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Révéler les propriétés quantiques de l’interaction rayonnement-bidimensionnel surprend les chercheurs

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Révéler les propriétés quantiques de l’interaction rayonnement-bidimensionnel surprend les chercheurs

Un seul électron libre est réparti sur la structure en couches spécialement conçue par les chercheurs, à quelques dizaines de nanomètres au-dessus. En se déplaçant, l’électron émet des faisceaux de rayonnement séparés appelés « photons ». Entre l’électron et les photons qu’il émet, une relation « d’intrication quantique » se forme. Crédit : Ella Maru Studio

Les chercheurs du Technion ont fait la toute première observation du phénomène de rayonnement Cherenkov dans un espace bidimensionnel.

Des chercheurs de la Andrew and Erna Viterby School of Electrical and Computer Engineering du Technion – Israel Institute of Technology ont réalisé la toute première observation expérimentale du rayonnement Cherenkov confiné à un espace bidimensionnel. Les résultats ont été surprenants, car ils ont établi un nouveau record pour la force de couplage du rayonnement électronique et ont révélé les propriétés quantiques du rayonnement.

Le rayonnement Cherenkov est un phénomène physique unique utilisé depuis plusieurs années dans l’imagerie médicale, la détection de particules et les accélérateurs d’électrons alimentés par laser. Les chercheurs du Technion ont lié ce phénomène à de futures applications potentielles dans les photons[{ » attribute= » »>quantum computing and free-electron quantum light sources.

The study, which was published in Physical Review X, was headed by Ph.D. students Yuval Adiv and Shai Tsesses from the Technion, together with Hao Hu from the Nanyang Technological University in Singapore (now a professor at Nanjing university in China). It was supervised by Prof. Ido Kaminer and Prof. Guy Bartal of the Technion, in collaboration with colleagues from China: Prof. Hongsheng Chen, and Prof. Xiao Lin from Zhejiang University.

The interaction of free electrons with light underlies a plethora of known radiation phenomena and has led to numerous applications in science and industry. One of the most important of these interaction effects is the Cherenkov radiation – electromagnetic radiation emitted when a charged particle, such as an electron, travels through a medium at a speed greater than the phase velocity of light in that specific medium.

It is the optical equivalent of a supersonic boom, which occurs, for example, when a jet travels faster than the speed of sound. Consequently, Cherenkov radiation is sometimes called an “optical shock wave.” The phenomenon was discovered in 1934. In 1958, the scientists who discovered it were awarded the Nobel Prize in Physics.

Since then, during more than 80 years of research, the investigation of Cherenkov radiation led to the development of a wealth of applications, most of them for particle identification detectors and medical imaging. However, despite the intense preoccupation with the phenomenon, the bulk of theoretical research and all experimental demonstrations concerned Cherenkov radiation in three-dimensional space and based its description on classical electromagnetism.

Now, the Technion researchers present the first experimental observation of 2D Cherenkov radiation, demonstrating that in two-dimensional space, radiation behaves in a completely different manner – for the first time, the quantum description of light is essential to explain the experimental results.

The researchers engineered a special multilayer structure enabling interaction between free electrons and light waves traveling along a surface. The smart engineering of the structure allowed for the first measurement of 2D Cherenkov radiation. The low dimensionality of the effect permitted a glimpse into the quantum nature of the process of radiation emission from free electrons: a count of the number of photons (quantum particles of light) emitted from a single electron and indirect evidence of the entanglement of the electrons with the light waves they emit.

In this context, “entanglement” means “correlation” between the properties of the electron and those of the light emitted, such that measuring one provides information about the other. It is worth noting that the 2022 Nobel Prize in Physics was awarded for the performance of a series of experiments demonstrating the effects of quantum entanglement (in systems different from those demonstrated in the present research).

According to Yuval Adiv: “The result of the study which surprised us the most concerns the efficiency of electron radiation emission in the experiment: whereas the most advanced experiments that preceded the present one achieved a regime in which approximately only one electron out of one hundred emitted radiation, here, we succeeded in achieving an interaction regime in which every electron emitted radiation. In other words, we were able to demonstrate an improvement of over two orders of magnitude in the interaction efficiency (also called the “coupling strength”). This result helps advance modern developments of efficient electron-driven radiation sources.”

Prof. Kaminer commented: “Radiation emitted from electrons is an “old” phenomenon that has been researched for over a hundred years and was assimilated into technology a long time ago, an example being the home microwave oven. For many years, it seemed that we had already discovered everything there was to know about electron radiation, and thus, the idea that this kind of radiation had already been fully described by classical physics became entrenched. In striking contrast to this concept, the experimental apparatus we built allows the quantum nature of electron radiation to be revealed. The new experiment that was now published explores the quantum-photonic nature of electron radiation.

He continues, “The experiment is part of a paradigm shift in the way we understand this radiation, and more broadly, the relationship between electrons and the radiation they emit. For example, we now understand that free electrons can become entangled with the photons they emit. It is both surprising and exciting to see signs of this phenomenon in the experiment.”

According to Shai Tsesses, “In Yuval Adiv’s new experiment, we forced the electrons to travel in proximity to a photonic-plasmonic surface that I planned based on a technique developed in the lab of Prof. Guy Bartal. The electron velocity was accurately set to obtain a large coupling strength, greater than that obtained in normal situations, where coupling is to radiation in three dimensions. At the heart of the process, we observe the spontaneous quantum nature of radiation emission, obtained in discrete packets of energy called photons. In this way, the experiment sheds new light on the quantum nature of photons.”

Reference: “Observation of 2D Cherenkov Radiation” by Yuval Adiv, Hao Hu, Shai Tsesses, Raphael Dahan, Kangpeng Wang, Yaniv Kurman, Alexey Gorlach, Hongsheng Chen, Xiao Lin, Guy Bartal and Ido Kaminer, 6 January 2023, Physical Review X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011002

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Économisez 80 $ sur le télescope réfringent Celestron Inspire 100AZ, parfait pour les débutants en observation du ciel

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Économisez 80 $ sur le télescope réfringent Celestron Inspire 100AZ, parfait pour les débutants en observation du ciel

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Comment les lasers peuvent résoudre le problème mondial du plastique

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Comment les lasers peuvent résoudre le problème mondial du plastique

Une série de miroirs et de prismes dévient et focalisent les faisceaux laser pour effectuer la réaction. Crédit image : Université du Texas à Austin

Une équipe de scientifiques a réussi à créer une technologie laser permettant de décomposer le plastique solide en composants précieux, offrant ainsi une nouvelle approche durable pour lutter contre la pollution plastique mondiale.

Une équipe de recherche mondiale, dirigée par des ingénieurs texans, a développé avec succès une méthode basée sur le laser pour décomposer les molécules des plastiques et d’autres matériaux en leurs composants de base en vue d’une réutilisation future.

La découverte, qui consiste à superposer ces matériaux sur des matériaux bidimensionnels appelés dichalcogénures de métaux de transition, puis à les enflammer, a le potentiel d’améliorer la façon dont nous éliminons les plastiques qui sont presque impossibles à dégrader avec les technologies actuelles.

« En tirant parti de ces réactions uniques, nous pouvons explorer de nouvelles voies pour convertir les polluants environnementaux en produits chimiques précieux et réutilisables, contribuant ainsi au développement d’une économie plus durable », a déclaré Yuping Zheng, professeur Walker de génie mécanique à la Cockrell School of Engineering et l’un des leaders du projet. Et de manière circulaire. « Cette découverte a des implications majeures pour relever les défis environnementaux et développer le domaine de la chimie verte. »

La recherche a été récemment publiée dans Communications naturellesL’équipe comprend des chercheurs de Université de Californie, BerkeleyUniversité du Tohoku au Japon, Laboratoire national Lawrence Berkeley, Université Baylor et Université d’État de Pennsylvanie.

Lutter contre la pollution plastique

La pollution plastique est devenue une crise environnementale mondiale, avec des millions de tonnes de déchets plastiques s’accumulant chaque année dans les décharges et les océans. Les méthodes traditionnelles de décomposition du plastique sont souvent énergivores, nocives pour l’environnement et inefficaces. Les chercheurs envisagent d’utiliser cette nouvelle découverte pour développer des techniques efficaces de recyclage du plastique afin de réduire la pollution.

Yuping Cheng et Siuan Huang

Professeur Yuping Cheng et étudiant diplômé Siyuan Huang. Image : Université du Texas à Austin

Les chercheurs ont utilisé une lumière à faible énergie pour rompre la liaison chimique du plastique et créer de nouvelles liaisons chimiques qui transforment le matériau en points de carbone lumineux. Les nanomatériaux à base de carbone sont très demandés en raison de leurs capacités polyvalentes, et ces points pourraient être utilisés comme dispositifs de stockage de mémoire dans les ordinateurs de nouvelle génération.

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« C’est passionnant de prendre du plastique qui ne se dégradera jamais tout seul et de le transformer en quelque chose d’utile pour de nombreuses industries différentes », a déclaré Jingang Li, étudiant postdoctoral à l’UC Berkeley qui a commencé la recherche à l’Université du Texas.

Potentiel d’applications plus larges

La réaction spécifique est appelée activation CH, où les liaisons carbone-hydrogène dans la molécule organique sont sélectivement rompues et converties en une nouvelle liaison chimique. Dans cette recherche, des matériaux 2D ont catalysé cette réaction qui a transformé les molécules d’hydrogène en gaz. Cela a ouvert la voie aux molécules de carbone pour se lier les unes aux autres pour former des points de stockage d’informations.

Des recherches et développements supplémentaires sont nécessaires pour améliorer le processus d’activation du méthane par la lumière et l’étendre aux applications industrielles. Cependant, cette étude représente une avancée importante dans la recherche de solutions durables pour la gestion des déchets plastiques.

Le processus d’activation du CH piloté par la lumière démontré dans cette étude peut être appliqué à de nombreux composés organiques à longue chaîne, notamment le polyéthylène et les tensioactifs couramment utilisés dans les systèmes de nanomatériaux.

Référence : « Activation C-H guidée par la lumière médiée par des dichalcogénures de métaux de transition 2D » par Jingang Li, Di Zhang, Zhongyuan Guo, Zhihan Chen, Xi Jiang, Jonathan M. Larson, Haoyue Zhu, Tianyi Zhang, Yuqian Gu, Brian W. Blankenship, Min Chen, Zilong Wu, Suichu Huang et Robert Kostecki Andrew M. Minor, Costas P. Grigoropoulos, Deji Akinwande, Mauricio Terrones, Joan M. Redwing, Hao Li et Yuebing Zheng, 2 juillet 2024, Communications naturelles.
DOI : 10.1038/s41467-024-49783-z

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La recherche a été financée par diverses institutions, notamment Instituts nationaux de la santéFondation nationale des sciences, Société japonaise pour la promotion de la science, Fondation Hirose et Fondation nationale des sciences naturelles de Chine.

L’équipe de recherche comprend Deji Akinwande et Yuqian Guo du Département de génie électrique et informatique de l’Université du Texas ; Qi Han Chen, Zilong Wu et Suizhou Huang du programme de science et d’ingénierie des matériaux de l’Université du Texas ; Hao Li, De Zhang et Zhongyuan Guo de l’Université du Tohoku, Japon ; Brian Blankenship, Min Chen et Costas B. Gregoropoulos de l’Université de Californie à Berkeley ; Shi Jiang, Robert Kostecki et Andrew M. Mineure du Laboratoire national Lawrence Berkeley ; et Jonathan M. Larson de l’Université Baylor ; Haoyu Zhou, Tianyi Zhang, Mauricio Terrones et Guan M. Redwing de l’Université d’État de Pennsylvanie.

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Des milliers de mondes ne répondent pas à la définition de « planète »

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Des milliers de mondes ne répondent pas à la définition de « planète »

Dans le monde en constante évolution de l’astronomie, les définitions planétaires doivent parfois suivre le rythme des nouvelles découvertes et concepts.

Le terme « planète » tel que défini dans Union Astronomique Internationaleest actuellement en cours d’audit.

L’ancienne définition décrit une planète comme un corps céleste en orbite autour du Soleil, avec une masse suffisante pour être forcé de prendre une forme sphérique par la gravité, éloignant ainsi les autres corps de son orbite.

Cependant, la définition de l’AIU ne s’applique qu’aux corps célestes de notre système solaire, ce qui a suscité une controverse parmi les scientifiques.

Élargir la définition des planètes

Nous vivons dans un vaste univers, où l’on découvre fréquemment des corps célestes en orbite en dehors de notre système solaire.

Cette réalité soulève une question qui fait réfléchir : la définition de planète ne devrait-elle pas s’étendre au-delà des limites de notre système solaire ?

Un article qui devrait être publié prochainement dans une revue scientifique de vulgarisation conforte cette opinion. Les auteurs de l’étude proposent une nouvelle définition de la planète, une définition qui n’est pas contrainte par les limites de notre système solaire et qui s’appuie sur des critères quantitatifs.

Ancienne définition des planètes

Les pionniers de cette proposition sont des scientifiques de Université de Californie à Los Angeles (UCLA)Ils prônent le remplacement de la définition de l’AIU, qu’ils considèrent comme héliocentrique et dépassée.

« La définition actuelle mentionne spécifiquement l’orbite autour de notre soleil. Elle ne s’applique qu’aux planètes de notre système solaire », a déclaré le professeur Jean-Luc Margot, auteur principal de l’étude. Il a ajouté que la proposition de l’équipe s’appliquerait aux corps célestes en orbite autour de n’importe quelle étoile, reste stellaire ou naine brune.

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Les chercheurs affirment que les exigences de l’Union astronomique internationale concernant une planète en orbite autour de notre soleil sont très spécifiques alors que les autres critères sont trop vagues.

Ils fournissent une définition claire, pleine de critères mesurables qui peuvent être appliqués aux planètes à l’intérieur et à l’extérieur de notre système solaire.

Propriétés planétaires

Selon la nouvelle proposition, une planète est un corps céleste en orbite autour d’une ou plusieurs étoiles, naines brunes ou restes stellaires. Sa masse dépasse 1023 kg, mais est inférieure à 13 fois la masse de Jupiter (2,5 x 1028 kg). Fournir de telles limites de blocs spécifiques est un élément essentiel de la proposition.

Les scientifiques ont utilisé un algorithme mathématique pour étudier les propriétés des objets de notre système solaire et identifier les caractéristiques distinctives partagées par nos planètes.

L’analyse a servi de base au développement d’une classification globale de ces corps célestes, introduisant des éléments de base tels que la dominance dynamique.

Masse et effet de la gravité

Un objet est dit hémodynamiquement dominant s’il possède une gravité suffisante pour se frayer un chemin en collectant ou en éjectant des objets plus petits à proximité.

Il est intéressant de noter que toutes les planètes de notre système solaire présentent cette caractéristique, mais pas d’autres planètes, telles que les planètes naines comme Pluton et de nombreux astéroïdes. Ainsi, cette caractéristique a été citée comme un ajout crucial à la définition de la planète.

Alors que la dominance dynamique fixe une limite inférieure à la masse, la masse agit également comme une limite supérieure, en particulier lorsque les corps célestes deviennent si massifs qu’ils déclenchent la fusion thermonucléaire du deutérium et se transforment en sous-étoiles appelées naines brunes.

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Il convient de noter que l’exigence selon laquelle la planète doit être sphérique est plus complexe à mettre en œuvre en raison de la difficulté d’observer les formes des planètes lointaines.

Par conséquent, les auteurs proposent des définitions de base de la masse, faciles à mesurer, évitant ainsi les discussions sur la question de savoir si un corps céleste répond ou non au critère de la sphère.

Planètes et planètes naines

Il ne sera peut-être pas possible de réviser la définition officielle de la planète donnée par l’AIU dans un avenir proche, mais les chercheurs espèrent que leurs travaux susciteront un débat qui mènera à une définition améliorée.

Selon cette proposition, la distinction entre les planètes et les planètes naines devient plus claire.

Les planètes naines, comme Pluton, qui manquent de dominance dynamique, font partie d’une catégorie distincte. Cela garantit que la définition inclut exclusivement les objets qui répondent à des critères stricts de masse et de dominance dynamique.

La compréhension des exoplanètes joue également un rôle crucial dans le débat. Les exoplanètes – planètes situées en dehors de notre système solaire – nécessitent une définition qui va au-delà des contraintes centrées sur le système solaire.

En se concentrant sur la masse et l’influence gravitationnelle, la nouvelle définition fournit un cadre robuste, rendant la classification plus facile et plus précise.

L’étude a été publiée dans Journal des sciences planétaires.

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