Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XIX

Detektor experimentu Borexino (foto ModeMachineDaily)

Neutrina jsou částice, které mají schopnost vypovídat mnoho o tom, jak a kde vznikla. A mají ji nejen ty, které přilétají z vesmíru, ale i ty, které vznikají uvnitř naší Země. A proto jsou pro fyziky extrémně zajímavé. Fullereny vzbudily v době svého objevení obrovský rozruch. Pak přišel útlum zájmu ale teď se spolu s uhlíkovými nanotrubicemi a hlavně s grafenem dostávají znovu do popředí zájmu. Čeká nás snad uhlíková éra? A nakonec kvazikrystaly. O těch by se dala napsat detektivka.

Neutrina ze zemského pláště

První skutečně potvrzené pozorování antineutrin produkovaných při radioaktivních rozpadech v zemském plášti se povedlo pracovníkům detektoru Borexino v Itálii. I když byla taková „geoneutrina“ pozorována už dříve, je to poprvé, kdy mohou fyzici s jistotu říct, že přibližně polovina antineutrin, které změřili, pochází ze zemského pláště a zbytek ze zemské kůry. Tým z Borexina je také schopen provést nové výpočty množství tepla produkovaného v Zemi radioaktivními rozpady. Předběžně se ukazuje, že je to víc, než se původně myslelo.

Podle uznávaného modelu složení Země je většina radioaktivního uranu, thoria a draslíku uložena v zemské kůře a v zemském plášti, který tvoří přibližně 82 % celkového objemu naší planety. Země vysílá do okolního prostoru přibližně 47 TW energie ve formě tepla, ale kolik tohoto tepla vzniká při radioaktivních rozpadech uranu-238, thoria-232 a draslíku-40, se zatím přesně neví.

Jednou z cest, jak se to dovědět, je měřit počet antineutrin (antičástice neutrin) produkovaných při těchto rozpadech. Částice mají minimální hmotnost, a proto pronikají snadno všemi vrstvami Země. Takže jsou pro jejich detekci vhodné detektory umístěné těsně u zemského povrchu.

V roce 2005 ohlásili fyzici, pracující na detektoru neutrin v Japonsku, že detekovali 22 geoneutrin, zatímco Borexino, které bylo uvedeno do provozu v roce 2007, ohlásilo 10 takových částic. Oba detektory od té doby zaznamenaly více geoneutrin a jejich měření dohromady napovídají, že přibližně polovina tepla unikajícího ze Země je generována radioaktivními rozpady, i když je tato hodnota velmi přibližná.

Detektor Borexino je tvořen 300 tunami organické kapaliny a je umístěn pod italskými horami u Gran Sasso National Laboratory. Experimenty jsou chráněny před vlivem nežádoucího kosmického záření, které by mohlo vyvolat falešný neutrinový signál. Kdykoliv je elektron v kapalině zasažen antineutrinem, vznikne světelný záblesk. V poslední práci fyzici z Borexina analyzovali všech 77 případů a s pomocí dat z Mezinárodní Agentury pro Atomovou Energii zjistili, že 53 zjištěných antineutrin pochází z jaderných reaktorů.

Zbývajících 24 geoneutrin by mohlo pocházet buď ze zemské kůry, nebo z pláště. Fyzici ale mají poměrně přesný přehled o tom, kolik uranu a thoria je v zemské kůře, a tak mohou tvrdit, že polovina těchto geoneutrin vznikla v plášti a polovina v kůře. Navíc, a to je podstatné, mohou s 98procentní pravděpodobností tvrdit, že detekovali skutečně geoneutrina z pláště, a to je něco nového.

Tým také spočítal množství tepla generovaného radioaktivními rozpady v Zemi a došel k číslu 23 – 36 TW. To je podstatně více, než se odhadovalo, doteď to bylo 12 – 30 TW.

Tým z Borexina se také pokusil odhadnout poměr množství tepla připadajícího na radioaktivní rozpady uranu a thoria. Draslík nebyl uvažován, protože jeho příspěvek je zanedbatelný. Z výsledků vyplynulo, že v současnosti odhadovaný poměr množství radioaktivního uranu a thoria je správný, ale k přesnému stanovení množství tepla z radioaktivního rozpadu obou prvků je potřeba ještě daleko víc měření.

Fullereny umí udělat z mědi magnet

Když byly v roce 1985 objeveny fullereny a v roce 1997 za jejich výzkum dostala skupina anglických vědců Nobelovu cenu, způsobily obrovský rozruch. Fullereny jsou složeny pouze z atomů uhlíku, typickým zástupcem je fulleren C60, kde jsou atomy uhlíku spořádány do 12 pětiúhelníků a 20 šestiúhelníků a molekula připomíná tvar fotbalového míče. Celá skupiny látek získala název podle jedné stavby architekta R. B. Fullera.

Nějakou dobu po objevení fullerenů nastal určitý útlum zájmu. Možná proto, že technologové tak trochu nevěděli, co si s jejich pozoruhodnými vlastnostmi počít. Brzy ale přišel obrat a kromě fullerenů se prodraly do popředí zájmu i další formy uhlíku, jako jsou uhlíkové nanotrubice a hlavně zázračný materiál grafen, které umožňují vývoj zcela nových technologií v oblasti světla, tepla, elektroniky a dokonce i chemických sloučenin, a to včetně DNA. Stále se objevují nové a nové pozoruhodné vlastnosti těchto látek a ta dnešní je jednou z nich.

Britští, američtí a švýcarští fyzici objevili, že tenké vrstvy mědi a manganu se mohou stát magnetickými, pokud jsou v kontaktu s molekulami fullerenů, a to je bomba hlavně u mědi.

Feromagnety jsou materiály, které mají permanentní magnetické momenty. Dost překvapivé je, že při pokojové teplotě jsou feromagnetické jen tři kovy, a to železo, nikl a kobalt.

Už v roce 1938 vypracoval Edmund Stoner na univerzitě v Leedsu kritérium, které tuto záležitost kvantifikuje. Magnetismus v kovech je vlastností vodivostních elektronů. Tyto elektrony podléhají výměnným interakcím, které jim dovolují snižovat jejich energii vyrovnáním jejich spinových magnetických momentů do stejného směru a tím vytvořit feromagnetický kov. To, že spiny mají stejný směr, zvyšuje ale celkovou kinetickou energii elektronů. Stoner došel k závěru, že se feromagnetismus vyskytuje jen tehdy, když je pokles energie způsobený výměnnými interakcemi větší než zisk jejich kinetické energie. Kvantitativně to znamená, že se feromagnetismus vyskytuje, když je součin počtu energetických stavů dostupných pro elektrony (DOS) a intenzity výměnné interakce (U) větší než jedna.

U se nazývá Stonerovo kriterium a je větší než jedna pro železo, nikl a kobalt, ale ne pro jejich sousedy v periodické tabulce prvků, kterými jsou mangan a měď. Mezinárodní tým fyziků teď našel způsob, jak to udělat, aby i měď a mangan byly při pokojové teplotě feromagnetické. Tým vyrobil na substrátu vzorky obsahující střídavě několik vrstev fullerenů C60 a mědi, případně manganu. Vrstvy mědi byly 2,5 nm silné, C60 okolo 15 nm. Molekuly fullerenů byly použity pro jejich velkou elektronovou afinitu, což znamená, že každá molekula může přijmout až tři vodivostní elektrony z mědi. To může způsobit zvýšení obou hodnot, jak DOS, tak výměnné interakce v mědi. Měření magnetizace vrstevnatého vzorku prokázalo, že je feromagnetický. Naopak u vzorků, kde byla mezi mědí a fullereny vrstva hliníku, nebyl feromagnetismus prokázán. To znamená, že se feromagnetismus vyskytuje na rozhraní mezi mědí a fullereny.

I když je třeba mnoho další práce, výzkum by mohl vyústit ve vývoj nových typů miniaturních magnetických součástek. A to by mohlo být velmi podstatné pro nový, rychle se rozvíjející obor, kterým je spintronika. Ta využívá spinu elektronů pro ukládání a zpracovávání informací, přitom spin elektronů je využíván jako kvantový bit informace. Takže na obzoru jsou nejen nové typy praktických elektronických prvků, ale dokonce i kvantových počítačů.

Umí kvazikrystaly samy opravovat svojí strukturu?

Fyzika přináší stále nová a nová překvapení. Fyzici z univerzity v Tokyu pořídili záznam formování kvazikrystalů, ze kterého vyplynulo, že všechno je jinak, než se doteď myslelo. Do vytváření neobvyklých struktur je zařazen neočekávaný proces korekce chyb a místo interakcí na dlouhou vzdálenost dominují při růstu kvazikrystalů interakce na krátkou vzdálenost.

A jaký je rozdíl mezi „normálním“ krystalem a kvazikrystalem? Konvenční krystal je charakterizován opakující se jednotkovou buňkou krystalické mříže a vykazuje translační symetrii. To znamená, že když se pozorovatel posouvá od jedné buňky k další, okolní krystal vypadá stále stejně. Takové krystaly rostou v důsledku lokálních interakcí na krátkou vzdálenost mezi jednotlivými buňkami.

Naproti tomu se kvazikrystaly dají charakterizovat dvěma základními buňkami, které se nazývají Penroseovy dlaždice. Tyto jednotky jsou uspořádány složitějším způsobem, mají sice rotační symetrii, ale translační symetrii postrádají. Růst kvazikrystalů vyžaduje, aby atomy vykazovaly navzájem interakce na dlouhé vzdálenosti, aby mohly vytvářet takové složité útvary. A to je něco, co postrádá fyzikální vysvětlení. Problém je v tom, že každý shluk atomů by měl mít informace jen o nejbližším sousedovi, což vylučuje informace na dlouhou vzdálenost, potřebné k vytváření složitých struktur kvazikrystalů. Proto řada prominentních vědců, včetně Linuse Paulinga, ideu kvazikrystalů při jejím zrodu zavrhovala.

Kvazikrystal je struktura se zjevným pravidelným uspořádáním, chybí jí ale translační symetrie. V dosti velké vzdálenosti od daného místa můžeme nalézt opakování struktury, které je téměř shodné s původním tvarem. Za rozpracování této problematiky dostal izraelský fyzik Schechtmann v roce 2011 Nobelovu cenu a od té doby byla vytvořena řada umělých kvazikrystalů. Schechtmann ukázal, že některé slitiny hliníku a hořčíku vykazují zjevně desetičetnou symetrii, která vylučuje periodičnost a je zcela neslučitelná s klasickými představami o krystalech. Největší rozruch na téma kvazikrystalů vznikl v roce 2008, kdy italský mineralog Bindi nalezl v muzeu úlomek meteoritu, který obsahoval přírodní kvazikrystal, který ovšem zřejmě nevznikl na Zemi.

Pozornost teď opět obrátili ke kvazikrystalům japonští fyzici, kteří použili transmisní elektronový mikroskop s vysokou rozlišovací schopností a pozorovali růst kvazikrystalu slitiny hliníku, niklu a kobaltu s desetičetnou rotační symetrií – to znamená, že otočení obrazce o celočíselný násobek 36o dává identický obrázek. Vzorek ohřívali na teplotu 1 183 K, kdy se atomy jednoho zrna v kvazikrystalu oddělí a spojují se do dalšího zrna. Při sledování růstu nového zrna přišlo překvapení. Když se shluk atomů sám sestavoval, byly do struktury často zanášeny chyby. Tyto chyby byly ale následně během několika sekund opravovány a struktura kvazikrystalu se sama obnovila. Pozorování těchto chyb bylo velkým překvapením, teorie totiž předpovídala, že zrna rostou vždy podle předem určeného pořádku. Během 15 sekund bylo na jednom zrnu pozorováno šest případů „chyba a oprava“ . Přítomnost těchto chyb napovídá, že růst kvazikrystalů je ve skutečnosti řízen lokálními atomovými interakcemi. Interakce na dálku by totiž zaručovaly pravidelné uspořádání kvazikrystalu a vylučovaly by potřebu oprav. Lokální interakce se jeví dostatečnými pro konstrukci ideálního kvazikrystalu – to je tvrzení, které je podpořeno i nedávnými molekulárně-dynamickými a Monte Carlo simulacemi.

Na závěr – kvazikrystaly nejsou nic exotického, používají se dnes hojně v předmětech denní potřeby, jako jsou pánve na smažení, chirurgické nože nebo ostří žiletek.

Původní materiály byly uveřejněny v časopisech Physical Review D, Nature a Physical Review Letters.


Další díly:

Aktuality z fyziky XVIII
Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky X
Aktuality z fyziky IX
Aktuality z fyziky VIII
„Top ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VII
Aktuality z fyziky VI
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky IV
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop