Fisikawan mengamati difusi atom individu dalam mandi ringan

video pembelajaran sifat-sifat cahaya (Untidar 2017) (Juni 2019).

Anonim

Dalam kombinasi eksperimen dan teori difusi atom-atom individu dalam sistem periodik dipahami untuk pertama kalinya. Interaksi atom-atom individu dengan cahaya pada suhu ultralow dekat dengan titik temperatur nol mutlak memberikan wawasan baru ke ergodisitas, asumsi dasar termodinamika. Fisikawan kuantum di University of Kaiserslautern telah mempublikasikan hasil mereka bersama dengan rekan-rekannya di jurnal Nature Physics.

Difusi adalah fenomena fisik universal, menggambarkan gerakan partikel di lingkungan khusus mereka, apakah padat, cair atau gas. Pengamatan pertama Robert Brown dan penjelasan selanjutnya oleh Albert Einstein sudah berusia lebih dari seratus tahun: Robert Brown mengamati gerakan serbuk sari acak dan tidak teratur dalam cairan. Albert Einstein dan rekannya, Marian Smoluchowski, menafsirkan "gerakan Brownian" ini dengan benar sebagai akibat tumbukan acak molekul-molekul cairan dengan serbuk sari. Difusi dalam sistem yang kompleks berjalan satu langkah lebih jauh dan dapat memiliki karakteristik yang sangat beragam: gerakan Tumor pada organisme hidup, transport DNA di dalam sel, aliran ion dalam baterai, atom bergerak pada permukaan - semua ini adalah proses difusi dalam sistem yang kompleks. Mengungkap mekanisme yang mendasari adalah sangat menarik karena ini bisa mencapai jauh ke dalam aplikasi sehari-hari suatu hari. Studi fisik atom ultracold, yang dilakukan di University of Kaiserslautern, sekarang memberikan pemahaman tentang difusi dalam struktur periodik, relevan untuk berbagai sistem kompleks.

Fisikawan di Universitas Kaiserslautern bersama dengan para ilmuwan dari Universitas Erlangen-Nuremberg dan Kyoto di Jepang telah membuat langkah penting menuju pemahaman mendasar tentang difusi kompleks dan interpretasi data eksperimen mereka. Untuk penelitian ini, yang diterbitkan dalam jurnal Nature Physics yang bergengsi, tim Kaiserslautern di sekitar Profesor Widera (Departemen Fisika dan Pusat Penelitian Negara OPTIMAS) mengembangkan sistem model baru: Satu atom didinginkan oleh laser mendekati suhu nol absolut dan terperangkap oleh cahaya. dalam ruang hampa yang nyaris sempurna. Atom kemudian dipindahkan ke lingkungan medan cahaya di mana penyerapan cahaya dan cahaya-emisi atom bertindak sebagai bertumbukan dengan partikel lain. Dalam lingkungan ini, difusi dapat dengan mudah diatur dan gerakan atom dilacak oleh kamera.

Secara paralel, fisikawan teoritis dari Erlangen-Nuremberg dan Kyoto mengembangkan model untuk deskripsi dinamika sistem. Aspek utama di sini adalah untuk memahami proses dalam hal fenomena fisik ergodicity. Karena kesepakatan yang sangat baik antara eksperimen dan teori, proses difusi sekarang dapat dipahami di luar gerak Brown. Hasil ini berpotensi berdampak pada pemahaman berbagai sistem kompleks dalam kedokteran, biologi, fisika dan teknik di masa depan.

Dasar-dasar difusi

Pergerakan sel-sel individual dalam tubuh atau pengangkutan pembawa muatan dalam sistem penyimpanan energi hanya dapat dipahami dalam konteks lingkungan tertentu. Partikel-partikel dalam lingkungan mengalami benturan permanen dengan sel atau pembawa, sehingga mempengaruhi gerakan mereka. Proses-proses ini dapat dalam banyak kasus dijelaskan melalui gerak Brown oleh teori Einstein. Kadang-kadang pengamatan bisa, bagaimanapun, tidak dijelaskan dalam model ini, dan dalam beberapa kasus, dinamika non-Brown ini tidak jelas pada pandangan pertama. Para ilmuwan dari tiga universitas telah berhasil menunjukkan baik secara teoritis maupun eksperimental, bagaimana difusi dalam sistem kompleks tertentu dapat dicirikan.

Ergodisitas adalah kunci untuk memahami difusi kompleks

Aspek utama dari penelitian ini adalah untuk menyelidiki sistem atom pada skala waktu yang relevan untuk pembentukan ergodicity. Ergodisitas adalah asumsi dasar termodinamika dan faktor penting untuk deskripsi proses difusi. Dengan kata sederhana, hipotesis ergodisitas menyatakan bahwa dalam ensembel partikel, gerakan partikel tunggal mewakili seluruh ensemble. Asumsi ini biasanya berlaku untuk semua fenomena yang diamati dalam kehidupan kita sehari-hari. Terlihat jelas, ini berlaku, namun, untuk kebanyakan sistem hanya pada skala waktu yang sangat lama. Para ilmuwan sekarang dapat menunjukkan dalam penelitian mereka bahwa bahkan tampaknya proses difusi "normal" dalam kasus-kasus tertentu mungkin melanggar ergodicity pada skala waktu yang sangat lama. Temuan ini memiliki implikasi yang menarik untuk memahami difusi dalam sistem yang kompleks dan dapat membantu, misalnya, untuk mengevaluasi kembali dan menginterpretasi observasi dan pengukuran dalam sistem biologis.

menu
menu