Barn 157 (Mehefin 2022): Deuod Josephson, Sêr Rhyfedd


Rwyf newydd orffen darllen llyfr yn cynnwys traethawd am y mathemategydd Charles Babbage. Nid yw’n enw cyfarwydd i lawer, er bod ei gyfraniad i wybodaeth gyda’r mwyaf dylanwadol i’n hoes ni heddiw.  Babbage ddyfeisiodd y cyfrifiadur. Yn bwysicach, fe sefydlodd egwyddorion sylfaenol eu defnydd.  Fe’i hysbrydolwyd i raddau helaeth gan ysbryd Deddf Ddiwygio 1832. Roedd yn ymwybodol iawn o’r newid economaidd a chymdeithasol a oedd ar droed wrth i economi’r ffatrïoedd diwydiannol ddisodli pwysigrwydd economi’r stadau mawr amaethyddol. Gwelodd bod rhesymeg cyfundrefnau mathemategol yn ganolog i lwyddiant hyn. A datblygiadau mewn mecaneg yn fodd i wireddu’r cyfundrefnau hynny. Yn anffodus o ran ei ddyheadau ef nid oedd ei syniadau rhyddfrydol yn taro deuddeg gyda llywodraethau o dirfeddianwyr Torïaidd a’u rhamantiaeth pastoral. Yn ôl Anthony Hyman, awdur y traethawd yn 2002, nid oedd yr ysgolion preifat, a’r Sefydliad anllythrennog mewn gwyddoniaeth a ddeilliai ohonynt, yn deall dim am y gwendid canolog hwn yn niwydiant Gwledydd Prydain.  Ni chafodd unrhyw gefnogaeth gan y Llywodraeth, na swydd ganddynt, ar ôl 1823. O Ffrainc a’r Almaen y daeth llawer o’i ddylanwadau a’r arbenigedd technegol.   Yn ffodus i ni, ‘roedd yn ŵr eithaf cefnog ac aeth ati i ymhelaethu ar ei syniadau o’i ben a’i bastwn ei hun. Ond ni adeiladwyd unrhyw ran o’i ddyfeisiadau mecanyddol tan 1991.

Erbyn cyfnod yr Ail Ryfel Byd daeth electroneg i gynorthwyo’r broses. Yn gyntaf trwy falfiau barus eu defnydd o egni ac yna, yn 1947, y transistor. Ar y cychwyn roedd awch y transistor am drydan yn fychan o’i gymharu â’r falf thermionig. Ond, bellach, gan fod cymaint ohonynt wedi’u cywasgu i bob sglodyn silicon mae eu galw cyfansawdd yn fawr. Erbyn heddiw mae cyfrifiaduron a chanolfannau data yn defnyddio rhwng 10 ag 20 y cant o holl drydan y byd. Gwastreffir y rhan fwyaf ohono fel gwres. Un canlyniad i hyn yw’r gost aruthrol i’r amgylchedd a ddaw o’r arian rhithiol Bitcoin. Trafodwyd hyn yn y golofn hon ym Mai 2021 yng nghyd-destun defnydd yr NFT i roi gwerth ar weithiau celf. Diddorol oedd clywed, ddechrau Ebrill, bod Trysorlys Gwledydd Prydain wedi gofyn i’r Bathdy Brenhinol eu darparu yma erbyn yr haf. 

Beth bynnag am rinweddau NFT, neu eu diffygion, da fyddai cael transistor llai barus. Ddiwedd Ebrill, yn Nature, gwelwyd cam pwysig i’r cyfeiriad hwn. Mae Mazhar Ali o Brifysgol Delft, a’i gydweithwyr, wedi llwyddo i greu deuod Josephson arbennig o halwynau Niobiwm. Deuod yw hwn a ddamcanwyd gan y Cymro Brian Josephson yn 1962, nemor bum mlynedd ar ôl gadael fy hen alma mater, Ysgol Uwchradd y Bechgyn yng Nghaerdydd. Yn 1973 enillodd Wobr Nobel Ffiseg amdano.

Swydd deuod yw caniatáu llif trydan (electronau) drwyddo ond mewn un cyfeiriad yn unig. Felly’r hen enw “falf”. Mae’r broses hon yn rhwym o greu gwres mewn deuod confensiynol. Ond nid deuod confensiynol yw’r un newydd. Mae’n defnyddio effeithiau uwch ddargludo lle nad oes gwrthiant i’r electronau – a dim gwres. Er mai hawdd yw dweud hyn, o ddilyn damcaniaeth Josephson i’r llythyren nid oedd disgwyl i’r deuod weithio yn y modd yma. Yn wir, nid yw Ali a’r tîm yn deall yn iawn pam ei fod yn gweithio. Ond mae’r ffaith ei fod yn gweithio yn agor nifer o bosibiliadau ymarferol eraill o fanteisio ar ddarganfyddiad y Cymro, gan gynnwys camau pwysig tuag at gyfrifiaduron cwantwm.

Ond ar hyn o bryd, erys un anhawster pwysig. I gynnal yr uwch ddargludedd rhaid oeri’r deuod i -271°C. Proses sy’n cynhyrchu mwy o wres nag a arbedwyd gan y deuod ei hun.

Effeithiau cwantwm sydd wrth gefn y ffenomen hon. Ond ers dechrau’r ugeinfed ganrif bu’n amhosibl eu cymhathu â’r esboniad ffisegol arall o’r cosmos – perthynoledd Einstein. Ar hyn o bryd cystadleuaeth gyfartal “ar bwyntiau” yw hi, gyda’r gobaith cyffredinol y bydd modd eu huno ryw ddydd.  Bob mis cyhoeddir gwaith ymchwil ymarferol a damcaniaethol yn y gystadleuaeth hon. Un o’r rhain sy’n darlunio posibiliadau “gwyddonias” (fel y’i disgrifir mewn adolygiad ar un o wefannau NASA) yw hwnnw yn Astrophysical Journal Letters o ddiwedd mis Mawrth gan Ze-Cheng Zou a Yong-Feng Huang o Brifysgol Nanjing. Disgrifiant ddau wrthrych seryddol damcaniaethol hynod. Tyllau Du bychain a ffurfiwyd yn ystod eiliad gyntaf y Bydysawd a sêr ar ddiwedd eu hoes sydd wedi crebachu yn ddwysach na’r sêr niwtron y gwyddom amdanynt. Sef sêr wedi’u gwneud o gwarciau. Mae mater “arferol”- ni, y ddaear, yr haul – wedi’u gwneud o atomau. Cnewyllyn wedi’i amgylchynu ag electronau yw atom. Gellir ystyried y cwmwl electronau fel haid hedegog o wenyn – rhyngddynt mae cryn dipyn o awyr – ac ni fyddai neb yn meddwl llawer am bwysau haid felly. Ond yn y cwch mae’r creaduriaid bach un ar ben y llall – ac mai dyn yn sylweddoli faint y maent yn ei bwyso wrth geisio’u codi ! Mae dwysedd y gwenyn yn llawer uwch. Yn yr un modd mewn seren. Wrth i’w ffynhonnell niwclear o ynni dod i ben ar ddiwedd eu hoes mae disgyrchiant anferth y seren gyfan yn gwasgu’r electronau i’r cnewyll a’r seren megis un cnewyllyn atom enfawr. Tua 12 milltir o led gan bwyso un a hanner gwaith pwysau’r haul (sydd tua miliwn o filltiroedd ar ei draws) yw seren niwtron arferol. Yn ddamcaniaethol, o dan rhai amgylchiadau gellir gwasgu hwn ychydig yn ddwysach fyth at is-elfennau’r cnewyllyn – y cwarciau.

Enwau haniaethol llwyr a roddir i’r cwarciau gwahanol – a “rhyfedd” (strange) yw’r dosbarth y tro hwn. Felly rhoddir yr enw Sêr Rhyfedd i’r gwrthrychau tybiedig. (Labeli gweddill y chwe chwarc yw lan, lawr, swyn, pen a gwaelod.)

Sut mae profi bodolaeth Sêr Rhyfedd ? O’r tu allan maent yn edrych fel sêr niwtron. Ateb y ddau o Nanjing yw mesur effaith eu gwrthdrawiad â Thwll Du Cychwynnol. Os ydy’r rhain yn bodoli fe fyddent yn pwyso tua’r un faint â phlaned – ond dim ond maint pysen fyddai un yn cyfateb i’r ddaear.  Er dwysedd y sêr niwtron a’r sêr rhyfedd, byddai gwrthrych o’r fath yn plymio yn syth i’w canol ac yna yn eu bwyta o’r tu mewn. Tua 3 munud fyddai hyd y pryd i Dwll Du pwysau’r ddaear – a dim ond 0.2 eiliad i un pwysau’r blaned Iau. Snac go iawn !

Byddai grymoedd aruthrol y broses yn plygu gofod ei hun ac, megis cloch gosmig, yn creu tonnau disgyrchol y byddai modd eu canfod filiynau o filltiroedd golau i ffwrdd.  Dengys Zou a Huang y byddai “sŵn” gwahanol i donnau disgyrchol seren niwtron a seren ryfedd.  Byddai hyn yn fodd i brofi bodolaeth y Tyllau Duon Cychwynnol, disgrifio cyfansoddiad sêr niwtron ac efallai esbonio natur y mater tywyll sydd wrth wraidd problem unioni’r cwantwm a pherthynoledd.

Ers Medi 2015 mae gwyddonwyr LIGO-Virgo wedi bod yn mesur tonnau disgyrchol o wahanol fathau. Yn anffodus, mae damcaniaeth y Tyllau Duon Cychwynnol yn awgrymu na fyddent yn gyffredin iawn – ac ni fyddai disgwyl i LIGO-Virgo canfod sŵn eu clychau fwy nag unwaith bob 10,000 i 100,000 o flynyddoedd !! Bydd yn rhaid i Zou a Huang aros ychydig am offer meinach cyn gweld ai gwir eu syniadau.

Da gwybod bod rhywbeth ar ôl i’w ddarganfod !!


Pynciau: Deuod Josephson, Sêr Rhyfedd


Cyfeiriadau

Deuod Josephson: Heng Wu, Yaojia Wang, Yuanfeng Xu, Pranava K. Sivakumar, Chris Pasco, Ulderico Filippozzi, Stuart S. P. Parkin, Yu-Jia Zeng, Tyrel McQueen a Mazhar N. Ali (2022) The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure. Nature 604, 653–656

Sêr Rhyfedd: Ze-Cheng Zou (邹泽城) a Yong-Feng Huang (黄永锋) (2022) Gravitational-wave Emission from a Primordial Black Hole Inspiraling inside a Compact Star: A Novel Probe for Dense Matter Equation of State. Astrophysical Journal Letters 928, L13


<olaf nesaf>