Mange ting opfører sig dybt underligt, når de bliver kølet ned til ekstremt lave temperaturer. En kobberledning bliver f.eks. pludselig superledende, så elektrisk strøm kan passere igennem den uden at tabe nogen form for energi til omgivelserne.
Man har længe vidst, at den slags forvandlinger sker fordi kulden gør noget ved stoffers atomer. Kulden får single-atomer til at danne par eller til at søge sammen i flokke – eller også får den atomer, som allerede er bundet til hinanden, til at bryde ud af deres partnerskab til fordel for nye spændende relationer eller en tilværelse i ensomhed.
Værdifuld viden til nye materialer
Atomernes interne relationer og brud er så komplekse, at fysikere gennem årtier har haft svært ved at forklare, hvordan og hvorfor det finder sted i forskellige stoffer og materialer.
Men nu er det lykkedes fysikere fra Aarhus Universitet at opstille en ny teoretisk model, der kan beskrive mange forskellige aspekter af atomernes opførsel. Forskerne får dermed et stærkt værktøj til at kunne få en dybere forståelse af, hvordan materialer er opbygget og hvilke egenskaber, de har.
»Den viden kan være meget værdifuld for materialeforskere, der arbejder med at designe nye materialer. De er afhængige af at kunne forstå stoffers opbygning – hvordan de atomer og molekyler, som udgør materialerne, knytter sig til hinanden, og hvornår de vælger ikke at binde sig,« påpeger postdoc Nikolaj Zinner fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet, der har været med i studiet.
Resultaterne er offentliggjort i to videnskabelige tidsskrifter, Physical Review Letters og den anden i Journal of Physics B.
Kolde atomer styres af kvantemekanik
At beskrive atomers opførsel er stadig den dag i dag en stor udfordring inden for fysikkens verden.
Fysikere har længe haft godt styr på, hvordan store objekter som f.eks. Solen og Jorden er knyttet sammen. Den slags bindinger kan let beskrives ved den forholdsvist lettilgængelige, logiske klassiske fysik, der blev formuleret af fysikeren Isaac Newton helt tilbage i 1600-1700 tallet.
Problemerne dukker op, når man møver sig ned blandt atomerne og prøver at beskrive, hvad der sker på dette virkelighedsplan. Det svarer til at falde gennem et hul i græsplanen og havne i Alices eventyrland, hvor der gælder nogle fundamentalt andre spilleregler, end dem vi kender fra vores hverdag. (Se boks).
I atomernes verden har den klassiske, letbenede fysik ikke noget at skulle have sagt. Al magt er givet til den noget mere træge kvantemekanik, som beskriver stofs egenskaber på atomart niveau og mindre.
På det atomare plan kan energien ikke ændre sig glidende, men i spring, såkaldte kvanter. Når to atomer er bundet til hinanden, skal der altså en bestemt energimængde til for at bryde bindingen. De tæt knyttede atomer er så at sige i en bestemt bundet kvantetilstand, og det er netop disse tilstande, som den nye teoretiske model beskriver.
Vaks ph.d.-studerende fik idéen
Kvantemekanikken kræver en god portion tålmodighed og en hel del hjernevindinger at regne på. En stribe fremtrædende fysikere har faktisk kæmpet med at lave en teoretisk model for atomare bindinger i samtlige af de 80 år, kvantemekanikken har været kendt.
Nu er det så endelig lykkedes den danske forskegruppe at få ligningerne til at makke ret, og det medlem af gruppen, der har gjort det største arbejde, er Nikolaj Zinners kvikke ph.d.-studerende Artem Volosniev fra Ukraine, der er en ørn til matematik.
»Vores model kan forudsige, hvornår atomer eller molekyler kan binde sig til hinanden i to- eller en-dimensionale geometrier. Vi har sågar en eksplicit matematisk formel for egenskaberne ved disse tilstande. Dette er meget attraktivt både fra et matematisk og et fysisk synspunkt,« påpeger han.
Vi ansatte ph.d.-studerende fra Urkaine, Artem Volosniev, der kom med en stor matematisk baggrund, og som var meget god til at rode med formler. Det er i høj grad takket være hans kunnen, at vi opnåede det store gennembrud.
Postdoc Nikolaj Zinner.
Den nye teoretiske model kan overordnet set bruges til at løse to slags opgaver:
-
Modellen er generel nok til at kunne bruges på alle tænkelige spørgsmål om bundne tilstande – ikke bare i atom- og molekylefysik, men også inden for partikel- og kernefysikken. Det er f.eks. vigtigt at vide, hvordan to atomer binder sig til hinanden for at kunne forudsige, hvordan tre eller fire atomer kan danne endnu større kollektiver.
- Modellen giver præcise betingelser for, hvornår der kan være bundne tilstande på to-dimensionelle og en-dimensionelle objekter.
2D var den største udfordring
Den nye model kommer virkelig til gavn i forståelsen af, hvordan atomer opfører sig på todimensionelle overflader.
Atomers opførsel i én dimension og tre dimensioner minder meget om hinanden, mens atomernes opførsel i to dimensioner er noget helt for sig selv.
»Til gengæld er der rigtigt mange fysiske fænomener, der afhænger af 2D-fysik, som f.eks. elektriske strømme, der løber på metaloverflader. Derfor har det været et kardinalpunkt at finde en måde at beskrive, hvordan atomer opfører sig på todimensionelle flader, og det er én af de ting, vi nu kan bidrage til ved hjælp af vores nye model,« siger Nikolaj Zinner.
Modellen sladrer om mange ting, som f.eks. hvad det er for en slags bundet kvantetilstand, atomerne befinder sig i, hvor langt de er fra hinanden, i hvor høj grad de kan føle hinanden, og hvor meget energi, der skal til, for at bryde forholdet mellem dem.
»Vi har fundet en stærk formel, der kan beregne alle disse ting, og det er stort. Det giver nye muligheder for at forudsige forskellige egenskaber ved materialerne,« slutter Nikolaj Zinner.
\ Kulde gør helium til gnidningsløs væske Luftarten helium reagerer også voldsomt på kulde ved at den pludseligt, som ved et trylleslag, forvandler sig til en særlig form for væske, der kan flyde helt uden gnidningsmodstand. Forvandlingen sker omkring minus 271 celcius, hvorefter væsken kan flyde langsomt hen over en overflade uden at miste energi til sine omgivelser. »Det er et sjovt fænomen, hvor noget af væsken pludselig kan kravle hen over en forhindring. Har man f.eks. helium nede i en spand, vil det kravle over kanten og ud i verden,« siger postdoc Nikolaj Zinner. En forudsætning for, at fænomenet opstår, er altså, at temperaturen er meget lav. Tilstanden er skrøbelig, for der skal ikke mere end en omgang rysten eller nogle små urenheder til, før væsken igen bliver til en gas.
Fænomenet blev opdaget i 1930erne, og selvom man forstår det nogenlunde teoretisk, er der stadig faktorer, der er usikre den dag i dag – den nye model kan formentlig hjælpe med at beskrive, hvad der sker med atomerne.
\ Modellen kan beskrive fysikken i alt fra solceller til LCD-skærme
Den nye model kan bl.a. hjælpe forskerne med at forstå, hvordan solceller omdanner lys til elektrisk strøm på det atomare plan. Det kan med tiden føre til betydeligt bedre solceller.
Solcellernes opgave er at optage lys på en overflade og herefter omdanne det til elektrisk strøm.
En solcelle virker ved, at sollyset skaber partikelpar på metaloverfladen, der består af en elektron og en antielektron. Den strøm, solcellen kan producere, afhænger ene og alene af partikelparrets kvantetilstand, som den nye model netop kan beskrive.
Et andet eksempel på, hvor den nye teori kan få gavn, er LCD-skærme af flydende krystal, som bruges i computerskærme og andre high-tech-produkter.
Visionen er at gøre de flydende krystaller meget mindre, end de er i dag. Men jo mindre, de er, des mere vil de være underlagt kvantemekanikken. Den nye model kan bruges til at beskrive, om to, tre eller flere krystaller vil binde sig til hinanden under bestemte forhold. Dermed vil forskerne få endnu mere kontrol over skærmene, end de har i dag.
