Информация свежая... и не очень

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#931   morozov » Вс сен 02, 2018 1:15

Перенос тепла через квантовый клапан
1 августа 2018

Исследователи из Университета Аалто (Финляндия) под руководством J. Pekola создали устройство, которое может стать платформой для изучения ряда квантово-термодинамических явлений. Устройство состоит из двух металлических резисторов (тепловых резервуаров), соединённых с двумя одинаковыми микроволновыми резонаторами. Между резонаторами находится сверхпроводящий трансмонный кубит, имеющий с ними ёмкостную связь. Возможность распространения фотонов от одного резистора к другому через кубит зависит от его квантового состояния, т.е. кубит выполняет роль квантового клапана. Т.к. фотоны переносят тепло, передача тепла между резисторами-резервуарами может исследоваться на квантовом уровне. Эффективность передачи зависит от соотношения частот резонаторов и набора собственных частот кубита, а также от величины связей между кубитом, резонаторами и резервуарами, и при различных режимах связи получаются качественно разные результаты. В эксперименте была исследована передаваемая мощность при различной температуре в зависимости от величины магнитного потока, которая влияет на частоту колебаний в трансмонном кубите. Было показано, что устройство функционирует в согласии теоретическим расчётами. Такой клапан может быть полезен, в частности, для создания квантовых тепловых машин. Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 9 июля 2018 г.
Квантово запутанное состояние 18 кубитов
1 августа 2018

Создание квантовой запутанности всё большего числа частиц и когерентное управление их состояниями является одной из центральных тем исследований в квантовой информатике, т.к. позволяет реализовывать более мощные квантовые алгоритмы. В эксперименте X.-L. Wang (Научно-технический университет Китая) и др. впервые получено запутанное состояние 18-и кубитов. Запутанность по нескольким степеням свободы, называемая гиперзапутанностью, была получена по траекториям, поляризации и орбитальному угловому моменту шести фотонов. Ранее удалось создать запутанное состояние из 14 ионов (по одной степени свободы на ион) и 10-кубитное запутанное состояние 5 фотонов (по две степени свободы). Сначала X.-L. Wang и др. методом параметрической вниз-конверсии в нелинейном кристалле создали три пары фотонов в запутанных состояниях. Фотоны проходили через сплиттеры и объединялись в едином одномодовом оптоволокне, становясь гиперзапутанными и имея в совокупности 262144 состояний. Измерение состояний отдельного кубита и проверка общей запутанности является не менее сложной задачей, чем создание запутанности. Эти измерения производились в три этапа: с применением интерферометров Маха – Цендера, измерений поляризации и измерений орбитального углового момента с помощью сплиттеров, призм и интерферометров. Таким путём осуществлялся индивидуальный контроль состояния каждого кубита. Всего в установке имелось 30 интерферометров и 48 однофотонных детекторов. Статистическая значимость запутанности 18 кубитов превышает 13 σ. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 260502 (2018)
Высокая теплопроводность кристаллов BAs
1 августа 2018

Для охлаждения микроэлектронных устройств требуются материалы с высокой теплопроводностью. Алмаз, обладающий рекордной теплопроводностью, не подходит для этих целей, т.к. его коэффициент теплового расширения сильно отличается от соответствующего коэффициента элементов микроэлектроники. Теоретические расчеты, выполненные в 2003 г. L. Lindsay, D.A. Broido и T.L. Reinecke, указывали на то, что монокристаллы арсенида бора BAs должны обладать высокой теплопроводностью за счёт определенных свойств их фононного спектра. L. Shi (Техасский университет в Остине, США) и его коллеги синтезировали высококачественные кристаллы BAs с размерами 4 × 2 × 1 мм3 и подтвердили их высокую теплопроводность – до 1000 Вт м-1 К-1, что значительно выше, например, теплопроводности меди (400 Вт м-1 К-1). Измерения производились как путем импульсного локального нагрева лазером, так и путем контактного нагрева и измерения стационарного распределения температуры по поверхности. Расчёты показывают, что важную роль в теплопроводности BAs играют четырехфононные взаимодействия. Их учет понижает теплопроводность по сравнению с трехфононным приближением, но расчётная величина остается все же несколько выше измеренной в эксперименте. В другом независимом эксперименте Y. Hu (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, США) и его коллеги также синтезировали высококачественные монокристаллы BAs и измерили их теплопроводность при комнатной температуре, которая оказалась равной 1300 Вт м-1 К-1. Данные спектроскопии говорят о том, что в BAs имеет место большая длина свободного пробега фононов и сильная ангармоничность высокого порядка в четырёхфононном процессе. Источник: Science, онлайн-публикация от 5 июля 2018 г., Science, онлайн-публикация от 5 июля 2018 г.
Коллективные спиновые моды в газе
1 августа 2018

Коллективные эффекты возникают в квантовых газах в результате взаимодействия между атомами. S. Lepoutre (Университет Париж 13, Франция) и др. исследовали коллективное поведение атомов хрома в ловушке в состоянии бозе-эйнштейновского конденсата. Связь атомов через их спины и орбитальные угловые моменты достигалась с помощью градиента магнитного поля, создаваемого несколькими соленоидами. Были обнаружены ранее ненаблюдавшиеся коллективные спиновые осцилляции спинового газа. Измерения состояний атомов выполнялось методом сепарации Штерна – Герлаха при выключении потенциала ловушки. Первоначально с помощью радиочастотного импульса все спины были повернуты перпендикулярно внешнему магнитному полю и начинали прецессировать. Если бы атомы не взаимодействовали, то в неоднородном магнитном поле в разных местах они прецессировали бы независимо на различных частотах вокруг непараллельных осей. Но в данном эксперименте ось прецессии сохраняла начальное положение, а от места зависела лишь амплитуда осцилляций, что свидетельствовало о коллективном эффекте, связанном со спонтанной генерацией захваченной магнонной моды. Результаты эксперимента хорошо согласуются с теоретическим исследованием, включающем решение гидродинамических уравнений и 3D-уравнения Гросса – Питаевского. Эксперимент показал, что спиновые газы, несмотря на их разреженность, могут иметь коллективные возбуждения, характерные для твердотельных ферромагнетиков и ферромагнитных жидкостей. Источник: Phys. Rev. Lett. 121 013201 (2018)
Микролазеры
1 августа 2018

При уменьшении размера лазера увеличиваются оптические потери, поэтому требуется относительно большая мощность накачки. A. Fernandez-Bravo (Берклиевская национальная лаборатория им. Лоуренса, США) и др. создали микролазеры размером в несколько мкм, которые имеют порог генерации при минимальной мощности накачки 14 кВт см-2. Микролазер представляет собой полистирольную микросферу диаметром 5 мкм. Её поверхность покрыта наночастицами из тулия Tm3+, электронные переходы в которых связанны с модами микросферы. Накачка осуществляется лазером с длиной волны 1064 нм, а в спектре излучения доминируют длины волн около 807 нм. Благодаря полному внутреннему отражению свет внутри микросферы может проходит по кругу тысячи раз, создавая узлы интенсивности, вблизи которых происходит лазерная генерация на переходах 1D2 → 3F4 и 1G4 → 3H6 в тулии. Ранее созданные микролазеры требовали большую мощность накачки и поэтому работали лишь в импульсном режиме. Напротив, работа нового микролазера была продемонстрирована в непрерывном режиме в течение пяти часов. Важным для практических применений, таких как диагностика, свойством нового лазера является его способность работать в биологических средах. В описываемом эксперименте продемонстрирована работа лазера в сыворотке крови. Источник: Nature Nanotechnology 13 572 (2018)
Стереоскопическая вигнеровская задержка при ионизации молекулы
1 августа 2018

Аттосекундная метрология позволяет исследовать ряд тонких свойств фотоэлектрического эффекта, в частности, измерить вигнеровскую задержку по времени между импульсом света и вылетом электрона. В отличие от атомов, у молекул более сложная электронная структура, что затрудняет интерпретацию результатов измерений при фотоэффекте на молекулах. В новом эксперименте, выполненном под руководством U. Keller (Швейцарская высшая техническая школа Цюриха), исследован фотоэффект на молекуле CO и впервые измерена стереоскопическая временная задержка Вигнера, характеризующая время вылета в зависимости от положения электрона в молекуле. Пучок молекул освещался УФ-лазерными импульсами аттосекундной длительности. С помощью ИК-импульсов, синхронизованных с возбуждающими УФ-импульсами, измерялось направление и момент вылета. Отсюда путём реконструкции можно было получить информацию о волновой функции электрона. Электроны, вылетающие с большей энергией, в момент воздействия были расположены преимущественно ближе к атому кислорода, а электроны с меньшей энергией – ближе к углероду. Стереоскопическая вигнеровская задержка времени ионизации определяется как разность задержек в этих двух случаях. Результат сильно зависит от ориентации молекулы по отношению к плоскости поляризации лазерного импульса. В случае ортогональной ориентации измерения хорошо согласуются с теоретическими расчётами, а в параллельном случае, хотя качественный ход зависимости соответствует ожидаемому, при малых энергиях электронов наблюдается некоторое расхождение, которое связано, возможно, с неполным учётом высших электронных уровней молекулы. Источник: Science 360 1326 (2018)
Универсальный микрорезонатор
1 августа 2018

Резонансное взаимодействие света и вещества в микрорезонаторах является перспективной областью исследований, т.к. в электромагнитном поле модифицируются излучательные свойства материалов, что даёт дополнительные возможности для их изучения. Резонатор обычно проектируется лишь под одно конкретное вещество. В Московском инженерно-физическом институте под руководством Ю.П. Раковича изготовлен универсальный перестраиваемый микрорезонатор, пригодный для изучения различных веществ в разных режимах. Резонатор образован плоским и выпуклым зеркалами, разделенными несколькими сотнями нм. Одно из зеркал можно передвигать в трех направлениях, выбирая для исследования наиболее удобный приблизительно плоскопараллельный участок. При этом осуществляется точный контроль расстояний с помощью Z-пьезопозиционера с нанометровой точностью. Данный полуволновой резонатор Фабри – Перо может работать в ИК, видимом и УФ-диапазонах. Свет в резонатор поступает через конфокальную линзовую систему и регистрируется ПЗС-матрицей и спектрометром. Этот универсальный инструмент удобен для изучения химических и биологических свойств объектов, помещенных в поле волны как в режиме слабой связи (с малым воздействием излучения в резонаторе на вещество), так и в режиме сильной связи, когда свойства веществ и ход реакций сильно модифицируются излучением из-за связей с модами резонатора. Источник: Review of Scientific Instruments 89 053105 (2018)
Квантовый магнитометр
1 августа 2018

Исследователи из Швейцарии, России и Финляндии применили квантовые алгоритмы оценки фазы, лежащие в основе протоколов обработки квантовой информации, для измерения магнитного поля с помощью сверхпроводящего трансмонного кубита (СКВИД с дополнительной петлей и резонатором). Использовались модифицированные версии алгоритма Китаева и алгоритма фурье-определения фазы, с помощью которых можно преодолеть проблему 2 π-периодичности фазы. Кубит можно рассматривать как «искусственный атом» с набором квантовых уровней. Он чувствителен к внешнему магнитному полю, т.к. имеет большой собственный магнитный момент, и поэтому может служить магнитометром. Магнитное поле определяется посредством измерения частоты осцилляций в кубите, которая пропорциональна величине поля. Оба алгоритма позволяют достичь чувствительности 19,3-29,3 пТ Гц-1/2, превосходящей классический уровень дробового шума, и приблизиться к ограничению, налагаемому принципом неопределенности Гейзенберга, при этом точность была ограничена, в основном, декогеренцией. Также имеется возможность в будущем значительно улучшить чувствительность устройств такого типа. В исследовании принимают участие российские ученые из МФТИ и ИТФ им. Л.Д. Ландау. Источник: npj Quantum Information 4 29 (2018)
Найдены «потерянные барионы»
1 августа 2018

Количество барионного газа во Вселенной достаточно надёжно предсказывается теорией первичного нуклеосинтеза и вычисляется из наблюдений флуктуаций реликтового излучения. Однако лишь 10% всех барионов наблюдается в галактиках и 60% — в пространстве между галактиками, а последние 30% оставались невидимыми. Высказывались предположения, что недостающие барионы содержатся в нитевидных структурах между галактиками, формируя так называемую тепло-горячую межгалактическую среду с температурой газа 105-107 К, обогащённую тяжёлыми элементами, вытекающими из галактик. Эта картина была получена в работах R. Cen, J.P. Ostriker и др. и подтверждалась численным моделированием, выполненным J.M. Shull и др. «Потерянные барионы» трудно обнаружить, потому что они ионизованы. До сих пор в наблюдениях были получены лишь слабые и неоднозначные свидетельства их наличия. F. Nicastro (Национальный институт астрофизики, Италия и Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, США) и его коллеги изучили линии поглощения кислорода (O VII) в спектре рентгеновского излучения квазара на красном смещении z > 0,4. Наблюдения велись спектрометром космического телескопа XMM-Newton. Из полученных данных следует, что в межгалактическом пространстве на луче зрения имеется большое количество горячего газа с примесью кислорода. Постоянство и форма спектра поглощения практически исключают возможность того, что газ связан с самим квазаром или с его хозяйской (host) галактикой. Таким образом, можно сделать вывод, что недостающие 30% барионов Вселенной обнаружены. Источник: Nature 558 406 (2018)
Новости не опубликованные в журнале


Адвекция космических лучей
1 августа 2018

Существование в Галактике гало космических лучей (КЛ) было предсказано С.Б. Пикельнером в 1953 г. Галактические космические лучи генерируются, в основном, в диске Галактики и через турбулентную межзвёздную среду диффузионно переносятся в сферическое гало (см. книгу В.Л. Гинзбурга и С.И. Сыроватского Происхождение космических лучей и статью в УФН 177 558 (2007)). Существование гало КЛ размером в несколько кпк было подтверждено в наблюдениях его синхротронного и гамма-излучения. Аналогичные гало наблюдаются и у некоторых других галактик. В то же время, остаются некоторые проблемы в теоретическом описании переноса КЛ из диска в гало и в объяснении изломов их степенных спектров. Группой итальянских исследователей (C. Evoli, P. Blasi, G. Morlino и R. Aloisio) предложен новый теоретический сценарий, включающий генерацию плазменных волн и адвекцию заряженных частиц из диска Галактики. Нелинейный каскадный процесс переноса частиц естественным образом объясняет происхождение гало КЛ. Также теория объясняет изменение формы спектра при жёсткости 300 ГВ как переход от режима диффузии за счет самогенерации волн при малых энергиях к режиму колмогоровской диффузии при больших энергиях. Источник: Phys. Rev. Lett. 121 021102 (2018)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#932   morozov » Вт сен 04, 2018 13:00

Новости физики в Интернете

Магнитосопротивление сверхпроводника-купрата в нормальной фазе
1 сентября 2018

Свойства высокотемпературных сверхпроводников-купратов в их нормальной несверхпроводящей фазе вблизи точки сверхпроводящего перехода могут пролить свет на механизм высокотемпературной сверхпроводимости и поэтому представляют большой интерес. Для исследования этого состояния сверхпроводимость купрата искусственно подавляется с помощью сильного магнитного поля. При этом возникает так называемая «странная металлическая фаза» с линейной зависимостью магнитосопротивления от температуры. Однако влияние используемого магнитного поля на эту фазу пока изучено недостаточно. P. Giraldo-Gallo (Университет штата Флорида, США) и др. исследовали тонкие пленки La2-xSrxCuO4 в магнитных полях до 80 Тл и обнаружили, что их удельное сопротивление линейно растёт с величиной поля, в отличие от квадратичной зависимости, наблюдаемой в обычных металлах. Указанное поведение имеет место при параметре легирования, меньшем, чем его критическая величина p ≈ 0,19. Наблюдаемая двойная линейная зависимость от температуры и магнитного поля пока не имеет полного теоретического объяснения, но может свидетельствовать о том, что электрический ток в «странной металлической фазе» переносится не свободными квазичастицами, а по какому-то иному механизму. Источник: Science 361 479 (2018)
Кубиты на основе геометрической фазы
1 сентября 2018

Геометрическая фаза, называемая также фазой Берри (см. УФН 160 1 (1990) и УФН 163 1 (1993)), является перспективным эффектом, с использованием которого может быть создана элементная база для квантовых вычислений и квантовой коммуникации. Кубиты на основе геометрической фазы уже были ранее продемонстрированы, однако они имели низкую квантовую точность (fidelity). K. Nagata (Йокогамский государственный университет, Япония) и др. смогли повысить квантовую точность, реализовав кубит на вырожденном подпространстве в гильбертовом пространстве триплетного состояния. Их система представляет собой NV-центр в алмазе, в котором спины ядра и электрона взаимодействуют с электромагнитным полем, создаваемым двумя перекрещенными проволочками. Устройство функционирует при комнатной температуре без внешнего магнитного поля. Поляризованное радиоизлучение, создаваемое проволочками, определенным образом взаимодействует со спиновыми состояниями NV-центра, которые затем считываются путём регистрации фотонов флуоресцентного излучения. В эксперименте продемонстрирован как единичный кубит, так и система из двух связанных кубитов, образованных квантово запутанными спинами электрона и ядра в NV-центре, причём в этом случае квантовая точность достигала 90 %. Источник: Nature Communications 9 3227 (2018)
Статистика квазичастиц в экситон-поляритонном конденсате
1 сентября 2018

Экспериментальное исследование статистики частиц в квантовых конденсатах ранее выполнялось для фотонов в лазерном свете и в сверхпроводящих кубитах, а также для массивных частиц (атомов) в бозе-эйнштейновском конденсате. В последнем случае на форму распределение заметное влияние оказывают взаимодействия атомов. Однако до сих пор подобные исследования не были выполнены для квазичастиц, которые являются комбинацией фотонов и массивных частиц. M. Klaas (Вюрцбургский университет, Германия) и др. впервые измерили распределение числа фотонов, спонтанно испускаемых бозе-эйнштейновским конденсатом экситонных поляритонов. Эти квазичастицы, состоящие из фотонов и электрон-дырочных пар, генерировались в полости микронного размера в полупроводнике под действием света накачки. Применялись сенсоры на сверхпроводящем переходе (transition edge sensor), позволяющие регистрировать единичные фотоны, а по распределению фотонов делалось заключение о статистике квазичастиц конденсата. После образования конденсата при дальнейшем увеличении мощности накачки наблюдался переход конденсата от теплового состояния с экспоненциальным распределением числа частиц к когерентному состоянию с пуассоновским распределением. По своим статистическим свойствам конденсат экситонных поляритонов оказался ближе к лазерному свету, чем к конденсату атомов. Источник: Phys. Rev. Lett. 121 047401 (2018)
Квантовая синхронизация
1 сентября 2018

Синхронизация периодических процессов чаще всего осуществляется подстройкой фазы колебания с помощью внешнего сигнала. В последние годы эта концепция синхронизации была переформулирована и для квантовой области. Исследователи из Базельского университета (Швейцария) A. Roulet и C. Bruder в своей теоретической работе исследовали условия, необходимые для синхронизации квантовых систем. Из соображений симметрии было показано, что минимальные системы — кубиты, имеющие два уровня энергии, не могут быть синхронизированы с внешним сигналом из-за отсутствия предельного цикла на сфере Блоха, на которой изображается гильбертово пространство кубита. Следующей по сложности является трёхуровневая система, которую можно представить частицей со спином S=1. Для её исследования был введен набор когерентных спиновых состояний, дающий расширение сферы Блоха на случай S>1/2. A. Roulet и C. Bruder рассмотрели вариант, когда имеется диссипация энергии из состояний с проекциями спина Sz=±1 в состояние Sz=0. Исследование фазового портрета такой системы показало, что захват фазы и синхронизация возможны, если коэффициенты диссипации в состояниях Sz=±1 различаются по величине. Таким образом, квантовому осциллятору требуются по меньшей мере три уровня энергии для синхронизации с периодическим сигналом. Источник: Phys. Rev. Lett. 121 053601 (2018)
Релятивистские эффекты в движении звезды S2
1 сентября 2018

В центре Галактики наблюдается несколько звёзд, которые подходят близко к сверхмассивной чёрной дыре Sgr A*, разгоняясь в перицентре до больших скоростей. С 1990-х годов ведётся мониторинг звезды S2, которая за это время сделала уже более одного оборота вокруг Sgr A*. Коллаборация GRAVITY, используя данные наблюдений телескопов VLT в Чили, полученные, в частности, при последнем прохождении перицентра, впервые обнаружила в движении звезды S2 эффекты теории относительности: гравитационное красное смещение и поперечный релятивистский эффект Доплера, причём одна только ньютоновская теория не может объяснить данные наблюдений. Ожидается, что в ближайшие годы удастся заметить и релятивистскую прецессию орбиты звезды S2, предсказываемую Общей теорией относительности. Источник: Astron. & Astrophys. 615 L15 (2018)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#933   morozov » Ср сен 19, 2018 17:38

Изображение

Наблюдая за Солнцем: проект «СОЛЯРИС»

Мы живем в эпоху, когда изучение Солнца наземными обсерваториями постепенно уходит в прошлое. Наземные обсерватории зависят от погодных условий, смены дня и ночи. Кроме того, их возможности ограничены тем, что большая часть солнечного излучения поглощается атмосферой Земли. Для исследований солнечной активности необходимо проводить наблюдения в космосе, и ФИАН является активным игроком в этой области: с самого начала космической эры ученые института участвуют в создании научных приборов для космических аппаратов. Об одном из таких проектов нам рассказал главный научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат. наук Сергей Александрович Богачев.



Традиционно космические исследования, проводимые институтами Российской Академии наук, направлены на развитие фундаментальной науки: в ходе таких экспериментов обычно накапливается большой объем данных, которые не устаревают и могут изучаться в течение долгого времени. Однако в настоящее время огромную важность приобретают и прикладные задачи, требующие исследования солнечной активности: изучение влияния Солнца на спутниковую навигацию, учёт состояния Солнца при прогнозировании различных погодных явлений и многое другое. Эти задачи не могут быть решены отдельными измерениями и требуют непрерывного мониторинга солнечной активности в режиме реального времени. Это, в числе прочего, накладывает особые требования на используемую аппаратуру: необходима высокая надежность приборов, а также быстрая обработка получаемых данных на Земле.
Изображение

Изображение Солнца, полученное аппаратурой ФИАН в 2009 году на борту российского космического аппарата КОРОНАС-Фотон.
Изображение предоставлено С.А. Богачевым
Первый российский проект по наблюдению Солнца для прикладных целей получил название «СОЛЯРИС», разработка его концепции поручена «Роскосмосом» ФИАНу. «Этот проект будет полностью открытым: результаты наших измерений будут доступны в Интернете. Мы воспринимаем такой формат с большим энтузиазмом: с одной стороны, открытый проект – это современно, а с другой – это серьезный вызов и большая ответственность» - считает главный научный сотрудник Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН Сергей Александрович Богачев, который стал руководителем «СОЛЯРИСА». Сейчас завершается последний год научной стадии проекта, целью которого было определить основные черты будущей космической миссии: на какой орбите должен находиться космический аппарат, какие измерительные приборы он должен нести на борту и ряд других вопросов.

Ученые решили поместить спутник на не вполне обычной орбите, которую отечественные аппараты еще не посещали: в точке Лагранжа L1. В этой точке, расположенной на расстоянии 1.5 миллионов километров от Солнца, силы притяжения Земли и Солнца уравновешивают друг друга, кроме того, в ней почти отсутствует воздействие магнитного поля Земли – космический аппарат будет находиться по сути в идеальных условиях, что позволит проводить измерения без помех со стороны Земли.
Изображение

Расположение точек Лагранжа. Космический аппарат будет вести наблюдения из точки L1.
Изображение предоставлено С.А. Богачевым
В ходе обсуждения облика будущей космической обсерватории сформировалась коллаборация из четырёх научных организаций, каждая из которых взяла на себя ответственность за определённый участок научной программы. Так ФИАН, одновременно являющийся координатором проекта, взял на себя задачу создания космических телескопов – приборов, которые позволят получать и передавать на Землю в режиме реального времени изображения Солнца и тем самым прямо наблюдать формирование активных солнечных процессов – вспышек, выбросов вещества, гигантских протуберанцев. Созданием прибора для регистрации потоков ускоренных частиц (протонов и электронов) займется НИИЯФ МГУ. Жесткое излучение Солнца, которое также как частицы оказывает влияние на космические аппараты и верхнюю атмосферу Земли, позволит детектировать блок приборов, разрабатываемый в ИАФ МИФИ. Наконец, будет проводиться наблюдение за солнечным ветром – непрерывными потоками плазмы, испускаемыми Солнцем. Наблюдать солнечный ветер вблизи Земли невозможно из-за воздействия магнитного поля на плазму, а вот в точке Лагранжа подобные возмущения отсутствуют. Разработкой аппаратуры для этих наблюдений занимается ИКИ РАН. На сегодняшний день завершается теоретическая проработка проекта, в ближайшее время ученые планируют перейти к практической реализации.

Наблюдения за солнечной активностью имеют важнейшее значения для поддержки функционирования навигационных спутников, без которых уже сегодня невозможно представить нашу жизнь: последствия солнечных вспышек – одна из основных причин сбоев в их работе. Исследования также облегчат прогнозирование погоды: солнце оказывает заметное влияние на движение воздушных масс в атмосфере Земли, а кроме того является основной причиной магнитных бурь и полярных сияний. Результаты подобных измерений вызывают большой интерес в обществе: уже сегодня сайт центра космической погоды ФИАНа, публикующий данные с зарубежных аппаратов, посещают 10-15 тысяч людей в сутки. Запуск собственного аппарата позволит вывести эту работу на новый уровень. Также Сергей Александрович особо подчеркнул важность подобных проектов для пилотируемой космонавтики:

«Даже если сейчас это нереально, то в какой-то момент люди обязательно полетят на Марс или другие планеты. Оказываясь вне защитного поля Земли, человек подвергается воздействию радиации, поэтому ему просто необходимо наблюдать за солнечной активностью. Можно сказать, что страна, которая первая научится точно прогнозировать космическую погоду, завоюет Солнечную систему».



К. Кудеяров, АНИ «ФИАН-информ»
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#934   morozov » Ср окт 03, 2018 11:49

Двумерный магнетизм в силицене

Исследования в области двумерных магнетиков стимулируются надеждами на их практическое использование в наноэлектронике, а именно, в схемах памяти и логики. Яркое достижение в этом направлении принадлежит группе В.Г. Сторчака из Курчатовского института. Результаты работы, выполненной в России без привлечения зарубежной инфраструктуры, опубликованы в Nature Communications, и согласно статистике, публикуемой на сайте журнала, статья [1] оказалась в числе наиболее читаемых.

Двумерные магнетики создаются путем внедрения магнитных атомов в двумерные материалы. В качестве такового авторы выбрали силицен (silicene) - монослой кремния. Такой выбор сразу привязывает структуры к кремниевой технологии, что уже является их несомненным достоинством. Немного о самом силицене. Он обладает сотовой (honeycomb) структурой, как и графен, но, в отличие от графена, силицен не плоский, а гофрированный (buckled). Из-за этого он в большей степени напоминает двуслойный графен – оба материала имеют запрещенную зону, ширина которой управляется поперечным электрическим полем. Суть явления заключается в том, что разные подслои гофрированной решетки силицена имеют разную энергию в электрическом поле. В результате изначальный линейный спектр трансформируется в параболический с запрещенной зоной. Мы обращаем на это внимание, поскольку с этим связаны надежды на возможности управления свойствами структур не только магнитным, но и электрическим полем, как это обычно происходит в приборах наноэлектроники.

Схематическое представление проведенных экспериментов показано на рис. 1. Попав на поверхность атомы металла М, химически связываются с кремнием, образуя двумерную структуру со стехиометрией MSi2, где атомы кремния образуют силиценовый слой. В качестве атомов металла M можно использовать такие редкоземельные элементы, как гадолиний или европий. Таким образом, возникает периодическая решетка магнитных атомов. С уменьшением толщины монослоев антиферромагнетизм подавляется возникающим ферромагнитным упорядочением. Результаты экспериментов оправдывают ожидания: выявлена возможность управления намагниченностью малыми магнитными полями, что в будущем позволит уменьшить энергию переключения элементов памяти или логики. Кроме того, показана устойчивость намагниченности, достаточная для практических целей.

Изображение

Рис. 1. Схематическое представление экспериментов. Синтез силиценовых структур на установке молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) на кремниевой подложке с ориентацией Si(111) (a). В результате возникает многослойный (b) или однослойный (c) силицен. В зависимости от числа слоев происходит переход от объемного антиферромагнитного состояния (d) к ферромагнитному (e); температура ферромагнитного перехода имеет характерную зависимость от магнитного поля (e).

Авторы изучили также транспортные свойства структур. Показано, что транспортные свойства, как и магнитные, обладают исключительно сильной зависимостью от числа слоев силицена. Так, обнаружено, что продольное сопротивление (ρxx) уменьшается на 9 порядков величины при сокращении числа слоев. В перспективе возможно создание наноэлектронных приборов на базе силиценовых структур, используя аномальный эффект Холла.

В.Вьюрков

1. A.M.Tokmachev et al., Nature Comm. 9, 1672 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#935   morozov » Ср окт 03, 2018 13:27

Трение покоя: стареем, но не забываем

Трение традиционно признается самой скользкой темой в физике. Коэффициент трения – коэффициент пропорциональности между максимальной силой трения покоя и силой нормальной реакции – зависит от множества факторов, таких как качество обработки поверхности, состав контактирующих веществ, кроме того, он также зависит от времени, в течение которого действует нагрузка. Известен, например, эффект старения, связанный с тем, что при длительном воздействии нагрузки поверхность деформируется, проседает, увеличивается эффективная площадь контакта, и коэффициент трения растет по логарифмическому закону. В недавней статье ученых из Harvard Univ. (США) [1] был обнаружен еще один необычный эффект, который исследователи назвали эффектом памяти при старении. Была проведена серия опытов с образцами полимера PMMA (рис. 1a), в которых измерялась площадь контакта и коэффициент трения покоя. Площадь контакта измерялась оптическим способом (рис. 1б) – на границу раздела образцов падал свет под углом полного внутреннего отражения, и там, где был контакт, свет проходил через образец и попадал на камеру, и в дальнейшем происходила уже математическая обработка сигнала.
Изображение

Рис. 1. а - Схема экспериментальной установки;
б - методика измерения площади контакта
Вначале вся система нагружалась большой нормальной нагрузкой, затем в определенный момент времени быстро уменьшали силу нагрузки, и система оставалась с новой, уменьшенной нагрузкой.

При постоянной нагрузке наблюдалось логарифмическое увеличение площади контакта в соответствии с уже известным эффектом старения. Когда нагрузка уменьшалась, площадь контакта начинала уменьшаться, и с некоторым запаздываением доходила до минимума, а затем снова увеличивалась под действием эффекта старения уже с новой нагрузкой. Получается, что система может иметь в разные моменты времени одну и ту же площадь контакта, то есть существует зависимость от предыстории, а значит, и память. Кроме того, время, за которое площадь контакта достигает минимума, зависит от того, сколько времени система провела под большой нагрузкой.

Коэффициент трения измеряли независимо, как отношение силы FS, необходимой для сдвига образца, к нормальной нагрузке FN. Оказалось, что у него своя динамика (рис. 2) – существуют интервалы времени, в которых площадь контакта уменьшается, а коэффициент трения растет.
Изображение

Рис. 2. Пример динамики изменения площади контакта и коэффициента трения
Авторы связывают это с тем, что нагрузка на локальные микронеоднородности поверхности различна, и вполне может случиться так, что, хоть общая площадь контакта уменьшается, но в тех местах, где контакт сохранился, он остается достаточно сильным.

Как мы видим, трение, несмотря на свою долгую историю, может принести нам еще немало сюрпризов.

З.Пятакова

1. S.Dillavo, S.M.Rubinstein, Phys. Rev. Lett. 120, 224101 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#936   morozov » Пт окт 05, 2018 13:19

Электрическое “мыло” для магнитных доменов

Как не единожды могли убедиться читатели ПерсТа, введение сил поверхностного натяжения является универсальным приемом при теоретическом рассмотрении поверхностей и границ раздела, какова бы ни была их природа, обычные ли это мыльные пленки, биологические ли ткани [1] или вовсе линии, разделяющие диалекты на карте [2]. В физике магнитных явлений поверхностное натяжение приписывают доменным стенкам, одним из следствий которого становится наличие энергетического барьера для образования цилиндрических магнитных доменов (ЦМД): слишком малые домены схлопываются подобно микропузырькам в воде. Однако, как показано в совместной экспериментально-теоретической работе ученых физического факультета МГУ и Института общей физики РАН [3], электрическое поле может выступать в роли своего рода “мыла”, способствуя образованию ЦМД.
Изображение
Рис. 1. Механизм электростатического зарождения и расширения цилиндрического магнитного домена (ЦМД) [3]: вид зависимости энергии от его размера в отсутствие электрического поля (черная кривая) и в критическом поле (красная кривая), на вставке показано схематическое изображение эксперимента с электростатическим зарождением ЦМД и его магнитооптическое изображение (верхний слой).

Каким образом электрическое поле может менять поверхностную энергию доменных стенок? Согласно теоретической модели [3], в качестве посредника здесь служит магнитоэлектрический эффект особого типа, связанный с магнитными неоднородностями. Он дает отрицательный вклад в эффективную поверхностную энергию доменной границы. При достаточно больших величинах электрического поля поверхностная энергия может и вовсе стать отрицательной, что должно приводить к спонтанному зарождению доменных границ [4].

В эксперименте [5], действительно, наблюдается зарождение ЦМД с помощью заостренного электрода (тонкой проволоки или зонда микроскопа атомной силы) в поле около 1 МВ/см, что в 2-3 раза меньше, чем предсказывает теория [4]. Более детальное рассмотрение с учетом неоднородности электрического поля показывает, что совсем необязательно доводить поверхностную энергию до отрицательных значений для того, чтобы снять барьер, препятствующий образованию ЦМД (график на рис.1).

Интересно, что электрическое поле играет роль не только мыла, но и “поддува”: неоднородный магнитоэлектрический эффект порождает связанные электрические заряды на границе (рис. 1, вставка), что приводит к электростатическому притяжению одного края домена и отталкиванию другого.

А. Пятаков

1. ПерсТ 25, вып.3/4 (2018).

2. ПерсТ 24, вып.13/16 (2017).

3. D.Kulikova et al., phys. status solidi (RRL) 12, 1800066 (2018).

4. I.Dzyaloshinskii, Europhys. Lett. 833, 67001 (2008).

5. Д.П.Куликова и др., Письма в ЖЭТФ 104, 196 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#937   morozov » Пн окт 08, 2018 15:17

Изображение
Визит С.Бланда в ФИАН

В ФИАН на научном семинаре выступил доктор С. Бланд, с информацией о последних достижениях в области физики высоких плотностей энергии, полученных научной группой Физики плазмы Лаборатории им. Блэкета британского Имперского колледжа, которую он представлял во время визита.

Изображение
Доктор Саймон Бланд
источник фото: https://www.lps.cornell.edu/nnsa-center/

Выступление С. Бланда состоялось в рамках визита в ФИАН, осуществленного по приглашению Российской академии наук при поддержке Научно-инновационной сети Великобритании в России (UK Science and Innovation Network in Russia).

Саймон Бланд является постоянным сотрудником группы Физики плазмы Лаборатории им. Блэкетта Имперского Колледжа[1]. Группа, о результатах исследований которой он рассказывал на научном семинаре, более 20 лет занимается исследованиями в области физики высоких плотностей энергии. Наряду с Лабораторией Сандиа и Корнельским университетом (США), Курчатовским институтом, ТРИНИТИ и ФИАН (Россия), группа является одним из мировых лидеров в данной области.

Основные исследования британская научно-исследовательская группа проводит с использованием импульсной силовой установки MAGPIE (Mega Ampere Generator for Plasma Implosion Experiments), позволяющей пропускать через различные нагрузки ток более полутора миллионов ампер за время менее двух десятимиллионных долей секунды. Такой ток позволяет создавать плотную плазму, разгонять её до скоростей в сотни километров в секунду и нагревать до температур термоядерного диапазона.

Интерес к таким исследованиям связан с возможностями получения сверхмощных вспышек рентгеновского излучения в электроразрядных установках. В частности на установке ZR в Сандии (США) получены вспышки излучения мощностью более 300 миллиардов ватт.

Значительный вклад в исследования процессов образования плазмы и генерации в ней излучения внесли ученые группы Физики плазмы, в том числе с участием ученых из ФИАН. С фиановцами также связаны работы по исследованию и использованию Х-пинчей в качестве уникальных источников рентгеновского излучения. Использование Х-пинчей для рентгенографии проволочных сборок позволило понять процессы образования и пинчевания плазмы и кардинальным образом изменить подходы к созданию мощных источников рентгена. Исследования генерации плазменных потоков привели к экспериментам по моделированию процессов пересоединения магнитных силовых линий и формирования струй в астрофизических объектах.

В последнее время этой группой, при участии ученых ФИАН, ведутся работы по созданию на основе Х-пинчей малогабаритных источников мягкого и жесткого рентгеновского излучения для проекционной рентгенографии быстро меняющихся физических и биологических объектов, в том числе с использованием фазового контраста, а также скоростной дифрактометрии.
Изображение
«Команда» MAGPIE. В первом ряду сотрудники ФИАН С.А.Пикуз (второй слева) и Т.А.Шелковенко (третья слева)
источник фото: https://www.lps.cornell.edu/nnsa-center/
После семинара д-р Саймон Бланд посетил лаборатории Отдела физики высоких плотностей энергии Отделения ядерной физики и астрофизики ФИАН, где ему рассказали об изучении высоковольтных разрядов в газах (научная группа под руководством А.В. Огинова), об исследовании физики Х-пинчей и использования в исследованиях вещества при быстром электроразрядном вложении энергии (научная группа под руководством С.А. Пикуза).

Также были обсуждены направления дальнейшего сотрудничества ФИАН и Имперского колледжа. И здесь обе стороны отметили такие направления, как:

1. Исследование Х-пинчей на различных установках ФИАН и Имперского колледжа с последующим сопоставлением полученных результатов для получения наиболее эффективных методов генерации излучения в широком спектральном диапазоне.

2. Разработка методов, аппаратуры и способов использования спектроскопии поглощения в рентгеновском и УФ диапазонах в исследованиях по физике «теплого» вещества и горячей плазмы в различных физических объектах.

3. Разработка методов оптического зондирования высокого пространственного разрешения и их последующего внедрения в ФИАН и ИК для исследований различных электроразрядных процессов.

Как отметили обе стороны встречи, визит С. Бланда в ФИАН был полезен для них обеих, поскольку несет в себе хорошие перспективы для продолжения плодотворного сотрудничества.

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

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#938   morozov » Вт окт 09, 2018 0:00

Неразличимость порядка квантовых событий
1 октября 2018

В квантовой механике порядок во времени квантовых событий (например, воздействий на систему) может быть неопределённым и, более того, может иметь место квантовая суперпозиция различных историй эволюции системы с противоположным порядком событий. Это теоретическое предсказание подтверждено в эксперименте K. Goswami (Квинслендский университет, Австралия) и соавторов. Фотоны через поляризационный сплиттер поступали в два плеча интерферометра. В первом или во втором плече (в зависимости от поляризации) над ними выполнялись квантовые операции с помощью инвертирующих призм в различные моменты времени. Был построен критерий, который по результатам измерений сигнала на выходе интерферометра позволяет сделать вывод о том или ином порядке событий или о неразличимости этого порядка. Т.к. длина когерентности фотонов превышала размер плеча интерферометра, то размазанность волновой функции фотона по времени превышала интервал времени между квантовыми операциями, поэтому прямой и обратный порядок операций в данном эксперименте были неразличимы. Эта неразличимость с помощью указанного критерия была продемонстрирована на уровне достоверности 18 σ. Источник: Phys. Rev. Lett. 121 090503 (2018)

Создание квантово запутанного состояния с помощью метаматериалов
1 октября 2018

Метаматериалами называют искусственные периодические массивы различных элементов. Их уникальные электромагнитные свойства впервые были рассмотрены в работе В.Г. Веселаго в УФН 92 517 (1967). Разновидность метаматериалов – метаповерхности представляют собой двумерные массивы субволновых микроантенн. T. Stav и его соавторы из Израильского технологического института Технион впервые использовали диэлектрическую метаповерхность для генерации запутанности между спином и орбитальным угловым моментом единичного фотона, а также между спином одного фотона и орбитальным угловым моментом второго фотона. Фронт электромагнитной волны при прохождении через метаповерхность приобретает вид спирали, и квантовая запутанность возникает за счёт фазы Панчаратнама – Берри, которая делает возможной связь между спином и орбитальным угловым моментом фотона. Наличие запутанности было показано путём полной квантовой томографии фотонов при проекциях их состояний на базис орбитальных угловых моментов и на базис поляризаций. Это позволило выявить нелокальные корреляции, которых не может быть в классической световой волне. Метаповерхности могут найти широкое применение в квантовой оптике для генерации запутанных состояний фотонов и для управления ими. Источник: Science 361 1101 (2018)

Однонаправленное квантовое управление
1 октября 2018

Концепция управления Эйнштейна – Подольского – Розена (EPR steering) была предложена Э. Шрёдингером в 1935 г. Этот эффект заключается в управлении редукцией волновой функции удалённой системы посредством выбора измерительного базиса для ближней системы. Эффект однонаправленного управления Эйнштейна – Подольского – Розена, когда обратное управление невозможно, был впервые продемонстрирован D.J. Saunders и соавторами в 2010 г., однако экспериментальные методики основывались на дополнительных предположениях о квантовых состояниях или о процессе их измерения, которые ограничивали применимость полученных результатов в общем случае. N. Tischler (Университет Гриффита, Австралия) и соавторы впервые продемонстрировали в эксперименте двухкубитное однонаправленное управление без дополнительных предположений, что делает их эксперимент исчерпывающей демонстрацией данного эффекта. Основой нового эксперимента стал высококачественный источник фотонов в двухкубитных вернеровских состояниях. Эти фотоны пересылались между двумя станциями по путям с контролируемыми искусственными потерями. Измерения состояний фотонов позволяли выполнить однонаправленное квантовое управление без ограничивающих предположений. Источник: Phys. Rev. Lett. 121 100401 (2018)

Радиационный теплообмен излучением дальнего поля
1 октября 2018

Теория радиационного теплообмена между телами, разработанная М. Планком, ограничивает сверху эффективность теплообмена (предел чёрного тела). Однако это ограничение имеет место лишь в том случае, когда длина волны излучения много меньше размеров тел и расстояния между ними. Ранее в экспериментах уже было обнаружено, что при обратном соотношении масштабов теплообмен в ближнем поле может превосходить указанное ограничение. Теоретические расчеты показывали, что аналогичный эффект усиления возможен и в дальней зоне. Этот вывод впервые подтверждён в эксперименте D. Thompson (Мичиганский университет, США) и соавторов. Исследовался теплообмен в вакууме между плоскими пластинами, имеющими толщину, много меньшую длины волны, и находящимися в тепловом контакте с резисторами. Переменный ток, пропускаемый через резистор у первой пластины, производил её периодический нагрев. Радиационным путём тепло передавалось второй пластине. Измерялись колебания тока, протекающего через второй резистор, возникающие за счёт тепловой модуляции его сопротивления. Достигнут в сто раз больший теплообмен, чем следует из предела чёрного тела. При этом скорость теплопередачи хорошо согласуется с расчётами, выполненными в рамках флуктуационной электродинамики. Источник: Nature 561 216 (2018)

Моделирование астрофизических джетов в лаборатории
1 октября 2018

Плазменные процессы в космических телах зачастую столь сложны, что не поддаются теоретическому описанию. Например, пока нет исчерпывающей магнитогидродинамической теории формирования и распространения плазменных струй (джетов) в ядрах активных галактик и в молодых звездах. Прояснить эти явления могут лабораторные эксперименты, выполняемые на плазменных установках. Такого рода исследования ведутся на установке «Плазменный фокус» в Курчатовском институте (Москва, Россия), в них принимают участие ученые из ФИАНа и МФТИ. Схожая тематика у экспериментов PF-1000 (Польша) и KPF-4 (Абхазия). В этих установках под влиянием электрического разряда образуется плазма, которая выбрасывается направленным пучком. В Курчатовском институте были получены узкоколлимированные струи, поперечные размеры которых оставались на уровне в несколько см при распространении на расстояния до 100 см., а скорость плазмы при этом превышала 100 км с-1. Была выявлена важная роль радиационного охлаждения, а также измерены параметры плазмы и распределение магнитных полей в струях. Возможно, эти данные помогут прояснить механизмы стабилизации струй, а благодаря наличию безразмерных параметров результаты экспериментов можно будет масштабировать и на астрофизические объекты. Источник: Int. J. of Mod. Phys. D 27 1844009 (2018)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#939   morozov » Чт окт 11, 2018 0:41

Еще точнее! Физики ЦЕРН зафиксировали новые свойства бозона Хиггса.
Наука
№ 36(2018)
Беляева Светлана
07.09.2018
Изображение
Еще одной важной вехой в изучении свойств хиггсовского бозона и его взаимодействий с частицами в рамках Стандартной модели стало недавнее наблюдение распада бозона Хиггса на пару b-кварков, сделанное физиками ЦЕРН. Соответствующая статья направлена в журнал Physical Review Letters.
Открытие бозона Хиггса, о котором было объявлено 4 июля 2012 года, дало старт экспериментальной программе, нацеленной на определение свойств этой неуловимой частицы. Доклад коллаборации CMS на семинаре в ЦЕРН стал очередным этапом в этой программе вслед за недавней публикацией в том же Physical Review Letters, в которой было объявлено о первом наб­людении ассоциированного рождения бозона Хиггса одновременно с самыми тяжелыми частицами Стандартной модели t-кварками.
Согласно Стандартной модели, бозон Хиггса способен взаимодействовать с фермионами с интенсивностью (константой) взаимодействия, пропорциональной их массе. Самым тяжелым фермионом, обладающим массой, меньшей половины массы бозона Хиггса, является b-кварк. Это означает, что бозон Хиггса может напрямую распадаться на пары b и анти-b кварков. Вероятность таких распадов зависит от квадрата константы связи. Именно этот распад был недавно обнаружен коллаборацией CMS, а также экспериментом ATLAS, который опубликовал аналогичные результаты.
Хотя прямой распад бозона Хиггса на b-кварки является наиболее частым из всех возможных распадов Хиггса, его наблюдение было сложной экспериментальной задачей. Это связано с наличием других доминирующих процессов Стандартной модели (называемых фоновыми), которые могут имитировать экспериментальный сигнал распада бозона Хиггса с образованием b и анти-b кварков. Чтобы найти необходимый сигнал, физикам пришлось отсеять огромное количество событий. По мнению специалистов, это получилось благодаря уникальным возможностям Большого адронного коллайдера (LHC), обеспечившим большой объем экспериментальных данных в 2016-м и 2017 годах.
“Изобретательность ученых CMS в разработке передовых инструментов анализа, включая методы машинного обучения, и то, как они сумели объединить вышеупомянутый экспериментальный сигнал с другими чувствительными к хиггсовской физике процессами, а также впечатляющие возможности детектора и внушительный объем доступных экспериментальных данных стали той совокупностью факторов, которая позволила нам достичь этого рубежа раньше, чем мы ожидали”, - заявил руководитель коллаборации CMS Джоэл Батлер.
Наблюдение распада бозона Хиггса на пару b-кварков в сочетании с более ранними измерениями констант связи бозона Хиггса с t-кварком и τ-лептоном позволило, таким образом, изучить его взаимодействия со всеми тремя самыми тяжелыми известными фермионами. Это дало возможность сделать еще один важный шаг вперед в физической программе, нацеленной на изучение характеристик бозона Хиггса и лучшего понимания его природы. И хотя интенсивность измеренных взаимодействий соответствует ожиданиям Стандартной модели, специалисты отмечают, что точность измерений по-прежнему оставляет пространство для обнаружения новой физики. Чтобы убедиться, позволяют ли данные по бозону Хиггса говорить о существовании физики за пределами Стандартной модели, необходимо увеличить точность измерений, что, как ожидается, произойдет в ближайшие годы, когда будет собрано значительно больше данных.

Светлана Беляева
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#940   morozov » Сб окт 13, 2018 8:57

Бактерицидная активность новых наноструктурных покрытий

Одним из важных способов борьбы с распространением инфекций является обеспечение противомикробных свойств различных поверхностей, и желательно без применения химических средств. Большую помощь в этом оказало изучение насекомых. Ученые обнаружили, что на крыльях стрекоз и цикад бактерии гибнут, и предположили, что причиной этого является специфическая наноструктура поверхности крыла. Действительно, оказалось, что синтетический материал “чёрный кремний” с похожей наноструктурой (длинные острые наностолбики) так же эффективно, как крылья стрекозы, уничтожает бактерии и даже споры с плотными оболочками (подробнее см. ПерсТ [1]). Гибель бактерий происходит вследствие механического повреждения клеточных мембран. Эти исследования открыли дорогу разработке различных антибактериальных покрытий. Так, при использовании имплантатов важно, чтобы на их поверхность из крови не попали бактерии, которые могут в дальнейшем образовать биопленку, препятствующую вживлению. Ученые из Chalmers Univ. of Technology (Швеция) показали, что методом PECVD на поверхности SiO2 и Au подложек можно вырастить вертикальный слой графеновых чешуек высотой 60-100 нм, который уничтожает все прикрепившиеся бактерии, но безопасен для клеток человека (рис. 1) [2]. Присутствия активных форм кислорода исследователи не обнаружили. Таким образом, и в этом случае происходит механическое разрушение бактерий. В планах авторов [2] нанесение покрытий на поверхность имплантата и испытания на животных.
Изображение

Рис. 1. Механическое повреждение бактерий вертикально ориентированными чешуйками графена. В центре – полностью уничтоженная клетка бактерии E. coli.

Такие покрытия имеют один недостаток – гибнут только бактерии, которые прикрепились к поверхности. Ученые из Inst. of Bioengineering and Nanotechnology (Сингапур) [3] сумели преодолеть это препятствие. Используя метод центрифугирования, они вырастили наностолбики оксида цинка, антибактериальные свойства которого хорошо известны, на подложках из стекла, керамики, титана и цинка (рис. 2). К своему удивлению, авторы исследований обнаружили, что бактерицидная активность полученных наноструктурных поверхностей зависит от подложки. При использовании цинковой фольги она была на несколько порядков выше.
Изображение


Рис. 2. SEM изображения наностолбиков ZnO на подложках из стекла (а),
титана (b, c) и цинковой фольги (d).
Эксперименты показали, что 96% различных бактерий, которые прикрепились к поверхности подложки любого типа, были уничтожены. Наностолбики разорвали их клеточные стенки. Однако в случае цинковой подложки погибли и те бактерии, которые не имели непосредственного контакта с поверхностью, и, соответственно, не были механически повреждены. Детальные исследования показали, что в системе ZnO/Zn происходит образование активной формы кислорода (супероксида-аниона) (рис. 3).
Изображение

Рис. 3. Образование активных форм кислорода для разных подложек, покрытых наностолбиками ZnO, а также
для цинковой фольги без покрытия.

Изображение

Рис. 4. Уничтожение бактерий в воде с помощью системы ZnO/цинковая фольга. В результате трехчасовой инкубации колонии бактерий исчезают.


Таким образом, сверхвысокая бактерицидная активность системы из наностолбиков ZnO на цинковой фольге обусловлена двойным действием – как механическим повреждением клеток, так и воздействием супероксида-аниона кислорода на бактерии, не имеющие непосредственного контакта с наностолбиками. Дополнительные эксперименты показали, что эта система работает в воде (как с поверхностно-активными веществами, так и без них), эффективно уничтожая присутствующие там бактерии E. coli (рис. 4).

Новый материал может найти различные практические применения, в том числе для дезинфекции воды.

О.Алексеева

1. ПерсТ 21, вып. 1/2, с.7 (2014).

2. S.Pandit et al., Adv. Mater. Interfaces 5, 1701331 (2018).

3. G.Yi et al., Small 14, 20170315 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#941   morozov » Чт окт 18, 2018 1:48

Двухслойный графен: чудеса на “магических углах”

Вскоре после открытия графена стало понятно, что две графеновые плоскости, наложенные одна на другую (двухслойный графен), - не менее интересный объект, чем графен однослойный. Количество посвящённых ему работ уже исчисляется тысячами. Чтобы понять, насколько обширна эта область, достаточно заглянуть в обзорную статью [1]. Например, стоит лишь повернуть слои графена друг относительно друга на небольшой угол, и сразу возникнет модулированная структура, напоминающая муаровый узор в некоторых тканях. При малых углах поворота элементарная ячейка такой муаровой сверхрешётки может быть очень велика (до нескольких сотен и более атомов) (рис. 1).
Изображение
Рис. 1. Образование муаровой сверхструктуры при относительном повороте двух графеновых плоскостей:
a - увеличение элементарной ячейки; b - схематическое изображение муаровой сверхструктуры [4].

Существенный шаг в изучении такого повёрнутого двухслойного графена был сделан в работах [2, 3]. Авторам этих работ удалось разработать технологию изготовления образцов, при которой угол поворота слоёв можно контролировать с точностью до десятых градуса. Двухслойку помещали в конструкцию, позволявшую управлять концентрацией носителей тока с помощью напряжения на затворе (см. рис. 2).

Изображение

Рис. 2. Схематическое изображение образца,
использованного при изучении повёрнутого
двухслойного графена. [2].


Исследователей интересовали предсказанные ранее теоретиками “магические углы” поворота. При магическом угле кинетическая энергия электронов вблизи точек Дирака сравнивается с энергией межслоевой гибридизации. В результате фермиевская скорость падает практически до нуля, и на месте точки Дирака возникает плоская (почти бездисперсионная) зона с высокой плотностью электронных состояний и большой эффективной массой носителей тока (см. рис. 3).

Изображение

Рис. 3. Образование плоской зоны в двухслойном графене
при повороте на магический угол [2].

Зонные расчёты показывают, что первый такой магический угол равен примерно 1.1°. Авторы работ [2, 3] изготовили несколько образцов с углами поворота близкими к этой величине и провели их многостороннее исследование. Прежде всего, они сосредоточились на эффектах, связанных с плоскими зонами. Действительно, если зона очень узкая, то уже при сравнительно небольшом кулоновском отталкивании электронов на одном узле решётки мы имеем дело с пределом сильных электронных корреляций. Тогда даже при половинном заполнении зоны проводимости (один электрон на узел) в спектре элементарных возбуждений возникает щель, поскольку нахождение двух электронов на одном узле крайне невыгодно из-за их сильного кулоновского отталкивания. Такое состояние со щелью называется моттовским диэлектриком, и оно действительно наблюдалось при магических углах. При изменении с помощью затвора эффективного числа носителей тока щель в спектре проявляется не только для полностью заполненных минизон (возникающих за счёт муаровой сверхрешётки), но и для наполовину заполненных, что представляет собой явное проявление состояния моттовского диэлектрика. При этом в повёрнутом двухслойном графене это состояние не имеет признаков какого-либо магнитного упорядочения, в отличие от купратов, где оно антиферромагнитно. Но, что самое любопытное - при отклонении от половинного заполнения в ту или иную сторону повёрнутый на магический угол графен становится сверхпроводником. Максимальная температура сверхпроводящего перехода Tc, наблюдавшаяся в [3] равна 1.7 К. Вроде бы она невелика, но и носителей тока в минизоне немного.

Поэтому отношение Tc к энергии Ферми оказывается выше, чем в купратах, что свидетельствует об относительной прочности сверхпроводящего спаривания. Таким образом, на фазовой диаграмме по обе стороны от моттовского диэлектрика мы имеем два сверхпроводящих “купола” (см. рис. 4).

Изображение

Рис. 4. Фазовая диаграмма на плоскости температура-заполнение минизоны
с двумя сверхпроводящими “куполами” вокруг состояния моттовского диэлектрика. [3]


Эти результаты вызвали немедленную реакцию теоретиков (см, например, [4, 5, 6]). Утверждается даже, что работа [3] является провозвестником эры углеродной сверхпроводимости. Поживём, увидим.


1. A.V.Rozhkov et al., Phys. Reports 648, 1 (2016).
2. Y.Cao et al., Nature 556, 43 (2018).
3. Y.Cao et al., Nature 556, 80 (2018).
4. E.J.Mele, Nature 556, 37 (2018).
5. G.E.Volovik, Письма в ЖЭТФ 107, 537 (2018).
6. В.Ю.Ирхин, Ю.Н.Скрябин, Письма в ЖЭТФ 107, 684 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#942   morozov » Ср окт 24, 2018 22:46

На пути к магнонной стрейнтронике

Интегральные схемы, в которых переносчиком информации служат не электроны, а элементарные спиновые возбуждения – магноны, рассматриваются как перспективная альтернатива не только по отношению к традиционной полупроводниковой электронике, но и ее магнитному конкуренту – спинтронике. Однако методы управления магнонными модами, основанные на использовании громоздких катушек-соленоидов, нивелируют основные достоинства магноники и спинтроники – низкое энергопотребление и быстродействие. Поэтому не прекращаются попытки реализовать в этих областях методы управления с помощью электрического затвора, подобных тем, что используются в полевых транзисторах. Применительно к магнонике это удалось сделать ученым из ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН и Саратовского государственного университета. Они использовали гетероструктуру из эпитаксиальной пленки железо-иттриевого граната Y3Fe5O12 (ЖИГ) и затвора из хромовых электродов с пьезоэлектрическим слоем между ними (рис. 1а).
Изображение
Изображение
Рис.1. Перестраиваемая система магнонных волноводов [1]:
а - схематический вид устройства (полосковые линии S1-S3 представляют собой 10-микронные слои ЖИГ,
Cr – хромовые электроды, PZT – управляющий деформациями пьезолектрический слой из цирконата-титаната свинца.
P0 – терагерцовое излучение, поступающее на возбуждающую антенну, P1-P3 – отклики системы,
GGG – гадолиний-галлиевый гранат, GND – заземление; на вставках: в левом верхнем углу микрофотография полосковых линий,
в правом нижнем углу – распределение электрического поля между электродами;

б - распространение спиновых возбуждений вдоль полосковых линий, в
изуализированное методом мандельштам-бриллюэновской спектроскопии (BLS) (слева);
аналогичная картина, рассчитанная с помощью программного пакета COMSOL Multiphysics (справа).

Подача напряжения на электроды приводит к деформации слоя из пьезоэлектрика, которая передается лежащим ниже полосковым линиям из ЖИГ, изменяя за счет эффекта Виллари эффективные магнитные поля, определяющие условия распространения магнонных возбуждений (такой подход называют “стрейнтронным”, от англ. strain – деформация [2]). Картина распространения спиновых волн, полученная с помощью оптической методики мандельштам-бриллюэновской спектроскопии, приведена на рис. 1б. Видно, что распространение магнонных мод в нижней полосковой линии, подверженной действию электрического поля, подавлено. Снятие напряжения приводит к восстановлению картины распространения волн. При этом, за счет магнитного диполь-дипольного взаимодействия изменения в одной из линий влияют на распространение спиновых волн в соседних, что и позволяет производить логические операции в таком устройстве.

А. Пятаков

1. A.V.Sadovnikov et al., Phys. Rev. Lett. 120, 257203 (2018).

2. ПерсТ 24, вып.13/16, с. 4 (2017).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#943   morozov » Вт окт 30, 2018 23:48

Наночастицы доставляют питательные вещества в сельскохозяйственные растения

Быстрый рост населения Земли требует применения эффективных технологий, которые смогут обеспечить рост сельскохозяйственной продукции без ущерба для экологии. Исследователи возлагают большие надежды на наноматериалы, которые могут быть использованы как в виде добавок или активных компонентов, так и как средства защиты растений или удобрения. Как правило, речь идёт об углеродных нанотрубках, полимерах, наночастицах металлов и оксидов металлов (Ag, TiO2), силикагелях и др. (подробнее см. ПерсТ [1]). Израильские учёные недавно предложили новый способ снабжения растений питательными веществами [2]. Точнее, они решили использовать подход, применяемый в медицине – целевую доставку нужных препаратов с помощью наноносителей – липосом*. Авторы [2] синтезировали липосомы диаметром 100 нм, используя фракцию фосфолипидов соевых растений (чтобы снизить возможные негативные отклики на чужеродные, нерастительные материалы). Сначала исследователи изучили, куда проникают липосомы при использовании стандартного метода подкормки путем опрыскивания листвы. Для этого в липосомы внедрили флуоресцентный краситель. Как показали результаты конфокальной микроскопии, липосомы проникают в опрыскиваемый листок томата черри, затем проникают в другие листья, и уже через 24 ч начинают появляться в клетках корней. Через 96 ч липосомы разрушаются и выделяют содержимое (рис. 1).
Изображение
Рис. 1. Липосомы с флуоресцентным красителем (зеленый цвет) через листья проникают в корни томата черри.
В течение 72 ч после опрыскивания листа частицы аккумулируются в клетках корня. Через 96 ч ли-посомы разрушаются и выделяют содержимое.
Учёные предполагают, что липосомы проникают через поры, находящиеся на нижнем или верхнем слое листа растения (через эти поры происходит испарение воды и газообмен с окружающей средой). Разрушение липосомальной мембраны в корнях происходит под действием внутренних факторов (например, из-за присутствия фермента липазы).

Количественная оценка, проведенная при опрыскивании листьев липосомами с внедренной меткой (европием), показала, что около 33% вещества проникает в растение, в то время как без липосом – всего 1%.
Изображение

Рис. 2. Растения томатов, выращенные в бедной почве.
Заметны признаки дефицита железа и магния
– искривление и пожелтение листьев.
Затем авторы [2] перешли к экспериментам по доставке питательных веществ. Сеянцы томатов черри вырастили на почве с дефицитом железа и магния (рис. 2). Через 4 недели, когда у растений появилось пять листьев, кончик пятого листа обработали стандартным питательным раствором, содержащим соединения Fe и Mg, и липосомами с внедренными аналогичными соединениями. Результаты обработки представлены на рис. 3. На 14-й день после опрыскивания вид растений, получивших питательные вещества в липосомах, значительно улучшился, прошло пожелтение и искривление (в отличие от растений, получивших питательные вещества без липосом.
Изображение
Рис. 3. Растения томатов, выращенные на бедной почве, через 14 дней после обработки соответствующим раствором
питательных веществ (20 мкл). Опрыскивали кончик пятого листа. Слева – контрольный образец без обработки.
Исследователи экспериментально продемонстрировали, что используемые ими липосомы стабильны только на расстоянии до 2 метров от места опрыскивания. При дальнейшем перемещении в воздухе липосомы распадаются на фосфолипиды, безопасные для окружающей среды. Авторы [2] надеются, что их разработка позволит увеличить урожайность сельскохозяйственных культур.

О.Алексеева

________________

* Липосомы – искусственно создаваемые “пузырьки” с липидными оболочками, внутри которых находится вода или раствор с нужными компонентами. По химическому составу они сходны с природными мембранами клеток. Липосомы впервые были обнаружены в 1965 г. при механическом диспергировании взвеси набухших фософолипидов в воде.

1. ПерсТ 20, вып. 1/2, с.4 (2013).

2. A.Karny et al., Sci. Reports 8, 7589 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#944   morozov » Ср окт 31, 2018 19:25

Измерение состояний кубитов
1 ноября 2018

R. McDermott (Висконсинский университет в Мэдисоне, США) и его коллеги продемонстрировали новый метод измерения состояний сверхпроводящего кубита. В их эксперименте помимо резонансной полости самого кубита использовался дополнительный резонатор, настроенный на частоту возбуждённого состояния кубита. Это позволило с помощью микроволнового фотонного счётчика легко различать основное и возбуждённое состояния. Квантовая точность (fidelity) нового метода достигает 92 %. По своим возможностям он превосходит обычно используемые для этих целей гетеродинные измерения. Областью применения могут стать алгоритмы исправления ошибок, а также интерфейсы между квантовыми и классическими системами. Другой метод измерений продемонстрировали М.Д. Лукин (Гарвардский университет, США) и его коллеги. В их эксперименте изучались два SiV-центра (кремниевые вакансии), помещённые в нанофотонную полость и когерентно взаимодействующие друг с другом посредством её электромагнитных мод. При этом качество взаимодействия между SiV-центрами улучшено примерно на порядок по сравнению с тем, что было достигнуто в других исследованиях подобного рода. Управление спиновыми состояниями SiV-центров осуществлялось с помощью магнитного поля и радиоимпульсов, и измерялась спектральная передаточная функция, по которой определялись состояния системы. Источники: Science 361 1239 (2018), Science, онлайн-публикация от 20 сентября 2018 г.

Вихревые пары в ферромагнитном сверхпроводнике
1 ноября 2018

Группой российских исследователей из МФТИ, ИФТТ, МИСИСа, МГУ и КФУ, а также их коллег из Японии, Франции, Китая и Великобритании исследовано соединение EuFe2(As0.79P0.21)2, в котором при температуре ниже 19 К сосуществуют сверхпроводимость и ферромагнетизм. Обычно ферромагнетизм разрушает сверхпроводимость, однако здесь этого не происходит из-за слабого обменного поля, создаваемого подсистемой атомов Eu. С помощью магнитного силового микроскопа было построено 3D распределение магнитных полей у поверхности образца при различных температурах. Ниже точки Кюри обнаружена новая фаза — домены Мейснера, которая возникает из-за экранирования магнитной подсистемы Eu. При понижении температуры ниже 17 К эта фаза трансформируется в «вихревые домены» посредством фазового перехода 1-го рода. При этом переходе в доменах Мейснера спонтанно генерируются абрикосовские пары вихрей и антивихрей, а размеры доменов увеличиваются. В.С. Столяров и соавторы разработали количественную теорию, успешно объясняющую эти явления. Источник: Science Advances 4 eaat1061 (2018)

Неустойчивость Померанчука в ферми-жидкостях
1 ноября 2018

В настоящее время известно несколько веществ с электронным нематическим порядком, при котором спонтанно нарушена вращательная симметрия. Понимание некоторых важных особенностей нематического порядка связано с эффектом неустойчивости Померанчука. K. Lee (Университет штата Огайо, США) и соавторы, вычислили параметры Fl сложной ферми-жидкости. В их работе рассмотрен случай с полузаполненными уровнями Ландау, когда нематический порядок граничит с неабелевым квантовым состоянием Холла. Численно найдены Fl для трёх низших уровней Ландау n=0, 1 и 2. Расчёты велись методом Монте Карло с обрезанием кулоновского потенциала на малом масштабе и с волновой функцией, определенной на торе. Для n=0 неустойчивости Померанчука не обнаружено. Для n=1 и 2 результаты вычислений показали неустойчивость Померанчука в нематическом (l=2) канале для широкого диапазона величин параметра обрезания. Полученный теоретический результат является первой явной демонстрацией того, что нематическая неустойчивость Померанчука может быть ответственна за нематические квантовые состояния Холла с изотропным экранированием кулоновских взаимодействий. Источник: Phys. Rev. Lett. 121 147601 (2018)

Запись информации на единичном атоме
1 ноября 2018

Исследователи из Университет Неймегена (Нидерланды) продемонстрировали новый магнитный механизм хранения информации на единичном атоме кобальта, помещенном на поверхность черного фосфора. Наблюдение атома и управление его состояниями осуществлялось с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Обнаружено, что атом имеет устойчивые состояния на различных расстояниях от поверхности. Расчёт, выполненный методом функционала плотности, показал, что переход от одного состояния к другому связан с перераспределением населенностей 3s- и 3d-орбиталей, и при этом большую роль играет магнитная анизотропия. Наличие высокого энергетического барьера между состояниями делает их применимыми для записи информации. Ранее уже выполнялась запись информации на спиновом состоянии отдельного атома, и было достигнуто большое время её хранения, однако оставалась проблема флуктуаций при спин-чувствительном методе считывании данных. В случае атома кобальта все манипуляции производились электрическим полем без необходимости в спин-чувствительных измерениях. Эксперимент выполнялся при температуре поверхности 4,4 К, но есть надежда, что в будущем этот метод удастся реализовать и при комнатной температуре. Источник: Nature Communications 9 3904 (2018)

Новое ограничение на первичные чёрные дыры
1 ноября 2018

Возможность образования в ранней Вселенной первичных чёрных дыр (ПЧД) была предсказана Я.Б. Зельдовичем и И.Д. Новиковым в 1967 г. (О ПЧД см. в обзорах УФН145 369 (1985) и УФН 188 121 (2018)). Гравитационно-волновые сигналы от слияний чёрных дыр, зарегистрированные детекторами LIGO/Virgo, вызвали дополнительный интерес к модели ПЧД, т.к. ПЧД наряду с чёрными дырами звёздного происхождения могли бы объяснить эти сигналы. В частности, вновь был поставлен вопрос о том, не может ли вся тёмная материя состоять из ПЧД? Исследователи из Калифорнийского университета M. Zumalacarregui и U. Seljak выполнили поиск гравитационного линзирования света далёких сверхновых чёрными дырами, случайно оказавшимися на луче зрения. ПЧД своим гравитационным полем сфокусировала бы свет, создав характерные особенности в профиле вспышки сверхновой. После обработки данных по 740 сверхновым типа Ia из отсутствия признаков линзирования получено, что ПЧД с массами ≥0,01M☉ составляют не более ≈ 37 % от всей тёмной материи. Таким образом, преобладающая часть тёмной материи должна состоять из чего-то иного, т.к. количество ПЧД с массами <0,01M☉ ограничено другими эффектами. В качестве одного из наиболее вероятных кандидатов на роль тёмной материи сейчас рассматриваются новые, не зарегистрированные пока в детекторах элементарные частицы. Источник: Phys. Rev. Lett. 121 141101 (2018)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 30935
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#945   morozov » Пт ноя 02, 2018 12:37

Новая эра высокоэнергетических кристаллов

Материалы на основе молекул CL-20 являются, наверное, наиболее перспективными современными высокоэнергетическими соединениями (high-energy-density material), способными выступить в качестве энергоносителей следующего поколения. Изолированная молекула CL-20 (см. рис.) образована напряженным углерод-азотным каркасом, построенным из одного шестичленного и двух пятичленных колец, с шестью присоединенными к нему группами NO2, при этом отдельные CL-20 могут формировать различные кристаллические формы, отличающиеся типом упаковки и взаимной ориентацией нитрогрупп. К сожалению, высокая стоимость синтеза и проблема чистоты получаемых образцов пока препятствуют их широкому распространению. Кроме того, все эти кристаллы относятся к классу так называемых ван-дер-ваальсовых твердых тел, поэтому в настоящее время на научном фронте идет борьба за устранение характерных для этих материалов недостатков, таких как неудовлетворительная кинетическая устойчивость и сравнительно низкая плотность, без ущерба для энергоэффективности. В настоящее время наиболее действенным способом считается сокристаллизация. Сокристаллизация – это процесс объединения двух или более соединений вместе для создания кристалла, который по своим уникальным свойствам отличается от обыкновенной смеси прекурсоров. Некоторые сокристаллы, содержащие CL-20 и другие высокоэнергетические элементы, уже успешно синтезированы, однако они также принадлежат к ван-дер-ваальсовым системам. Исследователи из Национального исследовательского ядерного университета “МИФИ” с помощью компьютерного моделирования предложили несколько иной подход [1]. На примере низкоразмерных (квазиодномерных и квазидвумерных) систем они показали, что с помощью молекулярных мостиков CH2 фрагменты CL-20 способны образовывать ковалентные массивы. Авторы убедились в универсальности мостиков CH2, сконструировав олигомеры CL-20 различной мерности, включая простые и двойные цепочки, а также слои (см. рис.).
Изображение
Общий вид ковалентных систем на основе CL-20:
а - простая цепочка, б - двойная цепочка, в - изолированная молекула CL-20 и
г - молекулярный мостик CH2, с помощью которых построены низкоразмерные
ковалентные комплексы.
К слову, последние могут быть как линейными, так и типа зигзаг. В рамках теории функционала плотности на уровне теории PBE0/6-311G(d,p) авторы подтвердили, что ковалентные системы CL-20 становятся более термодинамически устойчивыми по мере увеличения их эффективных размеров и мерности. Таким образом, перспективы создания объемных ковалентных кристаллов как линейными, так и зигзагообразными выглядят достаточно оптимистично. При этом ковалентное связывание способно обеспечить более плотную упаковку отдельных фрагментов CL-20 в твердом теле, что благоприятно скажется не только на энергоэффективности этих соединений, но и повысит их кинетическую стабильность. Помимо расчета геометрии и энергетических характеристик ковалентных комплексов на основе CL-20 авторы получили их электронные свойства, а также вычислили некоторые индексы реакционной способности: химический потенциал, химические твердость и мягкость, электроотрицательность, электрофильность и др. Так, из анализа поведения HOMO-LUMO щели следует, что рост эффективных размеров ковалентных систем CL-20 приводит к ее уменьшению, что позволяет отнести макроскопические низкоразмерные структуры к узкозонным полупроводникам. По мнению авторов, процесс создания ковалентных кристаллов (не только CL-20) с помощью правильного подбора молекулярных мостиков может стать следующим шагом в инженерии высокоэнергетических кристаллических форм, стимулировать развитие соответствующих технологических процессов и открыть, в конечном итоге, новую эру функциональных наноматериалов для энергетики.

М.Маслов

1. M.A.Gimaldinova et al., Cryst. Eng. Comm. 20, 4336 (2018).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»