Physik

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Artikel ist vom 17.12.2023.

Mit extrem kurzen Laserpulsen lassen sich schnelle Abläufe chemischer Reaktionen filmen oder digitale Berechnungen mit Lichtteilchen statt mit Elektronen durchführen. Jeder Puls dauert dabei nur millionstel Teile einer milliardstel Sekunde, kurz Femtosekunden genannt. Bisher füllen diese Laser ganze Laborräume. Doch amerikanischen Physikerinnen und Physikern gelang es nun, einen Kurzpuls-Laser bis auf die Größe eines Computerchips zu schrumpfen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, legten sie damit die Grundlage für extrem kompakte Detektoren für Bakterien und Viren. In Zukunft halten sie sogar optische Atomuhren für möglich, die man wie ein Smartphone mittragen kann.

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Auch wenn die Lösung solcher Probleme viel abstrakte Mathematik erfordert, sind die dazugehörigen Anwendungen durchaus praktischer Natur.

2013 haben Forschende beispielsweise gezeigt, dass sie anhand des Widerhalls eines einzelnen Tons die Form eines Raums bestimmen können – sofern dieser einem konvexen Vieleck entspricht. Solche Methoden könnten sich also als Spionagetechnik nutzen lassen.

• Paper: Acoustic echoes reveal room shape | PDF

Tatsächlich ist dabei aber das umgekehrte Problem noch hilfreicher: Inzwischen können Fachleute Töne aus den Videoaufnahmen einer vibrierenden Chipstüte wiederherstellen – und auf diese Weise optisch ein Gespräch belauschen, ohne die Personen selbst sehen zu müssen.

• Artikel mit Bezahlschranke: MIT researchers can listen to your conversation by watching your potato chip bag
• Artikel ohne Schranke

[Der Physiker Achim Kempf] möchte mit Hilfe der Spektralgeometrie eine Theorie der Quantengravitation entwickeln, die alle vier Grundkräfte miteinander vereinigen soll. Die Idee ist dabei, die quantenphysikalischen Schwingungen innerhalb der Raumzeit zu nutzen, um daraus auf die Geometrie unseres Universums zu schließen.

• Paper nicht frei zugänglich

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Zusammenfassung (mit Hilfe von ChatGPT):

Der Artikel diskutiert die potenzielle Lösung für die Unendlichkeiten in der Quantentheorie, die in drei wenig beachteten Lehrbüchern aus den 1980er Jahren gefunden werden könnte.

Jean Écalles Werk "Les fonctions resurgentes" birgt einzigartige mathematische Konzepte, die als Lösung für dieses langjährige Problem dienen könnten. Die Bücher sind in Französisch verfasst und präsentieren eine komplexe Mathematik mit Begriffen wie "Trans-Reihen" und "Alien-Ableitungen". Obwohl die Texte schwer zugänglich sind, könnten sie entscheidende Werkzeuge bieten, um Unendlichkeiten in physikalischen Theorien zu bewältigen.

Die Resurgence-Methode, die auf Écalles Theorien basiert, hat bereits Fortschritte in der Quantenmechanik und der Quantenfeldtheorie ermöglicht und könnte in Zukunft dazu beitragen, die fundamentalen Fragen der Physik besser zu verstehen.

24-seitige Abhandlung von Jean Écalle von 2022: Guided tour through resurgence theory (PDF)

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Stark, aber kurz: Physiker haben in einem US-Teilchenbeschleuniger das wahrscheinlich stärkste Magnetfeld des Universums erzeugt. Es hat die enorme Feldstärke von einer Trillion Gauß, hält aber nur winzige Sekundenbruchteile an. Die enormen Magnetkräfte entstehen, wenn Schwerionen im Teilchenbeschleuniger seitlich versetzt miteinander kollidieren und ein Quark-Gluon-Plasma erzeugen. Die dabei auftretenden Effekte geben Einblick in den Kosmos direkt nach dem Urknall, aber auch in die Starke Kernkraft.

tl;dr

Eine Trillion Gauß – für 100 Quadrillionstel Sekunden

Paper: Observation of the Electromagnetic Field Effect via Charge-Dependent Directed Flow in Heavy-Ion Collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider | PDF

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3D-Blick aufs Atom: Eine neue Methode kann Atome von Gasen mit nur einem Schnappschuss dreidimensional verorten – statt wie bisher durch eine Serie nacheinander erstellter Aufnahmen. Dafür entwickelten Physiker das Quantengas-Mikroskop weiter, bei dem ultrakalte Atome in einem Lasergitter gefangen und vermessen werden. Ein zusätzliches optisches Bauteil verformt die dabei entstehenden Wellen so, dass auch die Höhe der Atome – ihr Abstand zum Betrachter – sichtbar wird.

Vortrag von Manuel Schilling am 30.12.2023

Mal ehrlich, was haben denn Atome je für uns getan, also außer der Materie im Allgemeinen und Mate im Besonderen? Wir kennen „Quantum Computing“ oder auch „Quantum Communication“. Aber wie sieht es aus mit „Quantum Sensing“ – also quantenbasierter Messtechnik? Lasst uns mit Lasern auf ein paar Atome schießen und sehen, wie schwer die Welt ist.

Video: 1080p | 576p - Dauer: 43 min

Der genannte 34C3-Talk vom 27.12.2017: Watching the changing Earth

Video: 1080p | 576p - Dauer: 33 min

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Möchte man herausfinden, was die größtmögliche Temperatur ist, die im Universum herrschen kann, hilft ein Thermometer nicht weiter. Man muss die richtige Physik dafür noch finden.

Um feinste Strukturen sichtbar zu machen, verwenden Forschende spezielle Mikroskope, die als Lichtquelle verschränkte Photonenpaare nutzen. Diese Systeme sind jedoch sehr empfindlich gegenüber optischen Verzerrungen, die das Bild unscharf machen. Bisherige Methoden, diese Abbildungsfehler zu beseitigen, waren insbesondere bei vielen biologischen Proben nicht anwendbar. Eine Studie zeigt nun eine neue Methode auf, bei der die Beziehung zwischen den verschränkten Photonen selbst genutzt wird, um die Verzerrung zu bestimmen und herauszurechnen. Das könnte eine wichtige Verbesserung für zukünftige Quantenmikroskope bedeuten.

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• Quantum imaging could create bright future for advanced microscopes | Phys.org

Supraleitende Magneten sind auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) angewiesen. Während bisherige Fusionsmagnete eine Kühlung auf etwa 4 Kelvin benötigten, wird das neu erforschte Magnetmaterial mit dem Namen REBCO (engl: rare-earth barium copper oxide) schon bei 20 Kelvin widerstandsfrei leitend. Dies klingt erst einmal nach einem kleinen Unterschied, es bringt aber erhebliche Vorteile in Bezug auf Materialeigenschaften und praktische Technik mit sich, wie die Wissenschaftler erklären. Des Weiteren seien die REBCO-Magnete einfacher einzubauen. Sie benötigen keinen zusätzlichen Isolator, wodurch Raum für weitere Bestandteile zur Kühlung oder zur Steigerung der Festigkeit eingebaut werden können.

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• Neuer Magnet soll Kosten der Kernfusion immens senken | Golem

Die neuartige Linse ist nicht in Zonen mit unterschiedlicher Brennweite aufgeteilt. Stattdessen ist in der Linse eine Fermat-Spirale integriert, die sich von innen nach außen zieht. Das spiralförmig aufgebrachte transparente Material sorgt dafür, dass die Linse eine Vielzahl von Fokuspunkten unterschiedlicher Brennweite besitzt. Laut Pressemitteilung des Forschungsteams stammt die Inspiration für das Spiral-Linsen-Design aus der Untersuchung der optischen Eigenschaften schwerer Hornhautverformungen.

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Auf einer Seite lesen: Atomuhren

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Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an, gleiche Ladungen stoßen sich ab – doch das gilt nicht immer. Unter bestimmten Umständen können geladene Teilchen diese Regeln brechen, fand eine Arbeitsgruppe um Madhavi Krishnan von der University of Oxford heraus. [...] Teilchen, die in einer Flüssigkeit gelöst sind, können mit deren Molekülen so wechselwirken, dass sich gleiche Ladungen anziehen. Solche Effekte können sogar die Symmetrie zwischen den Ladungen brechen: Positiv geladene Teilchen ziehen sich gegenseitig an, während sich gleichzeitig negativ geladene Teilchen gegenseitig abstoßen. Die Entdeckung hat weit reichende Folgen für Phänomene wie die Bildung von Kristallen oder Wechselwirkungen zwischen Proteinen.

Paper: A charge-dependent long-ranged force drives tailored assembly of matter in solution | PDF

Boost für Antimaterie-Forschung: Physikern ist es gelungen, eine Laserkühlung für Positronium zu entwickeln – einem exotischen Atom aus einem Elektron und seinem Antimaterie-Gegenpart, dem Positron. Dieses leichte, kurzlebige Gebilde ist die Vorstufe für Antiwasserstoff und ein wichtiger Baustein für die Erforschung der Antimaterie. Die jetzt gelungene Kühlung des Positroniums erhöht die Effizienz der Antiwasserstoff-Produktion und erleichtert die Erforschung der Antimaterie und ihrer Annihilation.

Paper: Positronium Laser Cooling via the 13S−23P Transition with a Broadband Laser Pulse | PDF

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Materialien, die bei sehr hohem Druck supraleitend sind, werden derzeit intensiv erforscht. Im Gegensatz zu anderen Supraleitern könnten sie möglicherweise auch noch bei relativ hohen Temperaturen Strom ohne Verluste leiten. Das macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für den Traum, eines Tages einen Raumtemperatur-Supraleiter zu entdecken. Allerdings benötigen diese wasserstoffreichen Materialien, auch Superhydride genannt, spezielle Hochdruck-Bedingungen, die dem Millionenfachen des Atmosphärendrucks entsprechen. Aus diesem Grund ist es schwierig, nachzuweisen, ob ein solches Superhydrid wirklich supraleitend ist. Nun will eine Forschungsgruppe eine Lösung gefunden haben: einen Quantensensor, der direkt in die Diamantstempelzelle integriert ist, die den hohen Druck erzeugt.

Paper: Measuring gravity with milligram levitated masses | PDF

Keine Doppelnatur: Forschende haben erstmals das Verhalten von angeregten Wassermolekülen im Attosekunden-Tempo beobachtet. Dies enthüllte, dass flüssiges Wasser wohl doch nicht aus einem Gemisch zweier Strukturvarianten verschiedener Dichte besteht. Der vermeintliche Beleg dafür – ein Doppelgipfel in den spektrometrischen Röntgenkurven – erwies sich in den neuen, zeitlich höher aufgelösten Messungen als eine Art Bewegungsunschärfe der Wasserstoffatome, wie das Team in „Science“ berichtet.

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Das, was wir aus der Schule als kleinste Ladung kennen, kann sich in exotischen Materialien weiter aufspalten. Eigentlich braucht es dafür Magnetfelder. Doch auch ohne diese ließ sich der Effekt jetzt in einem Stoff nachweisen, der immer wieder für Überraschungen gut ist: Graphen.

Physiker haben erstmals experimentell bestätigt, dass es eine dritte Form des Magnetismus gibt – den Altermagnetismus. Diese Materialien sind äußerlich nichtmagnetisch und ähneln auch in der abwechselnden Ausrichtung ihrer Atomspins den Antiferromagneten. Doch im Inneren der Altermagneten wirken starke magnetische Kräfte auf die Elektronen und verändern ihren energetischen Zustand. Diesen Effekt und seine Hintergründe haben nun Forschende im Material Magantellurid nachgewiesen, wie sie in „Nature“ berichten.

Älterer Post zum Thema: Altermagneten: Eine neue Art von Magnetismus bewiesen

Paper: Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy | PDF

Weitere Artikel zum Thema:

• Altermagneten: Neue Art von Magnetismus bewiesen | Golem
• Altermagnetismus experimentell bestätigt | wissenschaft.de
• Altermagnetismus: Neue Art von Magnetismus entdeckt | Spektrum

Neben Ferromagneten und Antiferromagneten wurde nun auch die Existenz von Altermagneten bewiesen. Sie wurde bereits 2019 in einer Studie vorhergesagt.

Paper: Altermagnetic lifting of Kramers spin degeneracy | PDF

Aktuell speichert das CERN im Rechenzentrum auf dem eigenen Gelände rund 750 Petabyte Daten.

FOSDEM24 Vortrag:

• CERN's Open Source Storage Systems
• Video des Vortrags - Dauer: 45 min

EOS Open Storag - CERN storage technology used at the Large Hadron Collider (LHC):

• Offizielle Webseite
• GitHub: EOS Open Storage
• GitHub: XRootD: eXtended ROOT Daemon