Physik

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Paper: Rotating curved spacetime signatures from a giant quantum vortex | PDF

Paper: Searching for Decoherence from Quantum Gravity at the IceCube South Pole Neutrino Observatory | PDF

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.

> 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

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)

> 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

> 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

> 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.

Pressemitteilung: Spiral-shaped lens provides clear vision at a range of distances and lighting conditions

Auf einer Seite lesen: Atomuhren

> 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

> 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.

> 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

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• 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

> Wo warmes Wasser mit Oberflächen in Kontakt kommt, lagert sich mit der Zeit Kalk ab. Im Haushalt kennen wir diesen Effekt von Wasserkocher, Waschmaschine und Co. Besonders bedeutsam ist er in thermischen Kraftwerken, wo die Ablagerungen erheblich die Effizienz verringern. Als mögliche Lösung haben Forschende nun eine kalkabweisende Beschichtung entwickelt, die durch mikroskopisch kleine Rillen verhindert, dass sich Kalkkristalle ablagern. Als Vorbild diente die Haut von Haien.

Paper: Imparting scalephobicity with rational microtexturing of soft materials | PDF

> Laser erzeugen einfarbiges, aber kein weißes Laserlicht – ihr Lichtspektrum ist zu schmal. Jetzt haben Physiker eine Methode entwickelt, die schmalbandige Laserpulse auf neue Weise in breitbandiges, weißes Laserlicht umwandelt – mithilfe von Wasser. In Kombination mit einem nichtlinearen optischen Kristall weitet das Wasser das Laserlicht spektral auf, gleichzeitig schützt es die nichtlineare Optik vor der hohen Intensität des Ausgangslasers. Die so erzeugten weißen Laserpulse können unter anderem Analysen ultraschneller Prozesse ermöglichen.

Paper: Intense white laser of high spectral flatness via optical-damage-free water–lithium niobate module | PDF

> Bei Kugelbrunnen rotiert ein mitunter tonnenschwerer Stein reibungsarm auf einem dünnen Wasserfilm. Das funktioniert physikalisch nur, wenn die Kugel und ihre Basis hochpräzise aufeinanderpassen. Dann braucht es für diesen Balanceakt erstaunlich wenig Druck.

> Im Dezember 2023 ging eine Schlagzeile durch die populäre Wissenschafts- und Tagespresse, wonach sich Stephen Hawking in Bezug auf Schwarze Löcher geirrt habe. Hintergrund war eine Arbeit des neuseeländischen Mathematikers Roy Kerr vom Dezember 2023, in der er einen vermeintlichen Fehler von Hawking und seinem Kollegen, dem Nobelpreisträger Roger Penrose, offenlegte. Demnach sei die Behauptung von Hawking und Penrose falsch, dass Schwarze Löcher stets eine »Singularität« (die häufig mit bis in die Unendlichkeit anwachsenden physikalischen Messgrößen gleichgesetzt wird) in ihrem »Inneren« bergen müssten. Den Nachweis führte Kerr durch ein vermeintliches Gegenbeispiel. Dieses erweist sich bei näherer Analyse allerdings als nicht zutreffend. Der Begriff der Singularität, auf den sich Penrose und Hawking stützten, ist deutlich komplizierter gefasst, was Kerr in seinem Argument nicht berücksichtigt.

> Kristalle sind Meister der Ordnung – und doch entstehen sie aus dem Chaos. Aus dem Durcheinander einer flüssigen Lösung, in der die verschiedensten Teilchen ziellos umeinanderschwimmen, bildet sich unter den richtigen Bedingungen ein streng geordneter Festkörper, in dem jedes Atom seinen festen Platz hat. Der Aufbau eines solchen Gebildes, Teilchen für Teilchen und Schicht für Schicht, folgt festen Regeln.

> Was genau passiert, wenn sich ein neues Teilchen zu einem Kristall gesellt? Eine Gruppe um die Chemikerin Rajshree Chakrabarti von der University of Houston hat das Rätsel jetzt aufgeklärt. Anders als gemeinhin angenommen, läuft der Prozess in zwei Schritten ab.

> Ein neues Molekül oder Atom kann sich nicht an beliebiger Stelle an einen bestehenden Kristall anlagern. Das Wachstum erfolgt in Schichten, und das nächste Teilchen wird immer an derjenigen Stelle angebaut, die für den Kristall den größten Energiegewinn darstellt. Das sind, praktisch gesprochen, Knicke, Kanten, Ecken oder Vorsprünge. An solchen Andockstellen (in der Fachsprache als »kinks« bezeichnet) kann das hinzukommende Teilchen die meisten Bindungen zu den Teilchen im Kristall ausbilden.

> Europa treibt die Pläne zum Bau eines 91 Kilometer langen, 16 Milliarden Euro teuren Teilchenbeschleunigers unter französischem und schweizerischem Gebiet voran. Mit der Maschine könnten Forschende das Higgs-Boson im Detail untersuchen. Nachdem der Vorgänger, der 27 Kilometer lange Large Hadron Collider (LHC) des CERN, jedoch keine bahnbrechenden neuen Erkenntnisse für die Physik gebracht hat, müssen Fachleute die Geldgeber erst davon überzeugen, dass sich solch eine enorme Investition lohnt.

Fazit im Artikel: > Einerseits eröffnet das die Möglichkeit, interessante topologische Systeme, beispielsweise für Quantencomputer, mit wenig Aufwand zu erforschen. Andererseits legt es nahe, dass exotische topologische Effekte womöglich auch anderswo eine größere Rolle spielen als bisher gedacht – zum Beispiel im Klimasystem. So gibt es Hinweise darauf, dass bestimmte atmosphärische Wellen am Äquator tatsächlich von topologischen Effekten herrühren.

Siehe auch Quantenmechanik erklärt Riesenwellen am Äquator

> Im Jahr 1883 stellte der bekannte österreichische Physiker Ernst Mach ein scheinbar einfaches Problem vor, das Physikerinnen und Physiker mehr als ein Jahrhundert lang beschäftigen sollte. Was passiert, wenn man einen Sprinkler rückwärtslaufen lässt? Ein klassischer Sprinkler besteht aus gebogenen Düsen, die von einer drehbaren zentralen Achse abgehen. Strömt Wasser durch die Röhren nach außen, versetzt der Rückstoß das Gerät in Rotation. Doch was würde passieren, wenn man stattdessen Wasser durch die Auslässe in das Gerät hineinsaugt? Man sollte meinen, dass das Gerät sich dann einfach in die entgegengesetzte Richtung dreht. Doch so einfach ist es keineswegs: Es gibt keine überzeugende theoretische Begründung dafür, und unzählige Experimente konnten nicht einmal klären, ob der umgedrehte Sprinkler überhaupt rotiert.

> Bisher ging man davon aus, dass Kühlen und Erhitzen im Prinzip das Gleiche seien. In beiden Fällen ändert sich die Temperatur, nur mit umgekehrtem Vorzeichen. Doch wie Forscher um Miguel Ibáñez der Universität Granada nun erstaunt festgestellt haben, scheint es zwischen beiden Prozessen einen fundamentalen Unterschied zu geben: Ein Objekt lässt sich demnach stets schneller erhitzen als abkühlen, zudem durchlaufe es beim Kühlen völlig andere Zustände.

Paper: Heating and cooling are fundamentally asymmetric and evolve along distinct pathways | PDF

> Robustes „Ticken“: Physiker haben einen Zeitkristall erschaffen, der langlebiger und robuster ist als alle bisherigen Objekte dieser Art. Das regelmäßige „Ticken“ dieses Halbleiterkristalls hält über Stunden an – statt nur Millisekunden. Zudem sind die spontanen, regelmäßigen Spin-Oszillationen erstaunlich robust und vertragen auch Veränderungen der Experimentbedingungen, wie die Forschenden in „Nature Physics“ berichten. Dies könnte die Erforschung dieses physikalischen Phänomens weiter voranbringen.

> Marie Curies radioaktiver Pavillon des Sources in Paris wird nun doch abgerissen, aber danach an anderer Stelle originalgetreu wiedererrichtet. Mit diesem Kompromiss endet der Streit um das von der Chemikerin Marie Skłodowska-Curie genutzte Gebäude. Ursprünglich sollte der kleine Backsteinpavillon einem neu zu gründenden Krebsforschungszentrum weichen. Nach Protesten aus Öffentlichkeit und Wissenschaft wurde das Vorhaben jedoch vom französischen Kulturministerium gestoppt, das daraufhin die Vermittlung aufnahm.

Älterer Post zum Thema: Verseuchtes Denkmal: Marie Curies radioaktives Labor darf stehen bleiben