا و واشنگتن که رصدخانه‌ی تداخل‌سنج لیزریِ امواج گرانشی (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) و یا LIGO نامیده شده است، فیزیک‌دانان از اسباب یکسانی که در آزمایش پوردی از آن استفاده شده، اما بسیار بزرگتر از آن، برای به دام‌اندازی امواج گرانشیِ - ریزموج هایی در تاروپود فضا که توسط ادغام سیاه چاله ها و دیگرِ پدیده‌های پرجرمِ نجومی بوجود می آیند- بهره برده اند. هر دستگاه LIGO شامل لیزری است که به دو پرتوی عمود بر هم شکافته می شود. نوری که در پرتو وجود دارد بین دو آینه ای که به فاصله ی 4 کیلومتر از هم قرار دارند حرکت رفت و برگشتی انجام می‌دهد. همان‌طور که تیم پوردی از یک لیزر برای تعیین مکان آن طبل استفاده کردند، فیزیک‌دانان LIGO از پرتوهایشان برای اندازه‌گیری مکان هر آینه استفاده می‌کنند و فاصله‌ی بین آینه‌ها را اندازه می‌گیرند.
بر اساس نظریه‌ی نسبیت عام انتشتین، یک موجِ گرانشی گذرنده، بایستی باعث تغییر فاصله‌ی بین آینه‌ها به شکل بسیار جزیی- از مرتبه ی یک میلیاردم یک میلیاردم یک متر و برای کوتاهترین زمان ها- ممکن گردد.
زمانی که پروژه‌ی LIGO در سال 2002 شروع به کار کرد، دقت آزمایش به لحاظ تکنیکی محدودیت داشت. اما اکنون مهندسان، چنان اسبابِ دقیقی را توسعه داده‌اند که بزودی قادر به جداسازی افت و خیزهای فاصله‌ای امواج گرانشی واقعی از آن هایی خواهد بود که از لگدهای لیزر ناشی می شوند.
به گفته‌ی پوردی، کاری که تیم او انجام داده‌است به ساختِ حس‌گرهای بهتری می‌انجامد که افت و خیزهای اعمالی توسط اصل هایزنبرگ را کمینه خواهد کرد: «ما می‌خواهیم محدودیت‌های آنچه را که این حس‌گرها قادر به اعمال آن هستند را جستجو کنیم»

منبع:انجمن فیزیک ایران




جست و جوی تک قطبی های مغناطیسی در سنگ های قطبی

سنگ‌های قطبی گرفته شده از جبّه‌ی زمین ممکن است بهترین کاندیدا برای جستجوی تک‌قطبی‌های مغناطیسی باشند.

نخستین جستجو برای تک‌قطبی‌های مغناطیسی در سنگ‌های آذرین قطبی گرفته‌شده از جبّه‌ی زمین (که تصور می‌شد حاوی نسبت بالاتری از مقدار تک‌قطبی‌های مغناطیسی به ماده باشند) توسط پژوهش‌گرانی در سوئیس انجام شد. این تیم نمونه‌هایی را با وزن 23.4 کیلوگرم مربوط به مناطقی از قطب شمال و قطب جنوب مورد تجزیه‌ و‌ تحلیل قرار داد. هرچند که هیچ تک‌قطبی مغناطیسی یافت نشد، ولی نسبت تک‌قطبی‌ها به نوکلئون‌های موجود در نمونه‌های مورد بررسی، با اطمینان 90٪، به یک حد بالایی به میزان 1.6 از تک‌قطبی‌ها به ازای 1028 نوکلئون محدود شد. این گروه مدعی است که مطالعه‌ی آن‌ها دارای حساسیت قابل مقایسه یا بهتر از گسترده‌ترین جستجوی شهاب‌سنگ تاکنون بوده است.

 

تک‌قطبی‌مغناطیسی پنهان شده در زیر منظره‌ی قطب جنوب

تک‌قطبی‌های مغناطیسی در سال 1931 توسط پل دیراک به عنوان روشی برای توضیح کوانتش بار الکتریکی پیش‌بینی شد. وجود آن‌ها هم‌چنین به واسطه‌ی برخی از نظریه‌های اتحاد بزرگ (grand unification theories) پیش‌بینی شده است، اما این ذره‌ی پیش‌بینی شده تاکنون گریزان باقی مانده است.

فیلیپ مرمود (Philippe Mermod) سرپرست این گروه از دانشگاه ژنو می‌گوید: «تک‌قطبی مغناطیسی، یک شیء فرضی واقعاً جذاب است که کوانتش بار الکتریکی را توضیح می‌دهد و در نظریه‌ها جهت متحد کردن برهم‌کنش‌های اساسی ضروری است. این ما را متعجب ساخته است که چرا این ذره در طبیعت هرگز یافت نشده است. عدم حضور آن کاملاً به صورت یک راز باقی مانده است.»

ریشه‌های کیهانی

اعتقاد بر این است که تک‌قطبی‌ها ممکن است در شتاب‌دهنده‌های پرانرژی ذرات مانند برخورد‌ دهنده‌ی هادرونی بزرگ (LHC) تولید شوند. با این وجود اگر تک‌قطبی‌ها بسیار سنگین باشند، انرژی پرتو برای تولید آن‌ها در اثر برخورد ذرات ناکافی است. در این حالت تنها رخدادهای به اندازه‌ی کافی پرانرژی می‌توانند تک‌قطبی‌های مغناطیسی را تولید کنند؛ نظیر آنچه که در کیهان یا پس از انفجار بزرگ رخ داده است.

مرمود توضیح می‌دهد: «در چنین حالتی تک‌قطبی‌ها باید در اطراف ما باشند: یا به طور آزادانه در فضا حرکت کنند و یا اینکه مقید به ماده باشند. اما آزمایش‌های قبلی قادر به مشاهده‌ی هیچ تک‌قطبی در صدها کیلوگرم ماده‌ی زمینی و حتی سیارک‌ها و سنگ‌هایی از ماه نبوده است. این نشان می‌دهد که آن‌ها در صورت وجود، بسیار نادر هستند.»

مرمود و گروهش بر این باورند که راه پیدا کردن تک‌قطبی مغناطیسی ممکن است استفاده از یک شتاب‌دهنده‌ی قویتر یا تجزیه و تحلیل مواد بیشتر نباشد، بلکه می‌تواند مدل‌های جستجوی تازه باشد.

کره‌ی زمین در طول تشکیل خود به صورت مذاب بوده است و از آن زمان به تعدادی لایه با ساختار شیمیایی مجزا تفکیک شده است: پوسته، جبّه، هسته‌ی درونی و هسته‌ی بیرونی. در طول این مرحله هر تک‌قطبی که در ماده مقید شده و زمین را تشکیل داده است، به احتمال زیاد به سمت هسته‌ی زمین فرو رفته است. بنابراین انتظار می‌رود که پوسته از چنین تک‌قطبی‌های ستاره‌ای تهی شده باشد. تک قطبی‌ها قبل از تشکیل منظومه‌ی شمسی ما در غبار ستاره‌ای به دام افتاده بودند.

نگاه عمیق

با این وجود تک‌قطبی‌ها در جبّه‌ی جامد زمین از نظر جنبش محدودند و بدون توجه به قطبش و جهت میدان مغناطیسی‌شان، به آهستگی در امتداد خطی با جابجایی جبّه حرکت داده می‌شوند. در رسیدن به هسته‌ی مایع، جرم‌شان آن‌ها را به سمت مرکز زمین می‌کشاند، قبل از آنکه به واسطه‌ی بار مغناطیسی‌ خود به سمت قطب‌های زمین جذب شوند.

بنابراین مرمود و همکارانش پیش‌بینی کردند که تک‌قطبی‌ها ممکن است در طول جبّه به فاصله‌ی 3400 کیلومتر –شعاع هسته‌ی زمین‌- از محور مغناطیسی زمین توزیع شده باشند. از این رو سنگ‌های منابع قطبی گرفته شده از جبّه، کاندیداهای بالقوه‌ای برای جستجوی مواد حامل تک‌قطبی مغناطیسی هستند. نمونه‌های انتخاب شده در این مطالعه عمدتاً محدود به چنین سنگ‌هایی با عرض جغرافیایی بالا (بالاتر از 63 درجه) بودند.

این گروه تک‌قطبی‌های مغناطیسی را در میان نمونه‌ها با یافتن اثر جریان مداوم در حلقه‌ای از ماده‌ی ابررسانا جستجو می‌کرد.

کاوش سنگ‌های قطبی

مرمود می‌گوید: «سنگ‌های آتشفشانی قطبی قبل از این هرگز برای  جستجوی تک‌قطبی مورد کاوش قرار نگرفته بودند.» او در ادامه توضیح می‌دهد که محاسباتش نشان می‌دهد توازن نیروی الکترومغناطیسی/گرانشی برای گستره‌ای از اجرام و بارهای تک‌قطبی سودمند بوده است و به مگنومتری دسترسی داشته است که قادر بوده اثر تک قطبی را در نمونه‌های سنگی آشکارسازی کند. واقعاً این احتمال وجود داشت که تک‌قطبی‌های مغناطیسی به طور چشمگیری کشف شوند.

علاوه بر این، این تیم سنگ‌هایی با ترکیبات شیمیایی را مورد تجزیه‌و‌تحلیل قرار داده است که به اعماق جبّه مربوط می‌شوند.

ادامه‌ی شکار

با این وجود شکار تک‌قطبی‌های مغناطیسی در ماده در اینجا خاتمه نمی‌یابد. مرمود می‌افزاید: «آینده‌ی جستجوی تک‌قطبی‌های به دام افتاده در ماده به امکان دسترسی به تجهیزات بهتر بر مبنای فن‌آوری‌های جدید بستگی دارد و هم‌چنین به نمونه‌های عجیب و غریب مواد. به محض آنکه یک ماده‌ی جدید در دسترس قرار بگیرد برای مثال نمونه‌های بازگشته از سیارک‌ها یا ستاره‌ی دنباله‌دار، کاوش آن‌ها جهت تک‌قطبی‌های مغناطیسی مهم خواهد بود.»

این پژوهش در arXiv موجود است.

منبع:انجمن فیزیک ایران


بازنگری بازده ترمودینامیکی!

شکست تقارن وارونی‌زمان در یک ابزار ترمودینامیکی، کارآیی آن‌را از طریق غیرمنتظرانه‌ای تحت تأثیر قرار می دهد.

موتورهای ترمودینامیکی انرژی را به کار مفید تبدیل می‌کنند. در سال ۱۸۲۴ سعدی کارنو نشان داد در سامانه ساده‌ای با چرخه ترمودینامیکی برگشت‌پذیر، نسبت گرمای استفاده‌شده و هدررفته باید کمتر از نسبت دمای مطلق منابع سرد و گرم باشد. این حد کارنو در واقع بیانی از قانون دوم ترمودینامیک است.

آگاهی از بازدهی ایده‌آل موتورها و قطعات دیگر به ما کمک می‌کند تا مزایای فناوری‌های جدید را دریابیم، چراکه به خاطر چالش‌های پیش‌رو، منابع انرژی اهمیت فراوان دارند و در سطح نظری نیز به ما کمک می‌کند تا ایده‌های بنیادی همچون ارتباط بین کار یک موتور و اطلاعات به‌دست‌آمده/ازدست‌داده را بفهمیم.

کی برندنر (Kay Brandner) از دانشگاه اشتوتگارت و همکارانش، بازدهی یک قطعه گرماالکتریکی ساده را در فیزیکال ریویو لترز گزارش می‌کنند که گرما را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند (شکل زیر). آن‌ها نشان می‌دهند که وقتی قطعه در میدان مغناطیسی خارجی عمل می‌کند – این شرایط تقارن وارونی زمان حرکت الکترون‌ها را می‌شکند – بازدهی به شکل قابل‌توجهی کمتر از پیش‌بینی‌هاست. علاوه بر لزوم این‌که انتروپی باید بزرگتر یا مساوی صفر باشد، آن‌ها کران پایین بازدهی را ناشی از پایستگی بار الکتریکی می‌دانند – نکته‌ای که در مطالعات قبلی از آن غفلت شده‌ بود.


این قطعه دارای سه پایانه ساده است که در آن یک رسانا در تماس گرمایی یا الکتریکی با مخزن دما و بار است (در شکل فوق، محفظه داغ‌تر قرمز و خنک‌تر آبی است). پایانه سوم یک قطعه (در شکل به رنگ زرد) است که به طور متوسط، گرما یا ذره‌ای(باری) با رسانا مبادله نمی‌کند. برندنر و همکارانش نشان می‌دهند که اعمال میدان مغناطیسی می‌تواند موجب بهبود بازدهی قطعه گردد.

این قطعه با چرخه کانو دو تفاوت عمده دارد. اول اینکه چرخه کارنو را به شکل ماکروسکوپی برگشت‌پذیر می‌دانیم، بنابراین بسیار کند است و انتروپی تولید نمی‌کند. اما برندنر و همکارانش مفهوم برگشت‌پذیری را در مقیاس میکروسکوپی در نظر گرفتند یعنی تمام مسیرهای الکترون‌ها در این قطعه گرماالکتریکی را بررسی کردند. همچنین برخلاف چرخه کارنو، این دستگاه در حالت پایای غیرتعادلی کار می‌کند و جریان گرمایی را به جریان الکتریکی با ولتاژ متناهی تبدیل می‌نماید.

نتایج این مطالعه می‌تواند امیدبخش ساخت موتورهای گرمایی یا یخچال‌های کوچک‌مقیاس باشد. همچنین سوال مهم دیگری را پیش می‌آورد: آیا در مدل‌های انتقالی عمومی نیز با برهمکنش‌های قدرتمند ذره-ذره، حد مشابهی برای بازدهی وجود دارد؟

منبع:انجمن فیزیک ایران


مثلث های تنگستنی تابش می کنند

محققان در آمریکا برای اولین بار موفق شدند تا لایه های تک اتمی طبیعی که در تنگستن معدنی ظاهر می شوند را رشد دهند. این ورقه ها ویژگی های درخشندگیِ نوری غیرعادی از خود نشان می‌دهند و می توان از آن‌ها در قطعات اپتیکی همانند لیزرها و دیودهای گسیل‌کننده‌ی نور و همچنین برای دارو رسانی در بدن استفاده نمود.

مواد دو بعدی به شکل چشمگیری خواص مکانیکی و الکترونی متفاوتی از همتایان سه بعدی خود دارند٬ بنابراین می توان از آن‌ها در قطعات کاربردیِ کمیاب و نادر استفاده نمود. با این وجود تابحال اغلب تحقیقاتی که در این زمینه انجام یافته٬ بر روی معروف‌ترین مواد دو بعدی٬ یعنی گرافین٬ تمرکز یافته اما واقعیت این است که چون این مواد فاقدِ گاف نواری الکترونی مستقیم هستند٬ دانشمندان در حالِ حاضر به‌دنبال کار بر روی موادِ دو بعدی دیگر نیز هستند.


مثلث‌های گسیل‌کننده‌ی نور

تیمی که توسط موریسیو ترونیز (Mauricio Terrones) و وینسنت کرسپی (Vincent Crespi) از دانشگاه ایالتی Penn در آمریکا رهبری می‌شود، تک لایه های تنگستنی (WS2) را با ترکیب بلورهای کوچک اکسیدِ تنگستن که کم تر از یک نانومتر درازا دارند٬ رشد داده اند. پس از آن٬ این بلورها را از بخار سولفور در دمای بالای 850 درجه سلسیوس گذراندند. نتیجه این شد که تک لایه‌های دی سولفیدِ تنگستن در نمونه‌ی لانه‌زنبوری از مثلث‌هایی که از اتم های تنگستنی تشکیل یافته‌اند٬ آرایش یافتند و به اتم های سولفور مقید شده‌اند.
ترونیز به Physicsworlds.com مي گوید: «ما متحیر بودیم که چنان اشکالِ مثلثی‌شکل نازک به شکل اتمی و کامل را با استفاده از یک روش رسوبِ بخارِ شیمیایی می توانیم رشد دهیم.» «و همچنین این مسئله مایه‌ی شگفتیِ دوباره‌ی ماست که در این مثلث ها لبه های آن‌ها نسبت به مراکز آن‌ها٬ شدیدتر تابش می کنند - یک اثر درخشندگیِ نوری پیرامونی که هرگز انتظار آن را نداشتیم و قبلاً نیز گزارش نشده بود.»
درخشندگیِ نوری زمانی اتفاق می افتد که حاملانِ بار (الکترون‌ها و حفره‌ها) در یک ساختار٬ برای گسیل نوری با طول موج متفاوت از طول موجی که در ابتدا برای برانگیختن ماده استفاده شده، بازترکیب می‌گردند. به بیان کرسپی٬ گسیل نور معمولاً چیزٍ ظریفی است و نقص‌های ساختاری - مانند لبه‌ها- مانع گسیل نوری می شوند و تمایل دارند تا الکترون ها و حفره‌هایی را برانگیخته کنند که به آن روش هایی بازترکیب می‌شوند که باعث گسیلِ نور نمی‌شوند. به گفته ی وی: «آن‌چه ما دیدیم تنها اثری مخالفِ این موضوع بود.»«به نظر می‌آید آن نقص‌های ساختاری که نزدیک لبه‌های یک مثلث ایجاد می‌شود٬ مکانِ مورد علاقه‌ای برای گسیل نور باشد.»

گاف نواری مستقیم

سیستم‌های دو بعدی ذاتاً متفاوت از همتایان سه بعدی کپه‌ای یک نیم رسانای با گاف نواری غیر مستقیم هستند و WS2 یک استثناء به حساب نمی‌آید. در حالی‌که موادِ کپه‌ای گاف نیم‌رسانای غیرمستقیم دارند٬ مواد تک لایه‌ی مورد‌ِبحث، یک گاف نواری مستقیم را به رخ می کشند. گاف های نواری مستقیم در نیم رساناها مهم‌ به‌شمار می‌آیند٬ چون هم‌چنان که در این مورد نیز مشاهده شده، چنان گاف‌های نواری مستقیم٬ این امکان را فراهم می‌کنند تا قطعاتی از این مواد ساخته شود که به شکلی کارآمد موجبِ گسیلِ نور  می‌شوند.
بر اساس کاری که تیم ایالتیِ Penn انجام داده‌اند، مثلث های WS2 قادرند تا کابردهایی را در اپتوالکترونیک بیابند. ترونیز می افزاید: «آن‌ها می‌توانند حتی بعنوانِ نشان‌گرهای زیستی و یا برای دارورسانی سودمند باشند. اما قبل از آن که بتوانیم با چنان قطعیتی صحبت کنیم٬ تحقیقات بسیار زیادی نیاز است انجام شود.» «آن‌ها هم‌چنین می‌توانند در تولیدِ جدیدی از قطعات اپتوالکترونیکی مسطحِ دو بعدی٬ همانند دیودهای گسیل نوری - که در آن‌ها انتشار نور در لایه های نازکِ مواد را کنترل می کنیم- و حتی در فناوری لیزری مفید واقع شوند.
هم‌اکنون محققان در حال طرح‌ریزی بر روی رشدِ دیگرِ موادِ دوبعدی که ویژگی‌های الکترونی و اپتیکی متفاوت دارند٬ هستند. به گفته‌ی کرسپی بعضی از مثال‌های آن را می‌توان در خط‌ لوله‌ی شامل WSe2 ٬ NbS2 و MoSe2  یافت. «ما همچنین به درک و فهمِ بهتر و کنترلِ نور گسیل‌شده از مواد دوبعدی در حالتِ عمومی علاقه‌مندیم و سعی داریم چنان مثلث‌هایی را در داخل قطعاتِ چندمولفه‌ای جاسازی کنیم.»


این کار در Nano Letters تشریح شده است.


درباره‌ی نویسنده:
Belle Dumé کمک‌ویراستارِ nanotechweb.org است.
 
منبع:انجمن فیزیک ایران



سلول خورشیدی بی سیم

 سلول خورشیدی جدیدی که در آن به جای سیم‌های فلزی از خاصیت فلزی ایجاد شده در سطح مشترک دو لایه‌ی اکسیدی استفاده می‌شود، توسط پژوهش‌گران ارائه شده است.

نوع جدیدی از سلول خورشیدی که به ویژگی‌ شگفت انگیزی از عایق‌های خاصی متکی است، توسط فیزیکدانانی در اتریش، ایالات متحده و آلمان ارائه شده است. این طرح متکی به کشف یک دهه‌ی پیش است که فصل مشترک بین دو اکسید عایق می‌تواند باعث ایجاد خاصیت فلزی شود و این باعث حذف نیاز به سیم در سلول‌های خورشیدی خواهد شد. اگر هزینه‌ی تولید ساختارهای لایه‌ای اکسیدها بتواند کاهش داده شود، این پژوهش می‌تواند منجر به نوع جدیدی از سلول‌های فوتوولتائیک (photovoltaic cell) بسیار کارامد شود.



ساختار چندلایه‌ای لانتانیوم وانادات و استرانسیوم تیتانات

در سال 2004 هارولد هوانگ (Harold Hwang) و آکیرا اوتومو (Akira Ohtomo) کشف قابل‌توجهی کردند. زمانی که یک لایه لانتانیوم تیتانات (lanthanum titanate) عایق روی استرانسیوم تیتانات (strontium titanate) عایق رشد داده شد، یک گاز الکترونی دو بعدی در فصل مشترک آن‌ها تشکیل شد که باعث شد خاصیت فلزی پیدا کند. این پدیده به واسطه‌ی تجمع بار در لبه‌ی اکسید قطبی هنگام برخورد با اکسید غیرقطبی ایجاد می‌شود. از آن زمان به بعد، این پدیده در سایر سطوح اکسیدی مشاهده شده است و توسط گروه‌های پژوهشی متعددی که در تلاش برای توسعه‌ی دستگاه‌های الکترونیکی جدید و بهبودیافته هستند، مورد بررسی قرار گرفته است.

سطوح فصل مشترک رسانا

اکنون تیم مستقلی از پژوهش‌گران از دانشگاه صنعتی وینا، آزمایشگاه ملی اواک ریج (Oak Ridge National Laboratory) و دانشگاه وورتسبورگ (University of Würzburg) محاسباتی را انجام داده‌اند که نشان می‌دهد این اثر می‌تواند برای تولید نوع جدیدی از سلول خورشیدی مورد استفاده قرار گیرد که در آن جریان تولید شده از طریق سطوح رسانا به جای استفاده از سیم‌های فلزی استخراج می‌شود.

در سلول‌های خورشیدی متکی بر اثر فوتوالکتریک، فوتونی که به الکترونی در نوار ظرفیت ماده برخورد کرده، در انتقال آن به نوار هدایت کمک می‌کند و حفره‌ای با بار مثبت را باقی می‌گذارد. این الکترون‌ها و حفره‌ها باید بدون بازترکیب یا اتلاف انرژی‌شان در قالب ارتعاشات شبکه‌ای، از ماده‌ی فوتوولتائیک حذف شوند.

اکسیدهای قطبی مانند لانتانیوم تیتانات شامل یک میدان الکتریکی داخلی و  صفحه‌های باردار مثبت و منفی از اتم‌ها هستند. ساتوشی اوکاموتو (Satoshi Okamoto) و همکارانش استدلال کردند که این قطبیدگی به جداسازی الکترون‌ها و حفره‌ها قبل از آنکه بازترکیب شوند، کمک می‌کند. اگر چنین اکسید قطبی با اکسید غیرقطبی مناسبی جفت شود، فصل مشترک‌ها خاصیت فلزی پیدا خواهند کرد. در نتیجه الکترون‌ها و حفره‌ها می‌توانند از هر طرف دستگاه بدون پوشش سطح با سیم استخراج شوند و این بخشی از نور را از رسیدن به ناحیه‌ی فعال سلول باز می‌دارد.

به حداکثر رساندن جذب

این پژوهش‌گران در ابتدا نیاز به اکسید قطبی‌ای داشتند که بتواند تا آن‌جا که ممکن است، انرژی خورشیدی را جذب کند. گاف نواری ماده اختلاف انرژی بین نوار ظرفیت و نوار رسانش است. فوتون‌ها با انرژی کمتر از گاف نواری نمی‌توانند جفت‌های الکترون-حفره را ایجاد کنند، در حالی که فوتون‌های با انرژی بیشتر از گاف نواری این جفت‌ها را به وجود خواهند آورد. هرچند در مورد دوم، اضافی انرژی به صورت گرما از دست می‌رود. در نتیجه، مقدار گاف نواری باید به اندازه‌ی کافی کم باشد تا تعداد زیادی از فوتون‌های خورشیدی را جذب کند و از طرفی به اندازه‌ی کافی بزرگ باشد تا حداکثر انرژی را از فوتون‌های جذب شده استخراج کنند.

این پژوهش‌گران تصمیم گرفتند از لانتانیوم وانادات (lanthanum vanadate) استفاده کنند که دارای گاف نواری 1.1 eV (نور مرئی در محدوده‌ی گستره‌ی انرژی   1.5 - 3.5 eVقرار دارد) است.  آن‌ها از نظریه‌ی تابعی چگالی (density functional theory) جهت مدل‌سازی رفتار سلول خورشیدی ساخته شده از لایه‌ای از لانتانیوم وانادات رشد یافته روی زیرلایه‌ی استرانسیوم تیتانات استفاده کردند. در حالی که آن‌ها قادر به پیش‌بینی دقیق بازده‌ی دستگاه بر مبنای نتایج خود نبودند، نشان می‌دهند که مزیت‌های ذاتی در طراحی دستگاه سزاوار بررسی بیشتر است.

گیراندازی فوتون‌های با انرژی بالاتر

این پژوهش‌گران هم‌چنین نشان می‌دهند که بازده‌ی این سلول خورشیدی می‌تواند با ترکیب لایه‌ای از لانتانیوم فرات (lanthanum ferrate) در بالای لانتانیوم وانادات افزایش یابد. لانتانیوم فرات گاف نواری به میزان 2.2 eV دارد، بنابراین فوتون‌های با انرژی بالاتر می‌توانند در این لایه گیراندازی شوند. فوتون‌های با انرژی پایین‌تر باقی مانده، توسط لانتانیوم وانادات گیراندازی می‌شوند. این پروژه جهت تولید نمونه‌ی آزمایشی سلول خورشیدی در دانشگاه وورتسبورگ در حال انجام است.

خوش‌بینانه اما با احتیاط

اوکاموتو خوش‌بین است که این سلول‌های خورشیدی به اندازه‌ی کافی کارامد باشند تا از لحاظ اقتصادی ماندگار بمانند. او می‌گوید: « آن‌ها می‌توانند با انواع دیگر سلول خورشیدی رقابت کنند، اما این نیاز به زمانی طولانی دارد. در حال حاضر تنها امکانات محدودی برای رشد ساختارهای ناهمگن با استفاده از روش‌های رشد لایه نازکِ بسیار پیشرفته وجود دارد. امیدوارم زمانی که بهترین روش برای رشد این سلول‌های خورشیدی پیدا شود، هزینه ساخت آن کاهش یابد.»

نیل گرین‌هام (Neil Greenham) که روی سلول‌های خورشیدی جدید در دانشگاه کمبریج کار می‌کند، درباره‌ی این پژوهش که در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است، می‌گوید: «مقاله‌ی تئوری جالبی است.» اما او تاکید می‌کند ارزیابی اینکه این سلول‌های خورشیدی مزیت کاربردی در مقایسه با سلول‌های کنونی دارند تا زمانی که نمونه‌ی آزمایشگاهی آن تولید نشود، غیرممکن خواهد بود. هم‌چنین او سوالی می‌پرسد که مدعی است به آسانی آمیختن دو لایه‌ی رونشانی شده می‌تواند اجازه دهد جفت‌های الکترون-حفره با دو انرژی متفاوت جمع آوری شوند. این نشان می‌دهد جز در حالتی که جفت‌های الکترون-حفره به طور جداگانه استخراج شوند، هر انرژی اضافی که توسط الکترون موجود در لانتانیوم فرات گیراندازی شود، هنگامی که از میان لانتانیوم وانادات عبور می‌کند به شبکه داده خواهد شد. اوکاموتو پاسخ می‌دهد که الکترون‌ها و حفره‌های تولید شده مبتنی بر فوتون باید از لایه‌ی نازکی از لانتانیوم وانادات طی چندین فمتوثانیه عبور کنند، که این زمان کمتر از آن است که بتوانند انرژی خود را در شبکه از دست بدهند.

منبع:انجمن فیزیک ایران


زنبور ها میدان مغنازیسی میان گل ها را بو می کشند

میدان‌ الکتریکی اطراف یک گل، می‌تواند مانند رنگ و رایحه‌ی آن به عنوان سرنخی برای تصمیم‌گیریِ زنبورها محسوب شود.

میدان‌های الکتریکی کوچکی که در اطراف گل‌ها تشکیل می‌شود، ممکن است حشرات گرده‌افشان را بسیار بیشتر از رنگ و رایحه‌ی گیاهی جذب کند.

دنیل رابرت، زیست‌شناس حسی (sensory biologist) از دانشگاه بریستول در انگلستان می‌گوید: «در آزمایشگاه، زنبورهای عسل آموخته‌اند که گل‌های تقلبی را به واسطه‌ی میدان‌های الکتریکی‌شان تشخیص دهند.» رابرت و همکارانش در 21 فوریه در مجله‌ی Science گزارش کردند که ترکیب یک بار الکتریکی با یک رنگ به این زنبورها کمک کرده است تا سریع‌تر بیاموزند.

رابرت می‌گوید: «گیاهان کمی شبیه برق‌گیر رعد و برق، تمایل به هدایت بارهای الکتریکی به زمین دارند و زنبورها بار الکتریکی مثبت را از میان باران نامرئی ذرات باردار جو می‌گیرند. »


در نیمه‌ی سمت راست گل‌ها، گردی از ذرات دارای بار الکتریکی الگوهای طبیعی (رنگ در مستطیل مجاور) را نمایان می‌سازند. پژوهش جدیدی نشان می‌دهد که زنبورها می‌توانند حداقل الگوهای ساده بارهای الکتریکی گیاهی را احساس کنند.

استفان باچمن از دانشگاه آریزونا در توسان می‌گوید: «هر چیزی که در هوا در حال پرواز است: یک توپ بیسبال، یک جامبوجت 767 یا یک زنبور عسل، به واسطه‌ی برهم‌کنش با مولکول‌های هوا، بار الکترواستاتیک مثبت قویی را به دست می‌آورد.»

رابرت و همکارانش بررسی کردند که آیا زنبورها می‌توانند گل‌ها را صرفاً بر مبنای میدان‌های الکتریکی که گیاهان تولید می‌کنند، انتخاب کنند. دیسک‌های فلزی ارغوانی (با روکشی از پلاستیک که بنابراین باعث اعمال شک به زنبورها نمی‌شود) در گل‌ها کار گذاشته شد. نیمی از آن‌ها که به ولتاژ 30 ولت وصل شدند، مقادیر کمی از آب‌قند را نگه داشتند. برای آن‌هایی که اتصال الکتریکی نداشتند، محلول تلخ‌مزه‌ی جوهر گنه‌گنه در نظر گرفته شد که زنبورها آن را دوست ندارند.

نوعی از زنبورهای عسل (Bombus terrestris) آموختند که در بیشتر از 80 درصد موارد طعم شیرین، یعنی دیسک‌های با اتصال الکتریکی را انتخاب کنند. زمانی که پژوهش‌گران اتصال الکتریکی دیسک‌ها را قطع کردند، زنبورها طعم شیرین را به طور تصادفی بدست می‌آوردند.

لارس چیتکا از دانشگاه کوئین مری لندن (Queen Mary University of London) می‌گوید: «سوال مهم این است که زنبورها چطور این کار را انجام می‌دهند.» موهای زنبورها سیخ می‌شود و او تصور می‌کند که حشره باردار هنگامی که در نزدیکی یک گل با بار مخالف قرار می‌گیرد، خم شدن موهایش را احساس می‌کند.

رابرت بعد از مطالعه‌ی زنبورهایی که گل‌های ارغوانی‌رنگ واقعی را می‌بینند تایید می‌کند که بارهای الکتریکی زنبورها و گل‌ها با یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند. هنگامی که یک زنبور فرود آمد و گاهی اوقات حتی قبل از آن، ساقه‌های گل‌ افزایش ولتاژی را نشان داد که تا بعد از آنکه زنبور به سوی جلو وزوز کرده باشد، از بین نرفت.

 

یک مدل رایانه‌ای پتانسیل الکتریکی (سمت چپ: آبی تیره، 0 ولت و قرمز تیره، 35 ولت) و میدان الکتریکی (سمت راست: آبی تیره، 0 ولت بر مترمربع و قرمز تیره، 2000 ولت بر مترمربع) یک گل نوعی با اندازه‌ی 30 سانتی‌متر در بالای زمین را پیش‌بینی می‌کند.

این افزایش در پتانسیل الکتریکی ممکن است به زنبور در حال عبور دیگری توصیه کند که گل تازه شهد خود را به بازدیدکننده‌ی دیگری داده است، تغییری که رایحه یا رنگِ گل، آن را آشکار نمی‌کند. رابرت می‌گوید: « گل ارغوانی‌رنگ  اینگونه راهنمایی می‌کند که من هنوز زیبا هستم و بوی خوبی دارم اما پتانسیل من به شما می‌گوید که بعداً برگردید.»

او تصور می‌کند که تغییرات در میدان الکتریکی یک گل حتی ممکن است سرنخ‌هایی را مربوط به جایی که زنبورها باید برای شهد کاوش کنند، در بر داشته باشد. رابرت می‌گوید که زنبور عسل حداقل می‌تواند طرح‌های الکتریکی ساده را تشخیص دهد. آن‌ها آموخته‌اند به سمت دیسک‌هایی با بار الکتریکی منفی که در مرکز آن‌ها بار مثبت به منظور ایجاد میدان الکتریکی یکنواخت قرار گرفته است، پرواز کنند.

پژوهش‌گران دریافتند که الگوهای بار الکتریکی هم‌چنین می‌توانند سایر پارامترهای قابل‌توجه در گل‌ها را تقویت کنند. زنبورها تلاش می‌کنند تا یاد بگیرند که دو  درجه‌ رنگ سبز با تفاوت جزئی را تشخیص دهند. این یادگیری سریع‌تر می‌شود هنگامی که پژوهش‌گران هر درجه‌ی رنگ را با بار الکتریکی متمایزی جفت می‌کنند.

در دنیای واقعی زنبورها با ترکیبی از رایحه‌ها، رنگ‌ها و سایر سرنخ‌هایی از گل‌ها مواجه هستند. رابرت راگوسو از دانشگاه کرنل می‌گوید: «سوال بی‌پاسخ اینجاست که این سرنخ‌ها کی مورد استفاده قرار می‌گیرند و کی نادیده گرفته می‌شوند.» حشرات گرده‌افشان باید وعده‌ی غذایی بعدی‌شان را قبل از آنکه انرژی‌شان تمام شود پیدا کنند و اگر سرنخی مانند رطوبت یا بار الکتریکی به آن‌ها اجازه دهد که تصمیم عجولانه‌ای برای صرفه‌جویی در منابع بگیرند، او پیش‌بینی می‌کند که زنبورها به آن توجه خواهند کرد.

منبع:انجمن فیزیک ایران


کاهش اصطکاک میان مایعات

از بین‌ بردن اصطکاک بین سطح تماس مایعات و کنترل ویژگی های سطح، یکی از موضوعات مورد علاقه دانشمندان است. در این راستا گروهی از دانشمندان با جانشینی گوی های کوچکی در سطح تماس دو مایع، موفق شدند ویژگی‌های سطح تماس را تا حدی تحت کنترل درآورند.

معمولا دو مایع که در تماس با یکدیگر هستند، به سختی می‌توانند بر روی هم بلغزند، چون مولکول‌هایشان در تماس تنگاتنگی با هم قرار دارند. با این وجود یک گروه تحقیقاتی در فرانسه، با ارائه روشی اصطکاک بین مایعات را کاهش داده اند. این گروه با قرار دادن گوی های توپی شکل بسیار کوچک در سطح تماس بین دو مایع، سعی دارند بر اصطکاک غلبه کنند.

  گوی‌های توپی‌شکل برای مایعات. شبیه‌سازی‌هایی در مقیاس مولکولی تایید می‌کنند که آرایه‌ای از ذرات بسیار کوچک در سطح تماس بین مایعات می‌تواند باعث شود که مایعات با اصطکاک کمی بر روی هم بلغزند.

اولیور پیر-لویس (Olivier Pierre-Louis) و لورا ژولی (Laurent Joly) از دانشگاه لیون فرانسه، با ایده گرفتن از مدل‌هایی که برای ایجاد سطوح «ابر آب‌گریز» استفاده می‌شود، روشی برای کنترل اصطکاک بین مایعات ابداع کرده‌اند. آنها آرایه‌ای از کره‌های بسیار کوچک را در سطح تماس بین دو مایع قرار دادند. چون این کره‌ها آب‌گریز هستند و کشش سطحی مانند یک کیسه هوا در ناحیه بین دو مایع عمل می‌کند، مایعات جدا از هم قرار خواهند گرفت.

گروه لویس با استفاده از روش طولِ لغزش، اصطکاک را بررسی کرده‌اند. این روش از شرط «بدون لغزش بودن»، برای مواقعی که سیالات در امتداد یک سطح جامد جاری می‌شوند استفاده کرده است: در حالت ایده‌آل، زمانی که از سمت سیال به سطح نزدیک می‌شوید، سرعت جریان به سمت صفر میل می‌کند. در واقع، سرعت سیال دقیقا برابر با صفر نیست. اما، برای نزدیک شدن به این سرعت صفر، با تفسیر منحنی سرعت بر حسب مکان، برای نقطه‌ای که فاصله اندکی با سطح دارد، می‌توان سرعت صفر را تحلیل کرد. این عمق – طول لغزش – اغلب به حدی کوچک است که می‌توان از آن صرف‌نظر کرد. اما یک طول لغزش بلند به معنای جریان سریع‌تر و اصطکاک کمتر است.

بنا به عقیده این گروه از محققان، با استفاده از گوی‌های توپی آب‌گریز، این طول لغزش به شدت دچار تغییر می‌شود. در واقع زمانی که این گوی‌ها به طریقی در مایع نفوذ کنند، مایع مجبور می‌شود از فضای بین گوی‌ها عبور کند و در نتیجه مقاومتی بوجود می‌آید که در نهایت باعث کاهش طول لغزش می‌شود. در مقابل، آب گریزتر کردن گلوله‌ها سطح را صاف‌تر می‌کند، و در نتیجه طول لغزش به شدت افزایش می‌یابد.

فشار و ویسکوزیته هوای بین گوی ها می تواند بر روند این کار اثر بگذارد.

 

منبع:انجمن فیزیک ایران


گزارش تخلف
بعدی