Информация свежая... и не очень

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#586   morozov » Ср фев 12, 2014 20:40

Зарубежные госпитали оборудуют российскими протонно-лучевыми установками

Протонные ускорители, разработанные в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН), будут использовать для лечения онкологических заболеваний в России, Словакии, США и других странах.



В высокотехнологичном лечении онкологических заболеваний ведущую роль играют электронные ускорители, «бомбардирующие» опухоль пучками гамма-лучей. Основной недостаток этого способа в том, что вместе с больными клетками гамма-кванты поражают и окружающие здоровые ткани. Существенно минимизировать эту проблему позволяют ускорители другого типа – протонные (из-за своих свойств протоны почти не оказывают влияния на здоровые клетки организма). Хотя протонная терапия существует около 60 лет, из-за дороговизны и низкой производительности она пока не приобрела массовый характер. В итоге сохраняется монополия электронных ускорителей, эффективность которых составляет в среднем около 50 %. Успех разработанного в ФИАН прибора может радикально изменить расклад сил в сфере лучевой терапии.

Интерес к нашей разработке, по мнению руководителя работ – директора Физико-технического центра ФИАН, члена-корреспондента РАН, профессора Владимира Егоровича Балакина, вызван двумя причинами. Во-первых, российский аппарат очень компактен (весит около 30 тонн и помещается в одной комнате) и экономичен (потребляет в среднем в 7–10 раз меньше электроэнергии, чем другие ускорители). Это помогло удешевить получение протонов. В итоге установка стоит чуть дороже электронного ускорителя (хотя, по словам Балакина, Россия покупает их за рубежом по цене выше, чем разработанный в ФИАН протонный ускоритель), при этом по производительности она одна сравнима с четырьмя электронными ускорителями. Во-вторых, технологию облучения изменили так, чтобы преимущества были очень ярко выражены, то есть чтобы опухоль получала дозу больше, чем при сегодняшних технологиях, а здоровые ткани – меньше. Первую установку, отправленную в США и проходящую сейчас сертификацию в госпитале города Флинт, штат Мичиган, начнут использовать для лечения пациентов уже в ближайшие месяцы. Многие другие госпитали США также проявили интерес к нашей разработке, сообщает В.Е. Балакин. Так, например, недавно состоялся тендер, объявленный Массачусетской больницей (Massachusetts General Hospital) в городе Бостон – одним из крупнейших медицинских центров США. Наша установка приняла участие в этом конкурсе, официальные итоги которого ожидаются в ближайшее время.
Изображение
Протонно-лучевая установка, созданная группой В.Е. Балакина
(фото предоставлено разработчиком)


Нацеленность на поражённые клетки и бережное отношение к здоровым, в принципе, характеризует все протонные ускорители. В.Е. Балакин: «Протонное излучение хорошо тем, что идёт сквозь тело, слегка «тормозясь» и облучая совсем незначительно. И только в конце своего пробега оно приобретает большую разрушающую способность, достигая так называемого пика Брэгга (за открытие этого эффекта Уильям Генри Брэгг получил Нобелевскую премию). В итоге протонные лучи бьют точно в цель».



По словам разработчиков, российский аппарат отличается тем, что при работе с ним соотношение дозы лучей в опухоли к дозе в здоровой ткани в несколько раз лучше, чем у его американских, японских и других конкурентов.

Такого результата специалисты ФИАН и компании «Протом» добились, проработав каждый элемент ускорителя. В процессе работы они получили более 30 патентов. Важной составляющей успеха стал математический алгоритм, разработанный В.Е. Балакиным. Поясняет автор работы:



«Самый простой пример: сегодня опухоль облучают с двух-трёх сторон. Если облучать, скажем, с 30 направлений, то для получения той же дозы, уменьшаем интенсивность пучка с каждого направления в 10 раз, в результате здоровая ткань получает в 10 раз меньшую дозу облучения! Имеются в виду протонные аналоги; я уж не говорю про электронные ускорители…».



Кроме того, алгоритм учитывает, что не обязательно облучать всю опухоль в каждом направлении. В ней есть «оптимальные» зоны, в которые можно точечно направить излучение, при этом не повреждая здоровые ткани.

Оценить заявленную эффективность и экономичность протонно-лучевой установки вскоре смогут и российские врачи. Протонный комплекс, смонтированный в подмосковном Протвино ещё четыре года назад, наконец переходит с этапа технической сертификации в стадию клинических испытаний. В середине мая стало известно о том, что протонный ускоритель из ФИАН выиграл тендер на поставку в Медицинский радиологический научный центр РАМН в Обнинске. Несколько лет своей очереди по сертификации ждёт установка, предназначенная для больницы Пущинского научного центра РАН.

Российские протонные ускорители планируется внедрять и в Европе. Пока один прибор установлен в Словакии и дожидается сертификации. В случае успешного прохождения аттестации установка докажет, что может работать по нормам Евросоюза, и будет участвовать в тендерах в других европейских странах. Пока там работают только четыре установки на базе протонных ускорителей, которые, по словам В.Е. Балакина, не покрывают потребности рынка даже на 1 % в год.

Разработчики надеются, что набирающий обороты успех их детища поможет шире внедрить революционную технологию протонно-лучевой терапии. Если процесс получит своё развитие, этот высокотехнологичный метод, родившийся на стыке ядерной физики и медицины, может прийти буквально в каждую больницу, сделав лечение онкозаболеваний по-настоящему доступным.


О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#587   morozov » Пн фев 17, 2014 20:28

Атомный СКВИД

Сверхпроводниковое квантовое интерференционное устройство (СКВИД) представляет собой сверхпроводящее кольцо, разделенное на две части тонкими диэлектрическими барьерами (рис. 1a). При пропускании через СКВИД электрического тока происходит интерференция “электронных волн”, распространяющихся по разным половинкам кольца. Если эти волны интерферируют конструктивно (в фазе), то ток максимален, а если деструктивно (в противофазе) – минимален. Так как разность фаз определяется величиной магнитного потока через ограниченную кольцом площадь, то измеряя ток, можно определить индукцию магнитного поля. На сегодняшний день СКВИДы являются одними из наиболее чувствительных датчиков магнитного поля.
Изображение
a - Обычный СКВИД; b - атомный аналог СКВИДа.

В работе [1] продемонстрирован атомный аналог СКВИДа, в котором роль электронов играют атомы рубидия, образующие бозе-конденсат и находящиеся в ловушке кольцевидной формы с двумя потенциальными барьерами, через которые эти атомы могут туннелировать (рис. 1b). Функцию возмущения здесь выполняет сила Кориолиса, возникающая при вращении ловушки и действующая на “атомные волны”, как магнитное поле – на электронные. Такие атомные СКВИДы могли бы использоваться как сверхчувствительные датчики вращения в различных навигационных и геофизических устройствах, если бы не нанокельвинные температуры, необходимые для их работы.

По материалам заметки
C.A.Sackett, Nature 505, 166 (2014).

1. C.Ryu et al., Phys.Rev.Lett. 111, 205301 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#588   morozov » Вт фев 18, 2014 0:26

В оптоэлектронике опал приносит удачу

Одним из методов создания трехмерных систем полупроводниковых наноприборов с высокой объемной плотностью (до 1014см-3) является использование диэлектрических матриц, обладающих регулярной структурой полостей субмикронных размеров.

К такого рода материалам относятся опалы, которые состоят из сфер SiO2, образующих гранецентрированную кубическую решетку, причем пустоты составляют 26% объема. Технология приготовления опалов позволяет варьировать размер сфер и пористость. Ранее в опалах уже были получены подрешетки кластеров Te, GaAs, HgTe, CdS. Ученым из Физико-технического института им.А.Ф.Иоффе (Санкт-Петербург) впервые удалось синтезировать композиты "опал-кремний". Для введения кремния в образцы опала использовалась технология термического разложения из газовой фазы (thermo CVD). CVD-реактор представлял собой кварцевую трубку с внешним нагревателем, через которую пропускалась газовая смесь из моносилана (5%) с аргоном. Перпендикулярно газовому потоку устанавливалась пластинка опала. В результате термического разложения силана внутри опала на внутренних поверхностях пор осаждалась пленка кремния. Из-за большого гидравлического сопротивления опала заполнение пор происходило неравномерно.

Однако было обнаружено, что в образце толщиной 300мкм имелась область толщиной 120мкм со 100%-ным заполнением. Для получения равномерно заполненных образцов, по-видимому, необходимо компенсировать имеющийся градиент давления встречным градиентом температуры. Для перевода кремния из аморфной фазы в кристаллическую образец отжигали в запаянной откачанной ампуле при Т=800° С в течение 10мин. Анализ рамановских спектров (в рамках модели сильного пространственного ограничения оптических фононов) в нанокристаллитах кремния позволил оценить их средний размер как 40A.

Предложенная технология поможет в перспективе создавать кремниевые приборы, работающие при плотностях тока на 3-4 порядка меньших, чем в обычных планарных системах.

Письма ЖТФ 24 (1998) 90
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#589   morozov » Ср фев 19, 2014 14:13

Какова емкость атома?

Этот вопрос возник с тех пор, как научились создавать микроконтакты из нескольких или даже одного атома (см.рис.). Такие контакты обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, которые, в принципе, могут быть использованы в микроэлектронике. Происхождение нелинейности лишь качественно может быть связано с эффектами резонансного туннелирования и кулоновской блокады. Для последней, как известно, важна емкость контактного атома. Однако в этом случае классическое понятие емкости перестает работать. Можно, к примеру, говорить об энергии помещения электрона на контактный атом, и обозначая ее как e2/2C, называть величину С емкостью.

Изображение
Расчет проводимости атомного контакта затруднен тем, что при этом надо учитывать не только сам контактный атом, но и все его окружение. Однако физики смело берутся за это почти безнадежное дело. Как правило, расчет состоит из двух этапов. Вначале определяют конфигурацию атомов на контакте, обеспечивающую минимум энергии, и лишь затем рассчитывают проводимость контакта.

Группа ученых из University of Hong Kong (Китай), а также из прохладных стран (Канады и Финляндии) [1] использовали полученную на первом этапе локальную плотность электронных состояний и решение сеточным методом 3-х-мерного уравнения Пуассона в контактной области для определения распределения электрического поля в этой области и проводимости контакта.

По другому поступили сотрудники Universidad Autonoma de Madrid (Испания) [2]. Их расчет основан на методе неравновесных функций Грина, учитывающем атомные орбитали, дающие наибольший вклад в плотность состояний на уровне Ферми. Пока расчеты только качественно совпадают с экспериментом. Но и это является большим достижением. Например, для контактов из Al и Pb предсказано три проводящих канала, а вот для Nb из-за вклада d-орбиталей - пять, как и наблюдается на эксперименте.

Phys.Rev.Lett. 80 (1998) 4277
Phys.Rev.Lett. 80 (1998) 1066
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#590   morozov » Чт фев 20, 2014 14:02

Высокочувствительные приемники терагерцового излучения

27 марта 2013 года, в ФИАНе, состоялись очередные, XXXVII Вавиловские чтения. В рамках этого события с докладом «Новый тип локальных электронных состояний в легированных сплавах на основе теллурида свинца: фундаментальные и прикладные аспекты» выступил профессор физического факультета МГУ Д.Р. Хохлов. В своем докладе он рассказал о необычных свойствах легированных узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца и о том, как эти свойства могут быть использованы для построения чрезвычайно чувствительных фотоприемных систем терагерцового спектрального диапазона.



Терагерцовый диапазон электромагнитных волн является одним из наименее освоенных. Это связано, в основном, с тем, что в этой спектральной области плохо работают как радиофизические методы – со стороны более длинных волн, так и оптические – со стороны более коротких. В частности, чувствительность существующих приемников излучения терагерцового диапазона существенно ниже, чем приемников инфракрасного и радио-диапазонов. С другой стороны, большое количество важных задач во многих сферах деятельности связано с исследованием излучения терагерцового диапазона. Это, например, биомедицинские приложения, космические исследования, и многие другие. Именно терагерцовой спектральной области соответствуют характерные частоты фононов в твердых телах, а также вращательно-колебательные моды тяжелых молекул. Поэтому характерные частоты излучения тяжелых молекул могут дистанционно регистрироваться при наличии высокочувствительных фотоприемных систем данного спектрального диапазона. В частности, большинство взрывчатых веществ состоит из тяжелых органических молекул со своими характерными спектрами поглощения и отражения, мониторинг которых позволит, например, вывести на новый уровень системы безопасности в аэропортах и в других общественных местах.

Большинство современных спектроскопических систем терагерцового диапазона используют метод активной локации, когда исследуемый объект освещается мощным лазерным терагерцовым импульсом, и исследуется сигнал, отраженный от объекта или прошедший через него. Пассивные системы, которые исследовали бы излучение терагерцового диапазона, испущенное собственно объектом, практически отсутствуют. Основная причина этого – малая чувствительность соответствующих приемников излучения. В то же время использование таких систем, безусловно, открыло бы принципиально новые возможности во многих областях деятельности, в частности, медицинские приложения. Одной из важнейших областей возможного применения высокочувствительных приемников терагерцового излучения является терагерцовая астрономия. В рамках этого направления в 2018 году планируется запуск космической терагерцовой обсерватории «Миллиметрон». Проект осуществляется под руководством Астрокосмического центра ФИАН.

Существующие высокочувствительные приемники терагерцового излучения, построенные на основе сверхпроводящих технологий, имеют серьезные ограничения по своему использованию, основным из которых является чрезвычайно низкая рабочая температура, необходимая для обеспечения требуемых параметров фотоприемника – не более нескольких десятков милликельвинов. В докладе были показаны новые возможности, открывающиеся для этих целей при использования легированных узкощелевых полупроводников на основе теллурида свинца.

Свойства этих материалов определяются двумя эффектами. Первый из них – стабилизация уровня Ферми во вполне определенном месте энергетического спектра полупроводника, что приводит к парадоксальному следствию – чрезвычайно высокой пространственной однородности электрофизических свойств материала, которая наблюдается несмотря на высокую степень дефектности полупроводника и на сильное легирование. В частности, при определенных составах сплава уровень Ферми может быть стабилизирован внутри запрещенной зоны, что приводит к появлению полуизолирующего состояния, совершенно нехарактерного для нелегированного материала.

Второй эффект – это задержанная фотопроводимость, наблюдающаяся в этих полупроводниках при низких температурах. Необходимо отметить, что впервые этот эффект наблюдался группой Б.М. Вула в ФИАНе в конце 70-х годов. Эффект заключается в том, что при слабом инфракрасном освещении полупроводника фотовозбужденные носители заряда практически не рекомбинируют, – время их жизни превышает характерное время гелиевого эксперимента. Это приводит к чрезвычайно высокой амплитуде фотоотклика, несмотря на весьма слабую интенсивность падающего излучения.

Часть доклада была посвящена последним результатам, полученным в этой области. В частности, было показано, что спектр фотопроводимости материала простирается далеко в терагерцовую спектральную область. Значительный фотоотклик наблюдался, по крайней мере, до длин волн около 500 мкм. Значение соответствующей энергии кванта излучения существенно ниже любых характерных энергий электронного спектра материала: ширины запрещенной зоны, энергии активации основного примесного состояния, и т.д. Было продемонстрировано, что задержанная терагерцовая фотопроводимость в Pb1-xSnxTe(In) связана с формированием необычных локальных электронных состояний, привязанных не к определенному месту энергетического спектра полупроводника, а к положению квазиуровня Ферми. По мнению профессора Д.Р.Хохлова, «такая ситуация является совершенно нетрадиционной в физике твердого тела, и потому является весьма интересной с фундаментальной точки зрения».

Одной из немногих известных аналогий является появление щели в спектре одноэлектронных возбуждений на уровне Ферми в сверхпроводниках.

Если продолжать аналогию со сверхпроводниками, то было бы естественным предположить, что наличие таких локальных состояний может подавляться магнитным полем, либо протекающим током. В докладе было продемонстрировано, что появление локальных электронных состояний, ответственных за терагерцовую задержанную фотопроводимость, действительно подавляется электрическим током (рисунок 1). В то же время ожидаемого подавления этих локальных состояний магнитным полем не зарегистрировано. Напротив, наблюдается эффект резонансного типа, причем магнитное поле, соответствующее максимуму фотопроводимости, пропорционально энергии кванта возбуждающего терагерцового излучения (рисунок 2).

Изображение
Рисунок 1. Кинетика сигнала фотопроводимости в сплаве Pb0.73Sn0.27Te(In), измеренная при различных значениях тока через образец. Температура образца 5 К, длина волны лазера 90 мкм


Изображение
Рисунок 2. Зависимость относительной положительной фотопроводимости Δσ/σ0 в сплаве Pb0.75Sn0.25Te(In) от магнитного поля B для различных длин волн лазерного излучения (цифры у кривых). T = 5 K. На вставке – измерительная схема и геометрия эксперимента


Использование эффекта задержанной терагерцовой фотопроводимости в реальных фотоприемных устройствах возможно только в случае, если имеется способ быстрого гашения задержанной фотопроводимости. В докладе было продемонстрировано, что приложение к образцу коротких (длительностью около 100 нс) радиочастотных импульсов может полностью погасить задержанную фотопроводимость. В таком случае появляется возможность построить терагерцовое фотоприемное устройство, работающее в режиме периодического накопления и последующего быстрого сброса фотосигнала. В докладе было показано, что в таком режиме величина NEP фотоприемника, работающего при гелиевой температуре, составляет около 10-17 Вт/Гц1/2, что вполне достаточно для построения терагерцовой фотоприемной системы для пассивной локации. Более того, эта система, состоящая из одиночного фотоприемника и оптико-механического сканера, в настоящее время разрабатывается (рисунок 3). Система позволит создавать пассивную терагерцовую «картинку» объекта, находящегося при температуре вблизи комнатной, за время порядка 40 с. Кадр будет содержать примерно 2·104 элементов. Длина волны, на которой будет формироваться изображение, может изменяться от 10 до 350 мкм в зависимости от выбора терагерцового фильтра.
Изображение
Рисунок 3. Сканирующая оптико-механическая система и низкотемпературная камера фотоприемника для системы пассивной терагерцовой локации. Камера монтируется вместо блока фотодиода в режиме работы в терагерцовом спектральном диапазоне

В.А.Жебит, АНИ «ФИАН-Информ»
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#591   morozov » Сб фев 22, 2014 15:03

Мир на пороге пета-эры

Волоконно-оптическая связь находится в шаге от перехода к петабитному диапазону. Об этом заявил академик Евгений Михайлович Дианов в рамках выступления на XIV Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики», организованной Физическим институтом им. П.Н. Лебедева (ФИАН).



Важное место в работе Школы молодых учёных, состоявшейся в подмосковном Звенигороде осенью 2012 года, заняли обзорные тематические лекции ведущих специалистов по различным направлениям фундаментальной и прикладной физики. Большой интерес вызвало выступление директора Научного центра волоконной оптики РАН (НЦВО РАН), академика РАН, профессора Евгения Михайловича Дианова – признанного лидера в российской волоконной оптике.

Учёный рассказал о том, какие успехи и трудности предшествовали главному достижению волоконно-оптической связи в 2012 году – разработке экспериментальной системы связи с фантастической скоростью передачи информации 1 Петабит/с. Слушатели узнали, как физики и инженеры с годами пришли к такому результату, а также – что мешает передавать данные в петабитном диапазоне повсеместно.

Насыщенная история связи была представлена начиная с изобретения оптического телеграфа в 1794 году. Вспомнив великих учёных и изобретателей, заложивших основы современной связи, – Герца, Белла, Попова, Маркони и других, академик показал основные тенденции и этапы её эволюции, отметив, прежде всего, бурное развитие радиосвязи в XX веке, которому сопутствовало укорочение длин волн радиоизлучения, и как следствие – переход к оптическому диапазону.

Основное внимание Е.М. Дианов уделил базовому элементу современных систем коммуникаций – волоконным световодам, общая длина которых в волоконно-оптических системах связи сегодня составляет один миллиард километров. К 2015 году эта величина должна удвоиться. Волоконные световоды представляют собой тонкие нити из стекла, имеющие сложную структуру. В простейшем случае они состоят из сердцевины, оболочки и защитного покрытия, имеющих разные показатели преломления. В основе действия световодов – использование процессов отражения и преломления оптической волны на границе сердцевины и оболочки. Различия показателей преломления достигают легированием стекла разными элементами.



Е.М. Дианов: «Первые волоконные световоды появились ещё в 1950-х годах, но из-за больших оптических потерь (1–10 дБ/м) их нельзя было использовать в протяжённых системах связи. Потребность в этих проводниках пришла в 1970-х годах. Тогда был совершён прорыв в решении важной задачи – уменьшении оптических потерь в световодах. Чарльз Као выяснил, что потери возникают из-за высокого поглощения, источник которого – примеси в кварцевом стекле, и предсказал получение волоконных световодов с оптическими потерями ниже 20 дБ/км».



Это открытие, позже принёсшее Као Нобелевскую премию, дало большой импульс работам по созданию «чистых» стёкол, и уже в 1970 году в США были изготовлены первые волоконные световоды с низкими оптическими потерями (менее 20 дБ/км). В том же году команда другого будущего Нобелевского лауреата, Ж.И. Алфёрова, в Ленинграде впервые получила непрерывную генерацию при комнатной температуре в полупроводниковых лазерах на основе гетероструктур. Она велась на длине волны 0,85 мкм, и именно в этом диапазоне работали первые коммерческие волоконно-оптические системы связи, созданные спустя 10 лет (сейчас на этой длине работают только небольшие оптоволоконные сети, в магистральных световодах используется другая «благоприятная», с точки зрения поглощения, длина волны – 1,55 мкм).

Следующим крупным достижением стало создание важного элемента оптоволоконных систем – эффективных усилителей сигнала. Они были изобретены на основе световодов, легированных ионами эрбия. Этот металл оказался единственным из редкоземельной группы, который позволил создать усилитель, работающий в спектральной области вблизи 1,55 мкм, точно совпавшей с областью минимальных потерь современных световодов. Замена использовавшихся ранее сравнительно «медленных» электронных ретрансляторов на эрбиевые усилители в конце 1990-х годов позволила довести скорость передачи информации до 40 Гбит/с и упростить схему линий связи. Так устранялись последние препятствия на пути создания высокоскоростных систем дальней связи.

Дальнейший прогресс в увеличении скорости передачи информации связан с явлением спектрального уплотнения каналов. Объясняет Е.М. Дианов: «Можно передавать информацию на одной частоте по одному световоду, а можно в него ввести сотню каналов, чуть-чуть на разных длинах волн, чтобы они друг с другом не взаимодействовали. Тогда вы увеличиваете скорость передачи информации соответственно числу каналов (но, конечно, в пределах полосы усиления этого волоконного усилителя)».

Благодаря этой разработке скорость передачи информации по одному световоду в коммерческих системах к 2010 году составила 10 Тбит/с и продолжает расти.

Изображение
Явление спектрального уплотнения каналов
(рисунок предоставлен докладчиком)


Хотя ёмкость оптоволоконных сетей развивается в головокружительном темпе, потребность в скоростной передаче информации остаётся огромной. Мировой поток передаваемых данных в развитых странах сейчас растёт на 30...40 % в год. Это значит, что если, например, через 20 лет такой прирост сохранится, нужно будет научиться передавать информацию со скоростью порядка 100 Петабит/с. Современная волоконная техника не позволяет это делать из-за ряда ограничений: в первую очередь, допустимой мощности излучения (превышение определённого порога приводит к сильным нелинейным эффектам, преобразованию частоты за счёт нелинейности, перекрёстным помехам, а иногда – к эффекту катастрофического разрушения волоконных световодов) и узости спектрального диапазона для передачи информации, который определяется полосой усиления, в которой работает эрбиевый усилитель.

Сегодня учёные разрабатывают несколько путей для перехода к более высоким скоростям передачи данных. Прежде всего, это расширение спектрального диапазона (от 1,53–1,61 мкм в настоящее время до 1,4–1,7 мкм к 2015 году и 1,25–1,7 мкм к 2025 году), которое позволит увеличить число каналов. Главная трудность здесь – разработка подходящего усилителя. В 2001 году японские учёные нашли пригодный активный элемент для легирования кварцевого стекла – висмут, а спустя несколько лет учёные из НЦВО РАН создали волоконные световоды, лазеры и усилители на основе этого металла, показав их перспективность для расширения спектральной области передачи информации. Второй путь – это многоуровневая модуляция и различные методы мультиплексирования сигналов (объединение множества входных каналов связи в один канал связи большей емкости для передачи по единому физическому каналу, т.е. по одной физической среде) для увеличения скорости передачи в одном канале. Также можно использовать поляризационное уплотнение каналов.

Повысить скорость передачи информации позволит и другой способ – пространственное уплотнение каналов. Во-первых, речь идёт о переходе от одномодового световода к маломодовому (различаются числом мод, т.е. возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне), позволяющем использовать каждую моду как носитель информации. Европейские учёные уже добились первых экспериментальных результатов в этом направлении, передав информацию по маломодовому световоду на 119 км. Во-вторых, такое уплотнение может осуществляться с помощью введения в световоды нескольких сердцевин. В 2012 году многосердцевинные световоды вместе с соответствующими усилителями также испробованы экспериментально: в рамках одного из проектов информация была передана на 6000 км со скоростью 35 Тбит/с.

Настоящим прорывом 2012 года стало создание первой системы со скоростью передачи 1 Петабит/с. Для создания экспериментальной линии были использованы сразу несколько методов: световод состоял из 12 сердцевин, в каждую из которых вводились 222 канала со скоростью передачи 456 Гбит/с. Хотя пока информацию удалось передать на небольшое расстояние (52 км) и без многосердцевинного усилителя, результат имеет грандиозное значение, так как доказана сама возможность преодоления рубежа в 1 Петабит/с.



Е.М. Дианов: «Это достижение важно не только технически, но и психологически. У меня нет сомнения, что в течение 10 лет будут созданы волоконно-оптические системы связи со скоростями передачи информации порядка 10–100 Петабит/с. Мир находится на пороге пета-эры».



О. Овчинникова, АНИ "ФИАН-Информ"
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#592   morozov » Ср фев 26, 2014 3:19

Предсказан устойчивый молекулярный кристалл из кластеров азота

Азот – один из наиболее распространенных химических элементов на Земле. Наша атмосфера на 78% состоит из двухатомных молекул N2, в которых атомы азота связаны друг с другом очень прочными тройными ковалентными связями NºN. Если изготовить азотное соединение с более слабыми одинарными (N-N) и двойными (N=N) межатомными связями, то в нем будет запасена большая энергия (> 1 эВ/атом), выделяющаяся при его распаде на изолированные молекулы N2. Такой материал с высокой плотностью энергии (high energy density material, HEDM) был впервые синтезирован около 10 лет назад [1] в виде полимера с кубической гош-структурой (cubic gauche). Он мог существовать только при запредельных давлениях (сотни ГПа) и поэтому не годился ни для фундаментальных исследований, ни для практических приложений. Тем не менее, первый успех стимулировал расширение фронта работ по поиску новых форм азота.

В статье [2] (Израиль, США) на основе расчетов из первых принципов предсказано, что молекулярный кристалл из линейных кластеров (или молекул – кому как больше нравится) N8 должен оставаться устойчивым даже при атмосферном давлении. В таком кристалле молекулы N8 сохраняют структуру, которую они имели в газовой фазе, а связь между ними осуществляется за счет вандерваальсовского и электростатического взаимодействия. Интересно, что этот результат получен в некотором смысле “случайно”. Первоначальной целью авторов работы [2] было изучение возможности существования гипотетического твердого тела из молекул N4. Но при оптимизации структуры такого материала эти молекулы всякий раз спонтанно объединялись в цепочки N8 и упорядочивались в кристалл, изображенный на рисунке – независимо от их исходного взаимного расположения и конкретной расчетной методики (типа обмено-корреляционного функционала и пр.).

Изображение
а - Элементарная ячейка из двух изомеров молекулы N8: транс- (EEE) и цис- (EZE);
Изображение
b - межатомные связи в цепочке N8; c - кристаллическая решетка молекулярного кристалла N8 близка к моноклинной.

Это наводит на мысль (пусть спекулятивную) об использовании кластеров N4 в качестве прекурсоров для синтеза молекулярного кристалла N8. Остается, правда, открытым вопрос, при каких температурах сможет существовать такой кристалл, если он будет-таки изготовлен. Дело в том, что потенциальный барьер, препятствующий делению цепочек N8 на димеры N2, довольно низкий (~ 0.1 эВ или даже меньше). Но это относится к изолированным цепочкам. Не исключено, что в кристалле барьер окажется повыше за счет стабилизирующего межцепочечного взаимодействия. Впрочем, он может и понизиться. Здесь требуются дополнительные исследования.

Л.Опенов

1. M.I.Eremets et al., Nature Mater. 3, 558 (2004).

2. B.Hirshberg et al., Nature Chem. 6, 52 (2014).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#593   morozov » Пт фев 28, 2014 14:46

Эктоны вокруг нас

Новые интересные экспериментальные результаты получены в исследовании электрического разряда. Стоит, однако, обратить внимание и на историю вопроса, о которой рассказывает директор ФИАН, академик Геннадий Андреевич Месяц. В тот момент, когда вы включаете свет в комнате, в выключателе «оживают» мириады микросгустков электронов – эктоны.


Изображение


Вакуумный разряд – это появление в вакуумном промежутке между двумя электродами, к которым приложено электрическое напряжение, тока, т.е. движения электронов от катода к аноду. Начинается такой разряд с пробоя, небольшой ток которого незаметен глазу и может быть зарегистрирован приборами. Увеличение напряжения между электродами приводит сначала к появлению искры, а затем и электрической дуги. Дуга возникает тогда, когда искровой разряд заполняет плазмой весь меэжэлектродный промежуток.

Считается, что первую электрическую дугу получил Владимир Петров в 1802 году: он установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля и, приведя угли в соприкосновение, затем их слегка раздвинуть, то между кусочками возникает яркая дугообразная полоска ослепительного света.

Изображение
С явлением электрического разряда человек сталкивается десятки раз в день – такой разряд возникает каждый раз в выключателе, когда вы включаете свет. Вакуумная дуга широко используется для нанопокрытий на поверхности металлов, для сварки и плавки металлов, в вакуумных выключателях в энергетике и т.д. Его изучению посвящены многие книги, экспериментальные исследования и практические руководства. Однако, как и во всяком сложном явлении, оказалось не так просто построить целостную его картину. Фактически такая картина сложилась только к началу XXI века как раз стараниями Г.А.Месяца и его школы.



Геннадий Андреевич пишет: «Вакуумная дуга является наиболее загадочной фазой вакуумного разряда. Для нее характерны низкое напряжение горения разряда, сравнимое с ионизационным потенциалом атомов материала катода, большая плотность тока в области катодной привязки, высокая концентрация плазмы в прикатодной области, испускание высокоскоростных плазменных струй из катодного пятна, а также капель жидкого металла, наличие субструктуры в катодном пятне, которая выражается в мелких (~1−4 мкм) кратерах внутри значительно больших…»



Примитивная оценка показывает, что для получения электрической дуги катод должен был бы разогреваться чуть ли не до миллиона градусов – этого, однако, не происходит. Разряд возникает при существенно меньших напряженностях электрического поля, чем следует из упомянутых примитивных оценок. Суть проблемы – в принципиальной неоднородности процесса в пространстве и времени. На поверхности катода происходят микровзрывы, которые и становятся источником процесса. В результате и ток разряда – импульсный, движение электронов от катода к аноду происходит порциями. Длительность этих порций наносекунды, а количество электронов в них порядка ста миллиардов. Порции выбрасываемых каждым микровзрывом электронов Г.А.Месяц назвал «эктонами», соответственно, вся концепция такого описания вакуумного разряда называется эктонной. Эта концепция подтверждена прямыми экспериментами – например, как и любой направленный взрыв, микровзрыв поверхности катода дает отдачу, которая была измерена и составляет 20 дин/А.



«Вакуумный пробой происходит тогда, когда достигается такая высокая концентрация энергии в микрообъеме поверхности катода, которая приводит к микровзрыву. Концентрирование энергии в микрообъеме катода, достаточной для взрыва, происходит из-за несовершенства поверхности катода, так как невозможно получить абсолютно гладкую и чистую поверхность металла. Пробой определяется следующими основными факторами, приводящими к концентрированию энергии в микрообъеме катода и возникновению взрывной эмиссии электронов. Это микроскопические выступы на катоде, диэлектрические и полупроводниковые пленки и включения на нем, адсорбированный газ, а также микрочастицы металла, диэлектрика или полупроводника, которые свободно лежат на поверхности. Однако одним из наиболее эффективных методов создания катодного микровзрыва и взрывной эмиссии электронов является джоулев разогрев микровыступов на катоде током автоэлектронной эмиссии…»



Ученики Г.А.Месяца работают над практическими проблемами электрического разряда, решение которых необходимо при создании новых ускорителей, электрических генераторов, СВЧ-источников и других устройств в ФИАНе, ИОФАНе, Институте сильноточной электроники РАН в Томске, в Институте электрофизики в Екатеринбурге и других научных центрах.

Недавние эксперименты по исследованию состава плазмы вакуумной дуги при различных токах ее горения дали еще одно прямое подтверждение эктонной модели вакуумной дуги. Параметры плазмы вакуумной дуги формируются микровзрывом на катоде, при котором происходит взрывная эмиссия электронов и выброс плазмы в межэлектродный промежуток. Рост тока дуги сопровождается увеличением количества этих микровзрывов, происходящих одновременно, а параметры плазмы не зависят от тока дуги.

Изображение
На фотографии: Экспериментальный стенд, где 1 – вакуумная камера,
2 – времяпролетный масс-зарядный спектрометр,
3 – криогенный насос, 4 – сухой спиральный форвакуумный насос.


Весьма изящные результаты дало применение гидродинамических представлений к явлению дугового разряда. Дело в том, что микровзрыв катода оказался подобен всплеску на поверхности воды. Гидродинамический анализ поведения жидкометаллической фазы катодного пятна позволил идентифицировать пороговый ток горения дуги с током, при котором происходит выплеск жидкометаллической фазы катодного пятна в виде жидкометаллической струи. Разряд становится самоподдерживающимся, когда эти струи взрываются и вызывают новые «всплески». Если «первый» микровзрыв можно считать флуктуационным, он возникает там, где в результате неоднородности поверхности катода электрическое поле максимально, то «следующие» микровзрывы уже инициируют друг друга. Образно: как пороховые газы выстрела обеспечивают подачу следующего патрона.

Эктонная концепция Месяца дает для конструирования сильноточных генераторов, ускорителей и других устройств основу, аналогичную циклу Карно для конструирования стрелкового оружия.



Вот ссылки на наиболее интересные свежие результаты:

1. Г.А. Месяц, Е.М. Окс Зарядовое распределение ионов в плазме вакуумной дуги при малых токах Письма в журнал технической физики, 2013, т. 39, вып. 15, стр. 40-46

2. G.A. Mesyats Ecton Mechanism of the Cathode Spot Phenomena in a Vacuum Arc IEEE Transaction on Plasma Science 2013, vol. 41 pp. 676-694

3. G.A. Mesyats, N.M. Zubarev Hydrodynamics of the molten metal in a vacuum arc cathode spot at near-threshold currents Journal of Applied Physics 2013, vol 113, p203301



По материалам АНИ «ФИАН-Информ»
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#594   morozov » Сб мар 01, 2014 12:27

Взаимодействие сверхпроводниковых кубитов посредством фотонов

Вакуумные флуктуации электромагнитного поля приводят к перенормировке атомных энергетических уровней и к релаксации возбужденных состояний, сопровождающейся испусканием фотонов. Если реальный или виртуальный фотон, который испускает один атом, поглощается другим, то между этими атомами возникает нетривиальная связь, признаками которой является когерентное межатомное взаимодействие обменного типа и формирование так называемых сверхизлучательного и субизлучательного состояний. В трехмерных структурах эти эффекты наблюдать сложно, поэтому авторы работы [1] (Швейцария, Канада) использовали квазиодномерную – волновод с двумя “искусственными атомами”, роль которых играли сверхпроводниковые транзмонные кубиты (по сути – двухуровневые системы), расположенные на расстоянии d = 18.6 мм. Соотношение между d и длиной волны l испускаемых и поглощаемых кубитами СВЧ-фотонов регулировали изменением частоты внутрикубитных переходов. В соответствии с теорией, при d = l и d = 3l/4 (см. рис.) в спектрах прохождения и отражения наблюдали характерные интерференционные эффекты.


Изображение
Схематическое изображение кубитов в волноводе.

Полученные результаты могут быть, в частности, использованы при разработке методики создания запутанных состояний кубитов, удаленных друг от друга на большое расстояние.

1. A.F. van Loo et al., Science 342, 1494 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#595   morozov » Вт мар 04, 2014 10:30

Перестраиваемые лазеры: от алкотестеров до атмосферы Титана

В Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) состоялась 9-ая Международная конференция по диодной лазерной спектроскопии (TDLS-2013), на которой докладчики рассказали о новейших разработках в области применения лазерных устройств одного из самых перспективных типов – перестраиваемых лазеров.



Изображение


Международная конференция по диодной лазерной спектроскопии, проводимая с 1995 года, в третий раз за свою историю состоялась в Москве. В этом году она прошла в рамках другого важного научного мероприятия – Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (ICONO), проводившейся совместно с Международной конференцией по лазерам, их применениям и технологиям (LAT). В то время как ICONO/LAT-2013, одна их крупнейших конференций в мире по фотонике, лазерной физике и их применениям, собрала специалистов по различным направлениям этого сектора, TDLS-2013 была посвящена спектроскопии и газоанализу, осуществляемых с помощью перестраиваемых лазерных диодов.

Особенность перестраиваемых лазеров заключается в том, что частоту излучения в них можно изменять в спектральном диапазоне, значительно превышающем ширину линии излучения лазера. Такие приборы позволяют быстро получить высокоточную «картину» вещества. Из-за этого перестраиваемые лазеры активно используются в аналитических приборах как для фундаментальной спектроскопии (исследования спектров поглощения молекул), так и для её приложений, например, в медицине, экологическом мониторинге, космических исследованиях, технологических процессах и др.



Рассказывает один из организаторов конференции, заведующий лабораторией спектроскопии межмолекулярных взаимодействий в Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН), канд. физ.-мат. наук Яков Яковлевич Понуровский: «Конференция носит фундаментально-прикладной характер… даже не столько фундаментальный, сколько прикладной. Это видно по составу докладчиков: в основном это разработчики аппаратуры со знанием спектральных особенностей поглощающих сред. Здесь важно понимать и фундаментальную спектроскопию, и применение лазеров в конкретных технологиях».



Разброс приложений лазерной спектроскопии, представленных на конференции, впечатляет. В Институте спектроскопии РАН с помощью этой технологии исследуются температурные градиенты в сопле реактивного двигателя (речь идёт об изменении температур и концентраций горючего в зависимости от скорости потоков), причём разрабатываемые приборы измеряют процессы продолжительностью в несколько десятков миллисекунд. В Отделе диодной спектроскопии ИОФ РАН создают приборы с диодными лазерами, в частности, для мониторинга парниковых газов с помощью самолётных лабораторий и диагностики выдыхаемых человеком газов – такие устройства применяются в алкотестерах, а также при хеликобакторной диагностике (то есть при распознавании гастроэнтерологических болезней). НПО «Салют» из Нижнего Новгорода использует диодные лазеры для газоанализа в примесях, в процессах очистки гидридных газов, которые активно применяются, например, при выращивании микросхем и в других тех процессах где используется МОСгидридная эпитаксиальная технология.

Американские учёные из Университета Райса и Коннектикутского колледжа представили новое оборудование для исследования спектров поглощения различных газов в экстремально холодных условиях и при различных – высоких и низких – давлениях. В качестве объекта изучения была выбрана атмосфера Титана, спутника Сатурна, а в дальнейшем работа поможет смоделировать молекулярный состав атмосферы и других планет, в частности Марса и Венеры.

Несколько научных групп из Франции и Швейцарии рассказали о новых источниках лазерного излучения, диодных лазерах в среднем и ближнем ИК-диапазоне. В связи с развитием новой технологии создания квантовых каскадных лазеров важное место стали завоёвывать когерентные источники для среднего ИК-диапазона. В конференции приняли участие фирмы Phocone, Nanoplus, которые выпускают такие диодные лазеры на спектроскопический рынок и аналитические приборы на их основе. В целом, как отметил один из отцов-основателей конференции, профессор Арлан Мантц из Коннектикутского колледжа, присутствие бизнеса также очень важно, ведь «основной замысел конференции в том, чтобы собрать вместе всех – и разработчиков, и потребителей лазеров, для того чтобы первые понимали, что нужно вторым, а вторые узнали, что предлагают или могут предложить первые».



О.Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#596   morozov » Ср мар 05, 2014 16:49

Чернее бархата или нанотрубки в голографии

Амплитудные голограммы – самые простые в получении и первые из изобретенных трехмерных изображений. Они представляли собой черно-белую фотопленку с записанной на ней интерференционной картиной. Из первоначального излучения лишь небольшая доля идет на создание изображения, поэтому эффективность амплитудных голограмм намного уступает фазовым, которые позволяют использовать практически всю световую энергию опорной волны.

Тем не менее, качество изображений, получаемых с помощью амплитудных голограмм, можно значительно улучшить, если каким-то образом увеличить контраст между поглощающими и пропускающими свет участками.

Известно, что поверхность из вертикально расположенных нанотрубок является самым темным из всех покрытий, изобретенных человеком. Эффект очень похож на тот, которому обязан своим глубоким цветом черный бархат. Луч света, попадающий на ворсистую поверхность, в данном случае, в густой лес из нанотрубок, уже почти не имеет шансов выйти наружу, что позволяет достичь уровня поглощения 99.9%. Исследователи из Univ. of Cambridge (Великобритания) [1] решили воспользоваться этим для создания амплитудных голограмм высокого контраста (рис.1).

По предварительно рассчитанной структуре голограммы методом электронно-лучевой была создана подложка, на которой был выращены многостенные нанотрубки. Вместо бескрайнего леса нанотрубок на таких протравленных подложках росли отдельные рощицы, разделенные проплешинами, сквозь которые отсвечивало зеркальное покрытие (рис.2).



Изображение
Рис. 1. Отражающая голограмма, созданная кембриджскими учеными на основе покрытия из нанотрубок [1].
Изображение
Рис. 2. Зеркальное покрытие с выращенными на нем островками вертикально расположенных нанотрубок – новая разновидность амплитудных голограмм;
а) и b) – изображения в электронном микроскопе при разном увеличении.


Освещая лазерным пучком такую поверхность, ученые получали на экране логотип своей alma mater (рис. 1). Если при создании подобных структур использовать более дешевые фотолитографические методы, то новый тип высококонтрастных амплитудных голограмм может иметь и практический интерес.

А. Пятаков

1. Y.Montelongo et al., Appl. Phys. Lett. 103, 11104 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#597   morozov » Чт мар 06, 2014 20:41

Загадочные вспышки Солнца

Мало какое из небесных тел может похвастаться столь пристальным вниманием человечества, как Солнце. И все-таки, ученые до сих пор так и не смогли до конца разгадать причины появления одного из наиболее загадочных явлений – вспышек на Солнце.. Разгадать – значит не только понять физику исследуемого явления, но и уметь предсказывать появление вспышек и их мощность, а, следовательно, и последствия для Земли. В работах по моделированию солнечных вспышек ученые ФИАН совместно с коллегами из Института астрономии РАН (ИНАСАН) приблизились к решению одной из важнейших для человечества проблем.



Пожалуй, Солнце является одним из самых притягательных для исследования объектов. Столь пристальное внимание естественно, ведь влияние солнечной активности на Землю очень велико.



Поясняет ведущий научный сотрудник лаборатории физики Солнца и космических лучей ФИАН А.И. Подгорный: «Солнечная вспышка представляет собой сложное физическое явление. Энергия вспышки высвобождается сразу несколькими путями: это и нагрев плазмы до высоких температур и формирование рентгеновского излучения, и образование так называемых солнечных космических лучей – релятивистских протонов с энергией до 20 ГэВ. Важным проявлением вспышки являются также выбросы вещества, масса которых достигает 1016 грамм, а скорость – 1000 км /c. Корональный выброс, достигая орбиты Земли, вызывает возмущение магнитосферы нашей планеты – возникают магнитные бури и полярные сияния, нарушается радиосвязь, происходят аварии в системах энергоснабжения. Долговременный прогноз этих явлений требует понимания процессов, происходящих на Солнце.»



Наибольший интерес для исследования представляют наиболее мощные вспышки класса Х, при которых мощность излучения, приходящегося на 1 см2 Земли, достигает 0,1 эрг/с и выше. Ученые, однако, так до сих пор и не могут сказать, какие же условия необходимы для возникновения крупных вспышек, не говоря уже о возможности их предсказания.



А.И. Подгорный: «Наша цель – понять механизм солнечной вспышки, понять, что ей предшествует и что происходит на Солнце непосредственно во время вспышки.

В основном, в настоящее время ученые решают эту задачу «от обратного», т.е. на основании той или иной теории строится модель вспышечного процесса, а затем путем наблюдений оценивается ее соответствие реальной ситуации. Мы же пытаемся моделировать механизм солнечной вспышки, не делая никаких предварительных предположений, только исходя из наблюдений. Это позволяет нам изучать реальный механизм вспышки»



Необходимо понять каким образом происходит накопление энергии для вспышки. В настоящее время обсуждается несколько основных возможных механизмов вспышек:

– рассмотренная советским ученым С. И. Сыроватским возможность накопления энергии в магнитном поле так называемого токового слоя;

– образование и выброс магнитного жгута;

– мощный импульсный разряд – пинч;

– аннигиляция сильно скрученных линий магнитного поля.

Совместная группа ученых ФИАН и ИНАСАН предложила свою модель, в основе которой лежит механизм пересоединения магнитных линий, а также идеи С.И. Сыроватского о медленном накоплении энергии в токовом слое до некоего критического значения с последующим взрывным высвобождением. Численное моделирование показало, что вспышка происходит не на поверхности Солнца, а в токовом слое, расположенном в короне. В ходе наблюдений, а также моделирования предвспышечных и вспышечных процессов, удалось выявить закономерность между величиной магнитного поля активной области и возможностью возникновения вспышки класса Х: величина магнитного потока активной области должна перейти пороговое значение в 1022 Мкс. Однако, анализ магнитных потоков в мощных активных областях показывает, что это условие является необходимым, но не достаточным. Магнитный поток активной области может превзойти 1022 Мкс, но большая вспышка так и не произойдет.

В результате дальнейшего моделирования было показано, что еще одним необходимым условием возникновения больших вспышек является сложное распределение магнитного поля в активной области. Локальные источники магнитных полей разной направленности должны быть расположены хаотично. Только в этом случае в короне Солнца может образоваться токовый слой, в магнитном поле которого запасается энергия для будущей вспышки. Благоприятным фактором для вспышки является также сильный градиент магнитного поля поперек линии инверсии полярности магнитного поля. На последнее условие еще в 1982 г. указывал советский исследователь В.Е. Степанов.

Однако, самый неожиданный результат наблюдения солнечной активности был получен при анализе магнитного поля активной области во время вспышки.



Профессор И.М. Подгорный, ведущий научный сотрудник ИНАСАН: «Благодаря запуску космической обсерватории НАСА (SDO) в 2010 году, мы получили прекрасную возможность анализа изменений магнитных потоков и конфигурации магнитного поля активных областей на протяжении всего вспышечного процесса – от зарождения до самой вспышки – с 45-секундным интервалом регистрации данных. Попытки обнаружить изменения магнитного поля привели к потрясающим результатам: вспышка происходит, при этом выделяется колоссальная энергия, а на солнечной поверхности – тишина, поле остается без изменений!»



По мнению, исследовательской группы ФИАН-ИНАСАН, обнаруженное явление еще раз подтверждает, что энерговыделение вспышки происходит высоко в короне, т. е. нет никаких оснований считать вспышку хромосферным событием. При этом во вспышке реализуется энергия, накопленная в короне на стадии, предшествующей вспышке.

Впереди еще предстоит серия экспериментов по численному моделированию солнечных вспышек с учетом различных начальных параметров. Эти эксперименты должны подтвердить уже полученные на сегодняшний день результаты, а также могут выявить новые закономерности и еще больше приблизить ученых к пониманию механизма возникновения солнечных вспышек. А это, в свою очередь, даст человечеству возможность предсказания вспышек и возможности по предотвращению последствий от их нежелательного воздействия.



А.И. Подгорный: «Наши сегодняшние исследования направлены на детальное изучение механизма солнечной вспышки, что даст возможность с достаточно хорошей вероятностью предсказать, будет ли вспышка в течение нескольких суток или нет, а также оценить какова ее предполагаемая мощность. Конечно, это весьма ценно для науки, но не только.

Для чего еще это нужно? Во-первых, в результате возникающего выброса, если, конечно, он идет к Земле, возникает магнитная суббуря. При этом меняются магнитные поля, в том числе и на поверхности Земли. Для человека они большого вреда не приносят, но могут привести к выводу из строя технику. Сильное радиоизлучение в дециметровом диапазоне, которое также сопровождает вспышку, оказывает большое влияние на навигационные приборы. Поэтому, важно заранее предсказать возможность такого события, чтобы избежать катастроф. Еще одно немаловажное проявление вспышки – рентгеновское облучение и его воздействие на состояние атмосферы Земли. Возможность прогноза потоков жесткого излучения в первую очередь важна для космонавтов, а также для тех, кто работает в полярных условиях, где защита озонового слоя намного ниже.

Уметь предсказывать космическую угрозу, которая хотя и не столь разрушительна как падение больших метеоритов, но носит повседневный характер, позволит разработать эффективные меры противодействия ей. А это одно из важнейших условий продолжения нормальной жизни на Земле.»
Изображение
Рисунок 1. Вверху: зависимость от времени рентгеновского излучения от серии вспышек, происшедших над активной областью NOAA 10720. Излучение зарегистрировано на космической обсерватории GOES12 в двух спектральных диапазонах. Внизу: северный и южный магнитные потоки. Красными стрелками обозначены моменты появления больших вспышек. Большие (класса X) вспышки появились после возрастания магнитного потока


Е. Любченко, АНИ «ФИАН-Информ»
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#598   morozov » Пт мар 07, 2014 0:23

Солнце под микроскопом

Недавно появилось сообщение о запуске американской солнечной обсерватории IRIS. О значении и особенностях этого проекта, о российских «солнечных» перспективах корреспонденту ФИАН-Информ рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН, д.ф.-м.н. Сергей Александрович Богачев.

Изображение
Космический аппарат IRIS

История исследований Солнца имеет довольно-таки длительную и насыщенную историю. Каждый новый виток развития науки и техники неизменно ознаменовывался новым всплеском интереса к нашему светилу, рождением новых теорий и исследований. Однако, это не особенно приблизило человечество к пониманию процессов, происходящих на Солнце, законов его жизни. На сегодняшний день постоянному, можно сказать, неусыпному наблюдению за Солнцем посвящена значительная доля всех космических программ и аппаратов. В научном, да и не только, мире хорошо известны такие крупные солнечные обсерватории, как SDO, STEREO, TRACE (все принадлежат НАСА), SOHO (Европа), Хинодо (Япония)… И вот теперь запущена еще одна специализированная солнечная лаборатория IRIS. Зачем так много?



С.А. Богачев: «Каждый из известных аппаратов отличается от предыдущих по своим задачам, оснащению. Например, SOHO обладает уникальным прибором – коронографом, – которого больше нет ни на одной станции. Так и IRIS отличается от всех известных на сегодняшний день обсерваторий. Чем интересен этот проект?

Во-первых, это так называемый малый космический аппарат (МКА). Есть большие обсерватории, крупные, в т.ч. и у НАСА, которые у всех на слуху, их разработка, функционирование и исследования на них – результат коллективного творчества международных групп ученых, в т.ч. и российских. А есть малые аппараты, размером, условно скажем, с письменный стол, на которые помещается только один прибор. Такой подход значительно удешевляет и облегчает процесс вывода аппарата на орбиту, его контроль.

Во-вторых, этот аппарат, в отличие от уже имеющихся обсерваторий, не строит изображения Солнца, а измеряет его спектр. Причем этот спектр строится с очень хорошим угловым разрешением, примерно 0,3 угловых секунды. Чтобы было понятно, что скрывается за этим значением, представьте, что Вы можете рассмотреть во всех деталях, с надписями и эмблемами, копеечную монету с расстояния около километра. И это примерно в 2 раза выше, чем существующие рекордные значения.»



Недаром сами авторы IRIS сравнивают исследования, запланированные для проведения на нем, с исследованиями под микроскопом.

Когда ученые проводят исследования Солнца посредством телескопов, например, SDO, они могут наблюдать структуру и ее изменения, какую-то временнýю динамику на поверхности. Но, используя те же самые изображения, нельзя ответить на вопросы «Какова плотность плазмы в этом месте?» или «Какая температура плазмы в этой точке на Солнце?». Запущенный аппарат как раз и призван закрыть этот пробел.



С.А. Богачев: «Что такое спектр? Это когда поток излучения из одной и той же области измеряется сразу в нескольких спектральных линиях. Каждая спектральная линия по-разному откликается на температуру. Некоторые линии, скажем, ярче при температуре в миллион градусов, другие – при 100 тыс. градусов. И когда Вы смотрите спектр, анализируете интенсивность излучения разных линий, то делаете вывод, что в этом месте температура плазмы составляет, например, миллион градусов. Точно также есть линии, чувствительные к плотности вещества и позволяющие определять эту характеристику. Таким образом, спектры, в отличие от изображений, дают возможность производить диагностику плазмы, т.е. определять ее физические параметры – плотность, температуру и другие»



Важность новой обсерватории состоит не столько в способности исследовать спектральные характеристики Солнца, спектрографы выводились для исследований на орбиту и раньше, а в его рекордной по нынешним оценкам чувствительности, в высоких значениях углового разрешения.

Значимость подобных высокоточных исследований в исследовании Солнца очень велика. В настоящее время доминирующей в солнечной физике является теория, согласно которой основная вспышечная энергия Солнца содержится не в крупных событиях, которые привлекают всеобщее внимание, а в огромном количестве мелких вспышек. Каждая из них настолько слаба, что мы ее просто не видим, но из суммарная энергия в сотни и тысячи раз превышает энергию крупномасштабной вспышечной активности. Поэтому сейчас и стремятся выводить на орбиту очень точные инструменты, чтобы проникнуть в этот солнечный микромир.
Изображение
Научная аппаратура Арка – эскизный облик

Не отстает от зарубежных коллег и российская наука. В России также существует программа МКА. Интересное совпадение, но в то самое время, когда НАСА выводило на орбиту IRIS, ученые ФИАН представили к защите эскизный проект на научную аппаратуру «Арка» для отечественного малого космического аппарата.



С.А. Богачев: «Малый аппарат с прибором ФИАН «Арка» включен в федеральную космическую программу. Во второй половине этого года, после того как результаты эскизного проектирования будут утверждены Роскосмосом, мы переходим в стадию разработки конструкторской документации, а уже с будущего года начнем делать первые макеты. К 2015 году космический аппарат с нашим прибором должен выйти на орбиту.

Хотелось бы отметить, что если IRIS имеет угловое разрешение в 10 раз лучше, чем SOHO, то телескопы, разрабатываемые нами, будут еще в 3 раза лучше, чем IRIS. И еще, что очень важно, IRIS, хотя и имеет рекордное угловое разрешение, но не строит изображение Солнца, а «видит» лишь очень маленький фрагмент его поверхности, который попадает в щель спектрометра. Прибор же, который создает ФИАН, это полноценный телескоп, способный проводить обзор всего солнечного диска.»



Исследования Солнца чрезвычайно важны не только для развития физики Солнца, но и для науки в целом. Солнце не зря называют естественной научной лабораторией. Понимание процессов, протекающих здесь, поможет ученым глубже проникнуть во многие тайны нашего мира.
Изображение
Солнце глазами космической обсерватории SDO.
Аппаратура Арка позволят получить в 6 раз
более детальное изображение



С.А. Богачев: «Очень долго считалось, что ответы на все ключевые вопросы солнечной физики – механизм нагрева короны, источники энергии солнечных вспышек и прочее – хранятся в макромире Солнца. А вот сейчас оказалось, что – нет. Мы просто не могли ответить на многие вопросы, потому, что ключи к ним спрятаны на каком-то более мелком масштабе, в микромире. Поэтому сейчас пошел второй виток физики Солнца, когда пытаются глубже проникнуть во все более тонкие процессы, пытаются увидеть все более быстрые процессы на Солнце. И наш аппарат Арка будет очень сильным подспорьем в этих исследованиях.

Солнце – самая близкая к нам звезда, объект, который рядом, объект, от которого мы очень зависим. Конечно, чем больше мы о нем знаем, тем лучше…»



Е.Любченко, АНИ «ФИАН-Информ»
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#599   morozov » Вт мар 11, 2014 15:14

томно-силовой микроскоп и волна зарядовой плотности

Когда одно макроскопическое тело скользит по поверхности другого, то возникает трение и происходит диссипация энергии. На наноуровне возможно также бесконтактное трение, которое обусловлено электромагнитными полями, создаваемыми, например, за счет тепловых и квантовых флуктуаций электронной плотности. Для изучения такого трения используют атомно-силовой микроскоп (АСМ) в динамическом режиме: о силе трения судят по изменению амплитуды и частоты колебаний иглы АСМ, закрепленной на краю кантилевера и отстоящей от образца на несколько нанометров. Этот подход позволил, в частности, зарегистрировать резкое уменьшение “электронного трения” при сверхпроводящем переходе (вследствие подавления флуктуаций заряда из-за образования щели в энергетическом спектре). В статье [1] (Швейцария, Италия, Великобритания) обнаружено, что по мере приближения колеблющейся иглы АСМ к поверхности слоистого дихалькогенида NbSe2 (см. рис.) вместо ожидаемого монотонного увеличения диссипации наблюдаются три четко выраженных пика. Этот эффект имеет место только ниже температуры формирования в NbSe2 волны зарядовой плотности (ВЗП).


Изображение
Игла атомно-силового микроскопа у поверхности NbSe2.

Авторы объясняют его тем, что игла индуцирует локальное изменение фазы ВЗП (каждый пик соответствует сдвигу фазы на 2p). Таким образом, АСМ можно использовать не только для определения структуры поверхности, но и для изучения коллективных электронных явлений.

1. M.Langer et al., Nature Mater. 13, 173 (2014).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 33098
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#600   morozov » Ср мар 12, 2014 15:17

Королевский кислород

Известно, что при нормальных условиях атомы кислорода способны образовывать две аллотропные модификации: собственно кислород (O2) и озон (O3). Однако ряд исследователей сходятся во мнении, что возможно формирование и более крупных соединений (кластеров), в которых атомы кислорода связаны посредством сильного ковалентного взаимодействия. Так, например, в работе [1] авторы детально рассмотрели несколько циклических изомеров O8 (предсказанных ранее [2, 3]) с целью более точного определения их геометрии и энергетических характеристик, а также для оценки устойчивости. Компьютерное моделирование “из первых принципов” исследователи проводили в рамках достаточно требовательных к вычислительным ресурсам, но в тоже время обладающих высокой точностью MP2 и CCSD подходов. В результате оказалось, что метастабильная конфигурация O8, напоминающая по форме королевскую корону (см. рис.), обладает наиболее низкой энергией среди представленных в работе изомеров.

Изображение
Общий вид циклических изомеров O8:
“корона” (слева) и изомер, предложенный в работе [3] (справа)

Авторы предполагают, что данная структура является единственным возможным устойчивым изомером O8, т.к. дальнейшие расчеты колебательных спектров показали, что все частоты для данной конфигурации действительны, чего нельзя сказать об остальных системах: в их спектрах присутствуют мнимые частоты. Следовательно, они должны отвечать не метастабильным, а переходным состояниям. В настоящее время авторы проводят тестовые молекулярно-динамические расчеты для определения термической устойчивости “короны” O8. Возможно, время ее жизни при криогенных температурах или даже при комнатных окажется достаточным для экспериментального обнаружения. Будем следить за результатами.

М. Маслов

1. A.J. Ochoa-Calle and A. Ramírez-Solís, Chem. Phys Lett. 592, 326 (2014).

2. K.S. Kim et al., J. Chem. Phys. 92, 1887 (1990).

3. G. Forte et al., Phys. Lett. A 377, 801 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»