Информация свежая... и не очень

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#901   morozov » Ср фев 07, 2018 2:07

Приключения дислокаций в доменной структуре

Перед самым Новым годом в журнале Scientific Reports вышла статья ученых из Уральского федерального университета и Института физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН, раскрывающая механизмы движения и взаимодействия магнитных дислокаций в переменном магнитном поле [1].

Дислокации (лат. dislocatio – смещение) в самом общем смысле представляют собой дефекты, нарушающие правильное расположение параллельных слоев, будь то атомные плоскости в кристалле, пласты в геологии или доменные границы в магнитоупорядоченном веществе. Дислокации в полосовой доменной структуре, часто называемые головками доменов, легко наблюдать в оптически прозрачных образцах ферритов-гранатов (рис. 1). В переменном магнитном поле такие дислокации дрейфуют в направлении, перпендикулярном доменным границам (рис. 1а-в), а при сближении могут аннигилировать, образовав правильную полосовую доменную структуру (рис. 1д). Процесс движения головки представляет собой последовательные стадии слияния доменных границ с образованием новой дислокации с противоположным направлением намагниченности в домене, что проявляется в виде переключения контраста головки от темного к светлому и обратно (рис. а-в).
Изображение
Рис. 1. Поперечный дрейф дислокаций в переменом поле, приложенном вдоль полосовой доменной структуры: а - начальное положение двух головок – светлой внизу и темной вверху (находятся в областях, выделенных желтым и зеленым, соответственно); б - переключение контраста нижней головки при ее движении вправо в области, выделеной штриховой желтой линией; в - дальнейшее сближение головок за счет перемещения в противоположных направлениях и переключения контраста; г - предполагаемая структура перед анигиляцией дислокаций; д - полосовая структура после аннигиляции. Интервал времени, разделяющий кадры ~ 10 мс. Частота переменного поля 200 Гц, амплитуда ~100 Э. На вставках показано распределение намагниченности в доменных границах, а также магнитные заряды (цветными значками «+» и «-»).
Механизм передвижения головок связан с наличием на кончике головок областей с разворотом намагниченности – вертикальных линий Блоха (ВБЛ). Как показано на вставках рис. 1, неоднородное распределение намагниченности в месте нахождения ВБЛ создает магнитные заряды, вызывающие притяжение соседних доменных границ и слияние их. В результате образуется головка домена с противоположным направлением намагниченности.

Таким образом, в данной работе продемонстрирован механизм нового малоизученного способа модификации распределения намагниченности – движение магнитных дислокаций в полосовой доменной структуре. Помимо важности данного наблюдения для динамики доменных структур, описанный эффект примечателен своим сходством с движением дислокаций в кристалле под действием механических напряжений – аналогии, которая при более пристальном рассмотрении может подарить новые красивые эффекты в магнетизме.

А. Пятаков

1. L.A.Pamyatnykh et al., Scientific Reports 7, 18084 (2017).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#902   morozov » Вс фев 18, 2018 11:25

Фототермическая терапия опухолей.
Старинная китайская тушь находит новое применение.

С давних времен в Китае считалось, что в доме просвещенного человека непременно должны быть “четыре драгоценности” – кисть, бумага, тушь и тушечница. Как недавно выяснили китайские учёные, одна из “драгоценностей” – тушь – важна не только для искусства каллиграфии (кстати, очень популярного в наше время), но и для борьбы с онкологическими заболеваниями [1].

Фототермическая терапия (ФТТ) на основе наноматериалов (графена, углеродных нанотрубок) – перспективный метод лечения опухолей, который позволяет избежать хирургического вмешательства (см., например, ПерсТ [2, 3]). Выделение тепла при поглощении света разрушает больные клетки. Чтобы не повредить здоровые клетки, требуется излучение в ближнем ИК-диапазоне (обычно используют 808 нм лазер). В последнее десятилетие особенно активно изучают возможность устранения поражённых метастазами лимфоузлов. Однако применение искусственных наноматериалов в клинической практике затруднено – их синтез довольно сложный и дорогой, требуется тщательная очистка от примесей катализаторов. Авторы работы [1] обратили внимание на сходство наноматериалов на основе графена и традиционной чёрной китайской туши Hu-Kaiwen ink (Hu-ink), которую, как и тысячу лет назад, делают на основе сосновой сажи. Для экспериментов тушь разбавили водой. Полученные дисперсии исследовали с помощью электронной микроскопии, спектроскопии и других методов.

ТЕМ изображение дисперсии представлено на рис. 1. Видно, что наночастицы Hu-ink диаметром 20-50 нм образуют мелкие агрегаты. На рентгеновских дифрактограммах имеются только пики углерода. Рамановские спектры указывают на графеноподобную структуру. Кроме того, спектроскопические исследования выявили сильное поглощение излучения в ближнем ИК диапазоне. Воздействие 808 нм лазера на водные дисперсии Hu-inkk привело к значительному повышению температуры, особенно для концентраций 50 и 100 мкг/мл (рис. 1), в то время как температура воды без наночастиц выросла незначительно. Физико-химические свойства дисперсии в течение 90 дней не изменились. Серия экспериментов подтвердила биосовместимость Hu-ink. Эти данные, а также исключительно простой способ приготовления, говорят о перспективности “нового” наноматериала для ФТТ.

ИзображениеИзображение

Рис. 1. Слева: ТЕМ изображение дисперсии Hu-ink в воде (шкала 200 нм). Справа: Изменение температуры после воздействия лазерного излучения (2 Вт/см2, 5 мин.) на водные дисперсии с разной концентрацией туши (температура чистой воды выросла всего на 5 градусов).

Исследователи провели серию экспериментов на мышах с опухолями, которые уже дали метастазы в ближайшие (так называемые сторожевые) лимфоузлы. 20 мышей разделили на 4 группы по 5 мышей в каждой. Мышам в первой и второй группах путем инъекции в первичную опухоль на задней лапе вводили нормальный солевой раствор (NS), а мышам в третьей и четвертой группе – дисперсию Hu-ink. По лимфатическим сосудам дисперсия Hu-ink и NS попадали в подколенные лимфоузлы. Эти лимфоузлы у мышей из второй и четвертой групп облучали 808 нм лазером (1 Вт/см2, 5 мин) и с помощью ИК-камеры измеряли температуру лимфоузлов. У мышей четвертой группы (Hu-ink + лазер) локальная температура через 5 мин выросла с 26.4 до 58.8оС, что достаточно для уничтожения опухолевых клеток, а у мышей второй группы (NS + лазер) температура поднялась всего до 31.1оС. Через неделю мышей умертвили (под анестезией), чтобы изучить лимфоузлы. Результаты приведены на рис. 2. Как видно, для группы Hu-ink + лазер получен замечательный эффект.
Изображение
Рис. 2. a - Фотографии подколенных лимфоузлов, поражённых метастазами от первичной опухоли,
для четырех групп мышей: (NS), (NS + лазер), (Hu-ink), (Hu-ink + лазер); b - вес лимфоузлов для каждой группы мышей.

Благодаря сильному поглощению в ближнем ИК-диапазоне, дисперсия Hu-ink может быть использована и как контрастный агент для фотоакустической визуализации* лимфоузлов. Исследования показали, что фотоакустические сигналы в подколенном лимфоузле после инъекции в первичную опухоль Hu-ink гораздо сильнее, чем после инъекции в первичную опухоль нормального солевого раствора (рис. 3).

Изображение
Рис. 3. Фотоакустические изображения подколенных лимфоузлов через 24 ч после инъекции
в первичную опухоль нормального солевого раствора NS (слева) и Hu-ink (справа).

Изображение
Рис. 4. Схема фототермической терапии поражённых метастазами лимфоузлов с использованием дисперии Hu-ink. Дисперсию вводят в первичную опухоль на правой задней лапе мыши. Через 24 ч после инъекции Hu-ink из первичной опухоли переходит в поражённый метастазами лимфоузел, что подтверждают фото слева и в центре (слева – Staining, обычное окрашивание черными наночастицами Hu-ink, в центре – PAI, фотоакустическое изображение). Затем проводят фототермическую терапию PTT с помощью воздействия на лимфоузел излучения 808 нм лазера

Таким образом, старинному наноматериалу найдено новое важное применение. Как показано на рис. 4, Hu-ink можно использовать не только для обычного окрашивания (благодаря чёрному цвету наночастиц) и фотоакустической визуализации поражённых метастазами лимфоузлов, но и для их последующего фототермического уничтожения.

________________

*Фотоакустическая (оптоакустическая) визуализация – современная медицинская методика, основанная на фотоакустическом эффекте. На биологическую ткань или специально введённые наночастицы воздействуют короткими лазерными импульсами. Поглощение света приводит к тепловому расширению и возбуждению ультразвуковых волн, которые могут быть зарегистрированы и преобразованы в изображение.

О. Алексеева

1. S.Wang et al., ACS Omega 2, 5170 (2017).

2. ПерсТ 24, вып. 17/18, с.2 (2017).

3. ПерсТ 20, вып. 7, с.2 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#903   morozov » Вт фев 20, 2018 4:18

Управление электронной структурой графидина
посредством его химического модифицирования


Авторы работы [1] представили исследование, посвященное изучению возможности изменения электронных свойств нового двумерного материала графидина посредством химического модифицирования. Графидин, представляющий собой новый устойчивый аллотроп углерода, который уже синтезирован экспериментально, демонстрирует уникальные свойства, включая высокие прочность и теплосопротивление. В работе [1] исследована его электронная структура как экспериментально с помощью рентгеноспектрального анализа, так и с помощью расчета методом функционала плотности, что позволило выявить влияние различных химических элементов на электронный спектр графидина. Для экспериментального исследования использовали образцы графидина, выращенные на медной подложке, а для теоретического – пять различных образцов (чистый графидин, две конфигурации допированного азотом графидина и графидин с атомами кислорода и гидроксильными функциональными группами). Ранее было показано, что в электронном спектре графидина есть щель, что очень важно для его практического применения, однако ширина щели сильно зависит от метода расчета. Сравнение уже известных экспериментальных данных с результатами, полученными в работе [1] подтверждают достоверность использованного метода расчета.

В результате показано, что добавление кислорода приводит к увеличению щели, в то время как наличие гидроксильных групп приводит к уменьшению ширины щели по сравнению с чистыми образцами графидина. Кроме того, показано как в каждой из рассмотренных структур изменяется валентная зона и зона проводимости. Однако авторы отмечают, что к изменению ширины щели также может приводить локальное нарушение гексагональной симметрии графидина, присутствие других чужеродных химических элементов, способ синтеза, а также толщина полученного слоя. Природа химических элементов, так же как и их распределение по поверхности играет важную роль в формировании итоговой электронной структуры.

Полученные результаты демонстрируют возможность управления электронной структурой графидина посредством его химического модифицирования, что представляется важным для будущих его применений в наноэлектронных устройствах.

Ю.Баимова

1. N. Ketabi, et al., Carbon 123, 1 (2017).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#904   morozov » Пт фев 23, 2018 10:23

Топологический изолятор в зимнем стиле

Эффекты, связаные с управлением зонной структурой в твердом теле, являются неиссякаемым источником идей для теоретиков и экспериментаторов. Одним из ярких открытий в последние годы стали топологические изоляторы, в которых за счет особой зонной структуры поверхностные состояния образуют конусы Дирака, благодаря чему поверхность диэлектрика является проводящей. При этом электроны с одним значением проекции спина могут двигаться только в одном направлении. Эти свойства не связаны с какими-то отдельными атомами на поверхности, а являются свойствами самого материала.
Изображение
Рис. 1. а - Геометрия рассчитываемой структуры: на вставке система из “снежинок” – элементарная ячейка фононного кристалла,
две области с разным размером центральных снежинок, граница раздела между ними (выделена в оранжевую рамочку);
б - зонная диаграмма каждой области по отдельности и границы раздела. На зонной диаграмме границы видны конусы Дирака.

Зонная структура однородного материала определяется его химическим составом, но для искусственных материалов, таких как фотонные и фононные кристаллы, она определяется в основном геометрическими характеристиками. Естественно, возникает вопрос, а нельзя ли создать искусственный топологический изолятор, например, для акустических волн.

Для этого нужно найти такую структуру, которая в объеме имеет запрещенную зону для акустических волн, а поверхностные состояния образовывали бы конусы Дирака. Ранее [1] в ПерсТе уже писали о топологическом изоляторе для акустических волн, но в той модели были необходимы вращающиеся детали, что существенно затрудняет изготовление устройств. Система, предложенная группой ученых из Германии, США и Мальты [2], не содержит движущихся частей и обладает свойствами топологического изолятора только за счет геометрических параметров.

Авторы [2] предложили использовать двумерный фононный кристалл из кремния, представляющий собой гексагональную решетку, в узлах которой расположены структуры, напоминающие снежинки (рис. 1а, вставка). Технология создания и расчета таких структур хорошо отработана. Размер центральной “снежинки” может варьироваться. Авторы рассчитали структуру, состоящую из двух областей с разными размерами центральной “снежинки”, и оказалось, что граница раздела между такими областями обладает свойством топологического изолятора, ее поверхностные состояния образуют конусы Дирака (рис. 1б).

Правда, надо сказать, что данная система работает не для обыкновенных акустических волн, а для спиральных, обладающих псевдоспином, к недостаткам которых относятся технические сложности при возбуждении. Однако в этом тоже есть аналогия с уже ставшими привычными топологическими изоляторами для электронов, которые поддерживают распространение электронов с разными проекциями спина в разных направлениях. Расчеты показали, что акустические волны распространяются без обратного рассеяния даже в структурах с незначительными дефектами (не более 1%), что внушает оптимистизм и ожидание появления таких устройств “в железе” уже в ближайшем будущем.

З. Пятакова

1. ПерсТ 22, вып.7, с. 3 (2015).

2. C.Brendel, et al., Phys. Rev. B 97, 020102(R) (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#905   morozov » Пт мар 02, 2018 10:28

Уроки природы. Паучки вдохновляют на создание
миниатюрной суперрадужной оптики


Исследование биофотонных наноструктур не только помогает понять, как возникает разнообразная окраска бабочек, пауков, птиц и других живых организмов, но также вдохновляет на создание новых приборов и материалов, о чём не раз рассказывал ПерсТ. Так, на основе данных о наноструктурах крыльев бабочек синтезированы сверкающие полимерные пленки, сочетающие свойства фотонного кристалла и супергидрофобность, разработан метод создания гироидных фотонных наноструктур с регулируемыми оптическими свойствами и др. [1]. Результаты изучения ярко-синих пауков (одинаковая окраска которых обусловлена разными наноструктурами) полезны для улучшения экранов телефонов, телевизоров и других устройств [2]. Источник вдохновения междисциплинарной команды исследователей из США, Австралии, Нидерландов [3] – миниатюрные австралийские пауки-павлины Maratus robinsoni и M. chrysomelas. Эти паучки (размером не более 5 мм) знамениты своими радужными брюшками*, которые меняют цвет при малейшем движении (рис.1).
Изображение
Рис.1. Взрослый самец Maratus robinsoni.
а - Радужное брюшко паука-павлина.
b - Паучок (2,5 мм) на ногте пальца.
c - увеличенное изображение брюшка, но под другим углом наблюдения. При этом цвета изменились с голубого на красный (красные стрелки) и с фиолетового на жёлто-зелёный (синие стрелки). Шкала 200 мкм.
Для привлечения партнёрш эти паучки поднимают и расправляют свои радужные “хвосты” действительно как павлины, (рис. 2 и https://youtube/eGS4JdewROU – обязательно посмотрите, невозможно оторваться от этого фильма, созданного австралийским учёным J. Otto, одним из авторов работы [3]). Видимо, как и другие пауки из семейства пауков-скакунов, Maratus robinsoni и M. chrysomelas обладают острым зрением и отлично различают цвета и оттенки (во всяком случае, паучихи должны уметь это делать, чтобы оценить радугу).

Исследователи предположили, что уникальная “радужность” паучков обусловлена структурированными брюшными чешуйками, которые работают как трёхмерная (3D) отражательная дифракционная решётка. На рис. 3c и 3d эти чешуйки показаны белыми стрелками. Чёрными стрелками показаны чешуйки, относящиеся к чёрным участкам брюшка. Эти чешуйки ориентированы случайным образом и похожи на щёточки.
Изображение
Рис. 2. MM. robinsoni (а) и M. chrysomelas (b в брачном танце поднимают и расправляют
радужные брюшки (показаны стрелками), чтобы привлечь паучиху.
Изображение
Рис. 3. Оптические и электронные микроизображения M. robinsoni (вверху) и M. chrysomelas (внизу):
a, b - оптические изображения, на которых показаны радужные и чёрные чешуйки; c, d - SEM изображения.
Белыми стрелками в центре показаны радужные чешуйки, а чёрными стрелками показаны бархатистые
чёрные чешуйки по бокам (видны хвостики отделённых чешуек и лунки, где они были присоединены
(тонкие белые стрелки и кружки, соответственно)); e-h - увеличенные SEM изображения радужных чешуек;
i, j - TEM изображения поперечного сечения радужных чешуек.
Шкала a, b - 200 мкм, c, d - 20 мкм, e-j - 5 мкм.
На ТЕМ изображениях поперечного сечения видно, что радужные чешуйки имеют аэродинамический профиль, или профиль крыла. Поверхность микрочешуек покрыта бинарной дифракционной нанорешёткой с периодом 500-800 нм и глубиной рельефа ~ 500 нм или больше. Эта уникальная конфигурация разлагает белый свет в спектр всего видимого диапазона так, что с близкого расстояния видна настоящая радуга.

Чтобы проверить свою гипотезу, авторы [3] решили изучить разные конфигурации 3D дифракционных решёток (рис. 4 a,b,c) и создали реальные образцы методом двухфотонной лазерной нанолитографии (полимеризации). Все объекты имеют поверхностные нанорешетки с периодом 670 нм (толщина 170 нм, промежуток 500 нм) и глубиной рельефа 300 нм. SEM изображения представлены на рис. 4 e,f,g. Площадь экспериментальных образцов 135х135 мкм2.
Изображение
Рис. 4. Различные конфигурации дифракционных решёток: a - плоская решётка; b - призматическая решётка; c - аэродинамическая решётка;
d - лентикулярная призма (форма как у варианта c, но без нанорешётки на поверхности) (шкала 5 мкм, врезки 2 мкм); e,f,g - SEM изображения плоской, призматической и аэродинамической решёток, соответственно (шкала 2 мкм). Внизу: Результаты оптического моделирования спектров отражения соответствующих решёток: слева - плоская решётка даёт единственный чистый цвет, зависящий от угла наблюдения (при 40о пик на 400 нм,
при 60о – пик для длины волны менее 600 нм); в центре - призматическая решётка показывает все цвета радуги, но только для угла наблюдения 0о;
справа - аэродинамическая решётка показывает все цвета радуги для многих углов наблюдения, особенно хорошо радуга проявляется при 12о, 16о и 33о.
Используя гиперспектральную визуализацию и методы измерения углового распределения рассеянного света, исследователи показали, что только решётка с аэродинамической формой, показанная на рис.4 с,g, даёт картину, похожую на радугу паучков. Спектры, полученные с помощью оптического моделирования, также подтверждают эти выводы (рис. 4). Разрешающая способность (способность разделять две близко расположенные спектральные линии) для образца с аэродинамической решёткой существенно выше, чем для образцов с плоской и призматической решётками. Однако и этот образец хуже оригинала – чешуек брюшка пауков-павлинов! Авторам [3], видимо, пока не удалось учесть все тонкости структуры прототипа. Тем не менее, гипотеза о механизме возникновения уникальной радуги на 3D дифракционной решётке оказалась верной. Синергетический эффект микрокривизны 3D чешуйки и вертикально ориентированных поверхностных нанорешёток приводит к высокой разрешающей способности. Полученные результаты особенно важны для создания миниатюрных спектрометров с высоким разрешением, необходимых, например, для космических полетов или портативных систем детектирования.

_______________

* Тело паука состоит из двух отделов: головогруди и брюшка

О. Алексеева

1. ПерсТ 24, вып. 23/24, с. 1 (2017).

2. ПерсТ 23, вып. 3/4, с. 4 (2016).

3. B.-K.Hsiung et al., Nature Commun. 8, 2278 (2017).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#906   morozov » Вт мар 13, 2018 14:47

Рождение t-кварков при столкновениях протонов с ядрами
1 февраля 2018

Рождение t-кварков — самых тяжёлых частиц в Стандартной модели — ранее наблюдалось только в p-анти-p-столкновениях на Тэватроне, где t-кварк и был впервые обнаружен, а также в pp-столкновениях на Большом адронном коллайдере. В эксперименте CMS, выполняемом на Большом адронном коллайдере, впервые зарегистрировано рождение t-кварков при столкновении протонов с ядрами свинца с энергией в системе центра масс s1/2=8,16 ТэВ. Прежде в аналогичных экспериментах s1/2 и интенсивность ионных пучков были недостаточны для регистрации t-кварков. В эксперименте CMS рождение пар t-анти-t происходило преимущественно при взаимодействии двух глюонов gg → t-анти-t+..., и затем t-кварки быстро распадались на W-бозоны. Отбирались события, в которых один из W-бозонов распадался по лептонному каналу, а второй — по адронному, что приводило к образованию четырёх джетов и единичного лептона с большой энергией. Зарегистрировано 710 событий, удовлетворяющих критериям рождения t-кварков, и статистическая значимость результата составила 5σ. Измеренное сечение рождения t-кварков, σtt=45 ± 8 нбн хорошо согласуется с теоретическими расчётами. Источник: Phys. Rev. Lett. 119 242001 (2017)

Проверка соотношения Яржинского для единичного иона
1 февраля 2018

Исследование термодинамических соотношений на квантовом уровне в настоящее время привлекает большое внимание. В отличие от большинства соотношений, в случае неравновесных процессов имеющих вид неравенств, соотношение Яржинского записывается в форме равенства, которое связывает среднюю работу, производимую при произвольном неравновесном изменении состояния системы, с разностью равновесных свободных энергий в её конечных состояниях. Аналогичные соотношения ранее были получены в работах Г.Н. Бочкова и Ю.Е. Кузовлева (см. историю вопроса в УФН 181 647 (2011) и УФН 183 617 (2013). T.P. Xiong (Уханьский Институт физики и математики Китайской академии наук) и др. в своем эксперименте подтвердили соотношение Яржинского для единичного иона 40Ca+, захваченного в ловушку Пауля. Спиновые состояния иона, которые подготавливались и измерялись с помощью лазерных импульсов, кодировали квантовый бит. Исследовалась связь между неравновесными процессами и информацией, передаваемой во время измерений, и соотношение Яржинского было успешно подтверждено для процесса эволюции системы между двумя измерениями. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 010601 (2018)
Свойства переохлаждённой воды

1 февраля 2018

Вода имеет ряд интересных физических свойств, которые отличают ее от большинства других жидкостей. Рост термодинамических функций воды, таких как изотермическая сжимаемость, при сильном охлаждении свидетельствует о том, что, возможно, имеются две фазы жидкой переохлаждённой воды с различающимися плотностями, флуктуирующие друг в друга, и при большом давлении должна быть критическая точка, где эти фазы сосуществуют. Однако прямое исследование этой области фазовой диаграммы затруднено, т.к. в ней кристаллизация воды происходит спонтанно даже без участия примесей. A. Nilsson (Стокгольмский университет, Швеция) и его коллеги методом рассеяния рентгеновских импульсов на каплях исследовали свойства переохлаждённой воды при температуре ≈ 228 K и почти нулевом давлении. Капли диаметром ≈ 14 мкм выбрасывались в вакуум и испытывали испарительное охлаждение, причём их температура определялась по длительности охлаждения на различных расстояниях от сопла. Как оказалось, изотермическая сжимаемость, а также корреляционная длина, найденная из характера дифракции рентгеновских лучей на жидких каплях, не успевших кристаллизироваться, имеют максимумы при 227,2 ± 1 K для обычной воды Н2О и при 233,0 ± 1 K для тяжёлой воды D2O. Данные измерения подтверждают гипотезу о существовании двух фаз переохлаждённой воды и косвенно свидетельствуют о наличии критической точки при большом давлении. Источник: Science 358 1589 (2017)

«Квантовое радио»
1 февраля 2018

Обычные радиоволны, используемые для радиосвязи, быстро затухают в плотных средах, но волны очень низких частот VLF (very low frequency) с f=3-30 кГц могут проникать на большие глубины. Развитие атомных магнитометров, способных измерять сверхслабые магнитные поля, открывает перспективы применения VLF-волн для целей связи и позиционирования в зданиях, тоннелях, под землей и в воде, хотя при этом пропускная способность канала связи невелика из-за малой несущей частоты. Исследователи из Национального института стандартов и технологий — NIST (США) V. Gerginov, F.C.S. da Silva и D. Howe использовали атомный магнитометр для обнаружения модулированных магнитных сигналов двоичной фазовой манипуляции. Передатчиком служила катушка индуктивности. В магнитометре применялись атомы рубидия 87Rb в стеклянном сосуде в магнитном поле. Регистрация магнитного сигнала осуществлялась по его влиянию на частоту прецессии атомов и, посредством этого, на поляризацию пропускаемого через сосуд луча лазера. Использование фазовой манипуляции позволяло выделять этот сигнал над уровнем внешнего шума, прежде всего, фона переменного тока 60 Гц и его гармоник, а также геомагнитного фона. С расстояния в десятки метров удавалось регистрировать магнитные сигналы величиной ≈ 10−12 Тл на частотах менее 1 кГц. Источник: Review of Scientific Instruments 88 125005 (2017)

Гравитационный всплеск GW 170817 и β-распады ядер
1 февраля 2018

В лабораторном эксперименте, выполненном группой исследователей из нескольких американских университетов, зафиксирован неожиданный сигнал, по времени совпадающий с гравитационно-волновым всплеском GW 170817, который был вызван слиянием двух нейтронных звезд. Измерялся темп бета-распада ядер Si-32 и Cl-36, образцы с которыми поочередно с периодом в полчаса вдвигались в один и тот же пластиковый сцинтилляционный детектор. До всплеска GW 170817 и спустя некоторое время после него темпы распада ядер случайно флуктуировали по обычному закону N1/2 без взаимной корреляции. Но распады оказались сильно коррелированы (на уровне 95%) в течение 5-часового интервала времени, следующего сразу после всплеска. А именно, темпы распада Si-32 и Cl-36 в течение пяти последовательных серий получасовых измерений одновременно уменьшались и снова возрастали, причём вероятность случайного совпадения не превышает ≈ 6,7×10−3. Если интерпретировать эти корреляции как результат воздействия нейтрино или иных частиц, излученных при слиянии нейтронных звезд, то из задержки по времени можно ограничить массы этих частиц mx≤16 эВ при энергии 10 МэВ. Этот интервал включает допустимые массы нейтрино mν≤2 эВ. Корреляции радиоактивных распадов с сезоном или с уровнем солнечной активности уже отмечались в некоторых экспериментах, однако на современном уровне знаний неизвестен процесс, который мог бы повлиять на распад ядер, т.к. потоки нейтрино, достигающие Земли, для этого слишком малы. Авторы работы E. Fischbach и др. предлагают выполнить поиск подобных корреляций в данных других экспериментов, которые проводились во время регистрации GW 170817. См. также дискуссию в УФН 168 1129 (1998), УФН 170 213 (2000), УФН 170 214 (2000). Источник: arXiv:1801.03585 [astro-ph.HE]
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#907   morozov » Чт мар 15, 2018 19:09

Термоядерный реактор под защитой

Физики из Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН создали и протестировали систему обнаружения малых концентраций веществ в газовых смесях. Работа нацелена на обеспечение безопасности термоядерного реактора ИТЭР, однако спектр возможных применений разработанного метода невероятно широк: от экологического контроля до диагностики заболеваний. Результаты исследования опубликованы в журнале Laser Physics Letters.



ИТЭР – проект по созданию международного экспериментального термоядерного реактора, задачей которого станет демонстрация возможности коммерческого использования термоядерной энергии[1]. Запуск реактора, сооружаемого во французском исследовательском центре Кадараш, намечен на 2025 год. Для отвода избытков тепла реактор необходимо оснастить водяной системой охлаждения, что приводит к дополнительным трудностям: если водяные пары проникнут в плазменную камеру через микротрещины, это может привести к катастрофическим последствиям. Чтобы контролировать концентрацию водяного пара в плазме, сотрудниками Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН был предложен и успешно протестирован метод мультиспектральной актинометрии плазмы.

Изображение

Строительство термоядерного реактора ИТЭР
Источник изображения: scigeek.ru


В ходе эксперимента ученые фиксировали интенсивность излучения, испускаемого двумя видами частиц: концентрация которых была известна (так называемых актинометров) и концентрация которых изучалась. Соотношение измеренных интенсивностей дало возможность сделать вывод о концентрации изучаемого вещества. В качестве актинометра учеными был выбран инертный газ ксенон, а концентрация воды определялась по излучению гидроксила OH, появляющегося при распаде молекул воды. Подобный подход позволил достигнуть рекордной чувствительности к натеканию водяных паров в реактор без существенного вмешательства в его конструкцию. Однако точность метода сначала вызывала некоторые сомнения, так как концентрация воды измерялась не напрямую, а рассчитывалась с использованием значений некоторых физических величин, не всегда известных точно в реальных условиях.
Изображение

Результаты эксперимента по измерению концентраций различных веществ в плазме инертных газов.
Измеренные величины отмечены символами, а результаты моделирования – сплошными линиями.
Можно заметить, что экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами моделирования


Чтобы проверить результаты оптической актинометрии, ученые ФИАНа определили концентрацию воды другим методом, позволяющим провести прямые измерения, пусть и с использованием более сложной установки. Таким методом стала лазерная спектроскопия: физики наблюдали за поглощением излучения лазера с длиной волны, соответствующей энергетическим переходам в молекулах воды. Чем больше была концентрация молекул, тем сильнее ослаблялся свет, проходящий через газовый разряд.

Чтобы повысить чувствительность к малым концентрациям воды, было необходимо увеличить путь, проходимый лазерным излучением в исследуемой области. Это было реализовано благодаря оптическому резонатору, состоящему из двух зеркал с очень высоким коэффициентом отражения (99,99 %) – прежде чем покинуть резонатор, свет проходил путь длиной в несколько километров. По итогам эксперимента оказалось, что результаты актинометрии и спектроскопии совпали в пределах погрешностей.
Изображение

Слева фотография экспериментальной установки «Течь»,
справа – установка для совместных лазерных и актинометрических измерений.
Фотографии предоставлены экспериментаторами


Таким образом, ученые подтвердили, что актинометрия может быть успешно использована для контроля концентрации водяных паров в плазме. Возможным препятствием на пути метода пока что является использование ультрафиолетовой области спектра, в которой излучает исследуемый гидроксил OH. Дело в том, что при продолжительном воздействии ультрафиолета многие оптические элементы могут разрушаться. Решением проблемы может стать переход к измерению концентрации молекул водорода, однако в таком случае для начала придется связать концентрацию водорода и концентрацию водяного пара теоретически.

В то же время примененная для проверки актинометрии лазерная спектроскопия с использованием резонаторов также имеет широкий спектр возможных применений. Одно из них – измерение концентраций вредных веществ в атмосфере для контроля экологической ситуации. Подобная технология может быть использована в медицине: анализ состава выдоха человека способен выявить около 20 различных заболеваний. Наконец, метод может применяться в геологии: исследования атмосферы дадут людям возможность предсказывать поведение вулканов.



К. Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»

____________________________

[1] ИТЭР – изначально англ. International Thermonuclear Experimental Reactor; в настоящее время название связывается с латинским словом iter – путь. Более подробно о проекте см. статью Международный экспериментальный термоядерный реактор. Назад к тексту ↑
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#908   morozov » Вт мар 20, 2018 14:47

Мягкое не значит бесформенное: поверхностное натяжение в биологических тканях

Поверхностное натяжение – явление, встречающееся в областях науки, часто далеких от физики и химии поверхностей, ярким примером чего служит описанный в недавнем номере ПерсТа новый подход к изучению пространственного распределения диалектов [1]. В этом смысле работа ученых из Syracuse Univ. (США) [2] не столь экзотична: к модели, включающей поверхностное натяжение, исследователи обратились для анализа образования границ между популяциями клеток, принадлежащим различным тканям. Исследователи задались вопросом: почему мягкие ткани, состоящие из клеток неправильной формы, имеют такие четкие границы (рис. 1)?

Изображение

Рис. 1. Границы между биологическими тканями, несмотря на изменчивость формы клеток, имеют четкую структуру: неровности на масштабах выделенной области не превышают размера клетки [2].

Для объянения этого феномена обычно проводят аналогию с несмешивающимися жидкостями, такими как масло и вода, которые естественным образом разделяются за счет межмолекулярных сил. Однако клетки – это не просто пассивные частицы материи, они способны реагировать на воздействие внешней среды, в том числе и на соседей. Для моделирования процесса образования границ между тканями двух типов авторы [2] прибегли к методу разбиения плоскости на многоугольники, обычно используемому в компьютерной графике – диаграммам Вороного (рис.1). При этом в выражение для энергии, помимо вклада от сил упругости, заставляющих клетки расталкивать друг друга, было введено дополнительное слагаемое, отвечающее за взаимодействие с соседями, пропорциональное длине соприкасающихся участков клеток. Коэффициент этого взаимодействия считается равным нулю для клеток одного типа и равным единице для границы соприкосновения клеток, относящихся к двум разным тканям.

Несмотря на упрощения модели, авторы [2] успешно вопроизвели формирование четких границ между тканями, а также предсказали другое неочевидное следствие – расхождение в результах экспериментальных измерений поверхностного натяжения, проведенных двумя различными методами: расплющиванием “капли” из клеток между двумя параллельными плоскостями и наблюдением за “капилярными волнами” — флуктуациями на поверхности раздела двух тканей. Во втором случае эффективное поверхностное натяжение биологических тканей оказывается больше, что и объясняет наличие четких границ.

А. Пятаков

1. ПерсТ 24, вып. 13/16, с. 5 (2017).

2. D.M.Sussman et al., Phys. Rev. Lett. 120, 058001 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#909   morozov » Пн мар 26, 2018 14:39

Осцилляции атмосферных нейтрино при высоких энергиях
1 марта 2018

В эксперименте IceCube, проводимом на Южном полюсе во льду Антарктиды, измерен эффект нейтринных осцилляций при энергиях до 56 ГэВ — на порядок больше, чем в предшествующих исследованиях. Регистрировались мюонные нейтрино, рождающиеся в результате взаимодействия космических лучей с молекулами воздуха в атмосфере. Наблюдались не только нейтрино, летящие сверху вниз, но и нейтрино, прошедшие сквозь Землю. При низких энергиях ранее уже наблюдался дефицит летящих вверх мюонных нейтрино, который был отнесен к эффекту осцилляций (превращений) мюонных нейтрино в тау-нейтрино. Новый анализ данных IceCube, полученных за три года, даёт для параметров нейтрино Δm232=2,31+0,11−0,13×10−3 эВ2 и sin2θ23=0,51+0,07−0,09 при нормальном упорядочивании масс. Смешивание нейтрино близко к максимальному, что соответствует данным ускорительного эксперимента T2K, но расходится с данными NOνA. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 071801 (2018)

Наблюдение квантовой запутанности по энергии и времени
1 марта 2018

Исследователи из Университета Уотерлу (Канада) и Университета Падерборна (Германия) выполнили эксперимент, в котором впервые наблюдалась квантовая запутанность энергии фотона со временем регистрации второго, квантово-запутанного с ним фотона. Прямое наблюдение данного эффекта до сих пор выполнить не удавалось из-за большой скорости процессов. В эксперименте J.-P.W. MacLean, J.M. Donohue и K.J. Resch пары фотонов рождались при воздействии лазерных импульсов на нелинейный кристалл. У одного из фотонов с помощью «оптической гребенки» определялась частота (энергия), а для измерения времени регистрации второго фотона применялся стробоскопический метод. Суть этого метода состоит в использовании вспомогательных лазерных импульсов — меток времени. Войдя в нелинейный кристалл BiBO почти одновременно с таким импульсом, второй фотон пары мог конвертироваться в фотон с большей частотой, наблюдение которого и служило для отчёта времени с точностью 10−12 с. Проверка определенных соотношений между частотами фотонов и временами их регистрации показала наличие квантовой запутанности. Данный эффект может найти применение для протоколов распределения ключей, для синхронизации и для других целей. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 053601 (2018)

Неравенства Белла с непрерывными переменными
1 марта 2018

Проверка неравенств Белла является фундаментальным тестом квантовой механики, исключающим скрытые параметры. Во множестве экспериментов было продемонстрировано нарушение этих неравенств с использованием дискретных квантовых переменных. O. Thearle (Австралийский национальный университет) и др. впервые показали в своём эксперименте, что неравенства Белла нарушаются и для системы, характеризуемой непрерывными переменными, в качестве которых выступали четыре моды поляризации, получающиеся при смешивании двух фотонов в сжатых состояниях. По результатам измерений, выполнявшихся с помощью синхронного детектирования, зафиксировано явное нарушение неравенств Белла в версии Клаузера – Хорна – Шимони – Холта (CHSH-неравенства). Данный эксперимент открывает новые возможности для использования непрерывных переменных в аппаратно-независимых квантовых протоколах. Неравенства Белла для фотонов подробно рассмотрены в обзоре УФН 163 1 (1993). Об экспериментальных исследованиях основ квантовой механики см. также в УФН 169 559 (1999) и в статье А.В. Белинского и А.А. Клевцова в данном выпуске УФН на стр. 335. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 040406 (2018)

Многомерное управление Эйнштейна – Подольского – Розена
1 марта 2018

Управление Эйнштейна – Подольского – Розена (EPR steering), концепция которого была введена Э. Шредингером в 1935 г., было продемонстрировано в недавних экспериментах с кубитами. Управление означает не только квантовую запутанность двух систем, но и возможность управления редукцией волновой функции удаленной системы посредством выбора измерительного базиса для ближней системы. В теоретических работах предсказывалась возможность управления в случае, когда системы квантово запутаны по большему числу переменных d > 2, чем в случае с кубитами. Исследователи из Пекинского Технологического Института (КНР) Q. Zeng, B. Wang, P. Li и X. Zhang продемонстрировали многомерное управление при размерностях d=2-5. Кодирование информации осуществлялась в орбитальных угловых моментах фотонов, задаваемых с помощью пространственного модулятора. Ввиду наличия множества состояний орбитального углового момента имелась возможность многомерного управления. Многомерное управление было исследовано также в условиях искусственного шума, и показана его устойчивость к помехам. Знаменитая статья ЭйнштейнаvПодольского – Розена и комментарии к ней Н. Бора и В.А. Фока приведены в УФН 16 436 (1936). Об управлении коллапсами волновых функций на расстоянии см. также в книге Б.Б. Кадомцева «Динамика и информация» и в его статье в УФН 164 449 (1994). Источник: Phys. Rev. Lett. 120 030401 (2018)

Двойной сверхпроводящий интерферометр
1 марта 2018

Исследователи из Института технологии микроэлектроники и высокочистых материалов РАН (Черноголовка, Россия), Московского физико-технического института (Долгопрудный, Россия) и Лондонского университета Роял Холлоуэй (Великобритания) продемонстрировали новый тип сверхпроводящего интерферометра, который по чувствительности к вариациям магнитного поля более чем на три порядка превосходит традиционные СКВИДы. Интерферометр, который создали В.Л. Гуртовой и др., состоит из двух сверхпроводящих плоских петель из алюминия размером в несколько мкм, наложенных одна на другую и в двух местах слабо связанных джозефсоновскими переходами. Устройство охлаждалось до 0,6 К. При изменении внешнего магнитного потока по петлям циркулирует ток, намного превышающий ток смещения, пропускаемый через две петли. Большая чувствительность нового устройства обусловлена высокой степенью дискретности его энергетического спектра. При вариациях внешнего магнитного поля наблюдались периодические колебания тока в соответствии с теоретическими расчетами, и была подтверждена высокая чувствительность прибора. Об эффекте Джозефсона, лежащем в основе функционирования СКВИДов, см. статье Г.Ф. Жаркова в УФН 88 419 (1966), а о сверхчувствительной СКВИД-магнитометрии см. в УФН 169 221 (1999). Источник: Nano Lett. 17 6516 (2018)

Трение в сверхтекучем 3He
1 марта 2018

Исследователи из университета Аалто (Финляндия) Я.Т. Макинен и В.Б. Ельцов исследовали эффект трения в сверхтекучем гелии в области низких температур T=(0,13-0,22)Tc, где Tc — температура сверхтекучего перехода. Ранее измерения трения выполнялись только при T≥0,3Tc. Гелий 3He в низкотемпературной фазе B находился во вращающемся сосуде из кварцевого стекла, и в нем возникала решетка из вихревых нитей. В некоторый момент сосуд резко тормозился. Возникающая в момент торможения турбулентность быстро затухала, и затем в течение нескольких часов наблюдалось ламинарное движение с колебаниями, которые связаны с вращением сгустков вихрей, и наблюдалось торможение под влиянием трения. Зависимости измеренного параметра трения от температуры и давления согласуется с теоретическими предсказаниями, хотя его величина несколько меньше рассчитанной. Оказалось, что параметр трения остаётся конечным при экстраполяции к нулевой температуре. По расчётам авторов эксперимента, определяющую роль в низкотемпературном трении играют волны Кельвина, которые с поверхности сосуда проникают объём и взаимодействуют с фермионами, захваченными в ядрах сверхтекучих нитей. Это взаимодействие ранее было предсказано в работе М.А. Силаева (Институт физики микроструктур РАН, г. Нижний Новгород и Королевский технологический институт, Швеция) в Phys. Rev. Lett. 108 045303 (2012). Источник: Phys. Rev. B 97 014527 (2018)

Струны Бете
1 марта 2018

В 1931 г. Г. Бете предсказал, что в одномерных магнитах возможно наличие связанных состояний из двух квазичастиц — магнонов (о магнонах и спинтронике см. УФН 185 1099 (2015)). Позже это подход был обобщен на связанные состояния из большего числа магнонов, и такие возбуждения в форме цепочек были названы струнами Бете. Однако идентифицировать струнные состояния в твёрдых телах до последнего времени не удавалась. Z. Wang (Аугсбургский университет и Центр им. Гельмгольца Дрезден – Россендорф, Германия) и др. впервые обнаружили струны Бете в соединении SrCo2V2O2 в магнитном поле. В этом веществе октаэдры CoO6 образуют цепочку магнитных моментов. Применялась спектроскопия высокого разрешения в терагерцовом диапазоне электромагнитных волн. В спектре SrCo2V2O2 были обнаружены особенности, которые соответствуют струнам Бете из двух и трёх магнонов, причём зависимость их свойств от магнитного поля хорошо соответствует теоретическим расчётам, основанным на предложенном Г. Бете анзаце. Источник: Nature 554 219 (2018)

Спиновая релаксация Дьяконова-Переля в платине
1 марта 2018

Платина Pt относится к металлам с большой величиной спин-орбитального взаимодействия электронов, которое должно приводить к спиновой релаксации. Группой учёных из университета Эмори и университета Теннесси (США) выполнены новые исследования Pt путем измерения гигантского магнитосопротивления при различных температурах. Исследовался образец Pt толщиной в несколько нм, зажатый между слоями меди. Такая конфигурация позволяет разделить поверхностные и объёмные эффекты. Измерения показали, что при комнатной температуре в эффекте спиновой релаксации доминирует спиновое рассеяние Эллиотта – Яфета, а при криогенных температурах определяющей является спиновая релаксация Дьяконова – Переля. Этот эффект был предсказан М.И. Дьяконовым и В.И. Перелем в 1971 г., его механизм основан на прецессии спинов электронов вокруг направления магнитного поля при отсутствии центра симметрии. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 067204 (2018)

Белый карлик с необычной переменностью
1 марта 2018

A. Scholz (Сент-Эндрюсский университет, Великобритания) и др. обнаружили магнитный белый карлик SDSS 160357.93+140929.97 — звезду, поддерживаемую в равновесии давлением вырожденного электронного газа, — излучение которого изменяется с периодом P = 110 ± 3 мин. На оптических телескопах, выполнявших наблюдения, каждые несколько минут менялись цветовые фильтры. Данный метод позволил выявить переменный сдвиг фазы между светимостями в красной и синей областях спектра, что указывает на неизвестный ранее тип переменности белых карликов. Исследователи предполагают, что переменность может быть связана с невидимым ультрахолодным компаньоном, который отражает часть излучения белого карлика. Или, что более вероятно, на поверхности звезды имеется необычное магнитное пятно с комбинацией горячего и холодного участков. В последнем случае SDSS 160357.93+140929.97 должен иметь самое быстрое вращение среди известных белых карликов. Источник: arXiv:1802.02636 [astro-ph.SR]


Новости не опубликованные в журнале


Протоны из магнитосферы Юпитера?
1 марта 2018

С помощью детектора PAMELA, работающего на борту российского спутника «Ресурс-ДК», исследованы вариации потока протонов из состава космических лучей. Помимо периодичности, связанной с 11-летним циклом солнечной активности, неожиданная и хорошо выраженная периодичность с квазипериодом ≈ 450 дней была найдена при жесткостях геомагнитного обрезания ниже 15 ГВ. По мнению исследователей, эта периодичность могла возникнуть благодаря Юпитеру, в мощной магнитосфере которого происходит ускорение протонов. Эти протоны достигают Земли и дают небольшой вклад в общий поток космических лучей. Ранее в других наблюдениях уже были получены свидетельства того, что в магнитосфере Юпитера имеет место ускорение электронов (они регистрируются в минимумах 11-летних циклов), а при вспышках, возможно, генерируются потоки протонов и ядер гелия. Ввиду погрешностей измерений, реальный период может оказаться меньше ≈ 450 дней и соответствовать орбитальному периоду Юпитера ≈ 400 дней. Тем не менее, другие объяснения пока также не исключены. Источник: Astrophys. J. Lett. 852 L28 (2018)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#910   morozov » Вт мар 27, 2018 11:57

Топологические изоляторы на страже: нет рассеянию света на границах!

В последнее время идеи топологии оказались очень близкими к практике в /физике твердого тела и фотонике. Распространение света в оптоволокне при резких поворотах обычно сопровождается потерями и рассеянием, и это сильно ограничивает возможности применения в микро- и наноустройствах. Фотонно-кристаллические волокна обладают лучшими характеристиками по сравнению с клас-сическими, но и внутри запрещенной зоны фотонного кристалла свет может распространяться на конечное расстояние. “Топологическая защита” для границ материала является наиболее надежной, ведь это не просто потенциальный барьер, через который может протуннелировать свет, а принципиальное отсутствие возможностей распространения или рассеяния в обратном направлении. Эффекты, связанные с топологической защитой для света исследовались еще на заре “топологической эры” (см., например, [1]), но часто свойствами однонаправленного распространения обладают световые волны особой структуры, например, геликоидальные, что опять же ограничивает применимость таких устройств.

Перспективным направлением является создание топологического изолятора на основе долинного эффекта Холла, в котором разделение состояний происходит не по спину, а по долинам, которые может образовывать поверхность энергия-импульс в k-пространстве. Каждой долине соответствует определенное квантовое число, которое может рассматриваться как разновидность спина.

На границе областей с разными “долинными числами” возникают топологически защищенные поверхностные состояния. Такие структуры уже создаются для электронов в графене – при деформациях графена как раз образуются долины. Эта идея была успешно применена и в фотонике.

Ученые из Pennsylvania State Univ. и Univ. of Pittsburgh (США) [2] экспериментально продемон-стрировали топологические краевые состояния, возникающие в результате долинного эффекта Холла в двумерном гексагональном фотонном кристалле с нарушенной пространственной инверсией. Нарушение пространственной инверсии и образование долин происходит из-за того, что фотонный кристалл имеет две подрешетки с разным контрастом показателя преломления (т.е. с разными интенсивностями проходящего света) (рис. 1а). В оптической системе есть два оптических волокна – входное и выходное, связанные между собой. Моды входного волокна подобраны так, чтобы световые волны попадали в запрещенную зону фотонного кристалла. В случае, если контраст показателя преломления одинаковый, то есть присутствует пространственная инверсия, свет, инжектированный во входное волокно, рассеивается в фотонном кристалле (рис. 1б).
Изображение
Рис. 1. а - Фотонный кристалл с нарушенной пространственной инверсией и границы двух типов;
б - распространение света в фотонном кристалле в случае наличия пространственной инверсии;
в - относительная интенсивность света в двух типах границ для разных длин волн.
При наличии двух подрешеток в фотонном кристалле, по аналогии с графеном, может быть реализовано два типа доменных границ, “зигзаг” (zigzag) и “кресло” (armchair) (рис. 1а). Длина волны в эксперименте может перестраиваться в пределах запрещенной зоны фотонного кристалла. При этом свет или практически полностью остается в волокне, или распространяется только вдоль границы. На рис. 1в приведен пример, когда в случае разных типов доменных границ реализуются разные варианты. Результаты моделирования и экспериментов показали, что граница типа “кресло” задерживает свет на всех длинах волн в пределах запрещенной зоны фотонного кристалла. Граница типа “зигзаг” может как пропускать, так и не пропускать свет.

Таким образом, топологические изоляторы для фотонных устройств уже близки к прак-тическому применению. Остается открытым вопрос, обладают ли фотонные топологические изоляторы такой же устойчивостью свойств к случайным неоднородностям, как и тра-диционные. Будем надеяться, что они окажутся надежными защитниками.

З. Пятакова
1. Z.Wang et al., Phys. Rev. Lett. 100, 01390 (2008).

2. J.Noh et al., Phys. Rev. Lett. 120, 063902 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#911   morozov » Ср мар 28, 2018 12:57

Изображение
«Радиоастрон» разглядел галактический водяной мазер размером с Солнце

Российская космическая обсерватория «Радиоастрон» совместно с наземными радиотелескопами из нескольких стран смогла обнаружить экстремально компактные детали в удаленном от Земли на 2 тысячи световых лет источнике мазерного излучения в линии водяного пара на частоте 22 ГГц – двойная деталь содержит компоненты размером с наше Солнце. Результаты исследования опубликованы в The Astrophysical Journal.


«Мы обнаружили самую маленькую структуру, когда-либо наблюдавшуюся в галактических мазерах и это еще раз показывает, какими возможностями обладает наш радиоинтерферометр - мы смогли различить объекты размером с диаметр солнечного диска на расстоянии в 700 парсек, угловые размеры которых 3000 раз меньше, чем мог различить знаменитый космический телескоп "Хаббл"», – говорит один из авторов работы, Алексей Алакоз из Астрокосмического центра ФИАН.



Мазерное излучение, как и лазерное, возникает в среде с инверсной населенностью энергетических уровней (в обычной среде ситуация обратная), иначе говоря, в среде, где число молекул или атомов, находящихся на верхнем уровне энергии, превосходит число молекул или атомов, находящихся на нижнем. Когда в такую среду попадает фотон с энергией, соответствующей разности энергий между уровнями, он вызывает процесс перехода молекул на нижний уровень с излучением когерентных фотонов (являющихся почти точной копией исходных), в результате чего происходит лавинообразное усиление излучения – лазерного (если это происходит в видимом диапазоне) или мазерного (в микроволновом).

В межзвездном газе тоже могут возникать условия для генерации мазерного излучения в линиях некоторых молекул (в протозвездных и протопланетных дисках, областях звездообразования, оболочках проэволюционировавших звезд, остатках сверхновых, в окрестностях сверхмассивных черных дыр в других галактиках), при этом наиболее сильное излучение наблюдается в линиях воды (H2O), гидроксила (OH), метанола (CH3OH) и окиси кремния (SiO).

Для работы космического мазера необходим постоянный приток энергии, создающий инверсную заселенность уровней путем накачки излучением (например, от молодой звезды) и/или столкновениями с молекулами газа. Необходим также отток энергии, обеспечивающий работу циклов накачки, а также достаточно большие размеры самих облаков газа, где может генерироваться излучение.

В том случае, если происходит резкое изменение условий накачки или два (или более) облака газа в процессе движения совмещаются на луче зрения наблюдателя, возможно резкое усиление излучения – вспышка мазера.

Наиболее эффективно космические мазеры работают в качестве усилителей фонового излучения, но для слабых мазеров хватает усиления собственного спонтанного излучения.

С точки зрения наблюдателя мазерные линии выглядит как обычное излучение, но яркостная температура наблюдаемого источника (рассчитанная, как если бы это было тепловое излучение абсолютно черного тела) зачастую может достигать сотен триллионов градусов, а ширина линий может быть значительно меньше нормальной для теплового излучения. При этом на самом деле излучающий газ имеет относительно низкую температуру – обычно не более нескольких сотен градусов.

Из-за их небольших угловых размеров (несколько миллисекунд дуги и меньше), очень высоких плотностей потока (до тысяч Янских) и узкой ширины линии (обычно около 0,5 километров в секунду и меньше), отсутствия поглощения пылью, мазеры позволяют исследовать кинематику и физические параметры областей звездообразования по всей Галактике и даже околоядерных областей в других галактиках.

Изображение

cephaatlas Международная команда «Радиоастрона» исследовала область активного звездообразования «Цефей А» (по имени созвездия), находящуюся на расстоянии около 2 тысяч световых лет от Земли в линии излучения молекулы воды на частоте 22 Гигагерца.

Ранее в этой области в радиодиапазоне уже было обнаружено 16 компактных источников теплового радиоизлучения – большинство из которых, скорее всего – новорожденные звезды класса О или В в "коконе" из родительских газопылевых облаков. Эти объекты были описаны в работе Hughes & Wouterloot 1984, поэтому таким объектам присвоены названия начинающиеся с HW. Со многими из этих объектов также связано излучение мазеров воды и гидроксила, а в HW2 ранее было зарегистрировано излучение метанольных мазеров, то есть источников мазерного излучения в радиолиниях метилового спирта. В ноябре 2012 года эта область звездообразования была исследована «Радиоастроном» совместно с тремя наземными радиотелескопами, расположенными в России, Италии и Испании.

В результате удалось обнаружить три очень компактных мазерных детали, не разрешаемых до конца даже на наземно-космических базах, что примерно соответствует разрешению радиотелескопа с диаметром зеркала в три с лишним раза диаметра Земли. Одна из этих деталей связана с областью HW2, где расположен массивный протопланетный диск. Две другие детали наблюдаются в окрестностях другого объекта, HW3Diii. Всего в этом объекте удалось разглядеть два сверхкомпактных ярких пятна мазерного излучения, каждое из которых имеет размеры, сопоставимые с диаметром Солнца.

По одной из наиболее вероятных версий, рассмотренных в статье, поток газа от близкой массивной молодой звезды, связанной с объектом HW3dii наталкивается на препятствие, связанное с объектом HW3Diii (вероятно, на аккреционный диск вокруг молодой звезды), в результате взаимодействия с этим препятствием в потоке газа образуется вихревая дорожка (дорожка фон Кармана), а наблюдавшиеся на «Радиоастроне» объекты представляют собой ближайшую к препятствию пару вихрей (пару турбулентных ячеек), где уплотнившийся газ получает близкие к идеальным условия для возникновения мазерного эффекта. Другое возможное объяснение этих наблюдательных данных – мазеры в различных сгустках газа, попавших одновременно на луч зрения.



«Вероятнее всего, мы наблюдаем взаимодействие струи газа, выброшенной соседней звездой с каким-то препятствием, например аккреционным диском вокруг другой звезды. В таких струях возникают турбулентные явления, самым красивым из которых является образование дорожки вихрей (мы видим это и на спутниковых снимках земных облаков). В этих вихрях и возникают наблюдавшиеся нами сверхкомпактные мазерные детали. Различить отдельные ячейки турбулентности до сих пор не удавалось, несмотря на то, что знания об их размере необходимы для построения теории строения и эволюции космических объектов. Для проведения таких измерений потребовался "Радиоастрон" – самый большой прибор, созданный человеком», – прокомментировал результаты космического проекта первый автор статьи, Андрей Соболев из Уральского федерального университета.

АКЦ ФИАН для АНИ «ФИАН-информ»

___________________________
От редакции. Изображение предоставлено авторами
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#912   morozov » Вт апр 03, 2018 14:39

Новости
28.03.18 «Радиоастрон» разглядел галактический водяной мазер размером с Солнце

Изображение
Российская космическая обсерватория «Радиоастрон» совместно с наземными радиотелескопами из нескольких стран смогла обнаружить экстремально компактные детали в удаленном от Земли на 2 тысячи световых лет источнике мазерного излучения в линии водяного пара на частоте 22 ГГц – двойная деталь содержит компоненты размером с наше Солнце.

Результаты исследования опубликованы в The Astrophysical Journal (http://iopscience.iop.org/article/10.38 ... 357/aab096).
«Мы обнаружили самую маленькую структуру, когда-либо наблюдавшуюся в галактических мазерах и это еще раз показывает, какими возможностями обладает наш радиоинтерферометр - мы смогли различить объекты размером с диаметр солнечного диска на расстоянии в 700 парсек, угловые размеры которых 3000 раз меньше, чем мог различить знаменитый космический телескоп «Хаббл», - говорит один из авторов работы, Алексей Алакоз из Астрокосмического центра ФИАН.

Мазерное излучение, как и лазерное, возникает в среде с инверсной населенностью энергетических уровней (в обычной среде ситуация обратная), иначе говоря, в среде, где число молекул или атомов, находящихся на верхнем уровне энергии, превосходит число молекул или атомов, находящихся на нижнем. Когда в такую среду попадает фотон с энергией, соответствующей разности энергий между уровнями, он вызывает процесс перехода молекул на нижний уровень с излучением когерентных фотонов (являющихся почти точной копией исходных), в результате чего происходит лавинообразное усиление излучения - лазерного (если это происходит в видимом диапазоне) или мазерного (в микроволновом).

В межзвездном газе тоже могут возникать условия для генерации мазерного излучения в линиях некоторых молекул (в протозвездных и протопланетных дисках, областях звездообразования, оболочках проэволюционировавших звезд, остатках сверхновых, в окрестностях сверхмассивных черных дыр в других галактиках), при этом наиболее сильное излучение наблюдается в линиях воды (H2O), гидроксила (OH), метанола (CH3OH) и окиси кремния (SiO).

Для работы космического мазера необходим постоянный приток энергии, создающий инверсную заселенность уровней путем накачки излучением (например, от молодой звезды) и/или столкновениями с молекулами газа. Необходим также отток энергии, обеспечивающий работу циклов накачки, а также достаточно большие размеры самих облаков газа, где может генерироваться излучение.

В том случае, если происходит резкое изменение условий накачки или два (или более) облака газа в процессе движения совмещаются на луче зрения наблюдателя, возможно резкое усиление излучения – вспышка мазера.

Наиболее эффективно космические мазеры работают в качестве усилителей фонового излучения, но для слабых мазеров хватает усиления собственного спонтанного излучения.

С точки зрения наблюдателя мазерные линии выглядит как обычное излучение, но яркостная температура наблюдаемого источника (рассчитанная, как если бы это было тепловое излучение абсолютно черного тела) зачастую может достигать сотен триллионов градусов, а ширина линий может быть значительно меньше нормальной для теплового излучения. При этом на самом деле излучающий газ имеет относительно низкую температуру – обычно не более нескольких сотен градусов.

Из-за их небольших угловых размеров (несколько миллисекунд дуги и меньше), очень высоких плотностей потока (до тысяч Янских) и узкой ширины линии (обычно около 0,5 километров в секунду и меньше), отсутствия поглощения пылью, мазеры позволяют исследовать кинематику и физические параметры областей звездообразования по всей Галактике и даже околоядерных областей в других галактиках.

Международная команда «Радиоастрона» исследовала область активного звездообразования «Цефей А» (по имени созвездия), находящуюся на расстоянии около 2 тысяч световых лет от Земли в линии излучения молекулы воды на частоте 22 гигагерца.

Ранее в этой области в радиодиапазоне уже было обнаружено 16 компактных источников теплового радиоизлучения – большинство из которых, скорее всего – новорожденные звезды класса О или В в "коконе" из родительских газопылевых облаков. Эти объекты были описаны в работе Hughes & Wouterloot 1984 (http://adsabs.harvard.edu/doi/10.1086/161603), поэтому таким объектам присвоены названия начинающиеся с HW. Со многими из этих объектов также связано излучение мазеров воды и гидроксила, а в HW2 ранее было зарегистрировано излучение метанольных мазеров, то есть источников мазерного излучения в радиолиниях метилового спирта. В ноябре 2012 года эта область звездообразования была исследована «Радиоастроном» совместно с тремя наземными радиотелескопами, расположенными в России, Италии и Испании.

В результате удалось обнаружить три очень компактных мазерных детали, не разрешаемых до конца даже на наземно-космических базах, что примерно соответствует разрешению радиотелескопа с диаметром зеркала в три с лишним раза диаметра Земли. Одна из этих деталей связана с областью HW2, где расположен массивный протопланетный диск. Две другие детали наблюдаются в окрестностях другого объекта, HW3Diii. Всего в этом объекте удалось разглядеть два сверхкомпактных ярких пятна мазерного излучения, каждое из которых имеет размеры, сопоставимые с диаметром Солнца.

По одной из наиболее вероятных версий, рассмотренных в статье, поток газа от близкой массивной молодой звезды, связанной с объектом HW3dii наталкивается на препятствие, связанное с объектом HW3Diii (вероятно, на аккреционный диск вокруг молодой звезды), в результате взаимодействия с этим препятствием в потоке газа образуется вихревая дорожка (дорожка фон Кармана), а наблюдавшиеся на «Радиоастроне» объекты представляют собой ближайшую к препятствию пару вихрей (пару турбулентных ячеек), где уплотнившийся газ получает близкие к идеальным условия для возникновения мазерного эффекта. Другое возможное объяснение этих наблюдательных данных – мазеры в различных сгустках газа, попавших одновременно на луч зрения.

«Вероятнее всего, мы наблюдаем взаимодействие струи газа, выброшенной соседней звездой с каким-то препятствием, например аккреционным диском вокруг другой звезды. В таких струях возникают турбулентные явления, самым красивым из которых является образование дорожки вихрей (мы видим это и на спутниковых снимках земных облаков). В этих вихрях и возникают наблюдавшиеся нами сверхкомпактные мазерные детали. Различить отдельные ячейки турбулентности до сих пор не удавалось, несмотря на то, что знания об их размере необходимы для построения теории строения и эволюции космических объектов. Для проведения таких измерений потребовался «Радиоастрон» - самый большой прибор, созданный человеком», - прокомментировал результаты космического проекта первый автор статьи - Андрей Соболев из Уральского федерального университета.

Новости
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#913   morozov » Вт апр 10, 2018 15:58

СНОВА К ОСНОВАМ

Муары и сверхразрешение: теперь и в нейтронографии


Эффект муара – возникновение длиннопериодической картины при наложении двух периодических структур – давно и широко применяют в самых различных измерительных приборах для повышения точности, контроля качества поверхности и т.д. В современной физике конденсированного состояния тоже обнаруживают различные проявления эффекта муара, как например, возникновение муаров в двуслойном графене (см. заметку в ПерсТ [1]). Поэтому не приходится удивляться, что эффекту муара нашли применение и в нейтронографии для повышения разрешения нейтронных исследований.

Группа ученых из Канады и США в недавно опубликованной статье [2] представила разработку нейтронного интерферометра, использующего эффект муара для повышения разрешения.
Изображение
Схема нейтронного интерферометра.
Система содержит три фазовых решетки. Первая решетка дает стандартные дифракционные максимумы под определенными углами. Вторая решетка G2 создает фурье-образ первой решетки G1 на определенном расстоянии. Третья решетка G3 аналогична первой, но сдвинута на некоторое расстояние от той плоскости, где находится фурье-образ решетки G1. В отсутствие исследуемого образца на экране образуется картина муара из полос с периодом, обратно пропорциональным D2-D1. Период муара можно сделать достаточно большим, и анализировать эту картину без применения дополнительной оптики. Кроме того, существует определенное расстояние D2-D1, обеспечивающее оптимальный контраст интерференционной картины. Присутствие образца нарушает эту картину, и по ее искажению можно судить о характеристиках исследуемого образца.

Авторы утверждают, что интерферометр, использующий эффект муаров, менее требователен к точности установки деталей и монохроматичности источников, чем дающие аналогичное разрешение интерферометры Маха-Цандера. Успехи в реализации подобных систем говорят о том, что изобретатели еще не раз обратятся к красивой и универсальной идее муаров.

З. Пятакова
1. ПерсТ 18, вып. 13/14, с. 2 (2011).

2. D.Sarenac et al., Phys. Rev. Lett. 120, 113201 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#914   morozov » Ср апр 11, 2018 19:08

Сформирована научная программа РадиоАстрона AO-6: июль 2018 – июнь 2019 гг.

В июне 2018 г. к концу подходит пятый год открытой научной программы наблюдений наземно-космического радиоинтерферометра РадиоАстрон. С июля 2018 года стартует новый, шестой, этап наблюдательной программы – АО-6 на 2018-2019 гг.
Изображение

Художественное изображение РадиоАстрона.
Источник: АКЦ ФИАН

AO-6 традиционно была сформирована из поданных на конкурс предложений, куда принимались заявки двух типов: “ключевая научная программа” (KSP) и “общее наблюдательное время” (GOT).

Подробнее с правилами конкурса можно ознакомиться на сайте конкурса.

Научная экспертиза поступивших проектов осуществлялась международным научным советом экспертов проекта РадиоАстрон, результаты утверждены его руководителем, академиком Н.С. Кардашевым. В международный совет экспертов на период AO-6 вошли:

– Matthew Lister (председатель, Университет Пердью, США),

– David Jauncey (CSIRO, Австралия),

– Alexander Pushkarev (КрАО, Россия), Olaf Wucknitz (MPIfR, Германия),

– Benito Marcote (JIVE, Голландия),

– Liz Humphreys (Европейская Южная Обсерватория).


В рамках периода АО-6 для наблюдений было отобрано 13 проектов:

• GOT: “Слежение за изменениями видности суперкомпактных водяных мазерных пятен с целью изучения межзвездной микротурбулентности”, PI: Hiroshi Imai (Университет Кагошимы, Япония);

• KSP: “Мониторинг субструктуры в дисках рассеяния радиоизлучения пульсаров”, PI: Carl Gwinn (UCSB, США);

• GOT: “Двумерное картографирование межзвездного рассеивающего экрана в направлении пульсара в Крабовидной туманности”, PI: Robert Main (CITA, Канада);

• GOT: “Эпизодическая аккреция и выброс вещества в процессе формирования массивных звезд по наблюдениям РадиоАстрона в линии воды 22 ГГц”, PI: Ольга Баяндина (АКЦ ФИАН, Россия);

• GOT: “Наблюдение ярких “водяных фонтанов” и звездных водяных мазеров с высоким угловым разрешением”, PI: Михаил Щуров (АКЦ ФИАН, Россия);

• GOT: “Необычное АЯГ PKS 0521-365 под пристальным взором наземно-космического РСДБ”, PI: Eduardo Ros (MPIfR, Германия; Университет Валенсии, Испания);

• KSP: “Исследование межзвездного рассеяния с помощью наблюдений субструктуры рефракционного рассеяния в АЯГ с помощью наземно-космического радиоинтерферометра РадиоАстрон”, PI: Михаил Лисаков (АКЦ ФИАН, Россия);

• KSP: “Структура яркого загадочного блазара AO 0235+164 с двадцатикратным увеличением”, PI: Leonid Gurvits (JIVE, Голландия; TU Delft, Голландия);

• GOT: “Измерение угловых размеров быстро движущихся компонент в мегамазере NGC 4258”, PI: James Moran (CfA, США);

• GOT: “Заглядывая в область формирования джета радиогалактики Лебедь А”, PI: Uwe Bach (MPIfR, Германия);

• KSP: “Исследование наиболее глубоких областей джетов АЯГ и их магнитных полей”, PI: Jose L. Gomez (IAA, Испания);

• GOT: “Наблюдения активных галактических ядер методом многочастотного синтеза на частоте 22 ГГц”, PI: Виктор Зуга (АКЦ ФИАН, Россия);

• GOT: “N113 – выдающийся водяной мазер в области звездообразования в Большом Магеллановом Облаке”, PI: Андрей Соболев (УрФУ, Россия).


Из представленного списка приоритет "A" (высший) имеют четыре проекта, "B" – семь, "C" – два проекта. Соавторы заявок представляют 20 стран мира в количестве более 150 человек. Наибольшее количество исследователей – из России, следом идут Германия, Испания, США, Австралия и Канада.

АКЦ ФИАН для АНИ «ФИАН-информ»
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30734
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#915   morozov » Ср апр 18, 2018 20:47

Квантовая машина Сцилларда для бозонов с притягивающим взаимодействием
1 апреля 2018

Машина Сцилларда — это предложенный в 1929 г. мысленный эксперимент, иллюстрирующий связь информации и работы: знание о положении молекул газа в сосуде преобразуется в совершаемую ими работу путём вдвигания в сосуд перегородок. Однако влияние на свойства машины Сцилларда квантовых эффектов и взаимодействий между частицами оставалось во многом неисследованным. J. Bengtsson (Лундский университет, Швеция) и др. в своей теоретической работе показали, что квантовая машина Сцилларда, содержащая частицы-бозоны с парным взаимодействием притягивающего характера, повышает эффективность преобразования информации в работу по сравнению со случаем невзаимодействующих частиц. Был выполнен расчёт «из первых принципов» в полной квантовомеханической проблеме многих тел. Рассматривался рабочий цикл машины Сцилларда для N=1-25 частиц, и обнаружено, что средний выход работы возрастает с увеличением N. Причем, зависимость работы от температуры имеет максимум, которого не было в случае невзаимодействующих частиц. Наличие максимума объясняется тем, что при низкой температуре между частицами возникают сильные корреляции, и эффективно это проявляется как уменьшение N. О связи динамики и информации см. в статье Б.Б. Кадомцева в УФН 164 449 (1994). Источник: Phys. Rev. Lett. 120 100601 (2018)

Проверка флуктуационных теорем
1 апреля 2018

Обобщённые флуктуационно-диссипативные соотношения (теоремы), описывающие эволюцию и статистику термодинамически неравновесных систем, были сформулированы в общем виде как для открытых, так и для закрытых систем Г.Н. Бочковым и Ю.Е. Кузовлёвым в 1977-1984 гг. (см. историю вопроса в УФН 181 647 (2011) и УФН 183 617 (2013)). Позже различные модификации и варианты этих общих результатов, в частности «дифференциальная флуктуационная теорема», были получены в работах К. Яржинского, Г. Крукса и др. Группой исследователей из США и КНР впервые выполнена экспериментальная проверка дифференциальной флуктуационной теоремы. Использовались кварцевые частицы, удерживаемые на весу сфокусированным светом лазера. С помощью импульсов другого лазера на них оказывалось силовое воздействие в прямом и обратном направлениях, и фиксировались мгновенные положения и скорости частиц в процессе их броуновского блуждания в фазовом пространстве. Сравнивались прямые и обратные процессы, при которых скорости частиц в конечных положениях отличаются знаком. Эксперимент показал отличное согласие с предсказаниями дифференциальной флуктуационной теоремы. Также отдельно было проверено обобщённое соотношение Яржинского и соотношение Хаммера – Сабо. Важной областью применимости флуктуационных теорем являются микроскопические молекулярные системы в биологии, химии и физике. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 080602 (2018)

Терагерцовые переходы между уровнями Ландау в графене
1 апреля 2018

Активное изучение нелинейных оптических эффектов (см. обзор Л.Н. Овандера в УФН 86 3 (1965)) началось вскоре после появления в 1960 г. оптических лазеров, которые были созданы через несколько лет после мазеров — квантовых генераторов микроволнового диапазона (см. статью Н.Г. Басова и А.М. Прохорова в УФН 57 485 (1955)). В последние годы развитие технологии получения интенсивных ультракоротких лазерных импульсов существенно расширило эту область исследований. Интересным случаем нелинейной оптики являются переходы между уровнями Ландау для электронов в магнитном поле. Однако нелинейность в этом случае возможна только тогда, когда уровни расположены неэквидистантно, что имеет место, в частности, в графене. В эксперименте G. Yumoto (Токийский университет, Япония) и др. слой графена, выращенный методом эпитаксии на подложке, помещался в сверхпроводящий магнит и охлаждался до температуры 5 К. Образец освещался линейно поляризованным лазерным лучом накачки диапазона ТГц, и изучалось фарадеевское вращение поляризации второго пробного луча. Было выявлено нелинейное подавление фарадеевского вращения, связанное с переходами между уровнями Ландау. Об открытии графена см. в нобелевских лекция А.К. Гейма в УФН 181 1284 (2011) и К.С. Новосёлова в УФН 181 1299 (2011). Источник: Phys. Rev. Lett. 120 107401 (2018)

Ротоны в квантовом газе
1 апреля 2018

Понятие квазичастиц-ротонов, существующих в минимуме энергии при конечном импульсе, было введено Л.Д. Ландау в 1941 г. для объяснения свойств сверхтекучего 4He. Ранее считалось, что в квантовых газах, в отличие от жидкого гелия, возбуждаются только фононные моды, а ротонны не возникают из-за слабости межатомных взаимодействий. Однако в 2003 г. была предсказана возможность возбуждения ротонной моды в газе в двух случаях: в поле нерезонансного лазерного излучения и для магнитных диполь-дипольных взаимодействий между атомами в бозе-эйнштейновском конденсате. Ротоны в первом случае уже наблюдались, а второй вариант, который был предсказан в статье L. Santos, G.V. Shlyapnikov и M. Lewenstein, впервые реализован в новом эксперименте F. Ferlaino (Институт экспериментальной физики и Институт квантовой оптики и квантовой информации, Инсбрук, Австрия) и его коллег. Конденсат атомов эрбия 166Er находился в оптической ловушке вытянутой цилиндрической формы (о бозе-эйнштейновских конденсатах в поле лазерного излучения см. в обзоре Л.П. Питаевского в УФН 176 345 (2006)). Во внешнем магнитном поле спины атомов выстраивались в одном направлении и методом резонанса Фешбаха регулировалась длина рассеяния атомов и характер их взаимодействия. Ротоны возникали за счёт комбинации притягивающих и отталкивающих взаимодействий атомов, возникающих в зависимости от их взаимного расположения. Абсорбционным методом измерялось распределение разлетающихся атомов по импульсам после выключения потенциала ловушки. В спектре были видны пики, соответствующие ротонной моде. Также было выполнено численное моделирование системы и решение обобщённого уравнения Гросс – Питаевского и получено хорошее согласие с данными эксперимента. Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 5 марта 2018 г.

Магнонный транзистор
1 апреля 2018

Со времени изобретения электронного биполярного транзистора прошло около 70 лет, см. статью В. Шокли в УФН 64 155 (1958). Магноника, вслед за электроникой, рассматриваются как одно из перспективных направление в технике, см. подробнее в УФН 185 1099 (2015). В частности, обсуждалась возможность создания полноценного магнонного аналога транзистора. В 2014 г. исследователи из Технического университета Кайзерслаутерна (Германия) уже продемонстрировали прототип магнонного транзистора для случая когерентных низкочастотных магнонов, но для совместимости с электронными приборами желательно разработать аналогичные устройства, оперирующие с высокочастотными тепловыми магнонами. Это удалось сделать L.J. Cornelissen (Гронингенский университет, Нидерланды) и др., которые продемонстрировали метод модуляции потока магнонов в минерале иттрий-железного граната YIG с тремя платиновыми контактами. Магноны представляют собой квазичастицы, переносящие возбуждения в системе взаимодействующих спинов. Они генерировались на одной стороне минерала за счёт спинового эффекта Холла и регистрировались на другой его стороне. Инжекция дополнительных магнонов, вызываемая электрическим током через управляющих контакт, влияла на магнонную проводимость. Эффективность модуляции потока магнонов составила 1,6%/мА при T=250° К. Работающие по несколько иному принципу устройства, которые можно назвать магнонными клапанами, независимо созданы в Институте физики Китайской академии наук (H. Wu и др.) и немецко-японской группой (J. Cramer и др.). В их подходах применялись плоские слои магнитных веществ, и было показано, что поток магнонов поперек слоёв сильно зависит от их взаимной ориентации. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 097702 (2018)

Фононный квадрупольный метаматериал
1 апреля 2018

История исследования метаматериалов начинается со статьи В.Г. Веселаго в УФН 92 517 (1967), в которой полвека назад была рассмотрена электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей. В последние годы такие вещества удалось создать искусственно в виде массивов из элементов с определенными электромагнитными свойствами. M. Serra-Garcia (Институт теоретической физики Швейцарской высшей технической школы Цюриха) и др. создали новый тип механического метаматериала. Аналогично тому, как с дипольным моментом поляризованного диэлектрика связаны электрические заряды на его поверхности, с квадрупольным моментом связаны дипольные моменты на гранях и заряды в углах. В описываемом эксперименте был создан механический аналог квадрупольного диэлектрика на основе массива из кремниевых пластин с отверстиями. Слабая механическая связь между пластинами осуществлялась набором кремниевых стержней, а роль зарядов играли упругие деформации того или иного направления, вызываемые ультразвуком. Измерение спектра колебаний осуществлялось с помощью лазерного интерферометра. Система имела нетривиальный набор мод колебаний, в том числе, колебания на гранях и углах, по своим свойствам напоминая топологический изолятор. Источник: Nature 555 342 (2018)

Первые звезды во Вселенной и линия поглощения 21 см
1 апреля 2018

Наблюдение поглощения в радиолинии нейтрального водорода 21 см, сдвинутой в красную область за счёт космологического расширения, даёт ценную информацию о физике в ранней Вселенной в так называемую эпоху «тёмных веков», которая имела место после рекомбинации водорода до его повторной ионизации. В конце этой эпохи возникли первые звёзды и галактики. Поглощение водородом УФ-фотонов, излучаемых звёздами, населяет верхние энергетические уровни атомов, связывая между собой спиновую и кинетическую температуры газа и тем самым влияя на поглощение в линии 21 см. J.D. Bowman (Университет штата Аризона, США) и др. выполнили новые точные наблюдения линии 21 см на двух радиотелескопах, расположенных в Австралии. Профиль линии поглощения в целом согласуется с теоретическими расчётами, учитывающими излучение ранних звезд, но амплитуда сигнала заметно больше, чем ожидалось. Для оценки достоверности этого результата требуются, однако, независимые наблюдения. Это несоответствие, если оно действительно имеет место, предполагает, что газ в ту эпоху был, как минимум, в два раза холоднее, чем он должен быть в условиях адиабатического охлаждения. Одним из возможных объяснений может служить гипотетическое взаимодействие барионов с частицами тёмной материи, приводящее к дополнительному охлаждению газа. Низкочастотный фронт наблюдаемого профиля линии 21 см указывает на то, что в эпоху 180 млн. лет после Большого взрыва (красное смещение z ≈ 15) уже существовали звёзды, которые создали фон Lyman-α фотонов. Эти звёзды, возможно, были первыми звёздами во Вселенной (их называют звёздами населения III). Развитие представлений о внутреннем строении звёзд и источниках их энергии можно проследить, в частности, по статьям А.С. Эддингтона в УФН 4 11 (1924) и УФН 6 273 (1926), а также статьям Я.К. Сыркина в УФН 8 675 (1928), А. Унзольда в УФН 65 499 (1958) и Г. Бете в УФН 96 393 (1968). Источник: Nature 555 67 (2018)

Нагрев хромосферы Солнца
1 апреля 2018

S.D.T. Grant (Университет Квинс в Белфасте, Великобритания) и др. впервые наблюдали эффект нагрева солнечной хромосферы при диссипации альвеновских волн. Уже давно предсказывалось теоретически, что альвеновские волны должны подниматься от видимой поверхности Солнца (фотосферы) в верхние слои и там диссипировать, выделяя тепло и нагревая хромосферу и корону. Хотя свидетельства существования альвеновских волн на Солнце имелись, подтвердить эффект их диссипации ранее не удавалось. В новых наблюдениях, выполненных на солнечном телескопе высокого разрешения в Нью-Мексико (США) и с помощью инструментов космической Обсерватории солнечной динамики (SDO) было изучено распределение магнитных полей в солнечном пятне, на основе наблюдения допплеровских сдвигов в спектре кальция была восстановлена картина скоростей плазмы и были выявлены ударные волны, вызванные трансформацией альвеновских волн в магнитоакустические. Этот процесс ведёт к диссипации энергии и нагреву хромосферы. Х. Альвен предсказал существование названных его именем волн в плазме в 1942 г. О физике плазмы и структуре Солнца см. в нобелевской лекции Х. Альвена в УФН 104 529 (1971) и в статье А.С. Монина в УФН 132 123 (1980). Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 5 марта 2018 г.

Открытие планеты методом микролинзирования
1 апреля 2018

К настоящему времени обнаружено уже несколько тысяч планет (экзопланет) вокруг других звёзд. Большинство из них найдено с помощью телескопа Кеплера методом транзита или путём измерения радиальных скоростей, но 65 экзопланет было обнаружено по наблюдениям эффекта микролинзирования — гравитационной фокусировки света далёкой звезды. Группа исследователей из Италии, Словакии и России (Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ) обнаружила яркое событие микролинзирования, в котором вероятно, участвовала экзопланета, относящаяся к типу «суперземель» (планет с массами 1-10 масс Земли). Т.к. событие наблюдалось из направления на антицентр Галактики, где концентрация линз очень мала, оно является редким и исключительным. Звезда — источник света расположена на расстоянии 700-800 пк от Земли. Её переменность имела признаки, которые говорят о наличии на луче зрения двойной гравитационной линзы, состоящей из звезды с массой 0,25M☉ и планеты с массой 9,2 ± 6,6 масс Земли, обращающейся по орбите с радиусом 0,5 а.е. Эта система находится от нас на расстоянии всего 380 пк (самое близкое событие микролинзирования). О гравитационном микролинзировании см. в статье А.Ф. Захарова и М.В. Сажина в УФН 168 1041 (1998). Отметим также, что первая экзопланета в другой галактике (в Туманности Андромеды) впервые была открыта с помощью эффекта микролинзирования в 2009 г. (см. УФН 181 1114 (2011)). Источник: Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 476 296 (2018)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»