Содействие - исключение из 3-го закона Ньютона.

Амальгама

Информация о пользователе

Привет, Гость! Войдите или зарегистрируйтесь.


Вы здесь » Амальгама » Физика » Лента новостей - Физика


Лента новостей - Физика

Сообщений 31 страница 60 из 71

1

Настоящим информирую, что данный топик предназначен лишь для опубликования текстов (заголовков) новостей со ссылками на источник. От комментариев категорическая просьба воздержаться и создавать в необходимых случаях отдельные топики для обсуждения существа сообщений текущей темы.

+1

31

32

33

34

35

36

37

38

39

Вихрь разрезали на дольки

0

40

Физикам из Германии удалось использовать свет для управления свойствами молекулы. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Advanced Science, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте Констанцского университета.

Физики создали световой переключатель из одной молекулы. Она связывает два золотых нанопровода и способна менять свои проводящие свойства при воздействии на нее светом. По словам ученых, они впервые смогли ввести одиночную молекулу в электрическую цепь и управлять ее проводимостью.

Добиться изменения проводимости ученым удалось благодаря тому, что при облучении светом исходная молекула переводится в одну из своих изомерных форм.

Размеры молекулы не превышают трех нанометров, что особенно актуально, учитывая тенденцию к миниатюризации чипов. Работы над молекулой велись в течение последних трех лет. Однако, как отмечают авторы исследования, пока они научились только включать проводящие свойства молекулы, но не выключать их.

С аналогичной задачей десять лет назад справились нидерландские ученые, которые смогли выключать проводящие свойства молекулы, но не включать их. Немецкие физики надеются, что им удастся соединить результаты двух научных групп и научиться не только включать, но и выключать проводимость молекул.

Как отмечают исследователи, данное открытие может найти применение в реальных устройствах, поскольку все компоненты их установки достаточно легкодоступны.

0

41

42

43

44

45

46

47

Мозаика не ручной работы

В современной физике при проведении экспериментов и наблюдении на человеческий глаз давно не полагаются. Большинство процессов, которые интересуют научную общественность сегодня, происходят либо во вселенских, либо в микроскопических масштабах, и в обоих случаях недоступны для человеческого восприятия. Поэтому особенно важным направлением сегодня является создание детекторов, которые способны были бы не только уловить происходящие процессы, но и представить их в доступном для человеческого восприятия виде.

Над этой задачей в разных вариантах постоянно работают многие учёные мира, стараясь обострить восприятие «электронных глаз». Среди них – совместная группа Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и Томского государственного университета под руководством Георгия Шелкова и Олега Толбанова.

Уже не первый год коллаборация занимается созданием полупроводникового пиксельного детектора для регистрации элементарных частиц. Исследователи успешно освоили в качестве материала детектора арсенид галлия – химическое соединение галлия и мышьяка. По сравнению с обычным кремнием, который используется в большинстве детекторов, этот материал в несколько раз лучше регистрирует гамма-кванты. А в медицинской аппаратуре, например, это означает в несколько раз меньшую дозу облучения, получаемую пациентом при обследовании.

Арсенид галлия давно и хорошо известен и широко применяется в радиоэлектронике при производстве высокочастотных радиодеталей, однако детекторы элементарных частиц на его основе долго не удавалось сделать. Томскому коллективу под руководством профессора О.П. Толбанова удалось модифицировать арсенид галлия и придать ему нужные свойства. Пока только ТГУ обладает уникальной технологией производства подобного материала.

Несколько лет назад учёным из Томска и Дубны в сотрудничестве с европейскими коллегами удалось сделать единичный детектор – квадратную пластинку со стороной 14 мм, на которой нанесены более 65 тысяч пикселей. Зазор между пикселями очень мал, что позволяет получать при помощи такого детектора практически непрерывное изображение.
...

0

48

Графеновую бумагу впервые сделали прозрачной

Группа китайских химиков впервые получила прозрачную графеновую бумагу. Изготовленные на ее основе суперконденсаторы оказались на порядок более емкими, чем их предшественники из других прозрачных материалов. Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Nano Letters.

Для синтеза графеновой бумаги исследователи использовали плазменно-химическое осаждение из газовой фазы. Кроме метана — источника углерода для графена, — в газовую фазу также добавляли хлорид натрия (поваренную соль). Он выступал в качестве подложки, на которой росли графеновые структуры, напоминавшие по виду полые призмы.

Такой подход позволил химикам решить главную проблему, связанную с получением таких материалов — отслаивание его от подложки. Авторы отделяли графен от полученной многослойной структуры при помощи бритвенного лезвия. В результате получились светло-коричневые прозрачные полоски, на вид слегка "сморщенные".

Исследование механических и электрических свойств показало, что материал способен выдерживать вплоть до 1000 циклов сжатия и растяжения без изменения своих характеристик. Удельная емкость суперконденсатора, полученного из двух листов графеновой бумаги, составила около 3,3 миллифарад на квадратный сантиметр. Такое устройство выдерживает более 20 тысяч циклов перезарядки, теряя менее 5% своей емкости.

Авторы предполагают, что кроме прозрачных суперконденсаторов полученный ими материал может найти применение в солнечных батареях на основе красителей. Высокая пористость графеновой бумаги обеспечит возможность разместить в ней большое количество вещества красителя.

0

49

IceCube собрал 137 космических нейтрино

0

50

51

IBM создали умеющий детектировать внутренние ошибки квантовый чип

Инженеры исследовательского подразделения компании IBM разработали архитектуру сверхпроводящего чипа для квантового компьютера, в котором решена проблема детекции внутренних ошибок. Масштабирование предложенной исследователями четырехкубитной схемы открывает возможности создания больших вычислительных систем. О разработке сообщает пресс-релиз на сайте IBM, а статья описывающая особенности функционирования чипа появилась в журнале Nature Communications.

Квантовые компьютеры — вычислительные системы, использующие вместо классических битов квантовые. Кубиты (от quantum bits, квантовые биты), в отличие от битов, могут находиться в суперпозиции двух состояний, это означает, что при измерении их состояния с некоторой известной вероятностью будет получено значение «0» или «1».

Сравнение сложности классического (фиолетовое) и квантового (черное) разложения на простые множители

В ряде вычислительных алгоритмов использование кубитов вместо битов позволяет значительно уменьшить сложность вычислений, классическим примером этого является алгоритм Шора. Он позволяет разложить натуральное число n на простые множители за время порядка полинома от lg (n), в отличие от классических алгоритмов, требующих времени порядка n1/3. Эти вычисления актуальны для взлома шифрования RSA, использующего в качестве ключа произведение двух больших простых чисел. Их произведение является открытой частью ключа, но разложить его на множители — задача непосильная обычному компьютеру за разумное время.

Главной проблемой квантовых вычислений являются ошибки, возникающие в квантовых системах под действием различных факторов. Существует два вида таких ошибок: bit-flip, или смена бита (вызывает смену «0» и «1» в кубите) и  phase flip — фазовый сбой, нарушающий суперпозицию состояний (изменяющий вероятность выпадения «0»). Ранее исследователи смогли создать устройство корректирующее смену бита на основе кубитов, расположенных в одну линию. Однако, по словам авторов работы, для обнаружения фазового сбоя необходимо, чтобы кубиты были размещены в двухмерном массиве. Это и удалось проделать инженерам IBM.

Четыре кубита проверяют свое состояние следующим образом: они разбиты на пары, одна пара проверяет другую, причем первый кубит из пары проверяет на наличие фазового сбоя, а второй — на смену бита. Эта проверка осуществляется не нарушая квантового состояния системы. Задача, которую осталось решить инженерами, состоит в корректировке найденных ошибок. По словам директора института квантовых вычислений Университета Ватерлоо, Рэймонда Лафламма, это может быть сделано лишь на большей по размерам сетке кубитов.

0

52

Изотопный сепаратор HIE-ISOLDE поможет изучить сверхновые второго типа

Инженеры CERN установили фрагмент нового сепаратора для неустойчивых изотопов, содержащих слишком много или наоборот слишком мало нейтронов. Он позволит получать интенсивные пучки частиц, необходимые для изучения процессов в широком спектре областей: от астрофизики до ядерной медицины. О новом приборе HIE-ISOLDE сообщает пресс-релиз организации.

Прибор будет работать в тандеме с протонным синхротроном (PS Booster) — одним из церновских ускорителей протонов на небольшие энергии. Пучок протонов из него направляется в специальные мишени, производя тем самым большое количество различных ядерных фрагментов. REX-ISOLDE, предшественник новой установки — изотопный сепаратор, разделяющий эти фрагменты по соотношению их зарядов и массы. Благодаря ему ученые получают в свое распоряжение чистый пучок изотопов с энергиями до 3 мегаэлектрон-вольт на один нуклон (протон или нейтрон), позволяющий исследовать ядерные реакции в экзотических системах.

Используя его, ученые за первые 10 лет работы установки синтезировали около 700 изотопов более 70 элементов. Новый прибор, HIE-ISOLDE (High Intensity and Energy ISOLDE), позволит получить более интенсивные пучки высокоэнергетичных частиц, расширяя спектр исследуемых реакций. Установленный сепаратор — первый из четырех, позволяющих в сумме увеличить энергию пучка вплоть до 10-15 мегаэлектрон-вольт/нуклон.

Ключевые компоненты нового прибора — это ускорительные модули, состоящие из пяти сверхпроводящих резонаторов, которые сильным электрическим полем разгоняют пролетающие ядра до энергий вплоть до 4,3 мегаэлектрон-вольт/нуклон с помощью сверхпроводящих магнитов. Разработка этой системы потребовала несколько лет на проектирование и несколько месяцев на сборку в чистой комнате. Транспортировка и установка прибора произошла в субботу, 2 мая.

Один из будущих экспериментов (PDF) — исследование спектроскопических свойств изотопов 18N, образующихся в результате быстрого захвата нейтронов во время взрывов сверхновых второго типа, иначе называемого r-процессом. До установки нового модуля его проведение было невозможно, поскольку требовало получения частиц высоких энергий. По мнению ученых, данные эксперимента позволят лучше понять количественные характеристики этих явлений и прояснить механизм формирования 18N из 17N.

0

53

Микроскопические частицы научились двигаться против течения

Физики из Университета Нью Йорка создали микроскопические частицы, которые при наличии в растворе нужного реагента способны самостоятельно плыть против течения жидкости. Описание технологии опубликовано в журнале Science Advances, кратко о работе можно прочитать на сайте Science.

Частицы представляют собой пластиковые сферы, внутрь которых погружены кристаллы оксида железа – гематита. Большая часть кристаллов закрыта пластиком, но одной своей стороной гематит контактирует с раствором. В роли топлива, которое позволяет частице активно двигаться, выступает перекись водорода, H2O2. Движение возникает за счет того, что разложение перекиси происходит только с одной стороны частицы. При этом вокруг нее возникает химический градиент, который провоцирует осмотический ток, толкающий частицу в ту сторону, куда «смотрит» гематит. В капилляре гематит всегда направляется вперед по течению, в результате чего у частицы и возникает положительный реотаксис – движение против течения.

В нескольких экспериментах ученые показали, что перекиси для активного движения частиц нужно около 3-5 процентов от объема раствора. В таких условиях частицы развивают скорость около 8 микрометров в секунду, причем она прямо пропорциональна скорости движения потока. Движением частиц легко управлять, включая либо выключая облучение их голубым светом.

Ранее ученые уже использовали реакцию разложения перекиси для создания активно движущихся микрочастиц. Например, недавно были продемонстрированы микроскопические цинковые цилиндры, которые в растворе перекиси начинают двигаются реактивно, оставляя за собой след из кислородных пузырей. Главным отличием новых частиц от таких «микроракет» является даже не иной механизм движения, а его направленность против потока в каппиляре. До сих пор искусственных частиц с положительным реотаксисом создать не удавалось, хотя само явление широко распространено в природе. Его демонстрируют многие бактерии – например те, что вызывают инфекцию мочеполовой системы. Авторы новой технологии полагают, что реотаксические микрочастицы можно будеть использовать для направленной доставки лекарств или в ходе ликвидации разливов нефти.

0

54

Российские учёные приблизились к созданию эффективного способа получения запутанных фотонов

Группа ученых Университета ИТМО предложила использовать гиперболические метаматериалы для управления сложными нелинейными процессами спонтанного излучения фотонов, сообщается. Разработанный подход поможет в дальнейшем создать мощный источник связанных фотонов для применения в квантовой криптографии и телепортации. О результатах исследования ученые сообщили на этой неделе в журнале Physical Review Letters.

Гиперболические метаматериалы представляют собой искусственные структуры, которые сочетают в себе ряд необычных электромагнитных свойств, как правило, не встречающихся в природе. В последнее время гиперболические метаматериалы пользуются повышенной популярностью у ученых благодаря своей способности сильнейшим образом воздействовать на скорость протекания процессов спонтанного излучения фотонов. Так, если расположить вещество на подложке из гиперболического метаматериала, скорость самопроизвольного испускания фотонов в этом веществе заметно повысится.

До сих пор большинство исследований этого эффекта было сосредоточено на линейных процессах спонтанного излучения, заключающихся, к примеру, либо в простом поглощении фотона атомом, либо в простом испускании фотона атомом. В работе ученые впервые показали, что более сложные нелинейные процессы, такие как рассеяние фотонов на электронах или двухфотонное излучение, видоизменяются еще сильнее вблизи гиперболических метаматериалов.

Свое предположение ученые проиллюстрировали на примере комптоновского рассеяния, в котором фотон при столкновении с электроном передает ему часть энергии, что приводит к сдвигу в длине волны рассеянного фотона. Из полученных результатов следует, что если этот процесс перенести в среду из гиперболического метаматериала, то сдвиг частоты, а также скорость процесса можно увеличить в тысячи раз.

«Наблюдаемый эффект обусловлен тем, что гиперболические метаматериалы отличаются высокой плотностью фотонных состояний. Именно эта величина определяет, как и с какой скоростью могут потенциально распространяться фотоны при спонтанном излучении. Нам удалось выяснить, что на нелинейные процессы повышенная плотность фотонных состояний влияет значительно больше, чем на линейные, что заметно повышает прикладную ценность эффекта», – прокомментировал научный сотрудник ИТМО Иван Иорш.

Группа также занимается исследованием воздействия гиперболических метаматериалов на другой нелинейный процесс – двухфотонное рассеяние, важное явление в квантовой оптике, при котором рассеянные фотоны образуют запутанные пары. Этот процесс имеет потенциал для создания систем квантовой криптографии и телепортации, однако, его применение затрудняется практическим отсутствием источников такого излучения, поскольку двухфотонное испускание в нормальных условиях – очень маловероятный процесс. С использованием гиперболических метаматериалов эффективность создания запутанных фотонов возрастет многократно, что откроет новые возможности в практическом применении явления квантовой запутанности.

0

55

Что такое голографическая Вселенная?

Недавно физики представили расчеты, согласно которым пространства с плоской метрикой (а это в том числе и наша Вселенная) могут быть голограммами. В своей работе авторы использовали идею AdS/CFT-соответствия (anti-de Sitter / conformal field theory correspondence) между конформной теорией поля и гравитацией. На частном примере такого соответствия ученые показали эквивалентность описания этих двух теорий. Так что же такое голографическая Вселенная и при чем тут черные дыры, дуальность и теория струн?

В основе этой работы лежит так называемый голографический принцип, утверждающий, что для математического описания какого-либо мира достаточно информации, которая содержится на его внешней границе: представление об объекте большей размерности в этом случае можно получить из «голограмм», имеющих меньшую размерность. Предложенный в 1993 году нидерландским физиком Герардом'т Хоофтом принцип применительно к теории струн (называемой также M-теорией или современной математической физикой) воплотился в идее AdS/CFT-соответствия, на которое в 1998 году указал американский физик-теоретик аргентинского происхождения Хуан Малдасена.

В этом соответствии описание гравитации в пятимерном пространстве анти-де Ситтера — пространстве отрицательной кривизны (то есть с геометрией Лобачевского) — при помощи теории суперструн оказывается эквивалентным некоторому пределу четырехмерной суперсимметричной теории Янга-Миллса, определенной на четырехмерной границе пятимерия. В несуперсимметричном случае четырехмерная теория Янга Миллса составляет основу Стандартной модели — теории наблюдаемых взаимодействий элементарных частиц. Теория же суперструн, базирующаяся на предположении существования на планковских масштабах гипотетических одномерных объектов — струн — описывает пятимерие. Приставка «супер» при этом означает наличие симметрии, в которой у каждой элементарной частицы имеется свой суперпартнер с противоположной квантовой статистикой.

Эквивалентность описания означает, что между наблюдаемыми теориями существует однозначная связь — дуальность. Математически это проявляется в наличии соотношения, позволяющего рассчитать параметры взаимодействий частиц (или струн) одной из теорий, если известны таковые для другой. При этом никакого другого способа это сделать для первой теории нет. Идею дуальности и голографический принцип иллюстрируют два примера, демонстрирующие удобство таких аналогий при описания явлений в масштабах от элементарных частиц до вселенной. Вероятно, такое удобство имеет фундаментальные основания и является одним из свойств природы.

Первый пример — дуальность описания черных дыр и конфайнмента кварков («невылетания» кварков — элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях — адронов). Опыты по рассеиванию на адронах других таких частиц показали, что они состоят из двух (мезоны) или трех (барионы — таких, как например, протоны и нейтроны) кварков, которые не могут находиться, в отличие от других элементарных частиц, в свободном состоянии.

Такая ненаблюдаемость кварка видна в компьютерных расчетах, однако теоретического обоснования пока не имеет. Математическое формулировка этой задачи известна как проблема «массовой щели» в калибровочных теориях, и это одна из семи задач тысячелетия, сформулированных институтом Клэя. К настоящему моменту только одну из сформулированных задач (гипотезу Анри Пуанкаре) удалось решить — это сделал более десяти лет назад российский математик Григорий Перельман.

При удалении друг от друга взаимодействие между кварками только усиливается, тогда как при приближении их друг к другу — слабеет. Это свойство, названное асимптотической свободой, предсказали американские физики-теоретики и лауреаты Нобелевской премии Фрэнк Вильчек, Дэвид Гросс и Дэвид Политцер. Теория струн предлагает эффектное описание этого явления с использованием аналогии между «невылетанием» частиц из-под горизонта событий черной дыры и удержанием кварков в адронах. Однако такое описание приводит к ненаблюдаемым эффектам и поэтому применяется лишь в качестве наглядного примера.

Другой пример — соотношение, согласно которому энтропия черной дыры пропорциональна квадрату площади ее горизонта событий — области пространства, откуда попавшее в черную дыру тело (исключая квантовые эффекты и возможное существование червоточин) выбраться никогда не сможет. Израильский физик Яков Бекенштейн показал это в 1972 году, исходя из физических соображений, а его выводы два года спустя уточнил англичанин Стивен Хокинг. Получается, что, зная информацию только о границе черной дыры (площадь горизонта событий), можно определить ее внутреннюю характеристику — энтропию, являющуюся мерой неупорядоченности внутреннего состояния системы.

Дуальности и голографический принцип, реализованные как AdS/CFT-соответствие, пока не нашли точного математического обоснования, а большинство моделей, с которыми работают физики-теоретики, относятся к специфическим пространствам и взаимодействиям. Однако остается надежда, что с течением времени гравитация и Стандартная модель физики частиц получат универсальное описание в реальных пространствах, и, скорее всего, это произойдет именно в теории струн.

0

56

Физики построили универсальную модель воды

Исследователи из Национальной физической лаборатории (NPL) Великобритании, Эдинбургского университета и IBM заявили, что им удалось создать модель воды, в которой глобальные свойства жидкости выводятся из ее локального устройства. С соответствующей работой можно ознакомиться в Proceedings of the National Academy of Sciences, а с ее кратким пересказом – в пресс-релизе NPL.

В 1900 году немецкий физик Пауль Друде предложил для описания свойств металлов модель, которая позже была названа его именем. В этой модели использовалась классическая кинетическая теоремя - электроны представляли собой твердые шарики, которые сталкиваются между собой и натыкаются на сравнительно массивные ионы. Позже модель была доработана Хендриком Лоренцом, поэтому иногда ее называют моделью Друде-Лоренца. Несмотря на простоту, эта модель способна описать эффект Холла, удельную проводимость, теплопроводность в металлах и многое другое.

В начале XXI века модель Друде была доработана для нужд моделирования взаимодействия молекул, например, в биологии - возникла так называемая частица Друде или осциллятор Друде. В новой схеме к модельным атомам (твердые сферы) с помощью пружинок присоединяются безмассовые частицы с дробным электрическим зарядом. Динамика взаимодействия молекул, таким образом, оказывается связана с колебанием этих самых частиц вокруг атомов. Такие модели способны демонстрировать, например, эффект поляризации. В середине 2000-х их применяли для создания довольно удобных для вычислений молекул воды.

В рамках новой работы исследователи во главе с Владом Соханом (Vlad Sokhan) из NPL применили для описания молекул воды квантовые осцилляторы Друда - следующую итерацию классической модели, основанной на частице Друда, в которой вместо классических осцилляторов подставлены квантовые. Для учета глобальных эффектов ученые использовали разветвленную сеть водородных связей.По их словам, в рамках их модели свойства жидкой воды возникают естественным образом при нормальных условиях.

Вода обладает целым рядом необычных свойств, нетипичных для других жидкостей и играющей важнейшую роль в химических и биологических процессах. Так, максимум ее плотности достигается при температуре в 4 градуса Цельсия (выше точки замерзания), позволяя водоемам замерзать сверху вниз, что позволяет их обитателям выживать зимой.

На данный момент многие из особенностей воды, благоприятные для известных форм жизни, с теоретической точки зрения остаются недостаточно ясными. Предпринимались многочисленные попытки понять, как именно молекула такой сравнительной простоты может вести себя столь сложным и необычным образом в широком диапазоне давлений и температур. Однако пока все разработанные учеными модели успешно описывали поведение этой жидкости только для каких-то конкретных диапазонов температуры и давлений.

Новая модель, разработанная группой Сохана, претендует на первое полноценное решение этой проблемы, охватывающее свойства воды от точки фазового перехода газ-жидкость до ее критической точки (374 градуса Цельсия при давлении 218 атмосфер). Ранее в этом году исследователи уже использовали эту модель для описания молекулярной структуры поверхности жидкой воды, соответствующая работа была опубликована в Physical Chemistry Chemical Physics.

0

57

Атомы меди на ощупь оказались «бубликами»

Физики из Университета Регенсбурга и Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене обнаружили, что АСМ-изображения атомов меди и железа, адсорбированнх на медной поверхности, напоминают бублики. Это означает, что такие атомы слабее отталкивают «ощупывающий» зонд микроскопа в центре по сравнению с периферией. Такой результат можно назвать неожиданным, так как полученные похожим методом более ранние изображения имели форму обычных пиков. Статья, посвященная исследованию, опубликована в журнале Science.

Для получения сканов в различных методах сканирующей зондовой микроскопии используется специальная игла. Она помещается над образцом и «ощупывает» его. Прибор фиксирует параметры взаимодействия зонда с образцом — это могут быть механическое отталкивание, как в атомно-силовой микроскопии, сила тока, протекающего между иглой и образцом — как в туннелирующей микроскопии, или магнитные взаимодействия. Чем меньше радиус закругления острия, тем качественнее получается изображение.

Авторы работы использовали иглу, на кончике которой была закреплена единичная молекула угарного газа — CO. Подобный подход ранее уже позволял получать сканы атомного разрешения органических молекул.

Полученные АСМ-изображения атомов, адсорбированных на медной подложке (E, G, I — атомы Cu, Cu и Fe на грани меди 111, 110 и 111 соответственно). F,H, J — рассчитанная плотность распределения зарядов в атомах, соответствующая гибридизованным электронным состояниямMatthias Emmrich et al./Sciencexpress, 2015

При исследовании атомов меди, расположенных на поверхности медной подложки, оказалось, что их профиль представляет собой не выпуклую полусферу, чего можно было бы ожидать, а имеет тороидальную форму. Ранее исследователи из Института Физики Твердого Тела РАН уже получали сканы субатомного разрешения родственным методом — сканирующей туннельной микроскопией. Однако полученные ими картины представляли собой наборы «бугорков», а не «бубликов».

Авторы нового исследования связывают необычность полученной формы атомов с тем, что на силы, отталкивающие зонд, оказывает сильное влияние симметрия орбиталей. Отличие атомно-силовых изображений от получаемых с помощью туннельной микроскопии связанно с различием в наблюдаемых явлениях. В методе последнем методе туннелирование электрона происходит из зоны Ферми, а микроскоп следит за силой туннельного тока, и строит изображения основываясь на ней. Атомно-силовая же микроскопия при таких разрешениях определяет силу отталкивания электронных оболочек атомов образца от атомов зонда.

Это не первый случай использования атомно-силовой микроскопии для визуализации субатомных структур. Ранее этим же методом уже удавалось получить изображения атомов кремния в кристалле.

0

58

Гипотезу о хамелеонном происхождении темной энергии проверят с помощью нового сенсора

Физики из Нидерландов и Франции создали сверхчувствительный датчик сил, с помощью которого лабораторная проверка гипотезы о «хамелеонном» происхождении темной энергии выйдет на новый уровень. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review D и выложенная в архив е-принтов, описывает параметры сенсора и потенциальные возможности эксперимента.

Одна из важных черт современной физической картины мира — это связь явлений, протекающих на совершенно разных масштабах. Темная материя и темная энергия, управляющие нашей Вселенной на галактических масштабах, оказываются связанными с устройством микромира на мельчайших расстояниях. А проверять эту связь, оказывается, можно в сверхчувствительных лабораторных установках, размеры которых отстоят на много порядков и от мира элементарных частиц, и от галактических масштабов.

Одно из направлений таких исследований — поиск новых видов взаимодействий между макроскопическими телами. Это гипотетические силы, которые не сводятся ни к электромагнитным взаимодействиям, ни к гравитации, ни, разумеется, к слабым и сильным взаимодействия, которые действуют только на ядерных масштабах, — а представляют собой нечто совершенно новое. Если подобная «пятая сила» будет обнаружена экспериментально, это станет по-настоящему революционным открытием. Многочисленные эксперименты по проверке закона всемирного тяготения Ньютона в надежде найти отклонения от него на субмиллиметровых расстояниях — как раз из этой серии.

«Пятые силы» могут быть связаны с микромиром или, наоборот, с эволюцией Вселенной. Например, в 2004 году была предложена теория так называемого «хамелеонного поля». Хамелеонным оно было названо потому, что его свойства словно мутируют в зависимости от материального окружения, от того, в какой именно среде мы его изучаем. В вакууме это поле приводит к дальнодействующим силам; в частности, именно оно может являться темной энергией и причиной ускоряющегося расширения Вселенной. Но в плотном веществе оно может стать короткодействующим с радиусом влияния порядка миллиметра или меньше (подробнее об этой теории можно прочитать в недавнем обзоре Джастина Хоури).

Получается, что сила, вызванная действием хамелеонного поля между двумя телами, выглядит как искаженная разновидность гравитации. В вакууме она почти неотличимая от настоящей гравитации, но если пространство между телами заполненно веществом, ее сила ослабевает. Все обычные лабораторные эксперименты по проверке закона всемирного тяготения Ньютона проводятся в вакууме, и они для проверки этой теории не подходят. Для этого тела надо бы поместить в газовую среду, но обычные установки типа крутильного маятника в таких условиях работать не смогут.

Для этой цели вот уже несколько лет разрабатывается эксперимент Cannex. Ключевым элементом установки будет созданный недавно сверхчувствительный механический сенсор; он и был описан в опубликованной на днях статье. Сенсор представляет собой тонкую спиральную структуру, которая вырезается лазером из кремниевой пластины. Эта спираль держит на весу центральный участок размером примерно в сантиметр. Позади сенсора находится закрепленная металлическая пластина, которая вместе с центральным участком образует конденсатор. Сила, действующая на центральный участок, выдавливает его из плоскости мембраны и слегка изменяет емкость конденсатора, а она уже измеряется с очень высокой точностью.

Получившийся подвес оказался настолько чувствительным, что он позволит почувствовать силу всего в 0,1 пиконьютона. Для сравнения, песчинка, лежащая на чашке весов, давит на нее с силой в десятки миллионов раз больше. Сама пластинка при этом смещается из плоскости мембраны всего на 1 пикометр, что в сотни раз меньше размера атома. Тем не менее, даже такое мизерное смещение регистрируется датчиком.

Авторы рассчитывают, что, измеряя взаимодействие между двумя пластинками площадью в 1 кв. см на расстоянии десятки микрон, сенсор сможет существенно, на несколько порядков, улучшить нынешние экспериментальные ограничения на силу хамелеонного взаимодействия. Кстати, существующие ограничения были получены год назад с помощью ультрахолодных нейтронов, что представляет собой еще один пример связи микромира, лабораторных экспериментов и явлений вселенских масштабов. Любопытно также, что, в отличие от других гипотетических сил, это хамелеонное поле не может быть произвольно слабым, ведь в теории оно ответственно за темную энергию. Поэтому появляется шанс в будущем полностью проверить — т.е. подтвердить или полностью закрыть — эту модель. Кроме того новый датчик позволит провести и другий сверхчувствительные измерения, — начиная от эффекта Казимира на больших расстояниях и до сейсмометрии, — которые прежним установкам были не под силу.

0

59

В грозовых тучах нашли антиматерию из неясного источника

Группа физиков во главе с Джозефом Дуайером (Joseph Dwyer) из Университета Нью-Гемпшира (США) выяснила, что внутри грозового облака встречаются «облачка» античастиц. Однако ни один известный на данный момент источник антиматерии не может быть признан ответственным за их появление, отмечают исследователи в своей статье, готовящейся к выходу в Journal of Plasma Physics. С ее кратким изложением можно ознакомиться на Nature News.

В августе 2009 года самолет Gulfstream V, оборудованный детектором частиц, из-за ошибки пилотов взлетел в грозовое облако. Присутствовавший на борту Дуайер позднее проанализировал записи детектора, и совместно с коллегами установил, что в момент пролета через облако было зафиксировано три всплеска гамма-излучения длительностью по 0,2 секунды с энергией 511 килоэлектронвольт. Такие всплески соответствуют реакции аннигиляции обычного электрона и его античастицы, позитрона. Также было зафиксировано гамма-изучение несколько меньших энергий, которое группа Дуайера приписала гамма-лучам, потерявшим часть своей энергии во время прохождения через атмосферу. Для объяснения этих наблюдений требовалось, чтобы самолет окружало облачко античастиц диаметром в 1-2 километра.

На данный момент неясно, какой именно источник мог породить позитронное облако таких размеров. Электроны грозовых разрядов могут быть ускорены до околосветовых скоростей и породить гамма-излучение высоких энергий, которое, при попадании в ядра атомов воздуха, способно генерировать электрон-позитронные пары. Однако это объяснение нельзя назвать удовлетворительным, поскольку гамма-лучи высоких энергий, способные породить такие пары, зарегистрированы не были.

Альтернативным источником античастиц могли бы стать космические лучи – элементарные частицы и ядра атомов, которые при столкновении с атомами верхних слоев атмосферы порождают короткоживущие потоки частиц высоких энергий. В том числе и фотоны гамма-излучения. Как отмечает Дуайер, благодаря этому в атмосфере все время идет «мелкая изморось» из позитронов. В теории могут существовать механизмы, собирающие позитроны со значительного участка атмосферы в одну точку, к самолету, случайно попавшему в грозовое облако. Однако такая миграция позитронов должна была породить другие, сопутствующие виды излучения, которые исследователями также не были зафиксированы.

В силу того, что авторам не удалось найти удовлетворительного кандидата в источники антиматерии, группа Дуайера решила опубликовать полученные материалы лишь после шести лет тщательной работы над ними. Несмотря на это, работа вызвала сдержанную реакцию коллег-физиков. «Это наблюдение – настоящая головоломка» – отмечает Майкл Бриггс (Michael Briggs), физик из Космического центра им. Маршалла NASA.

Данные группы Дуайера – «железное свидетельство» наличия позитронов, считает Джаспер Киркби (Jasper Kirkby), специалист по физике элементарных частиц, работающий на БАК. Тем не менее, продолжает он, «их интерпретация нуждается в уточнении» . В частности, он высказывает сомнение в столь большом размере облака античастиц. По его мнению вместо 1-2 километров оно занимало лишь пространство рядом с самолетом, или даже существовало только на корпусе летательного аппарата.

В таком случае, отмечает Александр Гуревич из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, крылья могли приобрести значительный заряд, порождающий сильные электрические поля. Оно, в свою очередь, способно генерировать электрон-позитронные пары. Правда, эффективность рождения таких пар экспоненциально падет при снижении напряженности поля, и чтобы предполагаемый эффект рождения пар был заметен, электрическое поле на крыльях должно было быть порядка 10 квадриллионов вольт на сантиметр. А это на семь порядков больше, чем напряженность поля на боровской орбите атома водорода. Иными словами, такое объяснение подразумевает возникновение на крыльях самолета действительно весьма значительного электрического поля, в лаборатории получаемого, например, во время коротких импульсов мощных фемтосекундных лазеров.

Чтобы проверить, каковы были истинные размеры облака античастиц и уточнить другие аспекты своего необычного наблюдения, Дуайер планирует провести ряд дополнительных наблюдений в центре грозовых облаков. Технически проблемой является то, что это небезопасное занятие: в 2009 году Gulfstream V едва не погиб в облаке. Предполагается попробовать запустить в центр облака либо метеозонд (воздушный шар с детектором), либо установить детектор частиц на бронированный противотанковый штурмовик A-10, способный, как считается, пережить полет внутри грозового облака.

Как точно подмечает Дуайер, внутренние области таких облаков могут нести значительное количество феноменов, на данный момент не вполне ясных физикам. Стоит напомнить, что ранее российские ученые при участии упомянутого Александр Гуревича уже во время грозы  обнаружили очень большое количество нейтронов малых энергий. Для образования последних по фотоядерному каналу (испускание нейтронов ядрами атомов, поглотивших гамма-квант) требовалось на три порядка больший поток гамма-излучения, чем удалось зафиксировать в ходе наблюдений.

0

60

Физики создали металлокомпозит, плавающий по поверхности воды

Ученые создали металлический композитный материал, плотность которого столь низка, что кусочки и пластины из него спокойно плавают по поверхности воды и не тонут, говорится в статье, опубликованной в International Journal of Impact Engineering.

"Создание этого материала может вдохнуть жизнь в разработку новых композитов на базе металлов. Способность металлов выдерживать высокие температуры может быть гигантским подспорьем для использования подобных композитных материалов для создания компонентов двигателей и выхлопных систем автомобилей, лодок и боевой брони для техники", — заявил Никхил Гупта (Nikhil Gupta) из университета Нью-Йорка (США).

Гупта и его коллеги смогли создать первый за долгие годы композитный материал на базе магния, экспериментируя с полыми шариками из карбида кремния размером в несколько нанометров. Подобные наночастицы обладают массой преимуществ по сравнению с обычными пластиками и другими легкими материалами.

По словам ученых, они могут выдерживать давление в 1700 атмосфер, несмотря на свой легкий вес, и они почти не расширяются при нагреве, а также хорошо переносят сжатия и растягивания в отличие от многих других основ композитных материалов.

Как объясняет Гупта, все попытки использовать подобные наношарики для создания сверхлегких композитных материалов на базе металлов заканчивались неудачно, так как такие смеси стремительно теряли прочность по мере уменьшения доли металла в «каркасе» композита.

Авторы статьи смогли решить эту проблему при помощи сплава магния AZ91D, который сейчас набирает популярность среди изготовителей спортивных автомобилей и прочих видов дорогой техники. Как показали эксперименты, проведенные Гуптой и его коллегами, данный сплав хорошо подходит и для создания легких композитных материалов на базе наношариков из карбида кремния.

Наиболее удачная версия композита, созданная командой Гупты, обладала плотностью всего в 0,92 грамма на кубический сантиметр, благодаря чему она была легче воды и могла плавать по ее поверхности. Как заявляют физики, это первый подобный материал в истории существования человечества.

Листы и детали из подобного композитного материала, по словам ученых, идеально подходят для создания легких машин-амфибий, обшивки суден, антишумовых дорожных щитов, самолетов и в прочих сферах, где одновременно требуется высокая прочность и легковесность конструкции.

0


Вы здесь » Амальгама » Физика » Лента новостей - Физика