Информация свежая... и не очень

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1036   morozov »

Китайский астрофизик открыл самую быстровращающуюся звезду Млечного Пути
Изображение
Самая быстро вращающаяся звезда в Млечном Пути относится к спектральному классу О6.5 - это горячие голубые звезды
ESA / Hubble

Звезда LAMOST J040643.69+542347.8 находится во внешнем рукаве Млечного Пути на расстоянии около 30 тысяч световых лет от Солнца, причем ее верхние слои вращаются с рекордно большой скоростью — около 540 километров в секунду, что на 100 километров в секунду быстрее, чем у предыдущего рекордсмена HD 191423. О результатах спектроскопических наблюдений, которые позволили сделать это заключение, пишет астрофизик Гуан-Вей Ли (Guang-Wei Li) в препринте на arXiv.org.

Звезды вращаются вокруг своей оси с момента рождения — по мере коллапса облака газа в протозвезду момент импульса сохраняется, что приводит к быстрому вращению. Постепенно это вращение замедляется в результате взаимодействия магнитного поля звезды со звездным ветром, уносящим прочь массу. Например, точка на экваторе Солнца движется со скоростью чуть больше двух километров в секунду. Однако есть и звезды, которые вращаются экстремально быстро — самые быстрые известные к настоящему времени VFTS 285 и VFTS 102 в Большом Магеллановом облаке вращаются со скоростью около 610 километров в секунду. В нашей Галактике до последнего времени рекорд скорости вращения принадлежал HD 191423 — 435 километров в секунду. Реальная скорость вращения этих звезд может быть еще больше — ведь мы можем измерить только скорость в проекции на луч зрения.

Одиночную звезду заставить быстро вращаться непросто — обычно быстровращающиеся звезды находятся в двойных системах и обязаны высокой скоростью своим компаньонам, с которыми активно обмениваются веществом. Они могут быть источником такого интересного явления, как длинные гамма-всплески. Кроме того, быстрое вращение кардинально влияет на циркуляцию вещества внутри звезды. Оно перемешивается — водород переносится в ядро, а продукты углерод-азот-кислородного цикла — на поверхность, что увеличивает продолжительность жизни звезды и ее светимость.

Гуан-Вей Ли (Guang-Wei Li) называет открытие самой быстровращающейся звезды в Галактике счастливой случайностью — оно было сделано в процессе поиска при помощи спектроскопического телескопа LAMOST звезд класса О — это горячие голубые звезды — с эмиссионными линиями водорода. Спектральный класс LAMOST J040643.69+542347.8 был определен как О6.5. Необычно широкие линии в спектре указали на быстрое вращение звезды: дело в том, что от приближающегося к нам края звезды все линии спектра смещаются в голубую часть спектра, от удаляющегося — в красную, и в результате сложения спектральные линии становятся тем шире, чем быстрее вращается звезда. Для надежного измерения скорости вращения автор использовал линию поглощения ионизированного гелия He II λ4542 — она формируется глубоко внутри фотосферы и звездный ветер на нее уже не влияет. Оказалось, что скорость вращения верхних слоев звезды в проекции на луч зрения примерно равна 540 километрам в секунду, что на 100 километров в секунду быстрее, чем у обнаруженной в 2001 году HD 191423.
Изображение
Линии спектра звезды, которая вращается, шире.
Rice University


Некоторые спектральные линии одновременно демонстрировали излучение и поглощение: на фоне широкой эмиссионной линии наблюдался узкий провал поглощения. Это объясняется тем, что излучение и поглощение квантов света в окрестностях одной и той же линии относятся к разным частям звезды. Широкая линия излучения идет от экваториальной области с быстрым вращением, а узкая линия поглощения — от полярных областей, где гравитация из-за близости к центру сильнее, плотность выше, а вращение медленнее, чем на экваторе.

Также оказалось, что LAMOST J040643.69+542347.8 еще и аномально быстро движется относительно межзвездной среды. Такие звезды называют убегающими — и кстати, предыдущий рекордсмен по скорости вращения HD 191423 тоже относится к этому типу. Более того, самые быстровращающиеся звезды, известные на сегодня — VFTS 285 и VFTS 102 в Большом Магеллановом облаке — также убегающие.

Звездная величина LAMOST J040643.69+542347.8 составляет 13,9. Это позволяет провести ее дальнейшие спектроскопические наблюдения в высоком разрешении — LAMOST, при всей его огромной фокальной плоскости, обладает низким спектральным разрешением. Особенно интересно, по мнению автора, было бы узнать состав поверхности звезды и сравнить его с HD 191423, где были зафиксированы перенасыщенность азотом и гелием и недостаток углерода и кислорода.

При помощи телескопа LAMOST уже была обнаружена гиперскоростная звезда. Кроме того, китайские ученые заявляли об открытии рекордно крупной черный дыры звездных масс, которое впоследствии было признано ошибочным.

Евгения Скареднева
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1037   morozov »

Точные эксперименты не подтвердили наличие у нашей Вселенной дополнительных свернутых измерений 6.3

Сверхточные эксперименты позволили оценить гравитацию на дистанциях менее 50 микрометров и не обнаружили никаких следов свернутых измерений Вселенной.

©Piner

Как известно еще со времен Ньютона, сила притяжения между массивными телами ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Такая зависимость вытекает непосредственно из геометрии трехмерного пространства. Вместе с тем многие современные космологические теории предполагают, что у нашей Вселенной их куда больше, только эти «дополнительные измерения» свернуты, компактифицированы и проявляют себя лишь на крайне малых масштабах.

Однако если свернутые измерения действительно существуют, то и сила гравитации должна меняться не в строгом согласии с обратной квадратичной зависимостью. На космических — да и просто на наших «бытовых» — масштабах этого не заметить. Чтобы обнаружить «утекание» части гравитационной энергии в дополнительные измерения, приходится ставить сверхточные опыты в строго контролируемых лабораторных условиях.

Такую работу провела команда профессора Вашингтонского университета, крупного специалиста по экспериментальным исследованиям гравитации Эрика Эдельбергера (Eric Adelberger). Их статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Чтобы измерить притяжение с нужной точностью, ученые следили за вращением быстро раскрученного диска («детектора»), на который воздействует периодически меняющаяся сила гравитации.

Эту силу создавал еще один диск («аттрактор»), вращавшийся рядом с ним в той же плоскости. На них нанесли бороздки, которые при вращении с определенными скоростями регулярно совпадали друг с другом, и диски оказывались то слегка ближе, то чуть дальше друг от друга. Периодические изменения в силе притяжения можно было точно зарегистрировать по ее влиянию на вращение «детектора».

Изображение
Экспериментальная установка с вращающимися дисками — «детектором» и «аттрактором» / ©Lee et al., 2020

Экспериментальная установка совершенствовалась несколько лет. В новой версии ученые ввели дополнительную стабилизацию от посторонних вибраций. Кроме того, систему укрыли электростатическим «щитом», который экранирует ее от воздействий внешних электромагнитных полей, способных повлиять на поведение дисков и исказить данные измерений. Наконец, геометрия бороздок была выбрана таким образом, чтобы проводить измерения в трех режимах вращения и избавиться от возможных систематических ошибок.

Такая работа позволила точно зарегистрировать гравитацию на дистанции менее 50 микрометров — и не обнаружить никаких признаков свернутых измерений. На этом масштабе гравитация меняется в том же строгом согласии с законом обратных квадратов, что и при изучении небесных тел. Физикам предстоит идти дальше — к более микроскопическим расстояниям и точным наблюдениям.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1038   morozov »

Часы на крыше японского небоскреба подтвердили гипотезу Эйнштейна
Эксперимент показал, что гравитация влияет на время
Изображение
Небоскреб Tokyo Sky Tree
© EPA/EVERETT KENNEDY BROWN

ТОКИО, 8 апреля. /ТАСС/. Японские ученые экспериментально доказали, что на удалении от поверхности земли течение времени ускоряется. Это подтвеждает гипотезу Альберта Эйнштейна о том, что гравитация влияет на течение времени, пишет газета "Майнити". Статью физиков опубликовал научный журнал Nature Photonics.

Согласно предположениям Эйнштейна, искажение поля пространства-времени связано с гравитацией. Соответственно, чем больше гравитация, тем сильнее искажается это поле и, в частности, тем медленнее течет время. Однако заметить эту разницу чрезвычайно сложно.

Чтобы проверить предположение знаменитого ученого, физики под руководством профессора Токийского университета Хидэтоси Катори использовали оптические атомные часы, которые основаны на колебаниях квантовых частиц. Этот прибор очень точен: чтобы такие часы отстали хотя бы на секунду, должно пройти не менее 30 млрд лет.

В ходе эксперимента ученые разместили синхронизированные друг с другом часы на первом этаже самого высокого в Японии небоскреба Tokyo Sky Tree и на его смотровой площадке, на высоте 450 метров от поверхности земли.

Сверка показаний выявила, что часы на смотровой площадке, шли примерно на 5 стотрилионных долей секунды быстрее, чем часы на первом этаже. За сутки отставание "нижних часов" составило примерно 4,3 наносекунды (наносекунда – одна миллиардная часть секунды).

Согласно расчетам исследователей, за один год разница между часами составила бы примерно 1,6 микросекунды (микросекунда – одна милионная часть секунды). Авторы эксперимента не нашли этому иного объяснение кроме того, что ход "нижних часов" замедляла сила гравитации.

Соответственно, физики подтвердили гипотезу Эйнштейна. В будущем ученые планируют провести аналогичный эксперимент, но с гораздо большим расстоянием между двумя приборами.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1039   morozov »

Горячая гонка за холодильником XXI века

Так называется мини-обзор, опубликованный в научно-популярном издании Physics Американского физического общества (APS) [1]. На планете становится все жарче, что увеличивает спрос на кондиционеры и холодильные машины (на них уже приходится 20% глобального потребления энергии), что, в свою очередь, приводят не только к еще большему нагреву окружающей среды, но и к попаданию хладогента в атмосферу. Вырваться из этого порочного круга или хотя бы смягчить последствия человеческой деятельности могли бы твердотельные технологии охлаждения, приход которых энтузиасты сравнивают с полупроводниковой революцией 20-го века, а профессионалы – с наблюдающимся в последнее десятилетие вытеснением ламп накаливания светодиодными элементами.

Общая идея твердотельного охлаждения едина для всех типов используемых материалов: энтропия, ассоциированная с колебаниями решетки, уменьшается за счет увеличения энтропии другой подсистемы кристалла, реагирующей на внешнее воздействие. Меняется только вид воздействия и тип подсистемы: магнитной, механической или сегнетоэлектрической. Наиболее наглядно иллюстрирует принцип твердотельного охлаждения магнитокалорический цикл (рис. 1): при выключении магнитного поля подсистема магнитных ионов разупорядочивается и возрастание энтропии в ней позволяет понизить энтропию кристаллической решетки – в этот момент происходит контакт с охлаждаемым объектом. После того как рабочее тело нагрелось, его снова намагничивают, сбрасывая избытки тепла в окружающую среду.

Изображение

Рис. 1. Магнитокалорический цикл [1].

“Физический принцип понятен, и ясно как его реализовать на практике. Однако остается неясным, как сделать это экономично”, – говорит проф. Vitalij Pecharsky U.S.Department of Energy’s Ames Laboratory, Iowa (США). Существуют проблемы износа дорогостоящего материала при большом количестве циклов, а также большой величины используемых магнитных полей. Кроме того, величины адиабатического изменения температуры относительно невелика – порядка 10˚С.

В этой связи могут оказаться перспективными эластокалорические материалы с памятью формы, уже используемые в строительстве для поглощения энергии сейсмических колебаний в зданиях. С такой идеей выступил проф. Ichir Takeuchi из Univ. of Maryland (США). Пример рабочего тела холодильника на основе полых трубок из эластокалорических сплавов (Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Cu-Ti-Ni) приведен на рис. 2. На похожем принципе циклического механического воздействия основаны барокалорические холодильники, в этом случае, образец подвергается гидростатическому сжатию. В таком барокалорическом материале как неопентилгликоль наблюдаются рекордные для твердотельного охлаждения величины адиабатического изменения температуры – 50˚С.

Завершает ряд интервью американских исследователей, представленных в [1], Qiming Zhang из Pennsylvania State Univ. (США) полимерными электрокалорическими материалами, позволяющими достигать охлаждения на 20˚С. Поскольку электрическое поле подвержено эффекту экранирования, такие материалы лучше использоваться в тонкопленочных структурах, для охлаждения элементов электронных схем.

Изображение

Рис. 2. Рабочее тело эластокалорического
холодильника (Ichiro Takeuchi, Univ. of Maryland).

В статье журнала американского физического общества не стоит ожидать подробного освещения роли российских исследователей, поэтому для дополнения картины сошлемся на пионерские работы отечественных ученых по гигантским магнитокалорическому [2] и электрокалорическому [3] эффектам, а также на недавний обзор [4] и монографию [5] по магнитокалорическим материалам.

Желающим познакомиться с другими применениями магнитокалорических материалов в технологиях энергосбережения, в частности в автономных маломощных генераторах, осуществляющих преобразование техногенных или природных переменных магнитных полей в постоянное электрическое напряжение (energy harvesters), можно рекомендовать недавний обзор [6].

А. Пятаков

1. I. Amato, Physics 13, 21 (2020).

2. S.A.Nikitin et al., Phys. Lett. A 148, 363 (1990).

3. A.S.Mischenko et al., Science 311, 1270 (2006).

4. R.Gimaev et al., Int. J. of Refrigeration 100, 12 (2019).

5. A.M.Tishin, Y.I.Spichkin, The magnetocaloric effect and its applications, CRC Press, 2016.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1040   morozov »

Измерение оптического резонанса шириной 0,1 Гц
1 мая 2020

W. Qu (Фуданьский университет, Китай) и соавторы разработали методику, основанную на слабых квантовых измерениях, с помощью которой удалось измерить резонансную линию шириной менее 0,1 Гц [1]. Через газ атомов 87Rb, находящихся в магнитном поле, пропускались лазерные импульсы. Импульсы с разной круговой поляризацией вызывали индуцированную прозрачность со временным сдвигом, в результате чего прозрачность среды имела вид узкого резонанса в области перекрытия импульсов. На выходе импульсы регистрировались двумя детекторами, и корреляционный сигнал через петлю обратной связи управлял акусто-оптическим модулятором на входе, что позволяло выполнять слабые квантовые измерения узкого резонанса. На основе данной методики был создан магнитометр с чувствительностью 7 фТ Гц-1/2. Подобные магнитометры могут найти применение в различных областях, в том числе, в медицине. [1] Qu W et al., Nature Communications 11 1752 (2020)

Спектроскопия молекул внутри нанокапель гелия
1 мая 2020

Спектроскопия с фемтосекундным разрешением по времени позволяет исследовать динамику быстрых электронных переходов, в том числе, в процессах фотовольтаики и при фотосинтезе. Одним из важных направлений является спектроскопия молекул, находящихся в окружении других веществ, например в растворах. Передача окружающему веществу энергии, полученной при фотоионизации, предохраняет молекулу от фрагментации, но, в то же время, окружение сильно влияет на молекулу, затрудняя измерение её собственных свойств. B. Thaler (Грацский технический университет, Австрия) и соавторы обнаружили [2], что для молекул In2 внутри нанокапель сверхтекучего гелия этой проблемы не возникает, т.к. влияние гелия очень слабое. Нанокапли получались путем распыления гелия из сопла в вакуумную камеру, и затем при пропускании через камеру паров индия в каждую нанокаплю попадало в среднем по два атома In, объединявшихся в молекулу. Нанокапли освещались лазерными импульсами, и по спектру вылетающих фотоэлектронов было обнаружено два типа динамики: эжекция In2 из нанокапель и колебания молекул In2 внутри нанокапель с периодом 0,42 пс. Колебания продолжались в течение десятков пс и с уменьшенной амплитудой возобновлялись через каждые 145 пс. Затухания колебаний происходили за счёт дефазировки. При этом возмущения, вносимые сверхтекучим гелием в процесс колебаний, были в 10–100 раз ниже по сравнению с любым другим растворителем. [2] Thaler B et al., Phys. Rev. Lett. 124 115301 (2020)

Новый класс полупроводников
1 мая 2020

Обычный кремний с кубической кристаллической решёткой находит широкие применения, однако он имеет непрямую запрещённую зону, когда зона проводимости и валентная зона смещены друг относительно друга, и излучение фотонов невозможно. Поэтому на основе обычного кремния нельзя создать источники света для микроэлектроники. E.M.T. Fadaly (Технический университет Эйндховена, Нидерланды) и соавторы обнаружили [3], что при модификации кристаллической решётки в гексагональную сплав кремния с германием hex-Si1-xGex при x > 0,65 становится прямозонным. Это показано путём вычислений методом функционала плотности и затем подтверждено в эксперименте. Технологически сложная задача получения сплава с гексагональной структурой и малой плотностью дефектов была решена путём использования подложки из GaAs, на которую осаждались Si и Ge. Фотолюминесцентная спектроскопия показала наличие узкого эмиссионного пика с температурной зависимостью и временем рекомбинации ≈ 1 нс, характерными для прямозонных полупроводников. Таким образом, в данной работе продемонстрирован новый класс полупроводников, на основе которых можно создавать источники света, непосредственно интегрированные в кремниевые чипы. Это открывает новые перспективы для наноэлектроники, фотоники и информационных технологий. О применении полупроводников см. в [4], [5]. [3] Fadaly E M T et al., Nature 580 205 (2020) [4] Вавилов В С, УФН 165 591 (1995) [5] Баранов П Г и др., УФН 189 849 (2019)

Анизотропия Вселенной?
1 мая 2020

Предположение о том, что скорость расширения и другие свойства Вселенной одинаковы во всех направлениях, лежит в основе стандартной космологической модели. Хотя анизотропные космологические модели теоретически рассматривались уже давно, крупномасштабная изотропия реальной Вселенной до последнего времени почти не вызывала сомнений. Самое сильное свидетельство изотропии следует из наблюдений реликтового излучения. Если исключить тривиальную дипольную анизотропию, связанную с движением солнечной системы относительно реликтового излучения, то Вселенная будет выглядеть практически изотропной, за исключением некоторых асимметрий, которые могут являться статистическими флуктуациями, или аномалий типа Холодного пятна. О возмущениях в реликтовом излучении см. в обзоре О.В. Верходанова [6]. K. Migkas (Боннский университет, Германия) и его коллеги реализовали новый чувствительный метод исследования, который неожиданно выявил наличие статистически значимой крупномасштабной анизотропии Вселенной [7]. Изучалась связь между рентгеновской светимостью и температурой горячего газа в скоплениях галактик в разных направлениях. При независимом определении красного смещения, этот метод дает модельно-независимые результаты. Использовались данные по 313 скоплениям галактик из каталога ROSAT All-Sky Survey и обзоров Chandra и XMM-Newton. Оказалось, что в разных направлениях на небе нормировка соотношения температура-светимость варьируется на 16 ± 3 %. С достоверностью ≈ 4σ это говорит о том, что Вселенная в разных направлениях расширяется с разной скоростью. А при комбинации с дополнительными данными по 842-м скоплениям галактик достоверность возрастает до ≈ 5,5 σ. Максимум дополнительной анизотропии смещён на ≈ 50°-100° по отношению к оси диполя, связанного с движением Солнца. Природа обнаруженной анизотропии пока не выяснена. Поглощение рентгеновского излучения в облаках газа в локальной области Вселенной слабо и не может служить объяснением. Возможно, анизотропия связана с неоднородностью заполняющей Вселенную тёмной энергии или наличием крупномасштабных потоков вещества. Подтверждение анизотропии Вселенной имело бы большое научное значение -- оно изменило бы устоявшуюся космологическую парадигму, поэтому необходимы дополнительные проверки и исследования. [6] Верходанов О В, УФН 186 3 (2016) [7] Migkas K et al., Astronomy & Astrophysics 636 A15 (2020)

Физика вирусов
1 мая 2020

В современной микробиологии физические методы исследования играют принципиально важную роль. К примеру, с помощью электронных микроскопов впервые были получены изображения вирусов, рентгенограммы кристаллизованных вирусов позволили выяснить их структуру, а сканирующие атомно-силовые микроскопы позволяют детально исследовать форму белковой оболочки вируса (капсиды). В биофизике также широко изучаются процессы самосборки вирусов из РНК/ДНК и белков и механические свойства вирусных частиц [8]. Всё это может помочь в разработке эффективных вакцин и лекарств. И наоборот, развитые в микробиологии методы получают применение в нанотехнологиях. В будущем вирусы и вирусоподобные частицы могут использоваться, например, в качестве средства доставки лекарственных средств в клетки и даже в качестве строительных блоков в микроэлектронике. Для этих и других целей важно понимать физико-химические свойства вирусов. В новом исследовании J. Shang (Миннесотский университет, США) и соавторов [9] с помощью метода кристаллизации и рентгеновской дифракции построена трёхмерная модель белка коронавируса SARS-CoV-2 и определены рецепторы, находящиеся на шиповидных белковых выростах, ответственных за проникновение вируса в клетку. Эти результаты важны как для выяснения эволюционного происхождения SARS-CoV-2, так и для поиска методов лечения и профилактики. О физических процессах в микробиологии и физических методах исследований биологических объектов см. также в [10], [11] и [12]. [8] Buzon P, Maity S, Roos W H; Physical virology: From virus self‐assembly to particle mechanics [9] Shang J et al., Nature, онлайн-публикация от 30 марта 2020 г. [10] Вайнштейн Б К, УФН 109 455 (1973) [11] Иваницкий Г Р и др., УФН 168 1221 (1998) [12] Твердислов В А, Малышко Е В, УФН 189 375 (2019)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1041   morozov »

Ученые повысили точность изображения сканирующих микроскопов
03:00 30.04.2020 (обновлено: 13:21 30.04.2020)

МОСКВА, 30 апр — РИА Новости. Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) и Тверского государственного технического университета (ТГТУ) нашли способ повысить до десяти раз точность микроскопов с нанометровым разрешением, предложив метод компенсации колебаний иглы микроскопа, которые оказывали негативное влияние на качество изображения. Результаты опубликованы в журнале Applied Surface Science Volume.
Как сообщили сотрудники ТПУ, метод сканирующей зондовой микроскопии с нанометровым разрешением основан на получении отклика зонда на взаимодействия иглы с поверхностью. Есть множество причин недостаточной точности метода, одна из них вызвана нестабильностью кантилевера, на конце которого находится игла.
Обычно, по словам ученых, исследователи рассматривают только колебания кантилевера. Однако игла вибрирует вместе с кантилевером, и у нее также есть свои собственные колебания, частота которых отличается от частоты кантилевера. Авторы исследования рассмотрели именно колебания иглы SWCNT.

Ученые ТПУ и ТГТУ проанализировали смещения наконечника иглы SWCNT от положения равновесия, воспользовавшись моделью математического маятника, создали модель уравнения колебаний иглы и установили аналитическую связь параметров иглы с характеристиками ее неустойчивости.
"На основе соотношений между колебанием иглы, ее топографией и структурными свойствами мы проанализировали движения иглы в системе "атомы иглы — атомы поверхности" и выяснили, что колебания иглы приводят к увеличению размера фрагмента исследуемой поверхности до размера траектории колебания иглы", — рассказала доцент отделения нефтегазового дела ТПУ Вера Деева.
Авторы исследования предложили компенсировать колебания иглы, выделяя отклонения центра острия иглы и центра сегмента поверхности под иглой в плоскости XY, с последующим их исключением из сигнала оптического датчика, используя модуляцию сигнала.

Предложенный метод компенсации колебания иглы, по словам ученых, предотвращает негативное влияние ее вибрации на качество изображения сканирующего микроскопа, уменьшая размытие сигнала. Это обеспечивает более высокую степень точности определения фрагмента исследуемой поверхности — от двух до десяти раз в зависимости от ее топографии и соразмерности ее неровностей размеру иглы.
В дальнейшем специалисты планируют исследовать возможность создания игл SWCNT с заданными параметрами осцилляции путем размещения в нужной последовательности атомов выбранных материалов, учитывая влияние выпадения или отсутствие атомов в листе SWCN. Это может быть полезным для многих наноотраслей, например для медицины при воздействии изнутри на внутренние стенки сосудов.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Где рождаются нейтрино

Номер сообщения:#1042   morozov »

Ученые из ФИАН, МФТИ и ИЯИ РАН установили, что нейтрино высоких энергий рождаются вблизи черных дыр в далеких квазарах.


Изображение
Телескоп РАТАН-600 помогает разобраться, где рождаются нейтрино
© Дизайнер: Д. Сокол, пресс-служба МФТИ


Российские ученые подошли к разгадке проблемы, которая в последние годы занимает умы физиков всего мира. Астрофизики сравнили данные, полученные на нейтринном телескопе IceCube в Антарктиде, с радиоастрономическими наблюдениями квазаров. В результате удалось найти связь между космическими нейтрино и вспышками в центрах далеких активных галактик. Согласно современным представлениям ученых, в центрах таких галактик расположены сверхмассивные черные дыры. Во время падения вещества на черную дыру часть потока частиц выбрасывается обратно, ускоряется и рождает нейтрино, которые затем со скоростью света летят через всю Вселенную.

Нейтрино – мельчайшие и загадочные элементарные частицы. Даже их массу ученые до сих пор не знают, настолько она маленькая. Нейтрино свободно проникают сквозь предметы, людей и даже нашу планету. Нейтрино высоких энергий могут рождаться только с помощью протонов, разогнавшихся почти до скорости света. Нейтринная обсерватория IceCube, начавшая работу в 2010 году, регистрирует такие нейтрино и измеряет их энергии и направления прихода. Астрофизики решили сфокусироваться на анализе происхождения нейтрино сверхвысоких энергий – более 200 триллионов электрон-вольт. Авторы сравнили измерения телескопа IceCube с многочисленными наблюдениями неба в радиодиапазоне и установили, что эти нейтрино образуются в центрах квазаров с массивными черными дырами, аккреционными дисками и выбросами очень горячего газа. Более того, найдена связь между рождением нейтрино и вспышками радиоизлучения в этих активных галактиках.



«Наш результат говорит о том, что нейтрино высоких энергий рождаются в активных ядрах галактик, причём именно в моменты вспышек радиоизлучения. Поскольку и эти частицы, и радиоволны распространяются по Вселенной со скоростью света, мы "видим" их на Земле одновременно», - рассказал аспирант Александр Плавин из Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН) и Московского физико-технического института (МФТИ). Далеко не каждому везет получить такой результат уже на старте научной карьеры.



Статья российских астрофизиков опубликована в авторитетном журнале Astrophysical Journal (работа также доступна из архива препринтов). В своей статье ученые на первом этапе показали, что направления, откуда на Землю приходят нейтрино сверхвысоких энергий, совпадают с положением ярких квазаров по данным сети радиотелескопов всего мира. На втором этапе физики решили проверить гипотезу о том, что нейтрино сверхвысоких энергий появляются в галактиках во время вспышек радиоизлучения. Для этого они использовали данные российского телескопа РАТАН-600, расположенного на Северном Кавказе в Карачаево-Черкессии. Всего было проанализировано около полусотни нейтрино высоких энергий, зарегистрированных IceCube. Ранее источники таких нейтрино искали преимущественно в гамма-лучах, поскольку считалось, что нейтрино должны рождаться вместе с гамма-излучением.



«До нас ученые искали источник нейтрино высоких энергий что называется «под фонарем». Мы же решили проверить нестандартную идею, не особо рассчитывая на успех. Но нам повезло! Многолетние совместные наблюдения на международных решетках радиотелескопов и замечательном российском РАТАНе позволили получить этот интереснейший результат. Именно радиодиапазон оказался ключевым для обнаружения источников нейтрино», – говорит Юрий Ковалев (ФИАН и МФТИ).



«Поначалу результат мне показался “слишком хорошим”, но проведя детальный анализ данных и многочисленные проверки, мы подтвердили явную связь нейтринных событий с радиоизлучением, которую затем проверили по многолетним измерениям вспышек излучения на радиотелескопе РАТАН-600 Специальной Астрофизической Обсерватории. Вероятность того, что этот результат случайный, составляет всего 0,2%. Это большой успех в нейтринной астрофизике, и теперь наше открытие требует теоретического объяснения», – заключает Сергей Троицкий (ИЯИ РАН).



Ученые собираются проверять свой результат и разобраться с механизмом рождения нейтрино в квазарах с помощью данных телескопа Baikal-GVD, который в настоящее время достраивается на Байкале и уже начал набор данных. Как в IceCube, так и в Baikal-GVD используются водные «черенковские» детекторы: большой объем воды (льда) позволяет увеличить число детектируемых нейтрино и одновременно защититься от случайных срабатываний детектора. Понятно, что без продолжающего свои наблюдения далеких галактик РАТАН-600 близ известного многим Архыза тоже никак не обойтись.


АКЦ ФИАН и пресс-служба МФТИ

________________________________________

Для справки:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской Академии наук (ИЯИ РАН) образован в 1970 году постановлением Президиума АН СССР на основе решения Правительства, принятого по инициативе Отделения ядерной физики АН СССР. Институт организован в целях создания современной экспериментальной базы и развития исследований в области физики элементарных частиц и высоких энергий, атомного ядра, физики и техники ускорителей, физики космических лучей, космологии и физики нейтрино. В состав ИЯИ РАН входят филиал Баксанская нейтринная обсерватория (пос. Нейтрино, КБР), сильноточный линейный ускоритель ионов водорода (г. Троицк, Москва) и Байкальский глубоководный нейтринный телескоп (Слюдянский район, Иркутская область).

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальная астрофизическая обсерватория Российской академии наук (САО РАН) образована в 1966 году постановлением Президиума АН СССР на основе решения Совета Министров от 1960 г. Обсерватория создана на правах научно-исследовательского института в целях исследований физики и эволюции внегалактических объектов, звезд и межзвездной среды, тел Солнечной системы, теоретических исследований в области астрофизики и проведения поисковых работ, в целях разработки и внедрения новейшей приемной аппаратуры и методов наблюдений на больших телескопах. На базе САО РАН действуют уникальные научные установки Большой телескоп альт-азимутальный (БТА) и радиотелескоп РАТАН-600. САО РАН является центром коллективного пользования на основании Постановления Президиума Академии наук СССР от 3 июня 1966 года №420.

Московский физико-технический институт (МФТИ) — ведущий технический вуз страны, который входит в престижные рейтинги лучших университетов мира. Здесь обучают фундаментальной и прикладной физике, математике, информатике, химии, биологии, компьютерным технологиям и другим естественным и точным наукам. Сегодня Физтех — это передовой научный центр. За последние годы здесь были открыты 64 новые лаборатории, где работают ученые с мировым именем.

Лаборатория фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ под руководством Юрия Ковалева, член-корреспондента РАН, главного научного сотрудника Астрокосмического центра (АКЦ) ФИАН, занимается изучением как джетов квазаров, так и исследованием структур магнитосферы пульсаров, аккреционных дисков и струйных выбросов из молодых звезд, изучением двойных черных дыр и других тесных двойных систем.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1043   morozov »

Разгадана тайна Х-образной галактики
Ученые стали ближе к пониманию одного из самых необычных небесных объектов.
Изображение
Команда американских и южноафриканских ученых опубликовала детализированные изображения необычной радиогалактики в форме буквы Х — PKS 2014-55. Об этом сообщает The Conversation.
Фото: South African Radio Astronomy Observatory

Для получения новых изображений исследователи использовали телескоп MeerKAT, состоящий из 64 антенн. Два гигантских изогнутых «лепестка» галактики состоят из горячих джетов электронов, которые вырываются из сверхмассивной черной дыры в центре PKS 2014-55.

От этих половинок галактики исходит мощное электромагнитное излучение в спектре, который могут уловить только радиотелескопы. Если бы человеческий глаз был способен видеть эти волны, с Земли PKS 2014-55 по размеру выглядела бы как Луна.

Самое интересное в PKS 2014-55 — ее форма. Обычно радиогалактики имеют лишь основной обод, который пронизывает джет черной дыры. Исследуемый объект же имеет два лепестка, изгибающихся под необычным углом.

Ученые считали, что эта галактика состоит из двух сверхмассивных черных дыр, испускающих два мощных потока частиц. Другая теория предполагала, что черная дыра изменила свой спин, и из-за смены оси вращения появился второй джет.

Но недавние наблюдения с MeerKAT дают весомые аргументы в пользу того, что две большие части галактики — это быстро движущиеся частицы, исходящие от черной дыры, две более мелких — поток частиц, возвращающийся назад.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1044   morozov »

Экологичный клей из нанокристаллов целлюлозы и… воды

Склеивание, по определению энциклопедий и справочников – “метод получения неразъемного соединения, основанный на адгезии клеевой прослойки и склеиваемого материала”. Адгезия может быть обусловлена химическими связями или межмолекулярным (преимущественно ван-дер-ваальсовым) взаимодействием. Клеевая прослойка, естественно, формируется из клея, природного или синтетического. Природные клеи бывают и неорганические (керамические, силикатные, фосфатные и др.), и органические (животные, растительные). Самые древние, пожалуй, те, которые делали из костей и сухожилий, из чешуи рыб. Хоть и древние, но их и сейчас используют. Из растительных наиболее известны клеи на основе крахмала. Наверно, кое-кто еще помнит, как с помощью крахмала заклеивали на зиму окна бумажными полосками…Конечно, в наше время наиболее широко распространены синтетические клеи (феноло-формальдегидные, эпоксидные, полиуретановые, поливинилацетатные, поливинилхлоридные, акрилатные и др.). Один из самых популярных – “суперклей” на основе цианоакрилата.

Кстати, изобретение “суперклея” (Super Glue) – пример того, как важны даже отрицательные результаты научных исследований. В 1942 году, во время Второй мировой войны, молодой американский химик Гарри Кувер (Harry Coover) участвовал в работах по поиску прозрачных пластиков, которые могли быть использованы в качестве прицелов. Он изучал различные вещества, среди которых были цианоакрилаты, но они не подошли – оказались слишком клейкими. Позже, в 1951 году, при разработке термостойкого покрытия для реактивного самолета Гарри Кувер вернулся к своим любимым цианоакрилатам. Для решения новой задачи они опять не подошли, зато прочно склеили (и испортили!) один из приборов, с помощью которого изучали их свойства. Но теперь ученый понял, как можно использовать этот материал, и после упорной работы Кувера с коллегами по оптимизации состава в 1958 году на рынке появился “Super Glue” – суперклей…

Этот клей, как и другие клеи, если склеит, так уж склеит. А ученым и инженерам по-прежнему хочется разработать такой клей, который позволял бы не только прочно склеивать детали, но и при необходимости расклеивать их. Примеры мы видим в живой природе – это “сухой адгезионный клей”, которым пользуются ящерицы гекконы и некоторые насекомые, например, пауки, умеющие передвигаться по вертикальным стенам и даже потолку (подробнее см. ПерсТ [1,2]). У гекконов адгезию за счет сил Ван-дер-Ваальса обеспечивают щетинки на лапках. Эти щетинки на концах делятся на лопатообразные кончики из β-кератина размером 100-200нм. По мотивам этих лапок ученым удалось создать массивы углеродных нанотрубок, обеспечивающих довольно высокую адгезию к подложке [1]. Правда, практического применения эти материалы пока не нашли. Современные методы исследования позволили получить новую детальную информацию о структуре и составе различных зон щетинок ходильных ног странствующего паука [2]. На концах щетинок находятся контактные элементы, пластинки размером ~ 1 мкм и толщиной 20 нм, которые и обеспечивают высокую адгезию к поверхности за счет сил Ван-дер-Ваальса. “Отклеивание” у живых существ происходит за счет определенного движения лапок, включая изменение угла контакта щетинок с поверхностью. Воспроизводить, причем неоднократно, такое действие в биомиметическом клее, конечно, невозможно. Однако недавно коллективу ученых из Финляндии, Японии, США и Канады удалось создать клей, действующий аналогично адгезионному “клею” лапок живых существ и позволяющий не только прочно склеивать, но и расклеивать детали [3]. Основа клея – нанокристаллы целлюлозы (далее CNCs – cellulose nanocrystals) и вода. Ученые продемонстрировали, что простое явление самосборки CNCs в водной суспензии приводит к многоуровневому упорядочению с образованием в итоге вытянутых ламелей с иерархической структурой. Адгезия ламелей к поверхности суперсильная. Самосборка происходит при испарении воды в ограниченном объеме (рис. 1). Процесс авторы назвали C-EISA (confined evaporation induced self-assembly). В эксперименте, показанном на врезке рис. 1, использована одна капля суспензии нанокристаллов целлюлозы длиной ~ 130 нм (CNCs имеют вытянутую форму, их поперечный размер существенно меньше – 5-10 нм). Испарение происходит при температуре 23оС в течение, как минимум, 2 часов.
Изображение
Рис. 1. C-EISA между двумя стеклянными пластинками приводит к образованию клея из суспензии CNCs. Схема иллюстрирует ориентированное упорядочение, возникающее благодаря самосборке нанокристаллов при испарении воды в ограниченном объеме. Черная и красная стрелки F показывают анизотропные силы вдоль плоскости и перпендикулярно ей, соответственно. Врезка справа – пример суперструктурированных связей с многоуровневым упорядочением CNCs с дальним порядком. Использована суспензия из 2.2 мг CNCs и 20 мкл воды.
По адгезии новый “растительный” клей сравним с лучшим суперклеем. Сила адгезии (сила, необходимая для разделения поверхностей) в экспериментах [3] в среднем равна 4.7 МПа (максимум достигает 7 МПа) в направлении вдоль плоскости. Испытание клея под нагрузкой показано на рис. 2.
ИзображениеИзображение
Рис. 2. Испытание клея под нагрузкой. DCNC = 0.33 мг/см2

Но у нового клея есть и другие замечательные свойства. В перпендикулярном направлении сила адгезии во много раз ниже – всего 0.08 МПа. Такая сильная анизотропия позволяет склеивать и расклеивать поверхности.

На рис. 3 показан пример прочного склеивания с использованием 2.2 мг CNCs. Площадь контакта 1 см2. Для расклеивания достаточно нажать большим пальцем перпендикулярно плоскости (это особенно хорошо видно на видно на видео №3 в дополнительном материале к статье [3]).

Изображение
Рис. 3. Иллюстрация анизотропии силы адгезии, полученной с 2.2 мг CNCs при площади контакта
1 см2. Нажатия большим пальцем той же руки достаточно, чтобы разъединить детали.

Такая анизотропия особенно желательна, если требуется повторное использование хрупких ценных элементов. Клей легко убрать, просто потерев пальцем.
Прочность адгезии, как определили исследователи, зависит не от концентрации нанокристаллов целлюлозы, а от площади контакта и дальнего порядка ансамбля частиц. Структура ламелей видна на SEM изображениях (рис. 4).
ИзображениеИзображениеИзображение

Рис. 4. Иерархическая структура ламелей:
а - стрелка показывает направление испарения суспензии;
b - увеличенное изображение участка 1 на рис. 4а;
c - увеличенное изображение участка 2 на рис. 4b.

Исследования с помощью SEM, SAXS, far-IR показали, что процесс самосборки происходит в три стадии. Схема приведена на рис. 5. При высыхании суспензии нанокристаллы целлюлозы концентрируются у фронта высыхания и выстраиваются параллельно друг другу. Из близко расположенных CNCs благодаря межмолекулярным взаимодействиям формируются ламели. Вне ламелей CNCs нет (рис. 4), что свидетельствует о сильной внутренней когезии. Многоуровневое упорядочение начинается с молекулярного уровня (цепочки макромолекул целлюлозы) и заканчивается на макроуровне образованием ламели из стержнеобразных CNCs, ориентированных вдоль её продольной оси параллельно друг другу. Это напоминает иерархические биологические структуры – какие, например, создала природа для лапок геккона.
Изображение
Рис. 5. Схема механизма самосборки нанокристаллов целлюлозы в процессе C-EISA.
Процесс идет в три стадии: t1 - CNCs концентрируют вблизи границы воздух-вода (вид сбоку и вид сверху),
t2 - локальная концентрация растет, расстояния между кристаллами резко уменьшаются, образуются внутримолекулярные и межмолекулярные связи, начинается ориентирование CNC и формирование ламели;
t3 – при высыхании CNCs выстраиваются параллельно друг другу и формируют ламели, прочно связанные с поверхностями, растет дальний порядок.
Склеивание происходит довольно медленно, и для его ускорения потребуются дальнейшие исследования. Тем не менее, исключительная анизотропия адгезии, устойчивость по отношению ко многим растворителям и высокая термостабильность (температура разложения выше 230оС) открывают широкие перспективы применения. Немаловажно, что получение суперпрочного клея – “зеленый” процесс. Основные компоненты – нанокристаллы целлюлозы, которые могут быть синтезированы из дешевой остаточной биомассы (например, сельскохозяйственного производства) или переработанной бумаги, и вода.

О. Алексеева

1. ПерсТ 13, вып. 6, с.4 (2006).

2. ПерсТ 26, вып. 5/6, с.4 (2019).

3. B.L.Tardy et al., Adv. Mater. 32, 1906886 (2020).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1045   morozov »

4200 градусов по Цельсию: российские учёные создали самый огнеупорный материал в мире

21 мая 2020, 09:36
Арсений Скрынников

Материаловеды МИСиС создали керамический материал карбонитрид гафния, способный выдерживать рекордную температуру 4200 °C. Это подтверждают результаты компьютерного моделирования, предсказавшего огнеупорные свойства и высокую твёрдость такого материала. Ранее самым тугоплавким веществом с температурой плавления 3990 °C считался карбид тантала-гафния. После окончания пандемии коронавируса учёные планируют провести эксперимент, который определит температуру плавления нового материала.
4200 градусов по Цельсию: российские учёные создали самый огнеупорный материал в мире
Изображение
Gettyimages.ru © solarseven

Материаловеды Национального исследовательского технологического университета МИСиС создали самый огнеупорный в мире керамический материал карбонитрид гафния, способный выдержать температуру 4200 °C. Об этом сообщается в журнале Ceramics International.

До настоящего времени карбид тантала-гафния с температурой плавления 3990 °C считался самым огнеупорным соединением, созданным человеком. На идею создания более тугоплавкого вещества материаловедов МИСиС натолкнуло исследование американских коллег 2015 года, в котором с помощью компьютерного моделирования были предсказаны исключительные температурные свойства и высокая твёрдость композитного соединения гафния, углерода и азота. По расчётам исследователей из США, это вещество должно выдерживать примерно 4200 °C, отличаться высокой теплопроводностью и стойкостью к окислению.

«Для получения нового материала была использована тройная система гафний-углерод-азот. Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза мы получили вещество карбонитрид гафния — насыщенный азотом карбид гафния», — сообщил в беседе с RT автор работы, директор научно-исследовательского центра конструкционных и керамических наноматериалов МИСиС Дмитрий Московских.

Далее учёные сравнили плавкость двух материалов: исходного карбида гафния (плавится при 3990 °C) и полученного карбонитрида гафния. С помощью аккумулятора и молибденовых электродов они провели в глубоком вакууме одновременный нагрев двух материалов. В результате карбид оплавился, а карбонитрид остался в неизменном виде. Однако на данный момент, отмечают учёные, конкретную температуру плавления нового материала выше 4000 °С им определить не удалось.

Чтобы подтвердить все свойства нового материала, предсказанные компьютерным моделированием, учёным необходимо провести дополнительные эксперименты. Для этого, по словам Дмитрия Московских, было заключено соглашение с Объединённым институтом высоких температур РАН о проведении пирометрического анализа, который был отложен из-за пандемии COVID-19.

После снятия ограничений намечено проведение исследования, во время которого карбонитрид гафния будет расплавлен лазером с одновременным измерением теплофизических свойств, включая температуру плавления.
Изображение
Предварительные исследования показали, что карбонитрид гафния способен выдержать температуру 4200 °C © НИТУ МИСиС

По мнению учёных, разработка подобных высокотемпературных материалов будет востребована при создании авиационной, ракетно-космической и специальной военной техники. На гиперзвуковой скорости и при прохождении через атмосферу Земли двигатели, крылья и носовые обтекатели летательных аппаратов работают при температурах выше 2000 °С и должны быть защищены от воздействия внешней среды. В таких аппаратах применяется керамическая теплозащита с использованием наиболее прочных и тугоплавких композитных материалов.

В дальнейшем для проверки возможности применения карбонитрида гафния в аэрокосмической промышленности запланировано гиперзвуковое исследование для изучения абляции — испарения внешних слоёв материала.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1046   morozov »

НАНОМАТЕРИАЛЫ

Упругость допированного силицена

Двумерные наноматериалы не сдают позиции в современных трендах научной периодики. Помимо графена под пристальным вниманием исследователей находится и его кремниевый аналог – силицен. В работе [1] исследователи из Ирана с помощью теории функционала плотности проанализировали влияние процессов адсорбции атомов водорода и фтора на механические характеристики этого квазидвумерного материала. По сути, они рассмотрели допированный силицен как с односторонним, так и полным покрытием атомами адсорбата (см. рис.).
Изображение
Атомная структура силицена с односторонней и полной гидрогенизацией/фторированием
(X обозначает атомы водорода или фтора)
Расчеты исследователи выполнили с помощью программного пакета Siesta на уровне теории PBE/DZP с учетом слабого ван-дер-ваальсового взаимодействия посредством включения дисперсионных поправок Гримме. Сначала авторы провели структурную оптимизацию незамещенного силицена, а также его водород- и фтор-содержащих производных и определили фононные спектры для подтверждения динамической устойчивости систем. Убедившись, что для всех рассмотренных образцов частоты оказываются действительными, они приступили к изучению их механических характеристик. Анализ упругих свойств незамещенного и допированного силицена при одноосной и равномерной (двухосной) механической деформации показал, что его модуль Юнга и модуль объёмного сжатия в процессе адсорбции уменьшаются. При этом влияние гидрирования на величину модуля Юнга более существенное, чем фторирования. Авторы отмечают, что при одностороннем растяжении пассивация приводит к уменьшению области упругих деформаций по сравнению с незамещенным силиценом. Другими словами, область пластических деформаций достигается при меньших механических воздействиях. При равномерном же растяжении, напротив, область необратимых деформаций наступает при более значительном растяжении по сравнению с незамещенным силиценом.

По мнению авторов, выявленный с помощью компьютерного моделирования факт изменения механических характеристик силицена в процессе адсорбции, существенен для практического применения этого двумерного наноматериала в качестве элемента сенсоров, датчиков и других наноразмерных устройств.

М. Маслов
1. M.Goli et al., Physica E 119, 113984 (2020).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1047   morozov »

Михаил Перельштейн

Физик
Связать и измерить

Физики из МФТИ вместе с коллегами из США собрали установку, которая позволяет проводить точные оптические измерения с помощью методов квантовой метрологии. Этот подход позволяет получить высокую точность, не прибегая при этом к дорогим и сложным трюкам, которые, например, используются в детекторах гравитационных волн LIGO. Один из авторов вышедшей сегодня статьи — постоянный автор N + 1 Михаил Перельштейн — рассказывает о том, что такое квантовая метрология, какие методы используются для высокоточных измерений и в чем особенность разработанной им и его коллегами оптической схемы.
Изображение
Установка для измерения позиции объекта, которая использует только оптическую когерентность
Н. С. Кирсанов / Лаборатории Физики Квантовых Информационных Технологий, МФТИ, 2019

Квантовые технологии обладают огромным потенциалом — за последние несколько лет мы убедились, что будущее многих областей науки зависит от их прогресса. После того как в 1994 году Питер Шор изобрел квантовый алгоритм разложения больших чисел на множители, который решает задачу экспоненциально быстрее любого классического алгоритма, появилось множество квантовых решений, нацеленных на классически трудноразрешимые задачи. Некоторые из таких решений были реализованы экспериментально с использованием современных многокубитных квантовых компьютеров. Недавно коллаборация Google показала квантовое превосходство на 53-кубитном сверхпроводящем процесоре в решении задачи эмуляции случайных квантовых цепей.

Другой тип задач, для решения которых можно использовать квантовые ресурсы, — это повышение точности измерений. Новые открытия нередко делаются благодаря новым высокоточным приборам: телескопы помогают астрономам глубже заглянуть в космос, биологи все точнее видят микромир с помощью новых микроскопов, а археологам нужны масс-спектрометры для определения возраста ископаемых. Пределы точности измерений замедляют прогресс во многих областях науки, от микрофизики до медицины. Тут и вступает в дело квантовая метрология, наука об измерениях, использующих квантовые ресурсы — она способна решить множество современных проблем.

Квантовая механика накладывает ограничения на точность измерений, которые выражаются в принципе неопределенности Гейзенберга. Для измерений этот принцип оборачивается тем, что точность растет линейно со временем измерения. Классические методы измерения этих пределов обычно не достигают из-за шума: согласно центральной предельной теореме, точность растет как корень из времени измерения. Однако гейзенберговская точность — то есть квадратичное ускорение по сравнению с классикой — может быть достигнута с помощью квантовых трюков, таких как сжатие и запутывание. Но поддерживать запутанность большой системы экспериментально трудно — на сегодняшний день удалось запутать лишь несколько десятков кубитов, а создание сжатого света требует сложных нелинейных элементов, таких как нелинейные оптические кристаллы или параметрические осцилляторы.

Есть, впрочем, другой квантовый подход, который позволяет достичь линейного роста точности измерений. Он использует квантовую когерентность. Его выгодно отличает то, что ему достаточно лишь одной когерентной квантовой системы — без необходимости создания запутанности или сложных нелинейных взаимодействий. Такой подход предложил в 1995 году выпускник МФТИ Алексей Китаев, там используется квантовый алгоритм оценки фазы, задействующий когерентность для измерения физических величин.

Сперва квантовый объект, обладающий когерентностью, приготавливается в специальном состоянии, чувствительном к параметрам изучаемой системы. Затем между квантовым объектом и системой происходит взаимодействие, которое задает фазу волновой функции квантового объекта. И затем вы можете узнать интересующие вас параметры системы, просто считывая значение фазы. Это неинвазивный подход, он не портит состояние изучаемой вами системы, что актуально, например, для биологии. С помощью алгоритма оценки фазы, реализованном на сверхпроводящих кубитах, можно измерять слабые магнитные поля. В этом случае магнитное поле связывается со сверхпроводящим кольцом в кубите, модулируя его энергию и фазу, и затем с помощью микроволновых импульсов можно считать состояния кубита, которое зависит от магнитного поля. В 2018 году наша группа продемонстрировала превосходство такого квантового сенсора над классическими аналогами. Благодаря квантовой когерентности кубита такой метод превосходит по точности и SQUID-магнетометры, в которых поле также связывается со сверхпроводящим кольцом.

Результат эксперимента по измерению магнитного поля с помощью разных квантовых алгоритмов оценки фазы (красная и синяя кривая) и с помощью классического алгоритма (зеленая кривая). Видно, что за квантовые алгоритмы точнее определяют значение магнитного поля.
ИзображениеИзображение
S. Danilin, A.V. Lebedev, A. Vepsalainen, G. B. Lesovik, G. Blatter, and G. S. Paraoanu / npj Quantum Information, 2018

Экспериментальная схема сверхпроводящего кубита как сенсора магнитного поля. Кубит содержит сверхпроводящее кольцо (синий), которое чувствует внешнее магнитное поле, создаваемое проводником с током (красный). Эксперимент проводился при температуре 20 миликельвин.
Изображение
Изображение
S. Danilin, A.V. Lebedev, A. Vepsalainen, G. B. Lesovik, G. Blatter, and G. S. Paraoanu / npj Quantum Information, 2018

1/2

Еще одно преимущество алгоритма оценки фазы состоит в том, что он может быть реализован на физических системах, которые проявляют волновое, но в то же время классическое поведение. И значит методы, заимствованные из квантовой метрологии, могут быть применены к классическим оптическим фазовым измерениям, которые используются для определения положения и скорости перемещения объектов.

Собственно, мы и разработали такое многолучевое линейно-оптическое устройство, способное выполнять алгоритм оценки фазы с использованием интерференции. Оно работает при комнатной температуре, состоит из зеркал, фазовых пластин и светоразделительных элементов. Интерференционные схемы очень точны в оптических измерениях, и детектор гравитационных волн LIGO тому пример: только там гейзенберговская точность достигалась путем объединения интерферометров Майкельсона и Фабри-Перо и использования сложных и дорогих сжатых состояний света.

Наше же устройство позволяет проводить измерение позиции объекта, используя лишь оптическую когерентность. В эксперименте мы определяли позицию прозрачных оптических элементов, расположенных на крутящейся платформе, — алгоритм оценки фазы кодирует угол поворота платформы в фазу лучей. Для оценки фазы мы использовали кутрит (трехлучевая система) вместо привычного кубита (двухлучевая система) — больше лучей несут больше информации об исследумой системе, и позволяют точнее измерить угол поворота.
Изображение
Экспериментальная схема для реализации алгоритма оценки фазы над кутритом.
V. V. Zemlyanov, N. S. Kirsanov, M. R. Perelshtein, D. I. Lykov, O. V. Misochko, M. V. Lebedev, V. M. Vinokur, and G. B. Lesovik / Scientific Reports, 2020

Фотография экспериментальной установки, реализующая алгоритм оценки фазы. Прямоугольные пластины расположены на вращающейся платформе. Схема позволяет измерить угол поворота платформы, используя оптическую когерентность.

Н. С. Кирсанов

1/2

После того, как свет провзаимодействовал с оптическими элементами на платформе, информация об угле поворота платформы записалась в фазы лучей. Для извлечения этой информации мы реализуем оптическую версию квантового преобразования Фурье, которое перезаписывает фазы в интенсивности. Полученные интенсивности затем измеряются фотодиодами.

Экспериментальные результаты интенсивности трех лучей кутрита (черные точки) и теоретическая модель (цветные линии) для разных углов поворота пластин. Как видно, теоретическая модель хорошо описывает полученные результаты.

V. V. Zemlyanov, N. S. Kirsanov, M. R. Perelshtein, D. I. Lykov, O. V. Misochko, M. V. Lebedev, V. M. Vinokur, and G. B. Lesovik / Scientific Reports, 2020
Поделиться

Важно отметить, что если начать использовать однофотонный режим — ослабить источник света до уровня в один фотон — структура нашей оптической схемы не изменится, а вот измерения станут уже истинно квантовыми.

Точность разработанной схемы можно улучшить, увеличив количество лучей в схеме — для этого нам потребуется больше оптических элементов. Однако алгоритмы машинного обучения, способные компенсировать неточность в юстировке оптических элементов, помогают масштабировать систему. Наша группа уже использовала этот метод для реализации куквартной (четырехлучевой) версии алгоритма оценки фазы, результаты которого будут опубликованы в будущем.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1048   morozov »

Двумерные материалы из четырехмерных молекул

Можно без преувеличения сказать, что квазидвумерные кристаллы и тонкие пленки – это один из трендов развития современных нанотехнологий. Такие материалы, как графен, силицен и гексагональный нитрид бора у всех на слуху. Все больше и больше выходит работ по этой теме. Тема – благодатная. Однако среди многообразия работ отличились авторы публикации из Ocean Univ. (Китай) и Univ. of Twente (Нидерланды) [1], которые представили удивительный квазидвумерный материал – слои, построенные из “четырехмерных” молекул гиперкубана (см. рис.). О гиперкубане мы уже неоднократно писали на страницах ПерсТа [2-4]. Это удивительный молекулярный аналог тессеракта или четырехмерного гиперкуба. Причем эта уникальная по своей структуре молекула обладает аномально высокой кинетической устойчивостью. Авторы работы [1] построили, пока что на компьютере, двумерные слои из производных гиперкубана и систематически исследовали полученные низкоразмерные структуры с помощью теории функционала плотности. Роль производных сыграли фрагменты гиперкубана, в которых атомы водорода замещены атомами кислорода, серы и селена.
Изображение
Изображения тессеракта (а), молекулы гиперкубана (б) и фрагментов квазидвумерных слоев,
построенных из кислородсодержащих (в) и серосодержащих (г) производных гиперкубана.

Теоретический анализ выполнен обширный и достаточно подробный. Авторы воспользовались программой VASP для оценки термодинамической устойчивости пленок и их электронных свойств. При этом они использовали как традиционный GGA-PBE функционал, так и гибридный функционал HSE06 для расчета зонной структуры наноматериалов. Слабое ван-дер-ваальсовое взаимодействие также принималось во внимание с помощью поправок Гримме (DFT-D3). По электронным характеристикам авторы определили пленки на основе гиперкубана как полупроводники (диэлектрические щели этих систем оказались в диапазоне от 2.17 до 3.35 эВ), за исключением серосодержащих производных (энергетическая щель этих систем превышает 4 эВ). Дополнительную верификацию термической устойчивости авторы провели с помощью традиционного метода ab initio молекулярной динамики в программе CASTEP с использованием NVT канонического ансамбля. Нагревание проводили вплоть до 1500 K. Авторы установили, что слои не претерпевают разрушения при 1000 K по крайней мере в течение 10 пс, что свидетельствует об их высокой кинетической стабильности. Любопытно, что авторы пришли к выводу, что двумерные слои на основе гиперкубана слабо пригодны для приложений наноэлектроники в приборах и устройствах. По их мнению, это лучшие кандидаты для “молекулярного сита”, по сути, фильтров. Действительно, эти наноструктуры являются пористыми, и по данным исследователей они обладают высочайшей селективностью. Например, мембраны из селен-содержащих производных гиперкубана способны практически полностью отделить гелий из смеси He/CH4. Таким образом, работа [1] не только, в некотором смысле, расширяет класс двумерных материалов, но и предлагает еще один потенциальный способ извлечения гелия из природного газа. Будем, вслед за авторами, надеяться на их скорый синтез.

М. Маслов

1. L.Zhou et al., RSC Advances 10, 8618 (2020).

2. ПерсТ 21, вып. 22, с. 5 (2014).

3. ПерсТ 22, вып. 23/24, с. 8 (2015).

4. ПерсТ 25, вып. 9/10, с. 5 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1049   morozov »

Чудеса на виражах: в поисках скирмионов в феррите висмута

Одна из направляющих идей физики мультифероиков сегодня – поиск в магнитоэлектрических средах скирмионов и скирмионо-подобных состояний. Основным вызывом для исследователей здесь становится то, что большинство мультиферроиков являются антиферромагнетиками: компенсация намагниченностей подрешеток лишает нас такого рычага управления, как магнитное поле, а именно в магнитном поле стабилизируется скирмионная фаза и возникают устойчивые решетки скирмионов. Команда французских ученых избрала другую стратегию: искать скирмионные состояния там, где сталкиваются различные спиновые циклоиды [1].

О спиновых циклоидах, возникающих в мультиферроике феррите висмута BiFeO3, много раз было рассказано в ПерсТ (см., например, [2]). В данном случае важно повторить, что это магнитная структура обязана своим названием аналогии с траекторией точки на ободе вращающегося колеса: именно такую траекторию описывает кончик вектора магнитного параметра порядка, если следить за ним, переходя от точки к точке кристалла. Направление пространственной модуляции описывается волновым вектором циклоиды Q, а плоскость вращения циклоиды, как правило, образована вектором электрической поляризации P и вектором Q (впрочем, бывают и исключения, когда поляризация выходит из плоскости циклоиды, см., например, [3]). Ученые решили разобраться, что происходит на границе двух сегнетоэлектрических доменов, где, подобно двум колесам, катящимся в разных направлениях и с различной ориентацией осей вращения, сталкиваются две циклоиды. Вопреки ожиданиям, “ДТП” при этом не происходит, реализуется совсем другой сценарий.

Для того чтобы увидеть, что происходит в месте стыка двух циклоид, ученые использовали целый арсенал методов: сегнетоэлектрические домены визуализировали с помощью пьезоэлектрической силовой микроскопии, а для получения магнитного контраста от циклоид с практически полностью скомпенсированным магнитным моментом использовали сверхчувствительную разновидность зондовой микроскопии с зондом – магнитометром на азотных вакансиях (или NV-центрах, подробнее см. ПерсТ). Однако наиболее интересные и неожиданные результаты были получены с помощью резонансного рассеяния излучения мягкого рентгеновского диапазона – она позволяет детектировать хиральность – направление вращения параметра порядка, как магнитного, так и сегнетоэлектрического. Оказалось, что и магнитная, и сегнетоэлектрическая структура гомохиральны, т.е. имеют неизменную хиральность во всех точках образца.

ИзображениеИзображение

Рис. 1. Хиральные сегнетоэлектрическая и магнитная структуры в феррите висмута:
а – комбинированное изображение обеих структур в сканирующей пьезоэлектрической микроскопии (нижний слой) и односпиновой магнитометрии на NV-центре (верхний слой);
б – “виражи” спиновой циклоиды на сегнетоэлектрической доменной структуре [1].

Надо сказать, что сегнетоэлектрические доменные границы в феррите висмута довольно необычны: в отличие от традиционных доменных границ Изинга, в которых электрическая поляризация изменяется по модулю, уменьшаясь до нуля, а затем, возрастая до прежней величины, но уже с противоположной ориентацией, в случае феррита висмута происходит разворот вектора поляризации без изменения ее модуля от одной главной диагонали квазикубической ячейки кристалла до другой (рис. 1а).

Гомохиральность сегнетоэлектрической структуры имеет своим следствием необычную и даже противоестественную ситуацию: в каждой второй границе разворот поляризации происходит на угол больше 180 градусов, что ранее представлялось невозможным по энергетическим соображениям.

Гомохиральная магнитная структура также довольно необычна: циклоида совершает виражи, как будто катящееся “колесо” делает разворот и, не меняя направления вращения, продолжает катиться уже в другую сторону (рис. 1б). При этом на каждой второй доменной границе (там, где электрическая поляризация вращается по длинному пути) можно наблюдать зародыши скирмионоподобных состояний (“бульбочки” в местах изгиба на рис. 1а), в которых направления модуляции спинов имеют множественные направления “multyQ-state”. Взаимосвязь сегнетоэлектрической и магнитной структур в таких объектах позволит осуществлять управление скирмионами не магнитным, а электрическим полем, что имеет большие перспективы для практических приложений в запоминающих устройствах [4].

А. Пятаков

1. J.-Y.Chauleau et al., Nature Materials 36, 386 (2020).

2. ПерсТ,24, вып. 19/20, с. 4 (2017).

3. Z.V.Gareeva et al., JMMM, 469, 593-597 (2019).

4. ПерсТ,19, вып. 9, с. 6 (2012).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 35004
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1050   morozov »

Квазары предпочитают моду семидесятых
Ученые из России, Германии, Финляндии и США изучили больше 300 квазаров — вращающихся черных дыр, из которых «бьют» горячие струи плазмы, — и обнаружили, что эти выбросы меняют свою форму при удалении от черной дыры с параболы на конус. Это напоминает знаменитые брюки клеш. Сняв размеры «брюк», ученые смогут разобраться, как разгоняется вещество в центральных машинах далеких активных галактик. Работа опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Маяки Вселенной

Квазары — одни из самых ярких объектов в космосе. При этом они находятся очень далеко — в миллиардах световых лет от Земли. Их называют маяками Вселенной: можно не только изучать по ним ее структуру и эволюцию, но и использовать их для навигации на Земле. Из-за своей чрезвычайной удаленности квазары можно считать неподвижными точками и относительно них измерять параметры вращения Земли и координаты точек на ее поверхности. Это используется в системах ГЛОНАСС и GPS.

Изображение

Рисунок 1. Иллюстрация центра квазара. На ней видны: черная дыра, вращающийся аккреционный диск из пыли и газа, плазменная струя в магнитном поле, закрученное магнитное поле в основании выброса и облака межзвездного газа вокруг струи. Ученые установили, что струя меняет свою форму с удалением от центра, напоминая знаменитые брюки-клеш из моды 70-х.
Изображение: Дарья Сокол, пресс-служба МФТИ


Квазары такие яркие, что они видны с огромных расстояний, из-за вращающейся сверхмассивной черной дыры с массой до нескольких миллиардов масс Солнца (рисунок 1). Черная дыра притягивает к себе окружающее вещество. Но, что более важно, вместе с веществом она собирает вокруг себя магнитное поле. Силовые линии поля работают как проволоки с нанизанными бусинами — заряженными частицами (рисунок 2). Когда силовые линии вращаются, частицы ускоряются почти до скорости света. Эти течения называются релятивистскими джетами, и именно они делают квазары такими яркими.

Изображение

Рисунок 2. Схема плазменного джета. Если представить силовые линии магнитного поля как проволочки, торчащие из диска, а заряженные частицы — как нанизанные на них бусины, то при раскручивании диска бусины будут с ускорением подниматься вверх.
Изображение: Елена Нохрина и Дарья Сокол, МФТИ

Дотянуться до небес

Ранее считалось, что джеты имеют форму конусов. Ученые нашли всего несколько исключений из этого правила.

Авторы нового исследования наблюдали за сотнями квазаров в течение двух десятков лет с помощью сети радиотелескопов, раскинутой по миру. В результате были получены изображения более 300 объектов и проведен автоматический анализ формы их джетов. Таким образом были найдены 10 квазаров, параболические силуэты джетов которых трансформировались в конические (рисунок 1). Причем рассмотреть эту трансформацию ученым позволило близкое расположение объектов. Оказалось, что весь десяток находится на расстоянии «всего» в сотни миллионов световых лет. Изменение формы выброса происходит на расстоянии в несколько десятков световых лет от черной дыры.

«Вопрос о механизме формирования и ускорения струй в далеких активных галактиках до сих пор плохо понят. А разобраться в принципах работы этих космических ускорителей крайне важно. Область, в которой джеты формируются, сложно рассмотреть. Она очень компактная, а объекты находятся далеко — там все просто сливается вместе. Были разные теоретические модели, но не было наблюдательной информации, которая могла бы их проверить. Нам впервые удалось получить детальные данные о геометрии струйных выбросов для большого количества квазаров», — говорит Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, руководитель научных лабораторий в ФИАН и МФТИ.

Постижение недоступного

Геометрия джета зависит от баланса внутренних и внешних сил, магнитного поля, плазмы джета и межзвездного газа. Авторам работы удалось элегантно учесть это, и в результате форма джета естественным образом меняется в их теоретической модели с параболы на конус. Центральная машина, состоящая из вращающейся черной дыры и магнитного поля, имеет ограниченный запас мощности, как любой двигатель, и не может ускорять частицы бесконечно. Ранее было известно, что плазма хорошо ускоряется только до определенной скорости, а потом ускорение столь медленно, что им можно пренебречь. Именно эта точка остановки ускорения и соответствует месту «клешения».

«Изменение формы выбросов наблюдалось в паре-тройке галактик и в более ранних исследованиях. Но не было сделано важного вывода о том, что это не особенности какого-то определенного объекта, а свойство квазаров как класса. Нам удалось связать этот эффект с внутренними характеристиками струй. Это оказалось лаконичным и естественным объяснением», — поясняет Елена Нохрина, кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ.

Теперь у ученых появилась новая возможность оценить скорость вращения центральной черной дыры и разобраться в механизме формирования узких и очень быстрых выбросов плазмы в квазарах. Настолько ярких, что они видны с расстояний в миллиарды световых лет.

АКЦ ФИАН и пресс-служба МФТИ

_____________________________

1. Работа поддержана грантом Российского научного фонда 16-12-10481.

2. Лаборатория фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ под руководством Юрия Ковалева, член-корреспондента РАН, зав. Лабораторией внегалактической радиоастрономии АКЦ ФИАН, занимается как изучением джетов квазаров, так и исследованием структур магнитосферы пульсаров, аккреционных дисков и струйных выбросов из молодых звезд, изучением двойных черных дыр и других тесных двойных систем
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»