Информация свежая... и не очень

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#991   morozov »

Симметрии квантовой гравитации
1 августа 2019
История построения квантовой гравитации начинается с работ М.П. Бронштейна, выполненных им в 1930-е годы в Ленинградском физико-техническом институте, сейчас — ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Полная теория квантовой гравитации пока не создана из-за принципиальных теоретических трудностей. О квантовой гравитации и нерешённых в этой области проблемах см. в статье Г.Е. Горелика в УФН 175 1093 (2005). Тем не менее, идут активные поиски новых подходов к созданию теории квантовой гравитации. В 1957 г. в работе Ч. Мизнера и Дж. Уилера были сформулированы ряд условий, которым должна удовлетворять эта теория. D. Harlow (Массачусетский технологический институт, США) и H. Ooguri (Калифорнийский технологический институт, США и Токийский университет, Япония) показали, как эти условия можно реализовать в модели AdS/CFT соответствия, являющейся примером принципа квантовой голографии. AdS/CFT даёт связь между теорией квантовой гравитации в пространстве анти-де Ситтера и конформной теорией поля на ограничивающей его поверхности. D. Harlow и H. Ooguri показали, что для непротиворечивости в теории должны отсутствовать глобальные симметрии, а внутренние калибровочные группы должны быть компактными. Источник: Phys. Rev. Lett. 122 191601 (2019)

Ограничения на квантовые корреляции
1 августа 2019
Наряду с ограничениями на максимальную скорость распространения квантовой информации (предел Либа – Робинсона), существует ограничение на корреляции двух наборов квантовых измерений, выполненных внутри и вне некоторой области пространства. Величина корреляций зависит от площади 2-мерной поверхности, ограничивающей указанную область (закон площадей). Исследователи из Венского университета и Института квантовой оптики и квантовой информации (Австрия) I. Kull, P. Allard Guerin и C. Brukner в своей теоретической работе обобщили закон площадей на случай 4-мерных областей пространства-времени. В качестве модельной системы был рассмотрен конечный массив из спинов, каждый с ограниченным масштабом и величиной воздействия на соседние спины, и рассмотрено распространение в такой системе взаимной квантовой информации в процессе измерений, выполняемых наблюдателями в течение ограниченного времени. Один из наблюдателей производит измерения внутри некоторой области, а второй — снаружи. Получено, что максимальная величина взаимной информации, которая характеризует квантовые корреляции, пропорциональна площади 3-мерной гиперповерхности, ограничивающей внутреннюю 4-мерную область. Новые соотношения могут давать связь между квантовой информацией и геометрией пространства времени, что важно для построения теории квантовой гравитации. Источник: npj Quantum Information 5 48 (2019)

Квантовое запутывание фотона и спиновой волны в твёрдом теле
1 августа 2019
Квантовое запутывание света и вещества представляет большой интерес для передачи квантовой информации. Ранее уже было получено запутывание между фотонами и спиновыми возбуждениями в ультрахолодных газах. K. Kutluer (Барселонский институт науки и технологий, Испания) и соавторы в своем эксперименте продемонстрировали прямое запутывание по времени между единичным фотоном и единичным коллективным спиновым возбуждением в ансамбле ионов редкоземельного элемента празеодима Pr3+, внедрённых в кристалл Y2SiO5. Эксперимент выполнялся при температуре 3,5 K. Анализ квантового состояния производился путём отображения спинового возбуждения на фотонный кубит с помощью частотной гребенки и кубита-анализатора, реализованного на втором кристалле. Наличие запутывания подтверждено по нарушению неравенств Белла на уровне двух стандартных отклонений. Такая точность делает устройство пригодным, например, для создания квантовых репитеров. Источник: Phys. Rev. Lett. 123 030501 (2019)

Трёхмерная квантовая спиновая жидкость
1 августа 2019
Квантовой спиновой жидкостью называется такое состояние вещества, в котором взаимодействующие спины его атомов остаются неупорядоченными даже при приближении к абсолютному нулю температуры. Ранее уже были получены свидетельства существования двумерной квантовой спиновой жидкости в некоторых материалах. Теоретически предсказывалось, что в пирохлоре Ce2Zr2O7 возможно наличие трёхмерной квантовой спиновой жидкости в решётке ионов Ce3+, однако существующие экспериментальные данные не могли достоверно это подтвердить из-за отсутствия больших кристаллов. B. Gao (Университет Райса, США) и соавторы сумели вырастить кристалл Ce2Zr2O7 достаточно большого размера и пришли к выводу о возможном наличии в кристалле 3D квантовой спиновой жидкости. Исследование теплоемкости кристалла показало отсутствие фазовых переходов вплоть до 50 мК, по измерениям времени релаксации мюонных спинов подтверждено отсутствие дальнего порядка при охлаждении до 20 мК, а метод рентгеновской дифракции исключил наличие большого числа дефектов. Наконец, неупругое нейтронное рассеяние на единичном кристалле Ce2Zr2O7 выявило континуум спиновых возбуждений вплоть до температуры 35 мК. Всё это с высокой вероятностью свидетельствует о наличии трёхмерной квантовой спиновой жидкости. Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 15 июля 2019 г.

Парадокс Клейна в SmB6
1 августа 2019
В 1929 г. О. Клейн обнаружил, что потенциальные барьеры могут быть прозрачны для электронов, даже если высота барьера превышает энергию частицы. В интерпретации А.И. Никишова (ЖЭТФ 57 1210 (1969)) «парадокса Клейна» объясняется рождением одной из частиц пары частица-античастица за барьером. Электронно-дырочные возбуждения в графене и в топологических изоляторах эффективно описываются уравнением Дирака для безмассовых частиц, что дает возможность наблюдения туннелирования Клейна при малых энергиях, и этот эффект действительно наблюдался в графеновых гетероструктурах. S. Lee (Мэрилендский университет в Колледж-Парке, США) и соавторы сообщили о первом наблюдении идеального туннелирования в топологическом изоляторе. Изучалась граница между нормальным металлом и топологическим изолятором SmB6, в котором посредством прилегающего слоя YB6 была наведена сверхпроводимость. Электронная спектроскопия показала удвоение величины проводимости, что свидетельствовало об идеальном туннелировании электронов из нормального металла в сверхпроводник. Теоретически это явление объясняется идеальным адреевским отражением (А.Ф. Андреев, ЖЭТФ 46 1823 (1964)): электроны не могли отражаться обратно из-за спин-имульсной блокировки в топологическом изоляторе. Эффект туннелирования Клейна может найти практические применения в создании новых спинтронных устройств. Источник: Nature 570 344 (2019)

Взаимодействие Дзялошинского – Мории в гетероструктурах
1 августа 2019
Взаимодействие Дзялошинского – Мории представляет собой обменное взаимодействие через промежуточные немагнитные атомы посредством спин-орбитальных связей. Е.Ю. Ведмеденко (Гамбургский университет, Германия) и соавторы в своей теоретической работе исследовали взаимодействие Дзялошинского – Мории в гетероструктурах, состоящих из двух ферромагнетиков, разделенных немагнитной прослойкой, и показали, что оно имеет заметную величину и приводит к формированию глобальной киральной структуры между слоями в трех пространственных измерениях. Вычисления производились как аналитически, так и численно методом Монте – Карло. При этом ферромагнетики моделировались монослоем спинов. Полученный результат открывает новые перспективы для применения магнитной киральности в гетероструктурах. Исследование гетероструктур активно ведется, в частности, в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, где был получен ряд фундаментальных результатов. О двойных гетероструктурах см. в УФН 108 598 (1972), УФН 172 1068 (2002) и УФН 188 1249 (2018). Источник: Phys. Rev. Lett. 122 257202 (2019)

Органический лазерный диод с прямой электрической накачкой
1 августа 2019
Ранее уже были созданы лазеры на основе органических диодов, но накачка в них осуществлялась оптическим излучением. Электрическую накачку получить не удавалось из-за больших оптических и поляронных потерь. В Университете Кюсю (Япония) впервые создан лазер на основе органического диода с прямой электрической накачкой. Применялась тонкая плёнка органического соединения 4,4'-bis[(N-карбазол)стирил]бифенил, имеющего низкий порог лазерной генерации. На плёнку был нанесён катод из ванадия, позволяющий эффективно инжектировать ток. Частота лазерной генерации в синей области спектра отделена от области триплетного и поляронного поглощения, что способствует уменьшению потерь. Фундаментальный вклад в науку о лазерах, в том числе, создание лазеров на двойных гетероструктурах, был сделан Ж.И. Алферовым и его коллегами в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе АН СССР. Источник: Applied Physics Express 12 061010 (2019)

Катодолюминесцентная лампа
1 августа 2019
В последнее время лидирующие позиции в освещении заняли светодиодные лампы. Они имеют неоспоримые достоинства по экономичности, долговечности и экологической безопасности, однако при их производстве применяются редкие вещества, поставки которых по тем или иным причинам могут оказаться затруднены, например, галлий и индий. В качестве альтернативы светодиодным рассматриваются катодолюминесцентные лампы. Примером катодолюминесценции является свечение экранов электронно-лучевых трубок в телевизорах. Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) и ФИАНа им. П.Н. Лебедева разработали новый тип катодолюминесцентной лампы с катодом на основе пучка углеродных волокон. В лампу встроен преобразователь переменного тока в высоковольтное постоянное напряжение, под действием которого с окончаний волокон в процессе автоэлектронной эмиссии вылетают электроны. Лампа, созданная Е.П. Шешиным и соавторами, имеет триодную схему с модулятором, управляющим током анода. Анодом служит напыление из алюминия. Электроны ударяют в люминофор (Y2O2S:Tb или др.), вызывая его свечение. Световая отдача лампы составляет 30-40 лм Вт-1. В отличие от светодиодных ламп, катодолюминесцентные лампы можно производить из распространенных веществ, и они устойчиво работают при температурах от -50°C до 100°C. Опытный образец c потребляемой мощностью 5,5 Вт имеет стандартный цоколь E27 и уже может применяться для освещения в быту. О катодолюминесцентных источниках света см. в обзоре УФН 185 853 (2015). Источник: Journal of Vacuum Science & Technology B 37 031213 (2019)

Эргозвёзды
1 августа 2019
Возможность существования нейтронных звезд была предсказана Л.Д. Ландау в феврале 1931 г. — в период между его учебой в аспирантуре Ленинградского ФТИ и работой в ЛФТИ — еще до открытия нейтрона (см. УФН 183 307 (2013)). Нейтронные звезды были обнаружены в астрономических наблюдениях как пульсары в 1967 г. Вычисления в рамках Общей теории относительности (ОТО) показывали, что у вращающихся тел, таких как нейтронные звезды, может существовать эргообласть — область пространства, в которой все объекты неминуемо вовлекаются во вращение, — даже без образования горизонта событий чёрной дыры. Однако оставалось неизвестно, являются ли объекты с эргообластью динамически устойчивыми, или же, образовавшись, они быстро коллапсируют в чёрные дыры из-за роста возмущений. A. Tsokaros (Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне, США) и соавторы выполнили численный расчёт и впервые построили динамически устойчивые модели нейтронных звезд, имеющих эргообласть. Выбирались реалистичные уравнения состояние вещества нейтронной звезды и проводились общерелятивистские расчёты без упрощающих предположений. Были найдены классы моделей, в которых имелась эргообласть, но отсутствовал горизонт событий, и которые оставались динамически устойчивыми в течение 30 периодов вращения объекта вокруг своей оси — до окончания численного счёта. Обнаруженные теоретически устойчивые объекты нового типа названы эргозвёздами (ergostars). Такие объекты могут образовываться в процессе слияния двух нейтронных звёзд, причем эргообласть может играть важную роль в быстром формировании релятивистских струй (джетов) вдоль оси вращения. Об актуальных проблемах физики нейтронных звезд см. в обзоре УФН 180 1279 (2010). Источник: arXiv:1907.03765 [gr-qc]

Гравитационные волны и проверка ОТО
1 августа 2019
В 2017 г. гравитационно-волновыми интерферометрами LIGO и Virgo был зарегистрирован всплеск гравитационных волн GW170817, который произведен слиянием двух нейтронных звёзд. Одновременно наблюдались электромагнитные сигналы, включая всплеск гамма-излучения GRB 170817A (о космических гамма-всплесках см. в обзоре Р.Л. Аптекаря (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) и соавторов в УФН 189 785 (2019). Мультиволновое наблюдение позволило выполнить проверку ОТО и ограничить по параметрам ряд альтернативных теорий гравитации. Коллаборация LIGO/Virgo представила новые ограничения в неисследованных ранее областях параметров. Первый класс ограничений касается генерации гравитационных волн. Получены ограничения на возможный вклад дипольного излучения в режиме сильного поля и на поправки к пост-ньютоновскому приближению. Второй класс ограничений связан с распространением волн. Получены ограничения на поправки в дисперсионном соотношении, которые могли бы быть обусловлены ненулевой массой гравитона. Также были ограничены параметры теорий с большими дополнительными измерениями. В таких теориях гравитоны должны вылетать в дополнительное пространство, что ослабило бы сигнал. Кроме того, показано, что гравитационная волна с высокой точностью имеет только две тензорные моды поляризации. Источник: Phys. Rev. Lett. 123 011102 (2019)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#992   morozov »

Квантовая стрела времени
1 сентября 2019

Несмотря на то, что уравнение Шрёдингера обратимо по времени, измерения делают квантовые процессы необратимыми, и пока в квантовой теории не удаётся объяснить эту необратимость исчерпывающим образом. Одним из подходов является введение квантовой энтропии. K.W. Murch (Институт материаловедения и инженерии и Университет Вашингтона в Сент-Луисе, США) и его коллеги выполнили эксперимент, в котором показано существование квантовой стрелы времени для открытой системы, испытывающей обратное влияние процесса измерений. Система представляла собой сверхпроводящий трансмонный кубит, связанный с электромагнитной модой в микроволновом волноводе. Квантовые состояния кубита измерялись по сдвигу фазы отражённого сигнала, а импульс с противоположным сдвигом фазы приводил к обратной эволюции состояния кубита. Серия последовательных измерений задавала квантовую траекторию кубита. Были измерены 280 тыс. квантовых траекторий, и вычислена энтропия, связанная с вероятностью траекторий. Это позволило охарактеризовать стрелу времени как направление наиболее вероятных процессов, а именно, преобладание прямых траекторий над обратными. С увеличением продолжительности цепочки измерений необратимость (преобладание прямых траекторий) нарастала, что также подтверждало наличие квантовой стрелы времени. О классической и квантовой необратимости см. в книге Б.Б. Кадомцева «Динамика и информация», а также в его статьях и обзорах в УФН 173 1221 (2003), УФН 166 651 (1996), УФН 165 967 (1995), УФН 164 449 (1994). Источник: Phys. Rev. Lett. 123 020502 (2019)

Телепортация кутрита
1 сентября 2019

К настоящему времени выполнено множество экспериментов по квантовой телепортации состояний частиц без перемещения их самих. Однако эксперименты были выполнены лишь с двумерными подпространствами квантованных уровней, представляемых кубитами. Y.-H. Luo (Научно-технический университет Китая и Центр передового опыта в области квантовой информации и квантовой физики, Китай) и соавторы предложили схему телепортации фотонных квантовых состояний любой размерности и продемонстрировали её в эксперименте на примере телепортации кутрита, соответствующего трёхмерному подпространству. В этой схеме отправитель и получатель сначала обмениваются фотонами в трёхмерном запутанном состоянии. Затем отправитель производит измерения, создавая интерференцию между ранее распределённым состоянием фотонов, состоянием телепортируемого и вспомогательного фотонов. Получателю направляется информация о результатах измерений по классическому каналу, и он, выполнив унитарное преобразование над своей частью запутанного состояния, воспроизводит телепортируемое квантовое состояние. В эксперименте запутанные по траекториям трёхмерные состояния фотонных пар получались с помощью лазеров, сплиттеров и нелинейных кристаллов. Была достигнута квантовая точность 0,75 и подтверждено наличие трёхмерной телепортации. Телепортация с большими размерностями более устойчива к шумам в линии передачи по сравнению с кубитной связью. Источник: Phys. Rev. Lett. 123 070505 (2019)

Высокоселективный полосовой фильтр
1 сентября 2019

Микроволновые полосовые фильтры находят широкое применение в средствах связи, радиоизмерениях и в других областях радиоэлектроники. Полосовые фильтры непрерывно совершенствуются. Одним из направлений является разработка эффективных фильтров на основе проводящих полосок с различной конфигурацией. Исследователи из Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН и Сибирского федерального университета (г. Красноярск) сконструировали фильтр с уникальными характеристиками и продемонстрировали его работу. Фильтр смонтирован на диэлектрической подложке. На одной стороне подложки помещается ленточный проводник с заглушкой, а на другой стороне — ленточные проводники, соединенные с экраном. В формировании узкой полосы пропускания участвуют две из трёх первых резонансных мод, а третья мода формирует минимум коэффициента передачи, смежный с полосой пропускания. Б.А. Беляев с соавторами с помощью компьютерного моделирования подобрали оптимальные размеры и расположение ленточных проводников. Затем было изготовлено устройство-прототип из четырёх таких фильтров. Устройство имеет характеристику высокоселективного полосового фильтра восьмого порядка с центральной частотой f0=0,52 ГГц и относительной шириной полосы 14 %, а полоса затухания продолжается до ≈ 5f0. Тем самым, по своим избирательным свойствам новый фильтр превосходит имеющиеся аналоги. Источник: Technical Physics Letters 45 485 (2019)

Эффект Аскарьяна и поиск нейтрино сверхвысоких энергий
1 сентября 2019

В 1961 г. выдающийся советский физик Г.А. Аскарьян предсказал теоретически эффект генерации вспышек когерентного радиоизлучения Вавилова – Черенкова при прохождении высокоэнергетических фотонов через вещество (ЖЭТФ 41 616 (1961); УФН 144 523 (1984)). Фотоны вызывают электромагнитные ливни, которые на своем пути ионизируют атомы, выбивая из них дополнительные электроны в направлении ливня. Одновременно с этим, позитроны выбывают из состава ливня в результате аннигиляции. В результате, избыток отрицательного заряда в ливне может достигать ≈10 %, и нескомпенсированные заряды генерируют излучение Вавилова – Черенкова. Коротковолновое (в сравнении с размерами ливня) излучение гасится интерференцией, а длинноволновое дает когерентный импульс. Впервые этот эффект наблюдался экспериментально на ускорителе SLAC. Эффект Аскарьяна является перспективным методом регистрации частиц космических лучей в области больших энергий. Поиск нейтрино ν сверхвысоких энергий по методу Аскарьяна в настоящее время выполняется детекторами ARA (Askaryan Radio Array) на Южном полюсе. Идея использовать для этой цели антарктический лед принадлежит сотрудникам ИЯИ РАН В.А. Гусеву, И.М. Железных и М.А. Маркову. Массив ARA включает пять радиоантенн, расположенных во льду на глубине 200 м. Согласно расчётам, ν сверхвысоких энергий могут генерироваться как непосредственно в астрофизических объектах, так и быть космогенными, т.е возникать при взаимодействии космических лучей с фоновыми излучениями (космогенные ν были предсказаны В.С. Березинским и Г.Т. Зацепиным в 1969 г.). На конференции по космическим лучам в Мэдисоне коллаборация ARA представила результаты поиска в 2013-2016 гг ливней, производимых ν. Сигналы над уровнем фона зарегистрированы не были, но были улучшены в два раза ранее полученные ARA ограничения сверху на диффузный поток ν. По своей чувствительности при энергиях >1010 ГэВ ARA уже начинает конкурировать с другими нейтринными телескопами, и в течение следующих трех лет ARA может дать самые лучшие ограничения, либо зарегистрировать ν сверхвысоких энергий. В качестве мишени для генерации радиоимпульсов Г.А. Аскарьян рассматривал также вещество Луны (см. УФН 182 793 (2012)). Источник: arXiv:1907.11125 [astro-ph.HE]
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#993   morozov »

Синтез “перламутровых” нанокомпозитов с помощью бактерий

Изучение иерархической структуры природных материалов помогает технологам создавать новые нанокомпозиты. Одним из ярких примеров является перламутр, внутренний слой раковин. Этот лёгкий, но очень прочный материал состоит из пластинок арагонита СаСО3, образующих параллельные слои. Промежутки заполнены органической матрицей из белков и хитина. Использование перламутра в качестве прототипа уже позволило разработать ударопрочную керамику, пленки и покрытия разного назначения, в том числе гибкую основу для резистивного нагревателя в носимых устройствах (см. ПерсТ [1]). Однако все используемые способы получения синтетического перламутра довольно сложные, требуют высоких температур и давлений или применения токсичных органических растворителей. В природе моллюски производят перламутр из доступных возобновляемых компонентов в условиях окружающей среды. Ученые из США, Нидерландов, Италии, Швейцарии и Израиля предложили простой, экологически чистый “бактериальный” метод синтеза [2]. Использовали два штамма бактерий: Sporosarcina pasteurii для образования карбоната кальция, а Bacillus licheniformis – для формирования биополимерной прослойки. Процесс образования композита состоит из двух этапов (рис. 1).
Изображение
Рис. 1. Получение бактериального композита:
a – пластинку из полиметилметакрилата (PMMA) помещают в среду с S. Pasteurii для образования CaCO3 в присутствии мочевины и ионов Ca;
b – пластинку со слоем CaCO3 помещают в раствор полиглутаминовой кислоты (PGA), которую выделили бактерии (PGA связывается с CaCO3);
с – слоистый бактериальный композит толщиной ~ 200 мкм.

Сначала пластинку из оргстекла (PMMA) помещают в среду кристаллизации, содержащую S. pasteurii, мочевину и CaCl2. Бактерии выделяют уреазу, фермент, расщепляющий мочевину на аммиак и CO2. Повышение pH приводит к осаждению слоя карбоната кальция. Пластинку с первым слоем CaCO3 переносят в раствор полиглутаминовой кислоты (PGA), которую выделили бактерии B. licheniformis (рис. 2). Образуется слой PGA. Так повторяют 23 раза, пока не сформируется “бактериальный композит” толщиной ~ 200 мкм.

Изображение

Рис. 2. Макроскопическое количество PGA, полученное от бактерий B. Licheniformis. Бактерии были удалены с помощью центрифугирования, а PGA осаждали путем добавления CuSO4 (голубую окраску придают ионы меди).

Для сравнения исследователи синтезировали бактериальный композит без PGA (бактериальный CaCO3) и чистый неорганический CaCO3 (“химический” CaCO3). SEM изображения сечений синтезированных композитов и перламутра съедобной мидии M. edulis показаны на рис. 3. Пластинки CaCO3 в бактериальном композите ориентированы параллельно друг другу, как и в природном перламутре (рис. 3b,e), и состоят из плотных игольчатых структур (рис. 3f). В противоположность этому пластинки бактериального CaCO3 разупорядочены (рис. 3g,h). Очевидно, PGA способствует формированию слоистой структуры. Химический CaCO3 состоит из крупных кристаллов, слои не образуются.
Изображение
Рис. 3. SEM изображения сечений синтезированных композитов и перламутра съедобной мидии M. edulis. Перламутр (a,b,c) имеет характерные слои, состоящие из сферических нанозёрен. Бактериальный композит (d,e,f) тоже имеет слои из игольчатых нанозёрен со сферическими выступами. У бактериального СаСО3 (g,h,i) слои отсутствуют. “Химический” СаСО3 (полученный кристаллизацией при диффузии газов NH3 и CO2 в раствор CaCl2) не имеет ни слоев, ни нанозёрен.

На наноуровне оба бактериальных материала имеют зернистую структуру, похожую на структуру природного перламутра. Сферические выступы у перламутра имеют диаметр 20-40 нм (рис. 3с), у бактериального композита – 10-70 нм (рис. 3f), у бактериального CaCO3 – 60-90 нм (рис. 3i). “Химический” CaCO3 такую наноструктуру не имеет.

Механические свойства бактериальных материалов были изучены на нано-, микро- и макроуровнях (с помощью наноиндентирования, микроидентирования и испытания на трехточечный изгиб). Все измерения показали, что бактериальный композит имеет высокие ударную вязкость (на уровне природного перламутра) и жёсткость. Например, испытания на изгиб показали, что ударная вязкость бактериального композита в 4 раза выше, чем у бактериального CaCO3 и в 6 раз выше, чем у “химического” CaCO3, а способность к растяжению почти в два раза больше, чем у бактериального и “химического” CaCO3. Макротрещин в бактериальном композите даже при значительном изгибе не обнаружили (в отличие от двух других синтезированных материалов). Такие замечательные механические свойства, особенно сочетание высокой ударной вязкости и жесткости, несвойственны искусственным композитам, и, конечно, обусловлены иерархической “перламутровой” структурой (рис. 4).

Изображение

Рис. 4. Механические свойства бактериального композита и перламутра в сравнении со свойствами компонентов. Пунктир – оценка механических свойств композитов на основе свойств компонентов и их объемных фракций. Природный перламутр и бактериальный композит не подчиняются этому правилу “смеси”.

Исследователи предложили оригинальный способ синтеза новых композитов, не требующий существенных затрат и особых условий. Бактерии доступны, их уже используют биотехнологи для получения макроколичеств различных материалов (см., например, рис. 2). Как показали дополнительные эксперименты, бактериальный композит можно сформировать не только на плоской поверхности, но и на сложных 3D структурах. Биосовместимость материала позволит использовать его в медицине и пищевой промышленности, а благодаря прочности, химической стойкости и малому весу “перламутровый” композит может найти широкое применение в строительстве, в автомобильной и аэрокосмической отраслях.

О.Алексеева

1. ПерсТ 25, вып. 5/6, с. 2 (2018).

2. E.M.Spiesz et al., Small 15, 1805312 (2019).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#994   morozov »

Оптомагнитный нейрон

Затраты энергии на работу вычислительных устройств год от года растут опережающими темпами по отношению к общему энергопотреблению. Это стало заметно уже даже рядовому обывателю: сообщения о многочисленных эксцессах, связанных с майнингом биткоинов, еще совсем недавно были частью ежедневной информационной повестки, а это лишь одно из проявлений возрастающей доли энергозатрат на вычисления. Если сейчас она составляет 7% от общего энергопотребления, то к 2030 году, при сохранении текущей тенденции, она достигнет отметки 50%! Вот почему, наряду с поиском физических способов записи и обработки информации с ультрамалым энергопотреблением, взгляд ученых и инженеров все чаще обращается в сторону методов и устройств, основанных на тех же принципах организации, что и наш мозг, потребляющий 20 Вт мощности там, где обычные бинарные алгоритмы требуют использования суперкомпьютеров мощностью 10 МВт. Впрочем, материальное воплощение этих, как их называют “brain-inspired” подходов, также является задачей физиков.

В недавней работе группы исследователей из Radboud Univ. (Нидерланды) [1] предложена схема, моделирующая обучение нейрона, на основе сочетания оптических и магнитных технологий, что позволяет объединить быстродействие первых и энергонезависимость последних. Под энергонезависимостью (nonvolatility) понимается возможность сохранения информации без энергетических затрат (а это действительно важно, ведь никому не хочется, чтобы нейроморфная схема при внезапном отключении питания забыла все, чему ее научили).

В качестве среды для записи информации авторы использовали многослойные пленки Co/Pt с перпендикулярной магнитной анизотропией. Толщина магнитного слоя составляла 0.6 нм. Импульсное излучение от фемтосекундного лазера, сфокусированное на образец, позволяло переключать направление намагниченности в пленке за счет эффекта оптически индуци-рованного изменения магнитной анизотропии (необходимая для этого плотность энергии одиночного импульса – порядка 1 мДж на квадратный сантиметр). Данный эффект не выходил бы за пределы уже известных оптомагнитных явлений, если бы не одно примечательное обстоятельство: диаметр перемагниченной светом области растет с числом импульсов одной циркулярной поляризации и также непрерывно уменьшается при последовательном действии импульсов противоположной поляризации (рис. 1). Это позволяет моделировать свойство синаптической пластичности – постепенного изменения свойств синапса под действием повторяющихся возбуждений.
Изображение Изображение

Рис. 1. Эмуляция синаптической пластичности с помощью опто-магнитного эффекта [1].
а – Вверху представлено необработанное экспериментальное изображение образца Co/Pt. Два черных кружка w1 и w2 соответствуют положениям двух входных сигналов будущей логической схемы (во избежание взаимного влияния от рассеянного света, расстояние между ними должно быть не меньше 130 мкм). Ниже представлены обработанные магнитооптические изображения (с вычтенным фоном), показывающие эволюцию намагниченности под действием серии из 600 импульсов циркулярно поляризованного излучения с правой и левой (нижний ряд) поляризацией.
b – Зависимость интегральной интенсивности изображений от количества импульсов излучения. Оранжевые кружки на кривой соответствуют восьми экспериментальным изображениям на рис. 1а).
Наряду с синаптической пластичностью, важным фактором в процессе обучения нейроморфных схем является также наличие обратной связи, которая позволяет делать “работу над ошибками”: менять весовые коэффициенты, с которыми берутся входные сигналы прямо по ходу обучения, чтобы приближать отклик системы к желаемому. В данной схеме в роли входных сигналов выступали импульсы лазерного излучения, действующего на образец. Их вес изменялся в зависимости от состояния намагниченности образца, которое контролировали также оптически (рис. 1). В качестве выходного сигнала выступала сумма интегральных интенсивностей магнитооптических изображений после воздействия импульса лазера на материал (т.е. сумма входных сигналов с весами) из которой вычитали пороговое значение интенсивности (наличие порога – также неотъемлемая часть всех нейроморфных схем). Этот выходной сигнал сравнивали с эталонным и вычисляли сигнал ошибки, который подстраивал веса входных сигналов (т.е. состояние намагниченности в образце) на следующем этапе.
ИзображениеИзображениеИзображение
Рис. 2. Пример обучения оптомагнитного синапса работе в режиме логического “И”:
a – экспериментальные изображения (с вычтенным фоном), соответствующие началу обучения: y1, y2 – входные сигналы с начальными весами (т.е. магнитоптические изображения исходного состояния намагниченности), b – пороговый сигнал; μ=1…4 соответствуют четырем комбинациям входных сигналов (0,0), (1,0), (0,1), (1,1) , т.е. открытый или закрытый оптический путь для лучей, сфокусированных на точки w1 и w2 рисунка 1а. Внизу представлена диаграмма для алгебраической суммы y1+y2–b;
b – изменение той же диаграммы для выходного сигнала y1+y2–b в зависимости от числа циклов обучения;
с – результат обучения: в отличие от исходной ситуации рис. 2а, отлик системы на комбинацию (1,1) качественно отличается от реакции на остальные комбинации – сумма y1+y2–b положительна!
Процесс обучения устройства работе в режиме логического “И” представлен на рис. 2: если сначала схема на “единицы” и “нули” давала на выходе одинаковый по знаку сигнал (рис. 2а), то с каждым новым повтором результат становился все более близким к желаемому (рис. 2b), пока, наконец, схема не выдала положительный отклик на две единицы на входе и отрицательный на все остальные случаи, что и соответствует логической схеме “И” (рис. 2c). Авторами [1] также была показана возможность обучения алгоритму работы в режиме “ИЛИ”.

Стоит подчеркнуть, что ключевой здесь является способность схемы обучаться: логические бинарные операции “И”, “ИЛИ” выбраны лишь как простой пример, а в принципе, данный подход может быть использован и для решения задач распознавания изображений. Энергетические потери в таком оптомагнитном синапсе оцениваются авторами [1] как 60 пДж на операцию. Быстродействием они похвастаться не могли (так как эксперимент предполагал работу с механическими затворами), но при дальнейшем совершенствовании методов управления в сторону чисто оптических, быстродействие может составить невообразимые 50 ГГц.

А. Пятаков

1. A.Chakravarty et al., Appl. Phys. Lett. 114, 192407 (2019).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#995   morozov »

Квантовое запутывание порядка событий в гравитационном поле
1 октября 2019
В классической Общей теории относительности порядок следования возможных причин и следствий зависит от распределения массы на начальной пространственноподобной гиперповерхности из-за эффекта гравитационного замедления времени. Вопрос о том, как согласовать квантовую суперпозицию состояний и влияние гравитации массивных тел на течение времени пока не имеет полного решения. M. Zych (Квинслендский университет, Австралия) и её соавторы показали возможный подход к этой проблеме. Они рассмотрели мысленный эксперимент с двумя событиями и массивным телом и построили амплитуду вероятности, которая описывает квантовую суперпозицию состояний с различной метрикой (различным расположением массивного тела) и одновременно -- квантовую суперпозицию временного порядка событий, разделённых времениподобным интервалом. Показано, что такие системы могут быть квантово запутаны по порядку следования событий. Также авторы сформулировали аналоги неравенств Белла, которые могли бы быть использованы для проверки квантового характера указанного запутывания. Источник: Nature Communications 10 3772 (2019)

Квантовая механика в неинерциальной системе отсчёта
1 октября 2019
Экспериментальное исследование квантовых явлений в неинерциальных системах отсчёта представляет большой интерес, т.к. нельзя исключать, что при этом будут обнаружены новые фундаментальные эффекты. M.J. Padgett (Университет Глазго, Великобритания) и его коллеги выполнили эксперимент, в котором изучались оптические квантовые явления на вращающемся лабораторном столе. Исследовалась комбинация эффекта Саньяка и квантовомеханической интерференции в интерферометре Хонга – У – Мандела. В отличие от экспериментов с чистым эффектом Саньяка, на входе находился не сплиттер, а нелинейный кристалл, в котором происходила вниз-конверсия фотонов лазерного излучения и рождение пар фотонов в квантово запутанном состоянии. Один из двух фотонов пары двигался по оптоволокну вдоль окружности по часовой стрелке, а второй фотон – в обратном направлении. На выходе стоял сплиттер и два однофотонных детектора, работающих по схеме совпадения. Как и ожидалось, равномерное вращение приводит лишь к различию длины пути в двух направлениях. Это уменьшает степень неразличимости фотонов пары и модифицирует картину квантовой интерференции в соответствии с предсказаниями квантовой механики. На достигнутом уровне точности новых эффектов не обнаружено. Авторы предлагают выполнить подобный эксперимент с использованием спутников, вращающихся по орбите вокруг Земли. Источник: Phys. Rev. Lett. 123 110401 (2019)

Демонстрация квантового дарвинизма в эксперименте
1 октября 2019
Пока неизвестно, почему квантовое состояние системы переходит в классическое в процессе измерения или декогеренции. Одним из предложенных вариантов является «квантовый дарвинизм». Согласно этой концепции, классическими становятся те состояния, которые смогли распространить себя в окружении наиболее широко, что напоминает биологическую эволюцию. T. Unden (Ульмский университет, Германия) и соавторы наблюдали в своём эксперименте подобный переход к классическому описанию по мере распространении квантовой информации. Изучался NV-центр (азото-замещённая вакансия) в алмазе, который был окружён ядрами углерода 13C, присутствующими как примесь среди ядер 12C. Совокупность ядер 13C, имеющих ненулевые спины, моделировала окружающую среду. После воздействия на NV-центр лазерного импульса, состояние электрона изменялось, и его магнитное взаимодействие с окружающими ядрами 13C вызывало их излучение в микроволновом диапазоне, регистрируемое детекторами. Таким путём, наблюдая множество ядер 13C, можно было исследовать распространение квантовой информации от NV-центра в окружающую среду, не возмущая саму квантовую систему. Результаты эксперимента соответствуют концепции квантового дарвинизма. Действительно наблюдался процесс, при котором множество измерений с некоторого момента начинали давать один и тот же ответ о состоянии квантовой системы, что соответствовало переходу к классической картине по мере распространения информации в среде. Источник: arXiv:1809.10456 [quant-ph]

Фермионные возбуждения в YbB12
1 октября 2019
Топологические изоляторы SmB6 и YbB12 недавно привлекли к себе повышенное внимание, т.к. в первом из них наблюдались квантовые осцилляции намагниченности (эффект де Гааза – ван Альфена), а во втором были обнаружены квантовые осцилляции проводимости (эффект Шубникова – де Гааза). Эти нетривиальные свойства, свидетельствующие о наличии поверхности Ферми в сильных магнитных полях, вызвали дискуссию и появление ряда теоретических моделей, основанных на различных эффектах. Y. Sato (Киотский университет, Япония) и соавторы выполнили в своем новом эксперименте измерение электрической проводимости, теплоёмкости и теплопроводности кристаллов YbB12 при низкой температуре (до ≈ 0,6 K) без магнитного поля и в магнитных полях. Анализ полученных данных свидетельствует о вероятном наличии в YbB12 новых квазичастиц -- перемещающихся бесщелевых фермионных возбуждений, которые взаимодействуют с магнитным полем, несмотря на отсутствие у них электрического заряда. Возможно, что именно эти нейтральные фермионы ответственны за необычные свойства SmB6 и YbB12. Источник: Nature Physics 15 954 (2019)

Генератор электроэнергии на квантовых точках
1 октября 2019
G. Jaliel (Кембриджский университет, Великобритания) и соавторы сконструировали микроскопический термоэлектрический генератор на основе двух квантовых точек, в котором используется эффект резонансного туннелирования электронов. Для функционирования устройства достаточно лишь наличия градиента температуры. Ранее уже создавались термоэлектрические генераторы на квантовых точках, но их производительность была мала. В новом устройстве, созданном по схеме, которую предложили A.N. Jordan (Рочестерский университет, США) и его соавторы, две квантовые точки, каждая диаметром 310 нм, были реализованы на гетероструктуре GaAs/AlGaAs по обе стороны от резервуара, содержащего горячие электроны. Энергетические уровни квантовых точек были различными, они соответствовали электронам с низкой энергией с одной стороны и электронам с более высокой энергией по другую сторону. Таким образом, имел место выборочный перенос электронов между точками, и разность температур преобразовывалась в электроэнергию. Новое устройство может генерировать мощность 0,13 фВт при разности температур точек 67 мК. Его КПД составляет как минимум 10 % от КПД идеальной тепловой машины Карно. Источник: Phys. Rev. Lett. 123 117701 (2019)

Исследование микропроцессов в биофизике
1 октября 2019
Y. Wang (Нанкинский университет, Китай) и соавторы разработали новый метод биофизических исследований микропроцессов, позволяющий, в том числе, идентифицировать единичные молекулы. В методе, названном ДиффузиОптоФизиологией (DiffusiOptoPhysiology), процессы исследуются оптическим методом в порах нанометрового масштаба без использования измерительных электродов. Наблюдалось флуоресцентное излучение молекул красителя Fluo-8, который связывался с ионами Ca2+, что позволяло наблюдать поток ионов, движущихся через нанопоры. Электроды в данном методе применяются только для создания эффекта электрофореза – общего потока вещества. Также была продемонстрирована регистрация единичных молекул циклодекстрина, PEG1500 и dsДНК в потоке ионов. Нанопоры широко распространены, они присутствуют в биологических мембранах для транспорта веществ. Новым методом можно одновременно наблюдать тысячи нанопор, что обуславливает его высокую эффективность. Устройство для ДиффузиОптоФизиологии может быть смонтировано на небольшом чипе и найти широкое применение в различных областях клинической диагностики и в научных исследованиях. Источник: Science Advances 5 eaar3309 (2019)

Неидентифицированные источники гамма-излучения
1 октября 2019
В гамма-обзоре неба, который был выполнен космическим телескопом Fermi-LAT, имеется множество неидентифированных источников, природа которых неизвестна. В других диапазонах, в том числе, в оптическом, эти объекты не видны. С помощью комплекса черенковских гамма-телескопов H.E.S.S., расположенного в Намибии, проведены новые наблюдения четырёх из неидентифицированных источников при энергиях ≥ 100 ГэВ. Наблюдения наземных черенковских детекторов дополняют наблюдения Fermi-LAT, т.к. позволяют проследить высокоэнергетическую часть спектра с большим временем экспозиции. Оказалось, что эти источники светят в гамма-лучах стабильно без вариаций, а их жёсткий спектр близок к тому, который должен генерироваться при аннигиляции частиц тёмной материи с массами ≤ 0,4 ТэВ/c2. По этим свойствам источники очень похожи на сгустки из тёмной материи, в которых происходит аннигиляция. Существование таких сгустков (субгало) предсказывается в иерархической картине формирования галактик, когда мелкие объекты объединяются во всё более крупные, вплоть до образования гало галактик и скоплений галактик. Тем не менее, пока нельзя достоверно утверждать, что неидентифицированные источники являются сгустками тёмной материи, и требуются дальнейшие исследования. Источник: arXiv:1909.01072 [astro-ph.HE]

Новое ограничение на первичные чёрные дыры
1 октября 2019
Возможность формирования в ранней Вселенной первичных чёрных дыр (ПЧД) была предсказана Я.Б. Зельдовичем и И.Д. Новиковым в 1967 г. В последнее время интерес к ПЧД значительно возрос в связи с тем, что слияния пар ПЧД могли бы объяснять некоторые из всплесков гравитационных волн, наблюдавшихся детекторами LIGO/Virgo. На распространенность ПЧД во Вселенной было получено множество ограничений, которые почти исключили возможность того, что ПЧД составляют всю тёмную материю. Однако часть этих ограничений модельно зависима, и ограничения ослабляются в том случае, когда ПЧД имеют широкое распределение по массам. В частности, остается пока не исключенным до конца интервал масс ПЧД MPBH ≈ 20-80M☉ и область вблизи ≈ 10−10M☉. Группа астрофизиков из Италии и Швейцарии получила новые ограничения на ПЧД. Если ПЧД существуют, то они своей гравитацией создавали бы дополнительные неоднородности в межгалактическом газе, которые должны влиять на «лес Лайман-альфа» — наблюдаемый в спектрах квазаров набор линий поглощения. В работе R. Murgia и соавторов использовались данные спектрографов MIKE и HIRES, а также было выполнено численное моделирование гидродинамики газа с учетом ПЧД. Отсутствие заметного влияния на лес Лайман-альфа дает ограничение, которое исключает значительную часть интервала ≈ 20-80M☉ со стороны больших масс. Источник: Phys. Rev. Lett. 123 071102 (2019)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#996   morozov »

Новые энергетики: кремнийзамещенные CL-20

Создание энергоэффективного и экологически безопасного топлива до сих пор остается актуальной задачей современной науки. Одним из возможных путей ее решения является использование различных кристаллических систем на основе высокоэнергетических соединений (HEDM, high-energy-density materials), наиболее ярким представителем которых является гексанитрогексаазаизовюрцитан, более известный как CL-20 (см. рис.). При этом стремление к усилению преимуществ и исключению недостатков различных высокоэнергетических материалов приводит к идее создания так называемых сокристаллов, содержащих не только названный CL-20, но и другие молекулы в своем составе. И к настоящему моменту уже предсказаны и даже синтезированы некоторые молекулярные сокристаллы, в которых различные изолированные высокоэнергетические молекулы связаны друг с другом посредством слабого ван-дер-ваальсового взаимодействия. Тем не менее, несмотря на успехи в получении сокристаллов на основе CL-20, авторы работы [1] убеждены, что сокристаллизация – это не единственно возможный способ улучшения энергетических характеристик последнего. Они предлагают альтернативный подход к повышению энергоэффективности таких систем, основываясь на принципе функционального замещения в молекулярном каркасе CL-20 атомов углерода на кремний, а атомов кислорода на фтор (см. рис.).
Изображение
Атомная структура традиционной молекулы CL-20 (а) и ее кремнийзамещенных производных CSi5H6N12O12 (б) и C4Si2H6N12F12 (в).
В работе [1] авторы оценили механизмы пиролиза, стабильность и реакционную способность двух перспективных производных CL-20, а также их димеров с помощью компьютерного моделирования в рамках теории функционала плотности. Расчеты выполняли на уровне теории B3LYP/6–311G(d,p) и B3LYP/6–311G++(2d,2p) в программах TeraChem и GAMESS. Меньший базисный набор использовали для более вычислительно затратных процессов: молекулярной динамики, вычисления гессианов, поиска переходных состояний и расчета оптических спектров. В результате авторы установили, что одновременное присутствие в молекуле атомов кремния и фтора существенно понижает стабильность соединения. В то же время кремнийзамещенный каркас CL-20 нисколько не уступает в устойчивости оригинальному. При этом такие каркасы склонны к образованию димеров, что свидетельствует о принципиальной возможности формирования подобными молекулярными системами ковалентных кристаллов с большей плотностью, чем у полученных ранее молекулярных, что положительно скажется на энерговыделении. Помимо всего прочего, авторы оценили и электронные характеристики кремнийзамещенных CL-20. В работе представлен целый набор квантово-механических дескрипторов: энергии HOMO и LUMO, химический потенциал, химические жесткость и мягкость, индексы электрофильности. Что касается механизмов пиролиза, то они эквивалентны для мономеров и димеров, и представляют собой или отрыв радикала NO2/NF2 от каркаса, или миграцию атома O/F с последующим образованием соответствующих ковалентных связей Si-O/Si-F. Последний механизм начинает преобладать при очень высоких (T>2000 K) температурах. К слову, энергетический барьер, препятствующий распаду системы CSi5H6N12O12 близок к таковому для традиционной молекулы CL-20 и равен примерно 200 кДж/моль. Подводя итоги, авторы прогнозируют, что кремнийзамещенные производные окажутся более энергоэффективными, чем традиционные CL-20 как сами по себе, так и в составе молекулярных или ковалентных сокристаллов. Осталось только решить проблему их экспериментального синтеза из кремниевых аналогов прекурсоров CL-20, идентифицировать же полученные соединения уже возможно по характерным УФ-спектрам, полученным авторами и приведенным в публикации.

М.Маслов

1. K.P.Katin et al., ChemistrySelect 4, 9659 (2019).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#997   morozov »

Седьмой Евроазиатский симпозиум “Тенденции в магнетизме” EASTMAG-2019

C 8 по 13 сентября 2019 г. в Екатеринбурге прошел международный симпозиум Еuro-Asian Symposium “Trends in MAGnetism”, английская аббревиатура которого EASTMAG, построена на игре смыслов – привязка географическая (от Казани до Владивостока, если судить по истории проведения конференции) и тематическая (магнетизм), а по тому, как меняются названия секций конференции, действительно можно отслеживать тенденции в этой обширной области физики.

Екатеринбург, известный своими научными школами по магнетизму и расположенный на географической границе Европы и Азии, закономерно стал первым и самым частым местом проведения этой конференции. Организатором и местом большей части заседаний конференции явился Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН.
ИзображениеИзображение
Рис. 1. a - Открытие конференции в культурном центре “Урал” (лекция Д.И. Хомского); б - актовый зал в ИФМ УрО РАН (лекция В.В. Устинова).
Симпозиум открыл пленарный доклад Даниила Ильича Хомского из Университета Кёльна, посвященный разнообразным эффектам взаимосвязи между магнитной и электрической подсистемами в кристаллах. В частности, было сообщено о недавнем детектировании методом мюонной спиновой спектроскопии поля от “монополя”, являющегося отражением реального электрического заряда, расположенного над поверхностью магнитоэлектрической среды Cr2O3 [1]. Это явление ранее теоретически было предсказано автором доклада [2] (подробнее, см. “Обнаружение монополя из зазеркалья...”).

Теоретическим аспектам спиновой электроники был посвящен пленарный доклад Гена Татара из RIKEN (Япония), а также весьма поучительная лекция директора ИФМ, академика РАН Владимира Васильевича Устинова. Глобальным вопросам, связанным с уменьшением энергопотребления компьютерных вычислений за счет перехода к принципам организации мозга, был посвящен доклад Тео Разинга из Университета Неймегена (Нидерланды). Большое впечатление на публику произвел простой факт: энергии, затраченной в дата-центре на обслуживание поисковых запросов одного человека в течение дня, достаточно для того, чтобы вскипятить стакан-другой воды, а то и целый чайник. Среди превалирующих тем докладов были спинтроника, скирмионы, магнитные функциональные материалы, магнитофотоника и методы оптического воздействия на магнетизм. Значительное число докладов было посвящено магнитной медицине в рамках специальной биологической секции. Большое внимание на конференции также было уделено всему, что подпадает под определение “magnetic soft matter”: магнитореологическим жидкостям, магнитным эластомерам, жидким кристаллам c магнитным наполнителем, феррогелям и т.п.

Параллельно с EASTMAG проходила сателитная конференция, посвященная расчётам из первых принципов и моделированию материалов
“Ab-initio Modeling of Advanced Materials (AMM-2019)”.

Культурная программа конференции включала в себя экскурсии по городу и окрестностям. Для желающих задержаться в Екатеринбурге подольше уже после завершения конференции предлагался однодневный тур в заповедник “Оленьи ручьи”.

А. Пятаков

1. Q.N.Meier et al., Phys. Rev. X 9, 011011 (2019).

2. D.I.Khomskii, Nature Commun. 5, 4793 (2014).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#998   morozov »

“Монополь из зазеркалья” обнаружен... только “зеркало” подменили!

Около десяти лет назад в 4-м выпуске “ПерсТ” за 2009 год была опубликована заметка “Магнитный монополь из зазеркалья” по мотивам статьи [1], в которой теоретически рассматривалась конфигурация полей, наводимых электрическим зарядом, находящимся вблизи поверхности топологического изолятора. Как известно из курса электростатики, эффективное поле, создаваемое зарядом над поверхностью материала, является суперпозицией поля самого заряда и его “отражения”. В силу наличия в топологическом изоляторе магнитоэлектрического эффекта, должно еще возникать и магнитное поле, эквивалентное полю от монополя, находящегося в месте расположения мнимого заряда.

Но почему не попробовать использовать вместо топологического изолятора обычный магнитоэлектрик, например классический Cr2O3 (рис.1)? В нем также будет отражаться монополь, правда, конфигурация полей будет несколько более сложной в силу того, что тензор магнитоэлектрического эффекта имеет не только диагональные компоненты (рис. 1б).
ИзображениеИзображение
Рис. 1. а – идея о магнитном монополе как отражении реального заряда в магнитоэлектрике
(q – реальный заряд, q’ мнимый заряд, m – мнимый монополь). На вставке – элементарная ячейка Cr2O3
б – конфигурация магнитного поля с учетом анизотропии магнитоэлектрика Cr2O3
Такое “рацпредложение” высказал 5 лет назад Д.И. Хомский [2], а экспериментальная работа появилась только в этом году. Все дело в том, что напрашивающаяся схема эксперимента – использовать электрически заряженный зонд магнитного силового микроскопа, в случае реальной поверхности с дефектами не подходит. Как показал эксперимент [3], даже шероховатости 4 нм достаточно, чтобы полезный сигнал подавило поле от электростатических неоднородностей, связанных с рельефом.

Поэтому авторы экспериментальной статьи [3] пошли другим путем: использовать метод мюонной спиновой спектроскопии: бета-распад мюона сопровождается излучением позитрона преимущественно в направлении спина мюона, что можно использовать для детектирования магнитного поля в месте распада. Для того чтобы измерять поля над поверхностью магнитоэлектрической среды Cr2O3, потребовалось нанести на нее специальный буферный слой, в котором мюоны тормозились бы и распадались (рис. 2). В качестве такового служила пленка твердого азота толщиной 150 нм (эксперимент проводился при 20 К) [3]. Источником электрического поля служили сами положительно заряженные мюоны, а расстояние от поверхности магнитоэлектрика, на котором измерялось поле, регулировалось подбором кинетической энергии: изменение ее в диапазоне от 1 до 30 кэВ позволяло варьировать глубину проникновения мюона в буферный слой от 10 до 200 нм, и таким образом измерять распределение магнитного поля в нем.
Изображение
Рис. 2. Детектирование магнитного поля над магнитоэлектриком Cr2O3 методом мюонной спектроскопии. Красной стрелкой показан спин мюона, черной – направление его движения. Электрическое поле больше 1кВ/см и магнитное поле Bpol используют для создания однородного антиферромагнитного состояния образца перед измерениями, Bmeas – поля, в которых проходит измерения (для вычисления магнитного поля монополя используется разностный метод).
Полученные результаты не противоречили теоретическим предсказаниям. Конечно, толщина слоя кажется маловатой для того чтобы судить о квадратичном характере спада магнитного поля по закону Кулона. Да и необходимость использования при измерениях внешних магнитных полей затрудняет обнаружение на их фоне поля от монополя. Как отмечают сами авторы [3], наиболее убедительным доводом о магнитоэлектрическом происхождении получаемого сигнала было бы совпадение температурных зависимостей эффективного магнитного поля и магнитоэлектрического эффекта, максимум которого наблюдается при 280 К, но для этого уже придется поискать другой буферный слой.

А. Пятаков

1. X.-L.Qi et al., Science 323, 1184 (2009).

2. D.I.Khomskii, Nature Commun. 5, 4793 (2014).

3. Q.N.Meier et al., Phys. Rev. X 9, 011011 (2019).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#999   morozov »

Динамическое термоодеяло по мотивам кожи кальмара

Эффективное терморегулирование необходимо для работы многих современных устройств, используемых в электронной промышленности, аэрокосмической отрасли, медицине и др. С точки зрения снижения энергопотребления на обогрев/охлаждение помещений большой интерес представляет персональное терморегулирование, которое могут обеспечить новые “умные” ткани. Такие материалы в первую очередь должны отражать ИК излучение человека. Широко известно “космическое”, или термическое, одеяло, разработанное для NASA еще в 1964 г. Металлизированная плёнка, из которой изготавливают термоодеяла, способна отражать дo 97% тепла, излучаемого объектом. К сожалению, “космическое” одеяло и другие подобные системы не реагируют на изменение условий окружающей среды. Разработанные до настоящего времени варианты активного терморегулирования довольно сложные и требуют наличия внешних источников механической или электрической энергии. Например, предложена ткань с сетчатыми покрытиями из серебряных нанопроволок или углеродных нанотрубок (см. ПерсТ [1]). Такой материал отражает ИК излучение человека и обеспечивает дополнительный обогрев при присоединении источника электропитания.

Недавно ученые из Univ. of California, Irvine и Under Armour Inc. (США) [2] представили новую разработку – термоодеяло с изменяемыми свойствами (рис. 1). Интересно, что вдохновили их кальмары, способные практически мгновенно менять окраску от белой до красно-фиолетовой (глубоководных кальмаров Гумбольдта даже называют “красными дьяволами”). Что общего между изменением цвета и терморегулированием? Ответ в структуре кожи. У кальмаров (и некоторых других головоногих моллюсков) в одном из слоев кожи имеются хроматофорные комплексы, состоящие из хроматофоров и мышечных и нервных клеток. Внутри хроматофоров в специальных мешочках находятся пигменты красного, желтого и коричневого цвета (рис. 1с). Пропускание света и, соответственно, окраска меняются благодаря тому, что под воздействием мышечных клеток пигментные клетки либо растягиваются в плоские диски, либо сжимаются до точечных размеров (рис. 1d). Процесс контролируют нервные клетки, и изменение цвета может происходить очень быстро.

Этот механизм и использовали авторы [2] для усовершенствования статического термоодеяла. Они синтезировали композит из прозрачной для ИК излучения полимерной пленки и слоя медных наностолбиков (рис. 1e, f).
Изображение
Рис. 1. Принципы функционирования регулируемого термоодеяла: a – статическое космическое одеяло на руке человека; b – полимерный материал со сплошным металлическим покрытием (напр., Al) отражает ИК излучение независимо от условий окружающей среды; с – кальмар и хроматофоры в слое его кожи; d – хроматофоры в прозрачной для видимого света матрице под действием мышечных клеток растягиваются (слева) в плоские диски или сжимаются (справа) до точечных размеров (при этом меняется пропускание и отражение света определенных длин волн); e – композитный материал на руке человека;
f – приложенное усилие меняет структуру доменов наружного слоя от плотной (слева) до разреженной (справа), регулируя пропускание и отражение ИК излучения (т.е. тепла).
Процесс синтеза схематично показан на рис. 2. Сначала на подложке методом электронно-лучевого осаждения получают наноструктурную пленку меди, затем поверх нее наносят полимерную пленку, и полученный композит отделяют от подложки. Внизу приведены SEM изображения нано- и микроструктуры медной пленки.
Изображение
Рис. 2. Вверху: синтез композита – сначала на подложке методом электронно-лучевого осаждения получают наноструктурную пленку меди,
затем поверх нее наносят полимерную пленку и, наконец, полученный композит отделяют от подложки.
Внизу: SEM изображения: наноструктурной медной пленки (масштаб 200 нм), медной наноструктуры в полимерном слое (масштаб 500 нм),
доменов медной пленки (масштаб 10 мкм).
Полимерный слой композита, пропускающий ИК излучение, имитирует прозрачный для видимого света слой кожи кальмара, в котором находятся хроматофоры, а домены наноструктурной Cu пленки – сами хроматофоры. Поток тепла (например, от кожи человека) можно регулировать, прикладывая механическое усилие и раздвигая домены (рис. 3).
Изображение
Рис. 3. Регулирование путем растяжения-сжатия потока тепла от кожи человека в зависимости от температуры окружающей среды.
После различных испытаний композита ученые сконструировали из него “рукав” и перешли к проверке на людях (рис. 4). Специальные застежки позволяли растягивать композит.

Был также сделан аналогичный рукав из “космического” одеяла. Для контроля одна рука во всех случаях оставалась неприкрытой. С помощью ИК камеры регистрировали исходящий поток тепла; также измеряли температуру рук. Температура воздуха в комнате, где находился 24-летний испытатель, составляла 17.5-18.5оС. Полученные результаты показали, что рукав из композита при нулевом растяжении отражает внутрь практически всё тепло руки, так же, как и рукав из “космического” одеяла (рис. 4b, c). При этом температура поднимается ~ на 1 градус (по отношению к температуре неприкрытой руки). При растяжении композитного рукава медные домены раздвигаются, и часть тепла выходит наружу (рис. 4d, e, f). Температура при 30% растяжении поднимается всего на 0.3 градуса, а при 50% растяжении – на 0.1 градуса, т.е. в 10 раз меньше, чем для статического “космического” одеяла.
Изображение
Рис. 4. Регулирование температуры тела с помощью композитного рукава; а – схема детектирования исходящего потока тепла и измерения
локальной температуры человека; b – рисунок руки в рукаве из “космического” одеяла; c, d, e, f – рисунки рук в композитном рукаве при
растяжении 0%, 10%, 30% и 50%, соответственно (под рисунками приведены соответствующие ИК-изображения).
Таким образом, измерения продемонстрировали, что пользователь может по желанию регулировать количество пропускаемого тепла в реальном времени. Композитный материал имеет невысокую стоимость, он очень лёгкий, износостойкий, допускает многократное растяжение-сжатие. Состав композита для разработки на его основе комфортной одежды можно оптимизировать. Но, конечно, полученные авторами [2] результаты важны не только для обеспечения персонального терморегулирования, но и для решения задач энергопотребления в целом.

О.Алексеева

1. ПерсТ 22, вып. 13/14 с.3 (2015).

2. E.M.Leung et al., Nature Commun. 10, 1947 (2019).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1000   morozov »

Газоанализатор на висмутене

В работе [1] исследователи из России, Сингапура и США систематически изучили влияние молекул различных газов (CO, NO, NO2, H2 и NH3) на электронную структуру и химическую активность висмутена. Висмутен – это недавно полученный материал, относящийся к классу двумерных кристаллов, как и хорошо всем известный графен. Из названия следует, что висмутен представляет собой атомарный слой висмута, при этом его структура более близка к силицену, нежели к графену, другими словами, атомы висмута в висмутене не лежат в одной плоскости (см. рис.). Авторы выполнили компьютерное моделирование процессов физсорбции малых молекул на поверхности висмутена с помощью теории функционала плотности в программе VASP с использованием функционалов PBE и HSE06, учитывая слабое ван-дер-ваальсово взаимодействие.
Изображение
Вид сверху и сбоку молекулы водорода, адсорбированной на поверхности висмутена, с изображением изоповерхности зарядовой плотности. Зеленый цвет соответствует области накопления электронного заряда, а синий – области уменьшения.

Они вычислили энергетические, электронные характеристики и оценили перенос заряда для таких систем. В процессе проведения расчетов учитывались различные ориентации молекул над поверхностью материала и рассматривались все возможные “адсорбционные узлы”: над центром шестиугольника, над серединой межатомной Bi-Bi связи и непосредственно над атомом висмута. В итоге результаты расчетов предсказывают сильное взаимодействие между висмутеном и молекулами газов. При этом молекулы CO, NO и NO2 примерили на себя роль акцепторов заряда, а молекула NH3 проявила себя донором, также, как и молекулярный водород. Авторы отдельно отмечают, что адсорбция NO и NO2 приводит к заметным изменениям в зонной структуре висмутена вблизи уровня Ферми, а величина энергии адсорбции, которая определялась как разница полной энергии системы висмутена с адсорбатом и отдельных составляющих, для этих молекул имеет наиболее высокое по модулю значение. Подводя итог, авторы отмечают, что весь комплекс характеристик висмутена позволит использовать его не только в качестве газоанализатора оксида и диоксида азота, но и для хранения и транспортировки водорода. Поскольку висмутен уже экспериментально получен, то все это может оказаться делом ближайшего будущего.

М.Маслов

1. S.Kh.Khadiullin et al., ChemistrySelect 4, 10928 (2019).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1001   morozov »

МУЛЬТИФЕРРОИКИ

Магнетизм доменной стенки в сегнетоэлектрике или магнитоэлектрическая “сказка наоборот”

В литературе есть сюжетный прием, состоящий в инвертировании ролей и характеристик персонажей: положительные и отрицательные герои меняются местами, большие персонажи становятся маленькими и наоборот. Примером такой “истории наизнанку” может служить рассказ “Вождь краснокожих” О’Генри, в котором незадачливые похитители оказываются в роли жертв их малолетнего заложника. Неизвестно, вдохновил ли этот рассказ американско-швейцарский коллектив авторов, но идея их статьи [1] кажется пересказом другого сюжета про доменную границу [2], в котором магнитные величины поменялись местами с электрическими, а пространственные координаты – с временными.

В начале 80-х годов прошлого века В.Г. Барьяхтаром и соавторами [2] было предсказано существование неоднородного магнитоэлектрического эффекта, т.е. наличие у магнитной доменной границы электрической поляризации за счет пространственной модуляции намагниченности
Эта же формула, записанная “наизнанку”, означает возникновение намагниченности при изменении электрической поляризации например, при движении доменной границы в сегнетоэлектрике [1]. Последнее выражение, записанное по всем правилам симметрии, содержит векторное произведение, поэтому границы изинговского типа, обычно реализующиеся в сегнетоэлектрике, не смогут стать источником намагниченности: в них электрическая поляризация уменьшается по модулю, но не изменяется по направлению. Магнитоэлектрическими свойствами будут обладать только доменные стенки, подобные магнитным, в которых параметр порядка разворачивается в пространстве (рис. 1а).

Для обнаружения эффекта авторы [1] предлагают метод, схожий с использованным ранее в магнетиках для обнаружения неоднородного магнитоэлектрического эффекта [3] — с помощью иглы сканирующего зондового микроскопа. Только в соответствии с правилами игры в “сказку наоборот”, вместо электрически заряженной иглы предлагается использовать магнитный зонд (рис. 1б).
Изображение Изображение

Рис. 1. а - Структура 90-градусной доменной границы Нееля в титанате бария (смещения ионов преувеличены в целях наглядности);
б - предлагаемая схема эксперимента по обнаружению магнитного момента движущейся доменной стенки в сегнетоэлектрике [1].
Прохождение сегнетоэлектрической доменной границы под иглой должно сопровождаться импульсом магнитного поля, действующего на иглу. Поскольку даже при скорости доменной границы 4 км/c, приближающейся к скорости звука в материале, магнитный момент в расчете на кристаллическую ячейку составляет всего несколько десятков миллионных долей магнетона Бора. Для детектирования столь слабого магнитного поля нужно использовать не обычный зонд магнитного силового микроскопа, а сверхчувствительный – на азотзамещенных вакансиях (NV-центрах) в алмазе. С помощью такого метода ранее было визуализировано пространственное распределение слабого ферромагнетизма в спиновой циклоиде феррита висмута, о чем уже рассказывалось в Перст [4]. Заметим, однако, что в том случае детектировались магнитные моменты и поля на 3-4 порядка большие. Хотя авторы [1] и утверждают, что величины магнитных полей находятся в пределах чувствительности метода, обнаружение новой разновидности магнитоэлектрического эффекта на доменных границах, несомненно, представляет вызов для экспериментаторов.

А. Пятаков

1. D.M.Juraschek et al., Phys. Rev. Lett. 123, 127601 (2019).

2. В.Г.Барьяхтар и др, Письма в ЖЭТФ 37, 565 (1983).

3. A.S.Logginov et al., Appl. Phys. Lett. 93, 182510 (2008).

4. ПерсТ 24, вып.19/20, c. 4 (2017).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1002   morozov »

Оптическая спектроскопия на службе плазменных реакторов
Сотрудниками ФИАН в сотрудничестве с ТРИНИТИ, МИФИ и МГУ развивается цикл исследований по созданию новых принципов измерений следовых концентраций частиц в неравновесной низкотемпературной плазме эмиссионными и лазерными методами спектроскопии рекордно высокой чувствительности. Эти задачи возникают при разработке различных химических технологий, газовых лазеров, плазменных термоядерных реакторов и др.

В последний период 2017-2019 гг. сотрудниками ФИАН в содружестве с ТРИНИТИ, МИФИ и МГУ решается задача детектирования молекул воды в пристеночной плазме термоядерных реакторов. С одной стороны, вода является и охладителем, и рабочим телом электроразрядного термоядерного реактора, с другой – ее появление даже в ничтожных количествах в реакционной камере препятствует направленному проведению ядерных реакций. Для каждого нового поколения опытных реакторов типа ТОКАМАК, исходя из практики работы с ними, требования к минимально допустимому потоку проникновения молекул через первую стенку конкретизируются и неуклонно повышаются, это многолетняя проблема и тенденция. В проекте нового строящегося Международного реактора ИТЭР требования таковы, чтобы общий поток проникновения молекул в плазменную камеру через первую стенку не превышал Q = 10-7 Па·м3·с-1. Это, в свою очередь, требует разработки адекватных средств контроля. На модельных установках ФИАН в 2014-2017 гг. эта проблема обеспечения необходимой чувствительности была на определенном уровне решена специально разработанными эмиссионными спектральными методами.
Изображение
На фото: Фрагмент установки «Течь» (ФИАН). Эксперимент проводит научный сотрудник Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН, победитель конкурса молодежных научных работ ФИАН 2019 года, кандидат физико-математических наук, Антон Бернацкий
Для тлеющих разрядов поток проникновения контролировался методами лазерной спектроскопии. В их основу была положена особенность спектров радикала гидроксила ОН в неравновесной плазме и использован атом инертного газа (Ar, Kr, Xe) в качестве актинометра. Вместе с тем, не до конца решенным остался ряд вопросов. Из наиболее важных можно отметить, что, во-первых, необходимая чувствительность достигалась по отношению к общему потоку натекания и при условии, что источник (дефект стенки) единственный, а это трудно гарантировать в реальности. Во-вторых, при таких обстоятельствах и достигнутой чувствительности локализация нескольких источников проблематична.

В 2018-2019 гг. ученые продолжили работу над этими проблемами. Текущее положение дел поясняет руководитель работ – главный научный сотрудник Отдела оптики низкотемпературной плазмы, профессор, доктор физико-математических наук Владимир Очкин:
Выход был найден с использованием комбинации новых подходов. Предложен метод, названный нами мультиспектральной актинометрией, когда в качестве актинометров могут использоваться не только частицы с известной концентрацией (инертный газ, как, например, ранее), но и промежуточные частицы, включая радикалы, возникающие в результате плазмохимических превращений молекул воды. Показано, что для диагностики термоядерных реакторов удобными актинометрами могут быть атомы дейтерия, традиционно присутствующие у стенок реактора. Тогда по соотношению линий Бальмера протия и дейтерия может быть восстановлена плотность молекул воды в пристеночном слое. Такой подход мы назвали H/D методом.

Было показано, что чувствительность может регулироваться изменением добавок D2 в плазмообразующий газ при тестировании реактора. Построена схема реакций, для которых расчет хорошо описывает эксперимент. Наличие апробированной на модельной установке расчетной реакционной кинетической схемы позволяет проводить масштабирование результатов на случай, в частности, ИТЭР.

На рисунке 2 показаны примеры результатов измерений и расчетов содержания атомов O, H и молекул H2O в плазме в зависимости от отношения интенсивностей линий Бальмера Hα/Dα (пропорциональных отношению концентраций nH/nD) для двух значений концентраций [D2]0 в исходном плазмообразующем газе. Здесь [H2O] и [H2O]0 обозначают, соответственно, средние концентрации молекул воды в пристеночном слое (8-10 см от стенки) и непосредственно у стенки в зоне дефекта, приводящего к натеканию.
Изображение
Рисунок 2. Концентрации атомов кислорода, водорода и молекул воды в плазме, определенные по соотношению интенсивностей линий Бальмера Hα/Dα~ nH/nD. Точки – измерения, линии – расчет.
1 - [H2O]0, 2 – [H2O], 3–[O], 4 –[H] - при [D2]0=6.75·1014cм-3; 5- [H2O]0, 6 – [H2O], 7 – [H] - при [D2]0=1.35·1015cм-3.
Значения [H2O]0 позволяют определить потоки натекания от единичного источника на стенке на уровне (10-8 – 10-10) Па·м3·с-1. Локализация источника обеспечивается тем, что полный цикл плазмохимических реакций вблизи стенки завершается за время меньшее, чем время диффузионного ухода частиц от источника, и определяется пространственным разрешением оптической системы наблюдения за свечением пристеночной плазмы. В такой ситуации возможной оказывается идентификация не только одиночных, но и множественных (по нашим оценкам около 100) источников по всей поверхности при суммарном потоке натекания молекул в пределах допустимого для реактора в целом.

Гистограмма на рисунке 3 схематически иллюстрирует возможности H/D метода при добавках [D2]=1012 см-3. По оси Z показано произвольное направление вдоль поверхности стенки, по правой верткальной оси – величины [H]/[D], по левой – потоки натекания Н2О в Па·м3·с-1. Вертикальные столбики в поле рисунка обозначают локализацию течи и поток в ней. Выделены три зоны. В зоне I определить локализацию течи и соответствующий ей поток Q затруднительно ввиду малого отношения [H]/[D] при ограниченном динамическом диапазоне детектора спектрометра и слабой светимости в области натекания. Это относится к течи N4. В зоне II дефекты NN 1, 3, 5 и 7 могут быть локализованы и измерены скорости натекания. В зоне III из-за ограниченности динамического диапазона детектора величины потоков натекания измерены быть не могут, но наличие дефектов локализуются по линиям Hα.

Допуская, что все дефекты приводят к течам с сопоставимыми потоками на уровне 10-9 Па·м3·с-1, при обзорном наблюдении стенки реактора ИТЭР и заданном проектом общем максимальном натекании QΣ = 10-7 Па·м3·с-1 может идентифицироваться до 100 течей. Их индивидуальная локализация возможна, если расстояние между ними не менее 10см. Последнее задается реальным пространственным разрешением оптической системы, изображающей внутреннюю стенку реактора.
Изображение

Рисунок 3. Условная гистограмма распределения дефектов и связанных с ними потоков течей молекул воды через стенку из охлаждающего контура. Размерность Q [Pa m3 s-1].
Аналогичный анализ может быть проведен и для других условий с различными вкладами энергий, давлениями Не и D2 в смеси газа, предназначенного для зажигания тестового разряда с целью выявления дефектов. При этом доступный для измерений динамический диапазон потоков отдельных течей может быть изменен. В зависимости от наличия реальных источников он, по результатам пробных экспериментов, может быть адаптирован для поиска течей с широким спектром потоков Qi. В данном случае для иллюстрации на рис.3 авторы ориентировались на некоторые средние реальные ситуации, отвечающие требованиям проекта ИТЭР.

Последние результаты исследований опубликованы в журнале Plasma Sources Science and Technology. 2019, V. 28, No. 10, 105002 (10pp).

На данном этапе работа поддерживается за счет средств гранта Российского Научного Фонда (РНФ), проект № 19-12-00310.



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

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1003   morozov »

Физики экспериментально подтвердили вязкое течение электронов в графене
Изображение
Ученые экспериментально подтвердили теорию жидкоподобного характера движения электронов в графене. Они получили визуализацию движения потока электронов и доказали, что это движение описывается уравнениями гидродинамики. Работа опубликована в журнале Nature.

Ученые давно используют понятие электронной вязкости для теоретического описания движения электронов. Они и раньше полагали, что в определенном режиме (при температуре 50-250 кельвин для графена) электрон-электронное рассеяние может приводить к течениям, напоминающим течение жидкости. Физики подтверждали гипотезу экспериментами по измерению сопротивления таких материалов. Например, сопротивление в электронных «водоворотах» может становиться отрицательным. Однако долгое время им не удавалось найти способ прямого наблюдения за течением электронов.

Группа физиков во главе с Джозефом Сулпизио (Joseph Sulpizio) разработала сверхчувствительный датчик, который способен локально измерять напряжение Холла с достаточной для визуализации точностью. Ученые назвали его одноэлектронным транзистором, этот датчик состоит из сверхчистых карбоновых нанотрубок, в которых поле каждого отдельного электрона измеряется электродом. Измерения, которые ученые проводят таким образом, не оказывают влияния на исследуемые электроны. Сенсор отличается хорошим разрешением при высокой чувствительности. Ученые изучали поток электронов в графене — одном слое атомов углерода, организованных в шестиугольную решетку.

Два эксперимента (при температуре 7,5 и 75 кельвин) показали, что в первом случае движение электронов носит баллистический характер, а во втором — характер течения вязкой жидкости. Разница заключается в скорости распространения. В баллистическом режиме все электроны летят с одинаковыми скоростями, а вот в случае вязкого течения скорость возрастает к центру слоя и значительно падает по его краям — точно так же себя ведет жидкость в трубе. Причем речь идет не просто об аналогии, течение электронов в графене действительно описывают уравнения гидродинамики. Теперь ученые знают три варианта движения электронов в материале (диффузное, баллистическое и вязкое) и имеют экспериментальные методики для четкого определения каждого из них.

Этот эксперимент дает ученым возможность с уверенностью применять все методы гидродинамики (а это довольно старая и хорошо развитая теория) к движению потока электронов в определенных условиях. Методика эксперимента и датчик, который разработали ученые, будут полезны и в других исследованиях. Например, при изучении сверхпроводимости.

С обычными жидкостями физики тоже любят экспериментировать. Так, в начале этого года ученые из Франции и Японии впервые закрутили в антиспираль неосцилляторную среду — пленку минерального масла, свободно вытекающего из резервуара, в дне которого были просверлены круглые отверстия.

Олег Макаров
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1004   morozov »

Ученые смогли передать тепло через вакуум без помощи излучения

Как показал эксперимент, квантовые колебания позволяют совершать теплообмен в вакууме.
Изображение
Xiang Zhang / Univ. of California, Berkeley
Кирилл Панов
12 декабря 2019 15:09

Физики обнаружили, что две крошечные вибрирующие мембраны могут выравнивать свои температуры, несмотря на то, что между ними находится вакуум, через который, как считалось ранее, невозможно передавать тепло без помощи излучения. Данный тип теплопередачи был предсказан, но до сих пор не осуществлялся.

Вакуум является лучшей теплоизоляционной средой. Но квантовая механика позволяет теплу его преодолеть, говорит физик Кинг Ян Фонг, проводивший исследование в Калифорнийском университете в Беркли. Для расстояний в масштабе нанометров тепло может передаваться через вакуум посредством квантовых флуктуаций — своего рода перемешивания переходных частиц и полей, которое происходит даже в абсолютно пустом пространстве.

Изготовленные из золоченого нитрида кремния, мембраны имеют ширину около 300 микрометров. Исследователи охладили одну мембрану и нагрели другую так, что разница их температур составила около 25 градусов Цельсия. Это вызывало вибрацию мембран: чем теплее мембрана, тем энергичнее она вибрирует. Когда мембраны находились в нескольких сотнях нанометров друг от друга, их температуры, несмотря на вакуум, выравнивались — тепло передавалось от одной к другой.

Тепло передается тремя способами: в результате прямого контакта, конвекции и излучения. Для конвекции необходим теплоноситель — жидкость или газ, выступающие в роли посредника между двумя телами. Передача тепла с помощью излучения возможна и в вакууме — так Солнце греет Землю.

Теперь экспериментально был доказан еще один путь передачи тепла, хотя он осуществляется только на очень малых расстояниях. Данная передача тепла основана на эффекте Казимира: квантовые флуктуации создают силу притяжения между двумя поверхностями, разделенными вакуумом. В квантовой механике пустое пространство никогда не может быть по‑настоящему пустым: в нем присутствуют электромагнитные волны, которые могут воздействовать на материалы. В описанном эксперименте две мембраны воздействовали друг на друга: вибрации более горячей заставляли вибрировать более холодную мембрану чаще, из-за чего их вибрации и температуры выровнялись.

Этот новый тип теплопередачи может помочь улучшить характеристики наноразмерных устройств. А тепло — это большая проблема в нанотехнологиях: производительность крошечных микросхем во многом зависит от того, с какой скоростью они способны рассеивать тепло.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1800-4
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34277
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Информация свежая... и не очень

Номер сообщения:#1005   morozov »

Бозе – эйнштейновская конденсация фотонов в двойном потенциале
1 декабря 2019
M. Weitz (Боннский университет, Германия) и его коллеги выполнили эксперимент, в котором фотоны в необратимом процессе переходили в расщеплённое состояние конденсата Бозе – Эйнштейна. Применялся микрорезонатор, состоящий из зеркал специальной формы, так что в центре резонатора для фотонов создавался удерживающий потенциал с двумя минимумами, расположенными на расстоянии 13 мкм друг от друга. Между зеркалами находился раствор красителя, молекулы которого могли переизлучать фотоны лазерного излучения, что давало возможность охлаждать фотонный газ до комнатной температуры. Фотоны накапливались в минимумах потенциала и могли туннелировать между ними, а потери фотонов, делающие процесс необратимым, компенсировались их потоком извне. В двойном потенциале фотоны были разделены по форме своей волновой функции, которая могла быть симметричной или антисимметричной. Наблюдение выходящего излучения показало, что фотоны заполняли несколько низших энергетических уровней в резонаторе, а примерно 1200 фотонов испытывали переход в состояние бозе – эйнштейновского конденсата. Бозе-эйнштейновский конденсат фотонов впервые был получен M. Weitz и его коллегами в 2010 г. Источник: Science 366 894 (2019)

Эволюция топологического узла
1 декабря 2019
Топологические дефекты различных типов исследуются как теоретически, так и экспериментально в различных областях физики. В бозе – эйнштейновском конденсате частиц с ненулевым спином топологические дефекты должны быть весьма разнообразны благодаря множеству возможных способов нарушения симметрии. О наблюдении топологического дефекта типа узла в бозе – эйнштейновском конденсате частиц со спинами 1 уже сообщалось в 2016 г. в работе D.S. Hall (Амхерстский колледж, США) и соавторов. T. Ollikainen (Университет Аалто, Финляндия) и его коллеги выполнили новый эксперимент, в котором исследована эволюция узла в бозе – эйнштейновском конденсате атомов 87Rb, имеющих спин 1, в оптической дипольной ловушке. Топологический узел (зацепленные кольца намагниченности) создавался с помощью квадрупольного магнитного поля. После образования узла магнитное поле в ловушке переключалось на однородное, и узел начинал распадаться. После его распада возникала конфигурация, в которой доля ферромагнитной фазы нарастала от немагнитного центра к периферии, и затем возникал спиновый вихрь с полярным ядром, который оставался стабильным в течение нескольких секунд. Возможно, что превращение топологических дефектов в вихри является достаточно универсальным процессом. Источник: Phys. Rev. Lett. 123 163003 (2019)

Атомный гравиметр с удержанием атомов
1 декабря 2019
Атомные интерферометры нашли широкое применение в гравиметрии и в фундаментальных исследованиях, но их точность ограничена малым временем свободного падения атомов и влиянием помех. Группой исследователей из Калифорнийского университета в Беркли (США) продемонстрирован новый тип атомного гравиметра. Главным его отличием является удержание атомов в оптической решётке в верхней точке траектории. Атомы цезия, охлаждённые до ≈ 300 нК, с помощью лазерных импульсов переводились в квантовую суперпозицию различных траекторий движения. Оптическая решётка, создаваемая лучами лазера, включалась, когда атомы были на вершине траектории, а измерения разностей фаз производилось после адиабатического выключения потенциала решётки. Удержание атомов в решётке в течение ≈ 20 с позволило сделать гравиметр очень компактным, т.к. полный путь атомов в нём составляет всего 2 мм. Это позволило также преодолеть одну из главных помех, связанную с вибрациями, уменьшив её влияние на 3-4 порядка. Гравиметры нового типа могут найти применение в поиске полезных ископаемых и в исследовании теорий гравитации. Источник: Science 366 745 (2019)

Наблюдение антирезонанса Фано с помощью электронной спектроскопии
1 декабря 2019
Резонансом Фано называется интерференция различных волновых процессов, ведущая к асимметрии спектральных линий. Резонанс и антирезонанс Фано ранее наблюдались в ряде оптических и других экспериментов (см., например, УФН 127 621 (1979) и УФН 189 881 (2019)). K.C. Smith (Вашингтонский университет, США) и соавторы впервые выполнили успешные наблюдения антирезонанса Фано с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа с коррекцией аберрации. Исследовались димеры, состоящие из золотого диска диаметром в сотни нм и золотого стержня длиной 5 мкм, расположенного на расстоянии 50 нм от края диска. Плазмонный спектр диска в ≥ 10 раз шире, чем спектр стержня, а электромагнитная связь между ними была слаба. Эти условия как раз необходимы для возникновения антирезонанса Фано. Измеренные электронные спектры димеров показывают наличие антирезонанса Фано и хорошо соответствуют теоретической модели, разработанной авторами эксперимента. В этой модели, по сравнению с обычным описанием резонанса Фано, учитываются также диссипативные эффектов. Одним из факторов успеха данного эксперимента стало применение монохроматоров нового поколения, расширяющих возможности электронной спектроскопии. Источник: Phys. Rev. Lett. 123 177401 (2019)

Согласованность данных в космологии
1 декабря 2019
В последние годы космология пришла в целом к самосогласованной картине, когда все данные наблюдений хорошо соответствовали друг другу, что привело к утверждению стандартной плоской ΛCDM космологической модели. Однако недавно было отмечено расхождение на уровне 6 % в значениях постоянной Хаббла, полученных из различных данных. Возможно, это расхождение является результатом каких-то неучтенных погрешностей в измерениях. Еще одно расхождение выявлено в наблюдениях реликтового излучения космическим телескопом Планк (набор данных Planck Legacy 2018). Отмечается увеличенной амплитуды линзирования по сравнению с предсказываемой в ΛCDM-модели. Данные Planck Legacy 2018 отдают некоторое предпочтение закрытой ΛCDM+ΩK модели с положительной пространственной кривизной. Однако предположение о закрытой Вселенной приводит к ещё большему расхождению в других наборах данных. Это отметили в своей работе E. Di~Valentino, A. Melchiorri и J. Silk. Они показали, что хотя положительная кривизна объясняет аномальную амплитуду линзирования, при этом нарушается согласованность других наборов данных (параметров барионных акустических осцилляций и др.), относящихся, в основном, к относительно близкой области Вселенной на z < 3. Для прояснения сложившейся ситуации требуются дальнейшие исследования. Если указанные расхождения, большинство из которых имеют порядок 3 σ, не являются следствием статистической флуктуации или погрешностей измерений, то они могут свидетельствовать о новых интересных физических эффектах в космологии. Источник: Nature Astronomy, онлайн-публикация от 4 ноября 2019 г.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»