Nad czym pracują fizycy w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN?

W skład kadry Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk wchodzi obecnie ponad 580 pracowników naukowych, wśród których znajduje się 40 profesorów tytularnych, ponad 60 doktorów habilitowanych, a także ponad 140 doktorów. Co roku efekty swoich badań prezentują oni w ok. 600 artykułach, które publikowane są w recenzowanych czasopismach naukowych. Oprócz tego znajdują one swoje miejsce w ponad 100 innego rodzaju publikacjach, takich jak rozdziały w monografiach, prezentacjach konferencyjnych i raportach.

Kadra IFJ PAN realizuje projekty badawcze w szerokim spektrum współczesnej fizyki. Dzięki zastosowaniu najnowszych technologii, aparatury badawczej oraz rozwiązań IT, poszukują oni nowatorskich rozwiązań w takich dziedzinach jak struktura materii i własności oddziaływań fundamentalnych zarówno w skali kosmicznej, jak i w odniesieniu do wnętrza cząstek elementarnych. Również w tej chwili pracownicy krakowskiego Instytutu realizują szereg prac badawczych, których rezultaty mogą mieć duże znaczenie dla rozwoju nowych technologii w przemyśle. Dotyczą one m.in.: stworzenia nowego obrazu współczesnych układów elektronicznych, budowy nowego typu baterii litowo-jonowych, a także zbadania zachowań niekonwencjonalnie zachowującego się podwójnego jądra ołowiu 208.

Układ elektroniczny szybszy od neutronu
– Elektronika zwykle kojarzy się z urządzeniami działającymi precyzyjnie i zawsze zgodnie z oczekiwaniami. Z naszych badań wyłania się jej zupełnie inny obraz. Już w układach elektronicznych zawierających ledwie jeden czy dwa tranzystory chaos okazuje się wszechobecny! Przewidywalne i zawsze takie same reakcje urządzeń elektronicznych, używanych przez nas wszystkich na co dzień, to nie odzwierciedlenie natury elektroniki, lecz wysiłków projektantów – mówi dr Ludovico Minati z IFJ PAN.

Jak podkreślają naukowcy, którzy efekty swoich badan przedstawili w czasopiśmie „Chaos” – nawet proste układy elektroniczne, zbudowane jedynie z kilku elementów (tranzystorów, oporników, kondensatorów i cewek), mogą zachowywać się w sposób niezwykle skomplikowany i praktycznie rzecz biorąc niemożliwy do przewidzenia sposób. Przebadali oni i opisali zachowanie 49 nowych, nietypowych układów tego typu. Dzięki temu, za pomocą symulacji komputerowych, określili funkcjonowanie nowego typu oscylatorów elektronicznych. Jak się okazało jeden z nich generuje impulsy napięcia podobne do wytwarzanych przez neurony – robi to jednak tysiące razy szybciej! – Nasze poszukiwania odbywały się metodą na ślepo, w gigantycznej przestrzeni oferującej 2 do potęgi 85 możliwych kombinacji. W trakcie symulacji przeanalizowaliśmy mniej więcej dwa miliony układów, a więc ekstremalnie mały obszar całej dostępnej przestrzeni. W tym gronie ok. 2.500 układów wykazywało interesujące zachowania – stwierdza dr Ludovico Minati. I dodaje: – Chaotyczne oscylatory elektroniczne były znane już wcześniej. Dotychczas wydawało się jednak, że występują tylko w kilku odmianach, a ich skonstruowanie wymaga pewnego wysiłku i odpowiedniej złożoności układu.

Warto w tym miejscu wskazać na to, że układ chaotyczny w rozumieniu fizycznym to taki, w przypadku którego niewielkie zmiany parametrów wejściowych skutkują dużymi zmianami na wyjściu. W jaki sposób przebiegała więc praca polskich naukowców? Jak opisuje to IFJ PAN: „Zachowania chaotyczne są tak złożone, że do dziś nie ma metod pozwalających na efektywne projektowanie obwodów elektronicznych tego typu. Fizycy podeszli więc do problemu inaczej. Zamiast od podstaw konstruować chaotyczne oscylatory, zdecydowali się je… odkrywać. Strukturę układów, tworzoną z elementów dostępnych komercyjnie, odwzorowywano jako ciąg 85 bitów. Modelowane układy w maksymalnej konfiguracji składały się ze źródła zasilania, dwóch tranzystorów, opornika i sześciu kondensatorów lub cewek, połączonych w obwód zawierający osiem węzłów. Tak przygotowane ciągi bitów poddawano następnie przypadkowym modyfikacjom. Symulacje zrealizowano na superkomputerze Cray XD1.”

Fizycy procowali na powszechnie stosowanym w tego typu projektach programie SPICE. Z tego względu, że wyniki prowadzenia „chaotycznych” symulacji okazały się niewystarczające, podjęto decyzję o budowie stu najbardziej interesujących układów i przebadanie ich w laboratorium. Ostatecznie liczbę tę zredukowano do 49. Najmniejszy układ powstał z tranzystora, kondensatora, opornika i dwóch cewek. W przypadku jednego z oscylatorów stwierdzono, że generuje on duże skoki napięcia, które przypominają wzbudzenia typowe dla… neuronów. Główna różnica pomiędzy biologicznymi neuronami, a badanym układem elektronicznym jest taka, że impulsy generowane przez układ powstawały tysiące razy szybciej.

Fakt ten jest niezwykle interesującym wnioskiem, płynącym z prowadzonych badań. Dlatego też zespól IFJ PAN postanowił upublicznić schematy wszystkich układów, które znaleźli w trakcie realizacji projektu. W ten sposób liczą na to, że przyspieszony zostanie rozwój badań nad systemami elektronicznymi imitującymi zachowanie ludzkiego mózgu.

Powstanie stały elektrolit?
Nie jest to jedyny projekt prowadzony przez naukowców IFJ PAN, którego efekty mogą mieć duży wpływ na rozwój technologii w najbliższych latach.

IFJ PAN pracuje obecnie m.in. nad stworzeniem nowego rodzaju baterii litowo-jonowych. Dzięki zastosowaniu w nich zamiast płynnego elektrolitu substancji w formie stałej baterie mogłyby stać się jednocześnie mniejsze, lżejsze, a przede wszystkim bardziej bezpieczne i wydajne. Prace nad nową klasą materiałów na związkach litu, prowadzi zespół fizyków z Polski i Szwajcarii

Dlatego też część eksperymentalną projektu zrealizowano w szwajcarskim federalnym ośrodku badań materiałowych Empa w Dübendorfie oraz na Uniwersytecie Genewskim. Z drugiej strony, za opis teoretyczny mechanizmów prowadzących do wyjątkowo dużej przewodności jonowej nowego materiału odpowiada prof. dr hab. Zbigniew Łodziana z IFJ PAN w Krakowie. Jak argumentuje polski naukowiec: – Zajmowaliśmy się amido-borowodorkiem litu, substancją wcześniej znaną jako niezbyt dobry przewodnik jonowy. Związek ten wytwarza się mieląc ze sobą dwa składniki w proporcji 1 do 3. Nikt dotychczas nie sprawdzał, co się dzieje z przewodnością jonową, gdy proporcje między tymi składnikami zostaną zmienione. Zrobiliśmy to dopiero my i raptem się okazało, że zmniejszając liczbę grup NH2 do pewnej wartości granicznej można znacznie poprawić przewodność. Wzrasta ona tak bardzo, że staje się już porównywalna z przewodnością ciekłych elektrolitów!

Przeprowadzone badania wskazały – w efekcie zmiany proporcji tworzących go składników – kilkudziesięciokrotny wzrost przewodności jonowej nowego materiału. Fakt ten otwiera nowe możliwości w zakresie powstania stałego elektrolitu. W momencie, w którym uda się go rzeczywiście stworzyć, skrócony zostanie również czas komercjalizacji nowych źródeł prądu. Kolejnej rewolucyjnej zmianie poddana też zostanie przenośna elektronika.

… a jednak się kręci!
Od kilkunastu lat, we współpracy z naukowcami z Argonne National Laboratory w Illinois prowadzone są badania, dotyczące jądra ołowiu 208. W ostatnim czasie opublikowano wyniki eksperymentów, które przeprowadzone zostały w siedzibie ANL. Użyte w nich zostały: nadprzewodzący akcelerator ATLAS oraz Gammasphere, najbardziej chyba wyrafinowany obecnie detektor promieniowania gamma. Jak z nich wynika: w pewnych warunkach w jądrach ołowiu 208 powstają nowe, stosunkowo trwałe i nieprzewidziane przez teorię stany energetyczne. Jednocześnie rezultaty badań sugerują istnienie w takich jądrach nieobserwowanej jak dotąd struktury o kolektywnym charakterze.

Jak opisuje wyniki eksperymentu IFJ PAN: „Ku zaskoczeniu badaczy, najnowsza analiza pozwoliła wykryć w jądrach ołowiu 208 struktury i zjawiska nieprzewidziane przez dotychczasową teorię. Zaobserwowano wiele nowych stanów energetycznych, a trzy z nich okazały się stanami izomerycznymi, a więc znacznie trwalszymi niż inne. W zwykłych stanach jądro znajduje się przez pikosekundy. Tymczasem w jednym ze znalezionych stanów izomerycznych jądro przebywało nawet 60 nanosekund (miliardowych części sekundy), czyli tysiące razy dłużej.”
Co szczególnie interesujące: uzyskane wyniki sugerują kolektywną rotację w jądrze, które jest kuliste, wiec z perspektywy fizyki jądrowej nie powinno się obracać. Teoria, którą tworzą naukowcy bazuje na stwierdzeniu, że przy dużych spinach w jądrze ołowiu 208 tworzy się sztywny rdzeń, którym jest drugie pod względem masy podwójnie magiczne jądro, czyli cyna 132. Wydaje się, że rdzeń ten nie wiruje, za to obraca się warstwa zewnętrzna, uformowana przez pozostałe 76 nukleonów.

Polsko-amerykańskie eksperymenty z jądrem ołowiu 208 umożliwić mogą uwzględnienie w podstawowym we współczesnej fizyce narzędziu opisu jąder atomowych jakim jest model powłokowy, nowych zjawisk. W ten sposób bezpośrednio będą mogli wpłynąć na zwiększenie precyzji przewidywań współczesnej nauki w tym obszarze wiedzy. Po raz kolejny też efekty prac fizyków z krakowskiego Instytutu mogą mieć istotne znaczenie dla współczesnej nauki, i w konsekwencji umożliwiać powstawanie nowych technologii w przemyśle.