1. Всем пользователям необходимо проверить работоспособность своего электронного почтового адреса. Для этого на, указанный в вашем профиле электронный адрес, в период с 14 по 18 июня, отправлено письмо. Вам необходимо проверить свою почту, возможно папку "спам". Если там есть письмо от нас, то можете не беспокоиться, в противном случае необходимо либо изменить адрес электронной почты в настройках профиля , либо если у вас электронная почта от компании "Интерсвязь" (@is74.ru) вы им долго не пользовались и хотите им пользоваться, позвоните в СТП по телефону 247-9-555 для активации вашего адреса электронной почты.
    Скрыть объявление

Информация Новости физики

Тема в разделе "Точные науки", создана пользователем Inquisitor, 18 мар 2009.

  1. Inquisitor

    Inquisitor Ословед

    Репутация:
    1.257.764
    Inquisitor, 18 мар 2009
    [​IMG]
    Здесь будут выкладываться новости научных достижений и открытий учеными в области известной всем нам физики, науки которую Э.Роджерс окрестил как "науку понимать природу"(Конечно, он не едиственный, который раскрывал назначение физики).

    P.s.: в статьях имеются вложенные изображения, и чтобы их просмотреть, нужно иметь подключение к самому интернету, а в миниатюрах они расположены поочередно сверху вниз. Начиная с 1.08.2009 изображения в сообщениях можно будет просматривать без
    подключения к самому интернету
    .
     
    #1
  2. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 18 мар 2009
    Физики создали прототип батареи на спинах

    [​IMG] Невероятная электродвижущая сила (ЭДС) спинового происхождения в специально подготовленной наноструктуре может открыть дорогу к созданию аккумуляторов, хранящих энергию "в квантовой форме". Так полагают учёные, поставившие новый эксперимент — Стюарт Барнс (Stewart E. Barnes) из университета Майами (University of Miami) и его коллеги из университетов Токио (University of Tokyo) и Тохоку (Tohoku University).

    Удивил физиков сандвич диаметром с человеческий волос, содержащий несколько чередующихся наноразмерных слоёв магнитных и немагнитных материалов — он превратился в эффективную "батарейку".

    Внутри сандвича физики сформировали так называемый магнитный туннельный переход — одну из самых многообещающих структур, которая неоднократно вызывала интерес учёных, работающих в области спинтроники, и которая даже успела "закрепиться" в конструкции ряда электронных устройств.

    Но на этот раз туннельный магнитный переход был необычным — он содержал армию квантовых наномагнитов определённого состава. Такая комбинация привела к проявлению в крошечном устройстве необычного эффекта — генерации ЭДС в статическом магнитном поле.

    Микроотступление: по закону Фарадея ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, которое может быть обеспечено переменой самого поля или движением проводника. В статической системе электродвижущей силы, по идее, быть не может. Но последние открытия заставляют расширить этот закон: ЭДС может создаваться даже в статичном поле и неподвижном проводнике за счёт спин-зависимых эффектов.

    Это и было доказано в новом опыте, в котором статическое магнитное поле вызывало в устройстве спин-поляризованный электрический ток.

    Схема сандвича, "сложенного" Барнсом и его товарищами (иллюстрация Pham Nam Hai).

    ЭДС происходила от перемещения магнитных доменов в материале и (если упрощать) была обусловлена разностью в скорости намагничивания разных молекул, входящих в состав перехода. Физики уточняют также, что в новом устройстве магнитная энергия напрямую преобразовывалась в электрическую в процессе магнитного квантового туннелирования.

    И этот процесс генерации ЭДС Стюарт и его соратники уже предсказывали. Только вот по расчётам он должен был быть куда слабее. Барнс сообщает, что напряжение, создаваемое реально построенной структурой, оказалось в 100 с лишним раз выше предсказанного. "Это было противоинтуитивно. Но открытие приведёт нас к теоретическому пониманию того, что действительно происходит", — добавляет исследователь.

    Также время действия ЭДС в разных опытах составляло от 100 до 1000 секунд, против миллисекунд по прогнозу учёных. Величина же колоссального магнитного сопротивления достигала 100 000 процентов.

    "Наши результаты решительно поддерживают утверждение, что в магнитных наноструктурах закон индукции Фарадея должен быть обобщён с учётом сил чисто спинового происхождения", — заключают экспериментаторы.

    Что до практического применения открытия, то оно может привести к новым устройствам сразу в двух, казалось бы, совершенно непохожих областях: на основе магнитного туннельного перехода можно создавать высокоплотную энергонезависимую память (и об этом учёные говорят уже не один год), а ещё — новое крошечное устройство при условии удачного масштабирования может обратиться так называемой спиновой батареей, консервирующей огромную энергию в квантовых магнитных эффектах. И тут уже выгоду смогут извлечь автомобилестроители.
     
    #2
  3. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 18 мар 2009
    Отдельный атом может полностью изменить магнитные свойства нанопроводника

    Моделирование в области нанотехнологии материалов показывает – отдельный атом может полностью изменить магнитные свойства нанопроводника. Ученые из Германии детально изучили этот удивительный эффект, и уверены, что в будущем он поможет нанотехнологам в создании логики нанометровых размеров.

    Сэмиру Лунису (Samir Lounis) и его коллегам из Institut fur Festkorperforschung в г. Юлихе, Германия, удалось в рамках математической модели наблюдать удивительное явление – изменение магнитных свойств нанопроводника, содержащего 10^^23^^ атомов всего-навсего одним атомом, помещенным на его поверхность!

    Причем магнитные свойства напрямую зависит от числа атомов в составе нанопроводника – четное оно или нет.

    [​IMG]


    Как говорит Лунис, подобный эффект не наблюдается в микро и макроструктурах, но в нанометровом диапазоне длин проявляется постоянно. Интересно то, что эффект полностью обратимый – удаление атома ведет к возвращению прежних магнитных свойств нанопроводника.

    Эффект был смоделирован ab initio в системе: антиферромагнитная наноструна на ферромагнитной поверхности.

    Модель базировалась на Функциональной Теории Плотности (Walter Kohn, Jon Pople, Нобелевская Премия в 1998 г.).

    Лунис уверен, что нанонити смогут стать еще одним хранилищем информации, так как состояние 0/1 можно контролировать изменением их атомной длины.
     
    #3
  4. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 18 мар 2009
    Физики узнали точный вес Земли

    Физики из Вашингтонского университета произвели новые, более точные вычисления массы Земли — она равна 5,972 на десять в восемнадцатой степени тонн. Таким образом, на каждого жителя планеты приходится один триллион тонн, с другой стороны, вес всего живого на Земле тоже примерно равен одному триллиону. Эти измерения позволят более точно определить гравитационную константу.
     
    #4
  5. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 19 мар 2009
    Смещение магнитного поля Земли – вопрос сегодняшнего дня?

    Ослабление магнитного щита Земли подвергнет нас солнечному магнитному излучению. Анализ данных двух спутников Oersted, запущенного в 1999 году, и Magsat, - на 20 лет раньше, подтверждают, что магнитное поле Земли испытывает значительные колебания. Сейчас невозможно сказать является ли это временным эффектом, связанным с фактом удаления от эклиптики, или предвестником более длительного явления, но в обоих случаях это настораживающие данные.
    Уменьшение плотности магнитного поля Земли
    Похоже, что сила магнитного поля Земли уменьшилась на 10% за последние 150 лет, что наводит отдельных специалистов на мысль о возможности его исчезновения со временем, а затем возобновления и перемещения, что приведет к смещению магнитных полюсов впервые за 700 тысяч лет.
    Нестабильность северного магнитного полюса
    Земля ведет себя как огромная динамо-машина. Железо и никель в жидкообразном состоянии составляют ядро Земли, перемещаются и создают обширное магнитное поле, которое обволакивает Землю. Но так как материя, составляющая ядро находится в постоянном движении, магнитные полюса также постоянно перемещаются.
    Так, северный магнитный полюс не совпадает с географическим северным полюсом, сейчас он находится на уровне Канады и имеет тенденцию сблизиться с географическим полюсом, смещаясь к России (Сибири) по оси северо-запад.
    Это движение ускоряется от скорости 10 км в год до 1970 года до сегодняшней - в 40 км в год. Однако, по словам Лари Невитта из Геологической комиссии Канады, наблюдаемое ускорение движения северного магнитного полюса является следствием того, что ученые называют «вековыми скачками», которые сводят к нулю, какие бы то ни было предсказания.
    Проблема в том, что это продолжающееся ускорение движения северного полюса, связано с уменьшением мощности магнитного поля и может равным образом привести к мысли о том, что электромагнитная конфигурация Земли больше не является стабильной и стремится к переформированию.
    Действительно, с геологической точки зрения, южный магнитный полюс не довольствуется перемещением к северному географическому полюсу. Периодически он внезапно и грубо колеблется и это может происходить в пределах 180 ◦. Исследования изменений полярности охватывают 7 миллионов лет. Они указывают, что существенные перемены происходят каждые 500 тыс. лет.
     
    #5
  6. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 19 мар 2009
    Радиоволны зажигают северное сияние

    Физики наконец "одолели" и северное сияние. Оказывается, с помощью радиоволн можно не только раскрасить зелеными сполохами это удивительное природное шоу, но и раскрыть его таинственное происхождение.

    Лучший способ исследовать красоту северных лучей - воздействовать на них радиоволнами, утверждают американские ученые. Тодд Педерсен и Элизабет Геркен из Корнельского университета в Итаке "обстреляли" радиоволнами ионосферу. Они использовали передатчик мощностью 960 киловатт. Как возникает северное сияние? Слой заряженных частиц начинает сверкать в наполненной электронами, прилетевшими от Солнца, ионосфере, примерно в пятидесяти километрах от земной поверхности. Над полюсами они ускоряются, сталкиваются с молекулами кислорода и азота в воздухе, заставляют их светиться, создавая северное сияние. Педерсен и Геркен считают, что радиоволны заставили электроны качаться, подобно лодкам на море, производя при этом световые искры. Пока не ясно, насколько важно наличие самого северного сияния для такого эффекта. Вероятно, можно создавать сполохи света в ионосфере и в его отсутствие.
     
    #6
  7. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 19 мар 2009
    Ядро Земли изучат с помощью нейтрино

    Американский физик предложил использовать нейтрино для изучения ядра Земли. "Невесомая" элементарная частица известна тем, что легко преодолевает тысячекилометровые слои вещества.
    Существуют три разновидности частицы - электронное, мюонное и тау-нейтрино, и при взаимодействии с веществом тип нейтрино может меняться. На этой необычной "осцилляции" и основан метод, разработанный Вальтером Винтером (Walter Winter) из Принстонского исследовательского института.
    Пучок нейтрино, направленный вглубь Земли, будет улавливаться детектором в диаметрально противоположной точке планеты, и по дискретной "интерференционной" картине можно будет судить о количестве электронов, встретившихся частице. Винтер утверждает, что по результатам эксперимента удастся восстановить распределение плотности вещества внутри Земли.
    Детекторы нейтрино принадлежат нескольким крупным институтам и обладают огромной массой, поэтому возможные "пункты прибытия" частиц известны заранее. Наоборот, стартовая площадка для пучка пока не построена. Сейчас нейтрино получают в горизонтальных ускорителях, и эксперимент начнётся не раньше, чем будет построена "лаборатория в шахте", сообщает Винтер.
     
    #7
  8. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 20 мар 2009
    В невесомости капля жидкости способна принимать не только шарообразную форму

    [​IMG]
    [​IMG]

    Рис. 1. Диаграмма стабильности форм капель. По вертикальной оси (оси ординат) отложена безразмерная угловая скорость вращения, по горизонтальной оси (оси абсцисс) — безразмерный момент импульса вращения жидкости капли. Сплошная линия на диаграмме соответствует устойчивой форме капли, пунктирная — нестабильной структуре. Рис. с сайта physics.aps.org
    Физики из Ноттингемского университета провели ряд экспериментов по определению формы водяных капель, подвешенных в пространстве с помощью диамагнитной левитации. Было показано, что при определенных условиях капли в равновесии могут принимать не только шарообразную или овальную форму, но также треугольную, четырех- и даже пятиугольную. Результаты исследований могут быть использованы как для объяснения структур астрономических объектов (черные дыры, пояс Койпера), так и в описании быстровращающихся атомных ядер.
    То, что капля жидкости в отсутствие гравитации имеет форму шара, кажется очевидным, но подтвердить этот факт экспериментально смог лишь в 1863 году бельгийский физик Жозеф Плато (Joseph Plateau), давно ослепший к тому времени, после того как он однажды 25 секунд не отрываясь смотрел на полуденное солнце. Для доказательства он поместил каплю оливкового масла в водно-спиртовую смесь, имевшую такую же плотность, как и масло. Уравновешивая силу тяжести, действующую на каплю, архимедовой (выталкивающей) силой, ученый добивался состояния невесомости капли. В результате таких манипуляций капля принимала сферическую форму. Бельгийский ученый также провел эксперименты по вращению капли и наблюдению за происходящими с ней в результате этого метаморфозами. Плато удалось установить, что, по мере возрастания скорости вращения оливкового масла, капля меняла свою форму с шарообразной на овальную, а далее трансформировалась в двудольную структуру, напоминающую сильно вытянутый овал. И наконец, при очень большой скорости вращения капля становилась тором. Схематически изменение формы капли с увеличением скорости вращения жидкости в ней изображено на рис. 1.
    К сожалению, опыты Плато не были совершенными по одной простой причине. Среда, которая окружала исследуемый объект в его опытах, за счет сил вязкости оказывает нежелательное дополнительное воздействие на форму капли. А потому результаты исследований бельгийского физика носили лишь качественный характер. И на протяжении 150 лет с момента экспериментов бельгийца главным препятствием на пути к количественному описанию процесса вращения и трансформации формы капли оставалось влияние сил вязкого трения.
    Сравнительно недавно эксперименты Плато были повторены в космическом корабле с капелькой кремниевого масла. Но подобные эксперименты, как несложно понять, удовольствие недешевое — не запускать же ради этого специальный космический корабль. А программы научных исследований в космосе и без того перенасыщены, так что там не всегда находится время для исследования капель. Значит, необходимо подобрать такие условия эксперимента, чтобы одновременно убрать как действие на исследуемый объект гравитации, так и эффекты вязкого окружения (в опытах Плато, например, это трение между каплей оливкового масла и окружающей ее смесью спирта и воды).
    Физики из Ноттингемского университета предложили оригинальный способ компенсации гравитации. Они решили эту проблему, используя диамагнитную левитацию водяных капель (рис. 2). Результаты своих экспериментальных изысканий ученые из Ноттингема опубликовали в журнале Physics Review Letters в статье Nonaxisymmetric Shapes of a Magnetically Levitated and SpinningWater Droplet (статья находится в открытом доступе).
    Дело в том, что некоторые вещества по своей магнитной природе являются диамагнетиками (например, та же вода), то есть слабо пропускают внутрь себя магнитное поле (идеальным диамагнетиком является сверхпроводник).
    [​IMG]
    Рис. 2. Схематические рисунки и принцип действия экспериментальной установки, использованной авторами для исследования формы водяных капель (см. пояснения в тексте). Изображения из обсуждаемой статьи

    Однако частично, на небольшую глубину, магнитное поле всё же проникает в диамагнитное вещество и генерирует на его поверхности электрический ток. Этот ток создает в диамагнетике собственное магнитное поле, которое как бы отталкивается от поля внешнего. Таким образом, сопротивление проникновению внешнего магнитного поля и заставляет диамагнетики зависать, или левитировать, в пространстве. Но необходимо понимать, что для возникновения диамагнитной левитации внешнее поле должно быть очень сильным. В опытах с водяными каплями магнитное поле, заставляющее капли зависать, по физическим меркам было гигантским — 16,5 Тл (в несколько десятков тысяч раз сильнее магнитного поля Земли). Интересно, что таким образом можно заставить левитировать не только водяные капли, но даже кузнечиков и лягушек (см. видео).
    После того как задача об уничтожении силы тяжести была успешно решена (проблема окружающей среды при этом решении уже отпадает — вязкое трение со стороны воздуха ничтожно), необходимо было придумать механизм, который заставил бы жидкость внутри подвешенных водяных капель вращаться так же, как в опытах Плато. Решение этой задачи тоже оказалось «магнитным». Ученые создали «жидкий электрический мотор»: в каплю вставлялось два тонких золотых электрода, один из которых совпадал с осью симметрии капли (рис. 2а); через электроды пропускался ток, направление протекания которого было перпендикулярно силовым линиям внешнего магнитного поля.
    В итоге возникающий момент силы Лоренца заставлял жидкость внутри капли вращаться, и частота этого вращения зависела от силы тока, протекающего между электродами (рис. 2b). Интересной дополнительной особенностью «жидкого электрического мотора» является способность неосевого (то есть несовпадающего с осью симметрии капли) электрода создавать на капле поверхностные волны небольшой амплитуды. Для чего это было необходимо, станет ясно дальше.
    С помощью изобретенной авторами статьи техники удалось наблюдать различные формы капель. В частности, при вращении жидкости внутри таких объектов, согласно теоретическим предсказаниям, существует возможность наблюдать их переход из двудольной формы в треугольную (трехдольную), причем последняя структура, как предсказывает та же теория, должна быть неустойчива. На примере водяной капли объемом 1,5 мл (что соответствует диаметру 14 мм), у которой с помощью поверхностно-активного вещества коэффициент поверхностного натяжения уменьшен вдвое, английские ученые впервые показали, что, вопреки теоретическим предсказаниям, можно добиться устойчивости треугольной формы. Стабилизация достигалась за счет комбинации вращения капли и генерирования на ней поверхностных волн. Таким образом, поверхностные волны играли роль своего рода стабилизатора треугольной формы водяной капли.
    Как оказалось, возбуждение на капле поверхностных волн вкупе с ее вращением позволяет получить значительное многообразие форм водяных капель, о которых Плато, возможно, даже и не догадывался.
    [​IMG]
    Рис. 3. Верхний рисунок — график изменения формы водяной капли объемом 1,5 мл со временем при изменении частоты вращения жидкости. График во вставке — зависимость тока между электродами от времени. Рисунки а–fпоследовательность фотографий, показывающих изменение формы водяной капли. Название фотографий (М1, М2, М3, М4) соответствует названиям видеофайлов, демонстрирующих эволюцию формы капли. См. подробности в тексте. Рисунок и фотографии из обсуждаемой статьи

    На рис. 3 приведена временная эволюция 1,5 мл водяной капли с поверхностно-активным веществом в своем составе при изменении частоты вращения (rps — количество оборотов в секунду). Несколько пояснений к графику. При малой частоте вращения и отсутствии поверхностных волн на капле ее форма напоминает сплюснутый сфероид (oblate spheroid) — проще говоря, форма капли овальная. После того как с помощью тока были активизированы поверхностные волны, а скорость вращения жидкости внутри капли продолжала увеличиваться, ее форма трансформировалась в сильно вытянутый овал — иными словами, стала двудольной (красная область на графике и снимок M1b под графиком). Желтый участок графика соответствует области, когда капля начинает вращаться вокруг своей оси как твердое тело (как единое целое) и когда одновременно с этим по капле «гуляют» поверхностные волны. В итоге капля выглядит так, как это показано на фотографии M1c — ученые такую форму капли назвали двудольная статическая + вращающаяся.
    Дальнейшее увеличение силы тока и скорости вращения превращает каплю из овальной (двудольной) в треугольную (при этом динамическое поведение капли не твердотельное) — зеленая область на графике и фото М2. Далее, когда поверхностные волны стабилизировали такую структуру водяной капли, увеличивая скорость вращения можно добиться явления, при котором капля начинает себя вести подобно твердому телу — вращается как единое целое. На графике эта область отражена синим цветом (см. также фото М4). Обращает на себя внимание существование переходной области, когда капля только начинает себя вести как твердое тело (см. фото М3). На графике такая область соответствует градации зеленого и синего цветов.
    Несколько богаче в эволюционном отношении проявляет себя капля воды объемом 3 мл уже без добавок поверхностно-активных веществ (рис. 4). До некоторого времени поведение большей капли ничем качественно не отличается от рассмотренного выше. Однако, как это видно из рис. 4, на пятой минуте эксперимента при монотонно возрастающей угловой скорости вращения жидкости есть возможность наблюдать четырех- и даже пятиугольную форму капли (голубая и фиолетовые области на графике и фото М10 и М11), которая, однако, не ведет себя как твердое тело. Справедливости ради отметим, что такая форма не является устойчивой и со временем вырождается в двудольную (сильно вытянутый овал, фото М12), поведение которой соответствует вращающемуся твердому телу.
    Здесь в виде zip-архива представлена галерея из 12 коротких фильмов, показывающих эволюцию водяных капель, изученных английскими учеными. Приведенные выше фото М1–М12 являются стоп-кадрами этих фильмов и соответствуют названиям фильмов: на видеофайлах М1–М4 заснята капля 1,5 мл, М5–М12 показана капля воды объемом 3 мл.
    [​IMG]
    Рис. 4. Верхний рисунок — график изменения формы водяной капли объемом 3 мл со временем при изменении частоты вращения жидкости. График во вставке — зависимость тока между электродами от времени. Рисунки а–h — последовательность фотографий, показывающих изменение формы водяной капли. Название фотографий (М5, М6 ... M12) соответствует названиям видеофайлов, демонстрирующих эволюцию формы капли. См. подробности в тексте. Рисунок и фотографии из обсуждаемой статьи

    Эксперименты с каплями воды, по мнению ученых, представляют не только академический интерес. Поскольку стабилизация формы капли происходила вследствие сложного взаимодействия ее вращения и поверхностных волн на ней, то результаты опытов могут быть использованы в описании схожих физических явлений — как значительно большего (астрономического), так и меньшего (ядерного) масштаба. Например, при изучении формы объектов пояса Койпера, горизонта событий черных дыр или при исследовании форм быстровращающихся атомных ядер. (Кстати, заметим, что идея использовать «капельный» подход в описании характеристик атомных ядер уже довольно стара — достаточно вспомнить о полуэкспериментальной формуле Вайцзеккера, которая описывает энергию связи атомных ядер; правда, само это выражение на современном этапе развития науки уже не используется.)
     
    #8
  9. Silver Horse

    Silver Horse Ословед

    Репутация:
    3.446
    Silver Horse, 21 мар 2009
    Правдивость новости сильно под сомнением... либо тут очепятка, либо новость для издания писал неграмотный человек. 10^18 тонн = 10^21 кг, масса же Земли составляет 5,974 *10^24 кг. Земля похудела в 1000 раз? Или все же просто в мантиссе третий знак поправили, опечатавшись в степени?
     
    #9
  10. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 21 мар 2009
    Впервые измерена сила отталкивания в эффекте Казимира–Лифшица

    [​IMG]
    Рис. 1. Обложка журнала Nature, посвященная измерению эффекта Казимира–Лифшица
    Квантовая механика предсказывает, что на расстояниях порядка нанометра между телами должна наблюдаться сила притяжения. Такое явление называют эффектом Казимира, и его существование подтверждено экспериментально. Однако при определенных условиях притяжение тел на таких масштабах может смениться их отталкиванием. В этом случае наблюдается обобщенный эффект Казимира, или эффект Казимира–Лифшица. Группе американских ученых впервые удалось измерить силу такого отталкивания между телами на больших (по меркам наномира) расстояниях, и полученные данные хорошо согласуется с теорией. Результаты эксперимента, вероятно, могут быть использованы для создания нано- и микромеханизмов с очень маленькой силой трения между деталями.
    Оказывается, левитация объектов возможна не только благодаря сверхпроводимости (а точнее, идеальному диамагнетизму сверхпроводников, или эффекту Мейсснера), но и вследствие сугубо квантовых эффектов. Обложку одного из последних выпусков журнала Nature украшает рисунок, на котором изображен золотой шарик, зависший над кремниевой плоскостью, и такой же шарик, но уже «прилипший» к плоскости из золота (см. рис. 1). «Квантовая левитация» — гласит подпись к рисунку, а посвящен он статье американских ученых Measured long-range repulsive Casimir–Lifshitz forces (в открытом доступе статью можно посмотреть здесь, PDF, 248 Кб). Интересно, что один из авторов этой статьи — Федерико Капассо, руководитель группы, которая занималась разработкой терагерцевого лазера, работающего при комнатной температуре (читатели «Элементов» с ним знакомы по заметке Терагерцевый лазер заработал при комнатной температуре).
    И хотя словосочетание «квантовая левитация» звучит довольно устрашающе, разобраться в этом явлении не так уж и сложно. В основе «квантовой левитации» лежит эффект Казимира (см. также здесь), предсказанный уже более 60 лет назад голландским физиком-теоретиком Хендриком Казимиром. («Элементы» уже писали об эффекте Казимира, см.: Обнаружена ошибка в расчетах эффекта Казимира для микромеханических устройств, 28.12.2005; Эффект Казимира не может приводить к расталкиванию симметричных тел, 24.10.2006).
    Изучая коллоидные растворы, Казимир пришел к выводу, что между двумя очень близко расположенными параллельными гладкими плоскостями должна возникать сила притяжения, обусловленная только квантовыми эффектами в вакууме. Под вакуумом здесь имеется в виду не пустота, где абсолютно ничего нет, а «океан» постоянно рождающихся и исчезающих виртуальных частиц, в частности фотонов электромагнитного поля. Эти частицы, хоть и виртуальные, но давление на гладкие параллельные поверхности оказывают. Так вот, выяснилось, что чем ближе расположены эти поверхности, тем меньше в зазоре между ними рождается виртуальных фотонов. Извне рождение фотонов ничем не ограничено. Получается, что количество фотонов снаружи больше, чем количество фотонов между поверхностями. Из-за такого вот неравенства давлений в итоге и получаем силу притяжения.
    Казимир показал, что при нулевой температуре возникающая сила притяжения прямо пропорциональна площади взаимодействующих плоскостей и обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между ними (гравитация и электростатическое взаимодействие убывают с квадратом расстояния). И всё. Больше в формулу казимировского притяжения, за исключением фундаментальных констант (постоянная Планка и скорость света), никаких других величин не входит.
    Насколько значительна данная сила? Можно рассчитать, что две пластины, расстояние между которыми составляет 10 нм, благодаря эффекту Казимира будут создавать давление, сравнимое с атмосферным. Но, увеличив расстояние между объектами в 10 раз, получим ослабление силы притяжения в 10 000 раз. Казимировское притяжение проявляется лишь в нанометровых масштабах, и при конструировании различных нано- и микромеханических устройств оно весьма нежелательно (из-за эффекта Казимира детали будут «слипаться»).
    Спустя 8 лет после открытия данного явления Евгений Лифшиц выяснил, что эффект Казимира на самом деле является всего лишь проявлением ван-дер-ваальсовых, или межмолекулярных, сил, и, более того, если зазор меду поверхностями заполнить специально подобранным веществом, то притяжение между поверхностями может смениться отталкиванием. Такое обобщение эффекта Казимира получило название «эффект Казимира–Лифшица».
    [​IMG]
    Рис. 2. При взаимодействии между золотым шариком (1), погруженным в бромбензол (3), и пластиной (2) происходит отталкивание, если ε1 > ε3 > ε2. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

    Качественно переход от притяжения к отталкиванию двух тел выглядит так. Предположим, что казимировское взаимодействие поверхностей с диэлектрической проницаемостью ε1 и ε2 происходит не в вакууме (который тоже, в принципе, можно считать диэлектриком, но с проницаемостью, равной 1), а в среде с проницаемостью ε3. Если выражение –(ε1 – ε3)(ε2 – ε3) меньше нуля, то наблюдаем притяжение между поверхностями. В противном случае, будет иметь место отталкивание. Такая ситуация реализуется, например, когда выполняется соотношение ε1 > ε3 > ε2.
    Экспериментальное подтверждение эффекта Казимира проводилось неоднократно — сила притяжения между телами согласуется с теорией практически на 100% (в системе с двумя параллельными плоскостями, а также шаром и плоскостью). Однако публикаций с экспериментальным подтверждением эффекта Казимира–Лифшица до настоящего времени не появлялось. А потому обсуждаемая работа в Nature является первой по экспериментальной проверке такого эффекта (по крайней мере, авторы осторожно утверждают, что не знают подобных статей).
    Итак, чтобы понять, насколько теория эффекта Казимира–Лифшица согласуется с экспериментом, ученые изучали вначале взаимодействие полистирольного шарика диаметром почти 40 микрон, покрытого золотой пленкой, с зафиксированной кремниевой пластиной (см. рис. 2), а затем взаимодействие того же шарика с золотой пластиной.
    [​IMG]
    Рис. 3. Схема экспериментальной установки по измерению эффекта Казимира–Лифшица. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

    Пространство между шариком и пластиной заполнялось жидкостью — бромбензолом. Перемещение шарика, прикрепленного к кантилеверу атомно-силового микроскопа, контролировалось с помощью системы из суперлюминесцентного диода («почти что» лазер) и специального детектора (см. рис. 3).
    Необычность такого набора веществ объясняется тем, что целью авторов исследования было наблюдение именно отталкивания тел, а для этого необходимо было подобрать диэлектрические проницаемости таким образом, чтобы выражение –(ε1 – ε3)(ε2 – ε3) было больше нуля. Ну а упомянутое выше золотое напыление на шарик необходимо для наблюдения «обычного» эффекта Казимира: когда ε1 = ε2 и соотношение диэлектрических проницаемостей становится положительным, шарик притягивается к плоскости.
    Результаты измерений силы Казимира–Лифшица, действующей в системе «шарик — кремниевая пластина» и «шарик — золотая пластина», показаны на рис. 4. Изменение силы отталкивания между золотым шариком и кремниевой пластиной показано на рис. 4a синей кривой, а изменение силы притяжения между тем же шариком, но уже золотой пластиной, — желтой кривой.
    [​IMG]
    Рис. 4. a. Синие (желтые) круги на графике представляют собой результат 50 измерений силы Казимира–Лифшица, действующей между золотым шариком, погруженным в бромбензол, и кремниевой (золотой) пластиной на разных расстояниях. b. Зависимость измеренной силы отталкивания между золотым шариком, находящимся в бромбензоле, и кремниевой плоскостью, построенная в логарифмическом масштабе (синие круги), и такая же зависимость, рассчитанная согласно теории Казимира–Лифшица. Голубые треугольники означают те же данные, полученные в результате измерения силы Казимира–Лифшица между таким же (номинально) золотым шариком и кремниевой пластиной. c. Аналогичная зависимость для притягивающейся системы «золотой шарик — золотая пластина». Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

    Как и ожидалось, проведенные измерения силы Казимира–Лифшица в пределах погрешностей согласуются с теорией: сила притяжения, как и сила отталкивания, быстро убывает с увеличением расстояния между телами. Это отражено в виде графиков на рис. 4b и 4c, на которых набор экспериментальных данных показан синими и желтыми квадратиками и кругами, равномерно распределенными по обе стороны от соответственно сплошных линий такого же цвета, рассчитанных согласно теории Казимира–Лифшица.
    Может возникнуть вопрос, почему измерения проводились не для двух параллельных плоскостей? Дело в том, что сделать две большие плоскости на нанометровых расстояниях параллельными технологически сложно.
    В процессе измерения силы Казимира–Лифшица между шариком и плоскостью экспериментаторы столкнулись с еще одной проблемой. Система не является статической, поскольку вследствие отталкивания или притяжения шарик движется в жидкости с некоторой скоростью, а значит, неизбежно возникнет сила вязкого трения, направленная в противоположную сторону от направления перемещения шарика и пропорциональная скорости его движения. Получается, что сила вязкого трения препятствует «чистому» измерению эффекта Казимира–Лифшица, поэтому необходимо понять, насколько значительное возмущение оказывает вязкость на эксперимент, а после этого откалибровать саму экспериментальную установку с учетом силы вязкости.
    Авторы ссылаются на свою предыдущую работу Precision measurement of the Casimir-Lifshitz force in a fluid (в открытом доступе статью можно посмотреть здесь, PDF, 163 Кб) в журнале Physical Review A, в которой проводились подобные измерения, только в качестве жидкости, заполнявшей пространство между золотым шариком и золотой плоскостью (то есть ε1 = ε2, а значит, измерялась только сила притяжения), был этанол, чья вязкость практически такая же, как и у бромбензола. В этих экспериментах ученые выяснили, что при скорости движения шарика 45 нм/с в этаноле сила вязкости составляла 12 пиконьютонов (пико = 10–12).
    Как видно из графиков на рис. 4, сила отталкивания между телами может достигать 150 пН, а потому какого-либо влияния вязкость жидкости при конструировании вышеупомянутых нано- и микромеханических устройств оказывать не должна. Сила Казимира–Лифшица на очень близких расстояниях просто на порядок больше силы вязкого трения.
    Таким образом, эксперимент по измерению эффекта Казимира–Лифшица указывает на то, что, разделив два объекта на расстояниях порядка 10–100 нм специально подобранной жидкостью, возможно наблюдать зависание, или левитацию одного из них над другим (см. рис. 1). Возможно, что в недалекой перспективе это позволит создавать нано- и микромеханизмы с очень малой силой трения и отсутствием «слипания» между деталями таких устройств.
     
    #10
  11. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 21 мар 2009
    В присутствии магнитного поля поверхность феррожидкости становится турбулентной

    [​IMG]
    Рис. 1. Трёхмерная визуализация неустойчивости Розенцвейга на поверхности феррожидкости. Рис. из статьи C. Gollwitzer, G. Matthies, R. Richter, I. Rehberg, L.Tobiska. The Relief of the Rosensweig Instability — a Quantitative Comparison between Experiment and Numerical Simulation (PDF, 1,7 Мб)​
    Французские физики экспериментальным образом установили, что в феррожидкости может наблюдаться режим магнитной волновой турбулентности — хаотическое образование поверхностных волн с различной амплитудой. Такая ситуация возможна, когда индукция внешнего магнитного поля, перпендикулярно ориентированного к поверхности феррожидкости, превышает некоторое значение. Результаты эксперимента хорошо согласуются с разработанной ранее теорией магнитной волновой турбулентности в феррожидкостях и являются первым прямым ее подтверждением.
    Обычно, когда говорят о турбулентности, имеют в виду неупорядоченное, хаотическое движение среды — жидкости, газа, плазмы. Но в наши дни понятие «турбулентность» уже имеет более широкий смысл. Есть «привычная» турбулентность с вихрями, которую называют сильной турбулентностью, а есть волновая (или слабая) турбулентность. Этот второй вид неупорядоченного движения наблюдается, грубо говоря, там, где есть волны — это могут быть волны на поверхности океана во время шторма, альфвеновские волны в солнечной плазме, спиновые волны в твердом теле, ленгмюровские волны. Существует даже оптическая турбулентность — связанная с распространением световых волн в сильно нелинейной среде.
    Однако экспериментов по изучению волновой турбулентности очень мало, и большинство из них связано с изучением этого явления на поверхности жидкости, где волновую турбулентность можно условно разделить на два вида — капиллярную и гравитационную. Капиллярную турбулентность (когда длина волн на поверхности жидкости мала и их появление связано с поверхностным натяжением) уже наблюдали с помощью оптических методов. Гравитационную же турбулентность, имеющую место для волн большей длины, когда уже становятся существенными эффекты силы тяжести, можно изучать только методами in situ — то есть на месте, в режиме реального времени, следить за поведением волн на поверхности океана, моря или больших водоемов.
    В 2007 году в журнале Physical Review Letters была опубликована статья французских исследователей Observation of Gravity-Capillary Wave Turbulence (в открытом доступе с ней можно ознакомиться здесь(для тех, кто знает иностранный язык)), в которой экспериментально исследовался переход из режима капиллярной волновой турбулентности в гравитационную на поверхности ртути.
    На это раз физики из Франции усложнили свою задачу, замахнувшись на изучение волновой турбулентности на поверхности не обычной, а магнитной жидкости — так называемой феррожидкости. Полный текст их статьи Wave Turbulence on the Surface of a Ferrofluid in a Magnetic Field, опубликованной в Physical Review Letters, доступен в виде препринта.
    Что же представляет собой феррожидкость? По своим магнитным свойствам жидкости делятся на диамагнетики, ослабляющие магнитное поле, и парамагнетики, которые это поле усиливают. Но только усиливают они его очень и очень незначительно. Своеобразным рекордсменом по увеличению индукции магнитного поля следует считать такую экзотическую жидкость, как сжиженный кислород при температуре 90 К — он усиливает внешнее магнитное поле в 1,0034 раза. Как видим, это усиление всё равно чрезвычайно мало — настоящих ферромагнетиков, усиливающих магнитное поле во много раз, среди жидкостей нет. Тем не менее получить жидкую среду с почти
    Самые удивительные свойства феррожидкости проявляются, когда к ней начинают прикладывать внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно к ее поверхности. Тогда получается, что поверхность феррожидкости формируется не только под воздействием силы тяжести и силы поверхностного натяжения, как обычная жидкость, но еще и под воздействием магнитной силы. По мере увеличения индукции магнитного поля на поверхности феррожидкости начинает образовываться рябь, а затем, когда магнитное поле достигло некого критического значения Bc, возникают неподвижные пики — или, говоря научным языком, правильная гексагональная решетка из вершин застывших волн (см. рис. 1). Такая структура нестабильна и носит название «неустойчивость Розенцвейга», по имени ученого, который первым ее наблюдал.
    Вообще говоря, при определенных условиях неустойчивость Розенцвейга можно превратить в целое искусство, создавая на поверхности феррожидкости самые замысловатые фигуры и даже скульптуры (см. видео).
    Также, справедливости ради скажем, что название для такого вида жидкости было выбрано не очень удачно, поскольку, в отличие от ферромагнетика, никакой остаточной намагниченности при снятии внешнего магнитного поля, так же как и спонтанной намагниченности, в феррожидкости не наблюдается. Если не прикладывать магнитное поле, то перед нами будет находиться самая обычная жидкость с взвешенными в ней частицами ферромагнетика.
    ферромагнитными свойствами реально. Для этого достаточно в обычную жидкость накрошить очень мелкие частицы ферромагнетика (размером порядка нанометра и с концентрацией 1016–1018 частиц на 1 см3). Получившуюся смесь и назвали феррожидкостью. Благодаря малым размерам взвешенных частиц и мерам, предотвращающим их слипание, магнитные жидкости демонстрируют высокую стабильность, практически не разлагаясь, и после того, как магнитное поле убрано, восстанавливают свои прежние свойства.
    Так вот, французские ученые были первыми, кто наблюдал и изучал волновую турбулентность на поверхности феррожидкости. Схема их экспериментальной установки показана на рис. 2.
    [​IMG]
    Рис. 2. Схема экспериментальной установки. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

    Установка состоит из цилиндрического контейнера (внутренний диаметр 12 см, высота 4 см), заполненного на глубину 2 см феррожидкостью, представляющей собой раствор с частицами оксида железа размером приблизительно 7,6 нм. Контейнер помещается в пространство между двумя катушками (зазор между катушками равен 7 см). Протекающий по катушкам постоянный ток генерирует магнитное поле между ними с максимальным значением индукции 0,078 Тл. Чтобы иметь возможность наблюдать волновую турбулентность в феррожидкости, ученые подвели к контейнеру возбудитель колебаний, который создавал низкочастотные (1–5 Гц) случайные «встряски» на поверхности жидкости. Амплитуда η возникающих турбулентных волн в феррожидкости фиксировалась с помощью специально прокалиброванного конденсатора. Измерения показали, что неустойчивость Розенцвейга (образование стационарных пиков на поверхности) для такой феррожидкости наступает при значении индукции магнитного поля около 0,0294 ± 0,0002 Тл, и прекрасно согласовывается с теоретическими предсказаниями (0,02923 Тл).
    Несколько слов о методике исследования. Поскольку волновые процессы на поверхности феррожидкости являются хаотическими (турбулентными), фиксировать изменяющиеся случайным образом амплитуды η рождающихся волн при заданном значении индукции магнитного поля и в дальнейшем их визуализировать в виде графика функции η(t), сложно и неудобно для дальнейшего анализа. Поэтому при изучении случайных процессов (это касается исследования не только волновой турбулентности, но и турбулентности вообще) ученые прибегают к спектральному анализу. Функцию η(t) от времени возводят в квадрат и трансформируют с помощью Фурье-преобразования в функцию, называемую спектральной плотностью мощности «сигнала» (в данном случае сигнал — это волновой процесс на поверхности феррожидкости) и зависящую от обратного времени или от частоты.
    Для чего это делается? Поясним на примере уже упоминавшейся статьи 2007 года Observation of Gravity-Capillary Wave Turbulence. Экспериментальная установка, которая использовалась французами в более ранней работе, идентична установке в обсуждаемом здесь исследовании. На рис. 3 слева приведен график зависимости амплитуды рождающихся турбулентных волн η(t) в обычной (не магнитной) жидкости.
    [​IMG]
    Рис. 3. Слева: измеренная экспериментальным образом временная зависимость амплитуды поверхностных волн ртути. Справа: график спектральной плотности мощности амплитуды поверхностных волн; отсутствие пиков на графике указывает на волновую турбулентность на поверхности ртути. При некоторой частоте (17 Гц) происходит переход (кроссовер) из режима гравитационной волновой турбулентности в режим капиллярной, где становятся существенными эффекты вязкости среды. Рис. из статьи Eric Falcon, Claude Laroche, Stéphan Fauve. Observation of Gravity-Capillary Wave Turbulence в Phys. Rev. Lett.

    График не очень информативный и, как говорят физики, «шумящий», что, в принципе, неудивительно для случайного процесса. Но чтобы точно удостовериться, что данный процесс истинно случайный и хаотический, необходимо визуализировать спектральную плотность мощности функции η(t), то есть зависимость амплитуды поверхностных волн от времени. Если график этой функции не будет иметь явно выделенных пиков, то процесс действительно случайный. График на рис. 3 справа показывает, что образующиеся поверхностные волны действительно являются волновой турбулентностью, так как явных всплесков на графике не наблюдается. Правда, одна особенность — изгиб на частоте 17 Гц — на приведенном графике спектральной плотности мощности есть, однако эта особенность связана с переходом (кроссовером) от режима гравитационной волновой турбулентности к капиллярной.
    Такой же анализ был проведен французскими учеными и для феррожидкости в присутствии магнитного поля: спектральная плотность мощности сигнала — функции зависимости образующихся волн от времени — приведена на рис. 4. На вставке показана та же зависимость, но уже в отсутствие внешнего поля (график подобен графику на рис. 3 справа).
    [​IMG]
    Рис. 4. График спектральной плотности мощности функции η(t) для двух значений индукции внешнего магнитного поля. График во вставке соответствует значению В = 0. Основной график получен при В = 0,9Вс, где Вс — индукция магнитного поля, при которой появляется неустойчивость Розенцвейга. Вертикальные пунктирные линии — переходы от режима магнито-гравитационной волновой турбулентности к магнито-капиллярной: 5 Гц для В = 0,9Вс и 20 Гц для В = 0. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

    Пожалуй, главным результатом исследователей стал график эволюции режимов волновой турбулентности в феррожидкости при возрастании индукции внешнего магнитного поля (см. рис. 5) в различных частотных диапазонах функции спектральной плотности мощности. Нетрудно увидеть, что по сравнению с обычной жидкостью (см. рис. 3 справа) на графике появилась новая область — режим магнитной волновой турбулентности. Особенно он (режим) заметен, когда индукция внешнего магнитного поля перешагнула порог неустойчивости Розенцвейга (на рис. 5 — точечная линия, перпендикулярная оси абсцисс). Уточним еще раз на всякий случай, что речь здесь идет не о частоте возбудителя колебаний (у него она изменялась от 1 до 6 Гц), а о частоте, относящейся к функции спектральной плотности мощности волнового процесса на поверхности феррожидкости.
    [​IMG]
    Рис. 5. Эволюция режима волновой турбулентности на поверхности феррожидкости при возрастании магнитного поля. Сплошными линиями показаны теоретические кривые, крестик, плюсик, кружок и ромб — точки, полученные опытным путем. Крестик соответствует частотному диапазону 1–4 Гц изменения случайной силы (возбудитель колебаний), ромб — 1–5 Гц и плюс или кружок — диапазону 1–6 Гц. Bt — индукция магнитного поля, выше которой проявляется магнитная волновая турбулентность, ft — соответствующее Bt значение частоты перехода гравитационной/капиллярной волновой турбулентности к магнитной. Для данной феррожидкости Bt = 0,65Bc и ft = 10,8 Гц. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

    Результаты исследований, представленные в виде графика на рис. 5, можно пояснить так. При очень малых значениях индукции магнитного поля в области малых частот доминирующим процессом на поверхности феррожидкости является гравитационная волновая турбулентность, соответственно при больших частотах — капиллярная. Проще говоря, когда поле слабое, феррожидкость ничем не отличается от жидкости обычной. Магнитная волновая турбулентность начинает проявляться, когда магнитное поле достигнет некоторого значения Bt (для данной феррожидкости Bt = 0,65Bc, где Bc — индукция магнитного поля неустойчивости Розенцвейга) и в зависимости от частотного диапазона можно даже говорить либо о магнито-гравитационной турбулентности (малые частоты), либо о магнито-капиллярной в диапазоне высоких частот.
    Ну и напоследок авторы приводят график распределения амплитуды «гуляющих» по поверхности феррожидкости волн (рис. 6) для разных значений индукции магнитного поля.
    [​IMG]
    Рис. 6. Функция распределения амплитуды η поверхностных волн для различных возрастающих значений магнитного поля: B/Bc = 0, 0,3, 0,54, 0,77, 0,92 и 1,2 (стрелками указано направление возрастания). Частотный интервал работы внешнего воздействия (возбудителя колебаний) 1–4 Гц. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

    Большинство образующихся турбулентных волн имеют амплитуду от –5 до 5 мм (знак минус означает впадины на поверхности магнитной жидкости). Однако в поле, превышающем поле неустойчивости Розенцвейга, существует вероятность наблюдать волну с амплитудой 2 см.
     
    #11
  12. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 22 мар 2009
    Получено трехмерное изображение человеческой хромосомы

    [​IMG]
    Рис. 1. Получение изображения человеческой хромосомы с помощью когерентной дифракционной рентгеновской микроскопии. Рентгеновские лучи выходят из отверстия диаметром 20 микрометров. В метре от отверстия по направлению распространения рентгеновских лучей расположена облучаемая хромосома. Две щели отсекают сильно расходящиеся лучи, создавая направленный поток рентгеновского излучения. Камера ПЗС, находящаяся на расстоянии 1,32 м от исследуемого объекта, фиксирует дифракционное изображение. Специальный «шлагбаум» на расстоянии 0,335 м блокирует нерассеявшиеся рентгеновские лучи (не несущие никакой информации об образце). Полученные данные используют для создания 2D-изображения хромосомы. Чтобы получить данные, которые позволят восстановить трехмерное изображение, необходимо вращать исследуемый образец. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys.Rev. Lett.
    Хотя традиционная электронная томография позволяет активно изучать трехмерные структуры клеточных органелл, существуют определенные технические трудности при исследовании крупных биологических объектов. Рентгеновские же лучи обладают уникальным преимуществом, которое позволяет проводить неинвазивный анализ таких объектов с высоким пространственным разрешением. С помощью когерентного рентгеновского дифракционного микроскопа группе японских ученых удалось впервые получить трехмерные изображения человеческой хромосомы, на которых отчетливо видна осевая структура.
    В настоящее время одной из самых актуальных тем научных исследований является изучение объектов, размеры которых находятся на стыке макро- и микромира. Есть даже специальное название для такой науки — мезоскопика, или квантовая мезоскопика (от греч. «мезо», mésos — «средний, промежуточный»).
    К примеру, размер куперовской пары в низкотемпературном сверхпроводнике составляет порядка десятой доли миллиметра, что позволяет говорить о ней как о мезоскопическом объекте (есть даже такая поднаука — мезоскопическая сверхпроводимость, исследующая, в частности, так называемые эффекты близости на границе раздела нормального металла или ферромагнетика со сверхпроводником). К мезоскопическим объектам следует отнести и так называемые квантовые биты или кубиты — основные элементы для создания квантовых компьютеров. В биологии мезоскопическим объектом можно назвать клеточные органеллы — тоже эдакий «мост» между макроскопическим миром и атомными структурами.
    Мезоскопические объекты изучаются, само собой, не только теоретически, но и экспериментально. Однако с экспериментальными методами существует техническая сложность. В силу своих «мезоскопических» размеров они плохо поддаются изучению традиционными методами исследования микромира. Например, для просвечивающего электронного микроскопа такие объекты слишком крупные.
    Для мезоскопических исследований лучшего всего подходят рентгеновские микроскопы, посколькурентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью и маленькой длиной волны. Среди них наилучшее пространственное разрешение имеет когерентный рентгеновский дифракционный микроскоп. Он применяется для получения изображения разупорядоченных объектов, то есть тел, не обладающих свойствами периодичности в своем внутреннем строении. Важным преимуществом такого микроскопа является также отсутствие деградации контрастности изображений и аберрации линз: линзы в нём просто не используются. Когерентный рентгеновский дифракционный микроскоп уже может похвастаться своими успехами — с его помощью впервые было получено изображение вируса.
    И вот совсем недавно в журнале Physical Review Letters появилось сообщение о новом достижении этого микроскопа. На сей раз группе японских ученых впервые удалось получить изображение человеческой хромосомы. Под «изображением» подразумевается визуализация (на мониторе компьютера, на бумаге, экране специальной камеры и т. д.) распределения электронной плотности исследуемого объекта — иными словами, информация о том, как электроны этого объекта рассеивают рентгеновские фотоны.
    В отличие от обычного светового микроскопа (который навел на объект, подсветил его, сфотографировал, и готово изображение), получить рентгеновское изображение не так-то просто. Необходимо сначала получить качественное (контрастное и четкое) дифракционное изображение, затем специальными математическими методами (как правило, это алгоритм HIO — hybrid input-output) обработать значения интенсивности рассеянного излучения на экране и только после этого «восстановить» электронную плотность исследуемого образца в каждой его точке.
    Несколько слов о подготовке эксперимента. Исследователи получали человеческие хромосомы из клеток HeLa, а затем компактным образом химически их фиксировали. Далее такие хромосомы были отложены на нитрид-кремниевую мембрану толщиной 100 нм. Такая вот система и изучалась под когерентным рентгеновским дифракционным микроскопом. Источником рентгеновского излучения для микроскопа была установка SPring-8. На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки.
    Рентгеновские лучи с энергией 5 кэВ проходили через отверстие 20 микрометров и облучали единичную хромосому. Дифракционное изображение (рис. 2) записывалось камерой с ПЗС-матрицей. Доза облучения составляла 4·108 грэй для единичного измерения (при заданном угле рассеяния) и 2·1010 Гр для визуализации трехмерного изображения (о нем будет идти речь ниже). Длительность экспозиции — то есть время, в течение которого образец облучался, — составляла 2700 секунд (за исключением данных, приведенных на рис. 2 — в этом случае время экспозиции было 3400 с)
    [​IMG]
    Рис. 2. Распределение интенсивностей рентгеновского излучения, рассеявшегося на человеческой хромосоме (a) и ее двумерная реконструкция изображения в сером (b) и в цветном масштабе (c). Область центромеры указана зеленой стрелкой (b). Реконструированное изображение содержит области высокой интенсивности рассеявшихся лучей, похожие на осевую структуру хромосомы вблизи центра хроматид, как это показано на рис. (с). Величина q определяется как q = 2sin(θ/2)/λ, где λ — длина волны рентгеновского излучения, а θ — угол рассеяния. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.​

    При численном анализе ученые исключали данные, возникающие от рентгеновских лучей, испытывающих сильное рассеяние. После этого, используя упомянутый выше алгоритм HIO, авторы статьи визуализировали сначала двухмерное изображение (проекцию на экран) хромосомы, а затем, продолжив обрабатывать данные дифракционных изображений, собранных при различных углах рассеяния, получили и трехмерную визуализацию — то есть искомое изображение исследуемого объекта (рис. 3).
    [​IMG]
    Рис. 3. Реконструкция 3D-карты электронной плотности человеческой хромосомы или, проще говоря, трехмерное изображение исследуемого объекта. a — поверхностная морфология хромосомы. b, c — поперечные срезы трехмерного изображения хромосомы с наибольшим значением электронной плотности вблизи центромеры (показана белыми стрелками). Они показывают относительно высокую плотность около центральной оси каждой из хроматид. Проекционное изображение d получено из трехмерной реконструкции, подобно изображениям на рисунках 2b и 2c. e — ряд поперечных сечений трехмерного изображения хромосомы в интервале 409 нм. Данные по дифракционному рассеянию, использованные затем для получения трехмерного изображения, получены при следующих значениях углов рассеяния: каждые 2,5°, начиная с –70° до –27,5°, а также –7,5°, –5°, 0°, 5°, 7,5°, 10°, 15°, 17,5°, 20°, 25°, 27,5°, 30°, 37,5°, 40°, 45°, 47,5°, 50°, 55°, 57,5° и 60°. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

    Как видно из рис. 3, ученым удалось продемонстрировать не только поверхностную морфологию, но также целую «карту» распределения электронной плотности внутри объекта. Авторы отмечают любопытную особенность: вблизи центромеры электронная плотность имеет наибольшую величину (на рис. 3b и 3с показана стрелками). Вероятно, считают ученые, этот факт может объясняться тем, что область центромеры содержит больше гетерохроматина, то есть вещество в этой области более плотно «упаковано», чем в остальных участках хромосомы.
    Расчеты показали, что в процессе двумерной и трехмерной реконструкции изображения пространственное разрешение составило 38 и 120 нм соответственно. Для двумерных изображений такое разрешение, конечно, великовато, но для 3D-рентгенографии этот результат на сегодня лучший.
    Таким образом, японским ученым первым удалось получить трехмерное изображение человеческой хромосомы с рекордным на данный момент разрешением, при этом полученные изображения явно демонстрируют наличие осевой структуры, чего не наблюдалось ранее.
     
    #12
  13. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 26 мар 2009
    Предложена теория, объясняющая, чем определяется размер гигантских дюн в пустыне

    [​IMG]
    [​IMG]
    Рис. 1. Масштабы гигантских дюн для различных ветровых режимов: a — поперечные дюны пустыни Бадын-Джаран (Китай), b — дюны в форме полумесяца Атлантической Сахары (Марокко), с — продольные дюны пустыни Руб-эль-Хали (юго-восточная часть Аравийского полуострова), d — звездообразные дюны пустыни Большой Восточный Эрг (Grand Erg Oriental) в Алжире. Желтыми секторами показаны преобладающие направления ветров в пустыне. Снимки из обсуждаемой статьи в Nature

    Известно, что рост гигантских дюн происходит за счет поглощения более мелких дюн и, казалось бы, ничто не мешает принимать им сколь угодно большие размеры. Французским ученым из Лаборатории физики и механики неоднородных сред в сотрудничестве с исследователями из США и Алжира удалось установить, что этот процесс ограничен глубиной так называемого приповерхностного атмосферного слоя, который определяет характер течения воздуха над гигантскими дюнами.
    Формирование дюн в пустыне начинается с какого-нибудь небольшого холмика, на подветренной стороне которого происходит завихрение воздуха и образуется как бы небольшая воронка. По мере поступления с ветром новых порций песка холмик и воронка растут. Так появляются дюны, которые имеют звездообразную форму либо форму полумесяца. В дальнейшем они будут увеличиваться в размерах и медленно двигаться под действием и по направлению преобладающих ветров. Согласно этой теории, в процессе своего движения дюны могут накапливать песок сколь угодно долго и вырасти до бесконечных размеров, лишь бы хватило песка. Абсурдность этой теории очевидна: достоверно известно, что максимальная высота дюн ограничена несколькими сотнями метров. Кстати, рекордсменом является китайская пустыня Бадын-Джаран (Badain Jaran): некоторые дюны там достигают просто-таки огромных высот — около 500 метров.
    Попутно заметим, что если ветры в пустыне дуют в разных направлениях, то из песка формируются хаотические гряды дюн. Если же в розе ветров существует определенное направление, то дюны могут образовать периодическую структуру (см. рис. 1), напоминающую волнистую поверхность моря или океана с характерным расстоянием между вершинами таких песчаных волн около километра.
    Возникает закономерный вопрос: что же все-таки ограничивает рост гигантских дюн? В одном из последних выпусков журнала Nature французские ученые из Лаборатории физики и механики неоднородных сред в содружестве с исследователями из США и Алжира опубликовали статью Giant aeolian dune size determined by the average depth of the atmospheric boundary layer, в которой делают попытку решить эту проблему (в открытом доступе статья находится здесь).
    Ученые предложили теорию образования гигантских дюн, которая учитывает не только взаимодействие дюн и пустынных ветров, но и взаимодействие дюн с так называемым приповерхностным атмосферным слоем. В этом слое происходит активное конвекционное перемешивание масс воздуха, приводящее к нелинейному увеличению температуры с высотой. Толщина этого слоя колеблется от ста метров зимой до нескольких километров летом. Выше приповерхностный слой «накрыт» тонким инверсионным слоем с уже линейным изменением температуры. И лишь потом начинается участок атмосферы, где наблюдается понижение температуры воздуха с высотой, хорошо известное всем, кто летал на самолете.
    Что заставило ученых предположить, что рост дюн ограничивается процессами в приповерхностном атмосферном слое? Основанием для такой гипотезы послужила обнаруженная ими любопытная корреляция между двумя величинами — расстоянием λ между вершинами гигантских дюн (вне зависимости от того, какой они формы) и δθ/γ, где δθ — среднегодовое изменение температуры воздуха на поверхности пустыни, а γ — температурный градиент, задающий изменение температуры воздуха с высотой в инверсионном слое. Данные для установления такой зависимости были собраны по 34 пустыням в разных уголках земного шара (подробнее см. стр. 11–12 дополнительных материалов к статье, они находятся в открытом доступе).

    Но с другой стороны, отношение δθ/γ, которое приводится всё в тех же вспомогательных материалах, приблизительно равно максимальной высоте приповерхностного слоя H. Таким образом, становится очевидным, что процессы в этом слое, благодаря каким-то механизмам, до сих пор остававшимся невыясненными, причастны к ограничению роста дюн.
    Для того чтобы понять эти механизмы, ученые построили соответствующую их гипотезе аэродинамическую модель: периодически расположенные песчаные холмы высотой a, над которыми находится слой воздуха высотой H. В этом приповерхностном слое, благодаря конвекции и ветровым процессам, наблюдается турбулентное течение воздуха (число Рейнольдса составляло в модели 108). Вся система накрывается более «спокойным», то есть стабильным в плане перемешивания воздуха инверсионным слоем. Численный расчет на основании уравнений Навье–Стокса показал, что периодический рельеф из дюн возбуждает воздушные волны (авторы статьи называют эти волны поверхностными) на границе раздела приповерхностного и инверсионного слоя, которые в свою очередь изменяют скорость ветра, а значит, и управляют процессом аккумуляции песка дюнами.
    Далее происходит следующее: как только благодаря ветру расстояние между дюнами становится сравнимым с H, поверхностные волны уплотняют и ограничивают течение воздуха над их вершинами. Вследствие этого дюны перестают накапливать песок, и рост песчаного холма останавливается. На рис. 3 представлен графический результат численного моделирования — зависимость высоты дюн a от расстояния между их вершинами. На графике нетрудно заметить максимум (пик), означающий с физической точки зрения, что, действительно, как только λ и H становятся соизмеримыми, то дюна в процессе своего роста достигает максимальной высоты.
    [​IMG]
    Рис. 3. Высота дюн a как функция расстояния между ними λ (обе величины измерены относительно высоты приповерхностного слоя H), предсказанная аэродинамической моделью с учетом наличия приповерхностного атмосферного слоя (черная кривая) и без него (зеленая прямая). Круги соответствуют экспериментальным данным. Максимум на черной кривой означает, что присутствие приповерхностного слоя ограничивает течение воздуха над вершинами дюн, если длина поверхностных волн соизмерима с расстоянием между дюнами. В этом случае система «дюны плюс приповерхностный слой» приходит в равновесие: дюны не увеличивают свою высоту, а поверхностные волны в свою очередь не изменяют расстояние между их вершинами. И даже если в силу каких-то причин эта величина изменится (система пройдет положение максимума на графике), то песчаные холмы просто уменьшат свою высоту настолько, чтобы снова находиться в состоянии равновесия с приповерхностным слоем. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

    Чтобы еще лучше понять, как работает обсуждаемая здесь теория, рассмотрим пример: в пустыне Намиб высота дюн достигает 60–240 метров. В дополнительных материалах к статье находим информацию об этой пустыне: для нее δθ/γ ≈ 1,5 км, а значит, приблизительно такой же толщины и приповерхностный атмосферный слой H ≈ 1,5 км, расстояние между вершинами дюн λ ≈ 2,2 км. Таким образом, отношение λ/H ≈ 1,5. Из графика на рис. 3 нетрудно найти, что высота дюн a в единицах H должна быть около 0,15, отсюда имеем максимальную высоту, которую могут достичь дюны в этой пустыне, — 225 метров; это значение близко к реально наблюдаемому (до 240 метров).
    Между прочим, эта же модель объясняет и образование дюн из ила на дне реки (соответствующие расчеты приведены во вспомогательных материалах к обсуждаемой статье). Только нестабильному приповерхностному слою здесь соответствует толща воды, поверхностные волны — это гравитационные волны на поверхности реки, а «спокойный» инверсионный слой — это атмосфера. Качественно зависимость высоты иловых дюн от расстояния между ними не будет отличаться — просто положение максимума на графике оказывается другим.
    В конце статьи авторы замечают, что предложенный ими механизм формирования дюн, по-видимому, должен действовать и на других планетах и их спутниках, в частности на Марсе и Титане.
     
    #13
  14. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 29 мар 2009
    Исследован процесс формирования всплеска при столкновении твердого тела с жидкостью

    [​IMG]
    Рис. 1. Результат численного моделирования: эволюция формы свободной поверхности жидкости в точке отсечки (a) в момент начала формирования всплесков (b) и в момент, когда нижняя струя ударяется о диск, показанный красной линией (c). Отсчет координаты z и времени t ведется от точки отсечки. Координата и время нормируются на некоторые величины (см. ниже пояснения в тексте). Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

    При падении диска в воду возникает воздушная полость, которая, схлопываясь, приводит к образованию всплеска. Используя высокоскоростную камеру и численное моделирование, голландские и испанские физики показали, что общепринятая теория формирования всплеска плохо объясняет наблюдаемое явление, и предложили свою модель данного эффекта.
    Наиболее заметное явление при падении твердого тела в воду — это образование всплеска — тонкой струи, направленной вертикально вверх. Последовательность событий, приводящих к этому эффекту, была описана более ста лет назад Артуром Уортингтоном (Arthur Mason Worthington): после столкновения с жидкой средой твердое тело образует в ней полость, которая, благодаря гидростатическому давлению, начинает схлопываться, что приводит к образованию и отсечке воздушного пузыря. Далее из точки, где воздушная полость отсекается (в дальнейшем эту точку будем именовать «точкой отсечки»), выбрасываются две очень тонкие струи — одна направлена вертикально вверх, другая вниз.
    Точка отсечки представляет собой так называемую конечно-временную сингулярность — локальную расходимость (очень большое изменение) амплитуды или градиента какой-либо физической величины за конечное время. В последние годы конечно-временная сингулярность очень активно изучается в гидродинамике. Энергия жидкости, движущейся в окрестности такой сингулярности, как бы концентрируется в точке отсечки, в результате чего и создаются упомянутые выше всплески, или струи Уортингтона.
    Кстати, заметим, что такая конечно-временная сингулярность проявляется не только при исследовании динамических явлений в жидкости, но и в механике; яркий пример — диск Эйлера (Euler's disk). Это круглый диск, который одновременно совершает качение и вращение на горизонтальной плоскости; при этом в конце его движения возникает две особенности: резкое увеличение частоты звука, идущего от контакта диска с поверхностью, и последующая внезапная остановка движения. Эта внезапная остановка и есть конечно-временная сингулярность (см. об этом, например: Euler's disk and its finite-time singularity // Nature. 2000. V. 404. P. 833–834). С точки зрения физики происходит бесконечно большое возрастание угловой скорости вращения диска за конечное время. Между прочим, обычную монету можно рассматривать как диск Эйлера, а ее «дрожание» на конечной стадии ее движения можно считать конечно-временной сингулярностью. (Просто изобретатель коммерческой игрушки «диск Эйлера» Джозеф Бендик оптимизировал выбор диска и поверхности таким образом, что время, необходимое для остановки диска, выходит за пределы 60 секунд.)
    В своей недавней публикации в журнале Physical Review Letters (доступной также в виде препринта) голландские и испанские исследователи утверждают, что радиальная фокусировка энергии течения жидкости в точке отсечки (в сингулярности) не объясняет в полной мере экстремально малую толщину всплесков, возникающих при столкновении твердого тела с поверхностью жидкости. Они показали, что формирование струи Уортингтона можно объяснить не течением жидкости вблизи конечно-временной сингулярности, а рассматривая процесс столкновения стенок воздушной полости целиком — от начала её образования и вплоть до исчезновения.
    Физики наблюдали падение диска радиусом R0 = 2 см на поверхность воды со скоростью V0 = 1 м/с. Числа Рейнольдса и Вебера (см. ниже) составляли довольно большие значения, так что эффектами вязкости воды и ее поверхностным натяжением при падении диска в воду можно пренебречь. Единственным контролирующим параметром в эксперименте было число Фруда (см. ниже), равное 5,1.
    Число Рейнольдса (обозначается Re) определяет характер потока жидкости или газа — ламинарный или турбулентный. Эта безразмерная величина равна произведению скорости течения, диаметра трубы и плотности жидкости, деленному на ее вязкость
    Число Вебера (Weber number), We, определяется как соотношение инерционных сил и поверхностного натяжения. Для больших чисел Вебера доминируют инерционные силы, для маленьких — силы поверхностного натяжения. Число Вебера имеет значение при формировании волн на свободных поверхностях, для потоков жидкости в капиллярах и каналах, а также в формировании капелек. При небольших числах доминируют силы, связанные с поверхностью.
    Число Фруда, Fr, имеет большое значение для гидродинамики системы в гравитационном поле. Оно характеризует соотношение между инерционными силами и гравитацией. При больших значениях числа Фруда эффектом силы тяжести пренебрегают, при малых значениях не учитывают уже инерцию.
    Падение диска в воду с последующим образованием полости, ее схлопыванием и генерацией всплесков фиксировалось высокоскоростной камерой — 30 000 кадров в секунду (см. видео). Затем авторы, используя специальные численные методы, промоделировали исследуемое явление — правда, уже с учетом сил поверхностного натяжения, но пренебрегая сопротивлением воздуха. На рис. 1 показаны изменения в топологии полости — от момента отсечки до момента, когда нижний всплеск «догоняет» падающий диск (см. также анимацию моделирования).
    Координата z = 0 здесь соответствует точке отсечки воздушной полости, которая создается в момент времени t = 0. Скорость, расстояние и время нормировались соответственно на величины v0, R0 и T0, где T0 — некое характерное время, которое вводилось как отношение R0/v0 и составляло 0,02 c (таким образом, 0,08 на графике соответствует реальному времени 0,08 · 0,02 = 0,0016 с). Изучая формирование струй Уортингтона, авторы сфокусировали внимание на динамике поведения основания всплеска — самой низкой точки его поверхности (показана на вставке на рис. 2 красным цветом).
    [​IMG]
    Рис. 2. Движение основания поверхности верхней струи Уортингтона zb(t), полученное теоретическим путем (черная кривая), сравнивается с численным моделированием (красная кривая) и с данными эксперимента (синие ромбы). Некоторое несогласие теории и численной модели с экспериментальными результатами ученые объясняют несовершенством (асимметрией) диска. Хорошее согласие численного моделирования и теории наблюдается для графика функции rb(t) — зависимости расстояния между основанием поверхности всплеска и осью z. Отсутствие экспериментальных точек для rb(t) связано со сложностью измерения данной величины. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

    Основными моделируемыми параметрами были величины zb (координата основания поверхности верхней струи Уортингтона) и rb (расстояние от zb до вертикальной оси всплеска z). Видно, что численная модель явления (показана красными кривыми) неплохо согласуется с экспериментально наблюдаемыми данными (синие ромбы). Интересно, что процесс формирования всплесков занимает очень мало времени — глядя на рисунок 1b, можно подсчитать, что с момента образования конечно-временной сингулярности проходит около 0,2 мс.
    Такая большая скорость, однако, не связана с течением жидкости вокруг точки отсечки полости, как это объясняется и описывается в других статьях и экспериментах.
    [​IMG]
    Рис. 3. Распределение вертикального ускорения аz воды при t/T0 = 0,028. Вблизи оснований поверхности всплеска ускорение az резко возрастает. Точка отсечки, или точка конечно-временной сингулярности с координатами (0,0), удалена от струи Уортингтона. Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

    С чем это связано, показывает рис. 3. Он демонстрирует, что после исчезновения точки отсечки жидкость практически не ускоряется вдоль оси z, зато вблизи оснований всплеска появляются области, где вертикально направленное ускорение жидкости принимает огромное значение — порядка 104 м/с2. И именно эти области, а не конечно-временная сингулярность (точка отсечки), ответственны за образование струи Уортингтона. Эти области за счет своего большого вертикального ускорения как бы выдавливает жидкость наверх в виде тоненькой струи, что в итоге и приводит к наблюдаемому явлению. Причиной очень малой толщины струи являются маленькие размеры областей, где ускорение жидкости велико.
    Здесь уместна такая аналогия: нечто подобное наблюдается, когда выдавливается зубная паста из тюбика. Сжимая стенки тюбика, вы провоцируете движение части пасты к отверстию тюбика, а части пасты внутрь. Таким образом, необходимо рассматривать не только образующуюся сингулярность, но и продолжающийся процесс схлопывания полости после ее (сингулярности) исчезновения.
    [​IMG]
    Рис. 4. Схематический рисунок, показывающий образование воздушной полости, ее коллапс и формирование всплесков. Синие линии обозначают границу свободной поверхности жидкости (стенки воздушной полости). Рис. из обсуждаемой статьи в Phys. Rev. Lett.

    Рис. 4 красноречиво дополняет сказанное выше. На нём схематически изображено, как сталкиваются стенки воздушной полости (или, что то же самое, границы свободной поверхности воды) и как потом образуются всплески. Зеленые стрелки показывают участки жидкости, ответственные за образование струй Уортингтона.
    Авторы статьи предлагают также и теоретическую модель образования всплеска. На рис. 2 представлен графический результат этой теории — черная кривая, которая неплохо согласуется с численным моделированием и экспериментальными результатами.
    Статей, которые изучают такого рода явления, немало (например, см. Morphological Study of Cavity and Worthington Jet Formations for Newtonian and Non-Newtonian Liquids), но удивительно, что до объяснения такого обыденного эффекта додумались только сейчас.
     
    #14
  15. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 29 мар 2009
    Проводимость графена

    В выполненных к настоящему времени экспериментах измерялась проводимость графена (слоев углерода толщиной в один атом) на подложке, но отсутствуют данные о проводимости графена в вакууме, когда электронная структура графена не искажена влиянием зарядов подложки. Теоретическое исследование этого вопроса затруднено тем, что эффективная электродинамическая константа связи αg электронов в графене примерно в 300 раз больше постоянной тонкой структуры α = 1/137, и применение методов теории возмущений невозможно. J.E. Drut и T.A. Lahde разработали новый теоретический подход для вычисления электронных свойств графена. Ими применялся численный метод расчета "на решетке", похожий на тот, что используется при вычислениях в квантовой хромодинамике, где константа связи также велика. В расчетах выяснено, как меняется энергетическая щель в электронном спектре графена в зависимости от окружения, и соответственно, как меняется проводимость. Получено, что проводимость зависит от константы связи αg. Для графена на подложке из оксида кремния SiO2 — αg ≈ 0,79, и графен является проводником. При увеличении αg сверх критического значения αgcr = 1,11 ± 0,06 графен теряет проводящие свойства. В частности, в вакууме αg ≈ 2,16, и графен является изолятором. Справедливость сделанных теоретических предсказаний может быть проверена в будущих экспериментах.
     
    #15
  16. lotar

    lotar Ословед

    Репутация:
    175
    lotar, 30 мар 2009
    Новости физики в интернете

    Проводимость графена
    1 марта 2009
    В выполненных к настоящему времени экспериментах измерялась проводимость графена (слоев углерода толщиной в один атом) на подложке, но отсутствуют данные о проводимости графена в вакууме, когда электронная структура графена не искажена влиянием зарядов подложки (см., например, УФН 178 776 (2008) ). Теоретическое исследование этого вопроса затруднено тем, что эффективная электродинамическая константа связи αg электронов в графене примерно в 300 раз больше постоянной тонкой структуры α = 1/137, и применение методов теории возмущений невозможно. J.E. Drut и T.A. Lahde разработали новый теоретический подход для вычисления электронных свойств графена. Ими применялся численный метод расчета "на решетке", похожий на тот, что используется при вычислениях в квантовой хромодинамике, где константа связи также велика. В расчетах выяснено, как меняется энергетическая щель в электронном спектре графена в зависимости от окружения, и соответственно, как меняется проводимость. Получено, что проводимость зависит от константы связи αg. Для графена на подложке из оксида кремния SiO2 — αg ≈ 0,79, и графен является проводником. При увеличении αg сверх критического значения αgcr = 1,11 ± 0,06 графен теряет проводящие свойства. В частности, в вакууме αg ≈ 2,16, и графен является изолятором. Справедливость сделанных теоретических предсказаний может быть проверена в будущих экспериментах. Источник: Phys. Rev. Lett. 102 026802 (2009)
    Сверхпроводники 1,5-го рода
    1 марта 2009
    В.В. Мощалков и его коллеги из Бельгии и Швейцарии подтвердили экспериментально, что двухкомпонентный сверхпроводник MgB2 обладает свойствами как сверхпроводников 1-го рода, так и 2-го рода, в связи с чем предлагается называть его сверхпроводником промежуточного 1,5-го рода. Изучалось пространственное распределение сверхпроводящих вихрей при охлаждении монокристалла MgB2 и его переходе в сверхпроводящее состояние во внешнем магнитном поле, перпендикулярном поверхности образца. Оказалось, что вихри располагаются не однородно, а образуют сгущения паутинообразной и ленточной формы. Отсюда следует, что на малых расстояниях вихри отталкиваются аналогично вихрям в сверхпроводниках 2-го рода, а на больших расстояниях притягиваются, что характерно для сверхпроводников 1-го рода. Это явление теоретически объясняется тем, что в сверхпроводнике MgB2 сосуществуют два слабо связанных параметра порядка, и поэтому MgB2 совмещает в себе свойства двух сверхпроводников с различными отношениями ξ/λ длины когерентности к длине проникновения, соответствующими сверхпроводникам 1-го и 2-го рода. Результаты измерений хорошо согласуются с предсказаниями численного моделирования динамики вихрей и расчетами в рамках двухкомпонентной теории Гинзбурга – Ландау. Источник: http://arxiv.org/abs/0902.0997
    Запутанное состояние механических осцилляторов
    1 марта 2009
    J.D. Jost и его коллеги из Национального института стандартов и технологий (NIST) впервые перевели в состояние квантовой запутанности (entanglement) две механические системы - осцилляторы, состоящие из пар ионов 9Be+—24Mg+ в потенциальной яме. Сначала все четыре иона были захвачены в ловушку, в которой два иона 9Be+ были переведены в запутанное состояние по внутренним степеням свободы. Затем с помощью лазерных лучей путем изменения формы потенциальной ямы ионы были разделены на две пары 9Be+—24Mg+, имеющие размер ≈4 мкм и разнесенные на расстояние 0,24 мм. Эти пары ионов похожи на микроскопические пружины с грузами на концах. В каждой паре под влиянием лазерных импульсов внутреннее состояние запутанности переносилось на механические колебания ионов в паре относительно друг друга. В результате были получены две пары ионов в запутанных состояниях по механическим колебательным степеням свободы. Источник: http://arxiv.org/abs/0901.4779v1
    Мощный гамма-всплеск
    1 марта 2009
    С помощью космического гамма-телескопа им. Э.Ферми зарегистрирован экстремально мощный космический гамма-всплеск, получивший обозначение GRB 080916C. Оптическое послесвечение всплеска наблюдалось 2,2-метровым телескопом GROND, а также другими телескопами. Источником всплеска стал, вероятно, взрыв сверхновой в далекой галактике на красном смещении z = 4,35 ± 0,15 и, таким образом, GRB 080916C относится к 5% самых далеких из зарегистрированных гамма-всплесков. Выбросы энергии, приводящие к гамма-всплескам, происходят, как полагают, в виде узких струй (джетов). По переменности гамма-излучения установлено, что лоренц-фактор выброса превосходит 1090. Если для сравнения предположить излучение изотропным, то выделившаяся при взрыве энергия составит 6,5 × 1054 эрг - примерно в 9000 раз больше энергии обычных сверхновых, что позволяет считать гамма-всплеск GRB 080916C рекордным по энергии. Как и в некоторых других всплесках, фотоны высокой энергии приходят с задержкой по времени по сравнению с фотонами из низкоэнергетической области спектра. Возможно, это говорит о том, что излучение из различных частей спектра генерируется в разных условиях на разных этапах взрыва или в различных областях струйного выброса. Источник: http://arxiv.org/abs/0902.0761
    Когерентность электронов при фотосинтезе
    1 марта 2009
    Ранее считалось, что в процессе органического фотосинтеза энергия между электронами различных молекул в белковых комплексах, осуществляющих фотосинтез, передается классическим путем (кулоновские столкновения). Однако в 2007 г. были получены данные, что электроны белковых молекул квантово-когерентны, и энергия передается волновым способом. Эксперимент 2007 г. требовал длительного облучения молекул лазерным светом, что вело к их разрушению, и кроме того, удавалось получать спектры лишь в отдельных точках белковых комплексов. I. Mercer (Университетский колледж Дублина, Ирландия) и его коллеги из Великобритании разработали новую более совершенную методику, которая позволила прояснить детали переноса энергии при фотосинтезе. Путем облучении серией коротких лазерных импульсов с разными длинами волн был получен спектр белковых комплексов в двух измерениях и выяснена пространственно-временная картина процессов. В частности, новый эксперимент подтвердил, что электроны переносят энергию когерентно. Источники: Phys. Rev. Lett. 102 057402 (2009) ; http://focus.aps.org/story/v23/st5
    Новости не опубликованные в журнале

    Космический гамма-источник
    6 марта 2009
    С помощью телескопа MAGIC вблизи галактик 3C66A и 3C66B обнаружен источник гамма-лучей очень большой энергии — более 150 ГэВ, природа которого пока не выяснена. Источник: PhysOrg.com
    Усиление люминесценции нанотрубок
    6 марта 2009
    F. Papadimitrakopoulos и его коллеги из университета Коннектикута нашли способ усиления люминесцентного свечения углеродных нанотрубок на 20%, что в 40 раз больше предшествующих результатов. Трубки покрывались слоем вещества, устраняющего дефекты поверхности, такие как абсорбированные молекулы кислорода. Источник: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2009-03/uoc-ucf030509.php
    Стохастический резонанс в электронике
    5 марта 2009
    W. Ditto (Аризонский государственный университет) и его коллеги сконструировали электронный чип, работа которого стабилизирована определенным уровнем стохастических шумов. Источник: http://focus.aps.org/story/v23/st7
    Магнитное поле Веги
    9 марта 2009
    С помощью 2-метрового телескопа в обсерватории Pic du Midi (Франция) найдена величина магнитного поля на поверхности звезды Вега - 0,6 ± 0,3 Гс. Поле определено путем измерений спектра и поляризации излучения. Тем самым, впервые измерено магнитное поле у звезды класса A, которая не относится к химически пекулярному типу Ap. Источник: arXiv:0903.1247v1 [astro-ph.SR]
    Сплав церия и алюминия
    11 марта 2009
    В Институте Карнеги впервые создан сплав церия и алюминия — элементов, которые ранее считались несовместимыми в составе единого кристалла. Сплав образовался под действием высокого давления в результате делокализации электронов в атомах церия и уменьшения объема атомов. Источник: http://www.physorg.com/news155994105.html
    Новые ограничения на бозон Хиггса
    13 марта 2009
    В экспериментах, выполненных на ускорителе Тэватрон в Лаборатории им. Э. Ферми, получены новые ограничения на возможную массу бозона Хиггса: с вероятностью 95% исключен интервал масс 160-170 ГэВ. Источник: http://www.physorg.com/news156160849.html
    Прозрачный металл
    12 марта 2009
    A. Oganov и Y. Ma обнаружили, что при давлении около 2 млн. атм. металл натрий становится прозрачным. Источник: http://www.physorg.com/news156104532.html
    Мощный источник позитронов
    13 марта 2009
    В Ливерморской национальной лаборатории создан новый источник позитронов с большой производительностью. Лазерный луч мощностью 1020 Вт, сфокусированный на поверхность золотой фольги площадью 1 см2, ускоряет электроны, при взаимодействии которых с ядрами золота рождаются позитроны. Источник: http://focus.aps.org/story/v23/st8
     
    #16
  17. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 31 мар 2009
    Какую форму имеет быстро летящий протон?

    [​IMG]
    Рис. 1. Схематичный вид высокоэнергетического протона (изображение из обсуждаемой статьи)

    Теоретические расчеты показывают, что протоны и ядра, движущиеся с околосветовой скоростью, имеют форму не плоского диска, а двояко-вогнутой линзы.
    Микромир живет по законам, которые очень непохожи на законы окружающего нас мира. Многие наслышаны про волновые свойства вещества или про то, что вакуум в квантовой теории — вовсе не пустота, а бурлящий океан виртуальных частиц. Менее известно то, что само понятие «состава» сложных частиц является в микромире понятием относительным, зависящим от того, как вы на эту частицу посмотрели. А это, в свою очередь, влияет на «форму» составных частиц, например протона.
    Недавний препринт On the shape of a rapid hadron in QCD стал яркой иллюстрацией этой идеи. Согласно представленным там теоретическим расчетам, протоны или атомные ядра, летящие со скоростью, очень близкой к скорости света, должны иметь форму вогнутой линзы — примерно такую, как показано на рис. 1.
    Как возникает такой причудливый эффект? Объяснить его придется в несколько шагов.
    Во-первых, протон — составная частица. Обычно говорят, что протоны состоят из кварков, скрепленных вместе глюонным полем, однако такое описание справедливо только для неподвижных или медленно движущихся протонов. Если же протон летит со скоростью, близкой к скорости света, то намного корректнее его описывать в виде пронизывающих друг друга облаков кварков, антикварков и глюонов. Все вместе они называются «партоны» (от английского «part» — часть).
    В квантовой теории количество партонов не фиксировано (это, в общем-то, относится ко всем частицам). Такой «закон несохранения» возникает из-за того, что каждый партон может расщепиться на два партона с энергией поменьше или, наоборот, два партона могут рекомбинировать — слиться в один. Оба этих процесса происходят постоянно, и в результате в быстро летящем протоне возникает некоторое динамически сбалансированное количество партонов. Причем это количество зависит от системы отсчета: чем больше энергия протона, тем больше в нём партонов.
    В итоге получается несколько неожиданная картина, которая, на первый взгляд, даже противоречит теории относительности. Напомним, что в соответствии с теорией относительности продольный размер быстро движущихся тел сокращается. Например, шар (в своей системе покоя) выглядит сильно сплюснутым диском для быстро движущегося наблюдателя. Однако это «правило сплющивания» нельзя буквально переносить на протон, поскольку где в пространстве пролегает «граница протона» — зависит от системы отсчета.
    С одной стороны, при переходе из одной системы отсчета в другую партонное облако действительно стремится сплющиться в согласии с теорией относительности. Но с другой стороны, при этом нарождаются новые партоны, которые как бы «восстанавливают» его продольный размер. В целом получается так, что протон — который является просто набором партонных облаков — вовсе не сплющивается с ростом энергии. Подробнее об этом необычном свойстве протона см. в заметке Как выглядит ультрарелятивистский протон - 1.
    Все эти удивительные свойства партонных облаков были, на самом деле, поняты довольно давно, в начале 1970-х годов, когда создавалась современная теория сильных взаимодействий. Однако в последние годы стал активно изучаться новый режим в теории сильных взаимодействий — режим насыщения партонных плотностей. То, что при этом происходит с протоном, схематично показано на рис. 2.
    [​IMG]
    Рис. 2. Схематичное изображение партонных плотностей в быстро летящем протоне. Чем выше энергия протона (слева направо), тем большее количество партонов находится внутри протона. Однако начиная с некоторой энергии партоны уже начинают мешать друг другу, и дальнейший рост партонных плотностей резко замедляется. Партоны выходят на режим насыщения. (Рисунок автора заметки)​

    Чем выше энергия протона, тем больше в нём находится партонов. Но они обладают поперечной протяженностью, и поэтому начиная с некоторой плотности они начинают мешать друг другу. Это значит, что поместить сюда еще больше партонов становится проблематично: новые партоны рекомбинируют с уже имеющимися, и партонная плотность не возрастет. Именно поэтому начиная с некоторой энергии рост партонных плотностей резко замедляется.
    Теперь вернемся к продольному размеру протона. Раз рост партонных плотностей замедлился, то при переходе из одной системы отсчета в другую новые партоны уже не будут «успевать» полностью восстановить продольный размер протона. Получается, с ростом энергии выше некоторого предела толщина протона всё же начнет уменьшаться, правда медленнее, чем для обычного тела какой-то фиксированной формы. Можно сказать, что протон в режиме насыщения как бы «обретает плоть», становится более похожим на обычные тела.
    И, наконец, последний шаг. Плотность партонов в центре протона выше, чем на его периферии. Поэтому с ростом энергии режим насыщения в центре протона начнется раньше, чем на краю. Но чем сильнее работает насыщение, тем сильнее сплющивается протон при данной энергии. В целом, получается так, что протон в центре становится тоньше, чем на краях, — то есть протон должен иметь вид вогнутой линзы.
    Кстати, в статье также отмечается, что похожий эффект будет возникать и у ядер. Причем насыщение партонных плотностей будет для них сильнее, чем для отдельных протонов. В результате может получиться так, что тяжелое ядро, движущееся со скоростью, близкой к скорости света, будет тоньше, чем каждый из составляющих его протонов и нейтронов. Парадокса тут нет — просто партонные плотности от отдельных нуклонов, будучи волнами в квантовой теории, интерферируют друг с другом, оставляя лишь тонкий диск (а точнее, «линзу») вещества.
     
    #17
  18. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 2 апр 2009
    Большому адронному коллайдеру грозит полный демонтаж

    [​IMG]
    Примерно так в недалеком будущем может выглядеть туннель Большого адронного коллайдера. Фото © Ed Alcock с сайта www.nytimes.com
    Большой адронный коллайдер оказался настолько сложной установкой, что у специалистов опускаются руки: они не могут с ним справиться и вынуждены постоянно его ремонтировать. В условиях финансового кризиса наименее болезненным выходом из сложившейся ситуации может стать полный демонтаж LHC.
    Вот уже который год физики всего мира, затаив дыхание, ждут начала экспериментов на Большом адронном коллайдере — самой сложной установке, когда-либо построенной человеком. Результаты этих экспериментов должны революционизировать наше понимание устройства материи и энергии, времени и пространства. Однако из года в год начало этой новой эры отодвигается всё дальше в будущее. Сначала были задержки с поставкой магнитов и других элементов ускорителя, затем специалисты выбились из графика при его сборке, а в сентябре прошлого года произошла авария, из-за которой запуск пришлось вновь надолго отложить. Череда неурядиц на Большом адронном коллайдере, к раздражению многих ученых и широкой публики, уже превратилась в какую-то странную традицию.
    Накладные расходы на поддержку LHC оказались непомерно велики. Скажем, если раньше остановка ускорителя на зиму, отладка и новый запуск занимали лишь пару месяцев в году, то этап сервисного обслуживания Большого адронного коллайдера грозит растянуться на 6-8 месяцев. А ведь кроме плановых работ случаются и непредвиденные ситуации и различные происшествия, которые могут вывести коллайдер из строя на долгие месяцы и годы. Так что есть все шансы навсегда застрять в фазе перманентного ремонта.
    Однако скоро этой неопределенности, по всей видимости, придет конец. Как сообщил источник в ЦЕРНе, пожелавший остаться неизвестным, руководство ЦЕРНа уже смирилось с тем, что коллайдер так и не удастся запустить. Причина самая банальная: в условиях разворачивающегося финансового кризиса постоянные многомиллионные траты оказываются неподъемными даже для ЦЕРНа.
    В феврале 2009 года руководство ЦЕРНа собралось на закрытой для посторонней публики конференции Chamonix-2009. На повестке дня стоял, по сути, один вопрос: как быть дальше? После жарких многодневных дискуссий, подсчитав все немногочисленные достижения и понесенные тяжелые потери, а также тщательно обсудив, что, где и когда еще может сломаться, специалисты были вынуждены признать, что человечество сейчас попросту не готово к Большому адронному коллайдеру. Установка оказалась слишком сложной не только для поддержания ее в рабочем состоянии, но и даже для нормального запуска. Руководству ЦЕРНа ничего не остается, как прекратить попытки запустить коллайдер. Установка будет демонтирована, а специалисты сфокусируются на других экспериментах более скромного масштаба, которые сейчас ведутся в ЦЕРНе.
    Конечно, это решение руководства еще нигде не афишируется. Публику готовят к нему постепенно. В официальных формулировках говорится, что запуск коллайдера снова откладывается, на этот раз до осени 2009 года. Или еще позже — время в запасе есть. Не исключено, что потом будет объявлено о новой аварии, запуск коллайдера будет отложен еще раз, а там, глядишь, в свете финансового кризиса общество и вовсе позабудет про LHC.
    Задержки и аварии вкупе с финансовым кризисом могут кому-то показаться лишь чередой совпадений, но только не физикам Хольгеру Нильсену и Масао Ниномии. Еще два года назад в своей научной статье «Search for Effect of Influence from Future in Large Hadron Collider», которая была опубликована в престижнейшем журнале International Journal of Modern Physics A, они предсказали именно такое развитие событий! Согласно их теории, загадочный хиггсовский бозон способен оказывать такое воздействие на окружающий мир, при котором его открытие становится невозможным. А поскольку Большой адронный коллайдер, по замыслу его создателей, должен был со стопроцентной гарантией найти бозон Хиггса, то получается, что коллайдер просто невозможно будет запустить. (Подробнее об этой теории см. в новости Коллайдер сломался.)
    Так это или нет, нам уже, похоже, никогда не узнать. Впрочем, после демонтажа коллайдера дорогостоящая аппаратура, конечно, даром не пропадет — ее можно будет использовать в других экспериментах. Одного только сверхпроводящего материала в ускорителе столько, что из него можно свить сверхпроводящий кабель от Земли до Солнца! А бесценный опыт, полученный за эти годы работавшим на LHC персоналом, сможет пригодиться как в новых проектах, так и просто в жизни.
    Сам же многокилометровый тоннель LHC, по-видимому, будет переоборудован для каких-нибудь более приземленных целей и начнет наконец приносить материальную выгоду. Такой прагматический подход позволит ЦЕРНу в нелегкие годы финансового кризиса перейти на самоокупаемость и поддерживать на плаву эксперименты небольшого масштаба.
    [​IMG]
    А может быть, и так. Фото с сайта www.dublinoogle.com

    Вариантов тут может быть несколько. Самый простой — переоборудовать подземный туннель в парк развлечений или в съемочную площадку для фантастических фильмов. Пробный камень уже запущен — в феврале этого года ЦЕРН предоставил свои офисы и туннели для съемок фильма «Ангелы и демоны» по одноименному роману Дэна Брауна. Сумма, которую на этом заработал ЦЕРН, нигде не упоминается, хотя проскакивают намеки на то, что она была немаленькая.
    Перспективно выглядит также идея проводить в 27-километровом подземном кольце гонки «Формулы-1». Цилиндрическая внутренняя поверхность туннеля в буквальном смысле слова открывает пилотам новые дополнительные измерения для обгона и маневров!
    Наконец, возможно и такое решение. Благодаря специальной обслуживающей инфраструктуре в подземном кольце LHC за долгие годы был создан уникальный микроклимат, практически изолированный от внешнего мира. Этот микроклимат можно использовать, например, для выращивания редких видов грибов, возможно даже трюфелей (впрочем, свою часть туннеля французы всерьез подумывают превратить в винный погреб для вторичной ферментации и выдержки шампанских вин). Более того, может оказаться очень к месту тот факт, что именно в этом туннеле в течение десятилетий работал Большой электрон-позитронный коллайдер, предшественник LHC. Дело в том, что несколько лет назад американские ученые, работавшие на месте чернобыльской аварии, сделали поразительное открытие — оказывается, грибы питаются радиацией. Но если в Чернобыле радиация была грязная, то в подземном туннеле ЦЕРНа она самая чистая, какая только возможно, — в виде синхротронного излучения электронов и позитронов. Так что нам остается только догадываться, какими удивительными грибами cмогут порадовать нас сотрудники ЦЕРНа!
     
    #18
  19. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 2 апр 2009
    При взаимодействии с водородом графен превращается в графан

    [​IMG]
    Рис. 1. Кристаллическая структура графена (A) и графана (B). Синим цветом показаны атомы углерода, красным — атомы водорода. a — длина связи между атомами углерода, d — постоянная кристаллической решетки (графена и графана соответственно). Измерения, проведенные просвечивающим электронным микроскопом (Transmission electron microscopy), дают следующие значения для графана: a = 1,42 Å, d ≈ 2,42 Å, что практически не отличается от аналогичных параметров для графена (a = 1,42 Å, d ≈ 2,46 Å). Интересно, что теоретические расчеты предсказывают для графана такие значения a и d: a ≈ 1,53 Å (несогласие с теорией) и d ≈ 2,42 Å (согласие с теорией). Рис. из обсуждаемой статьи в Science

    Хотя графит известен как одно из самых инертных химических веществ, группе ученых из Англии, Голландии и России удалось добиться химической реакции единичного атомного слоя графита — графена — с водородом. В результате образуется совершенно новое вещество — графан, которое при очень низких температурах ведет себя как изолятор. Наблюдения с помощью просвечивающего электронного микроскопа показывают, что графан тоже обладает двумерной гексагональной кристаллической структурой, но с более коротким шагом решетки, чем у графена.
    О плоском монослое атомов углерода, плотно упакованных в гексагональную кристаллическую решетку, или, проще говоря, графене, написано столько, что кажется, что чем-то новым никого уже не удивишь. Но, как оказалось, возможно. «Графенную экзотику» еще можно получить на стыке физики и химии. Если химическое взаимодействие структурного «родственника» графена, углеродной нанотрубки, с другими элементами изучено уже довольно хорошо, о химических реакциях с участием самого графена почти ничего не известно.
    Группе ученых из Англии, России и Голландии путем гидрирования (взаимодействия с водородом) удалось превратить графен в новое вещество — графан. Об этом сообщается в статье Control of Graphene’s Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane, опубликованной в одном из последних выпусков журнала Science. Что интересно, в число авторов работы входят Эндрю Гейм и Костя Новосёлов — ученые, первыми получившие графен.
    Впервые термин «графан» появился в 2006 году — в статье американских физиков-теоретиков Graphane: a two-dimensional hydrocarbon, опубликованной в архиве препринтов, а затем в журнале Physical Review B. В этой работе теоретически показано, что в результате взаимодействия графена с атомарным водородом может образоваться новое вещество с химической формулой CH — это вещество и было названо графаном. Кристаллическая структура графана, так же как и графена, — двумерная гексагональная. При этом атомы водорода присоединяются по обе стороны от плоскости атомов углерода. Кроме этого, авторы статьи дополнительно рассчитали зонную структуру нового материала, предсказали, что графан должен быть полупроводником, а также обсудили вероятные способы получения нового вещества и его возможное применение в электронике. И вот теперь настало время практической реализации предсказанного материала, а заодно и проверки расчетов теоретиков.
    Как же был получен графан? Исходный материал — кристаллы графена — был приготовлен традиционным образом — микромеханическим отшелушиванием слоев графита, находящегося на подложке из оксида кремния (толщина подложки составляла 300 нм). В том, что получен именно единичный слой атомов углерода, исследователи убеждались оптическими методами и с помощью рамановской спектроскопии. Далее полученный графен отжигался при температуре 300°C в атмосфере аргона в течение 4 часов. (Эта процедура необходима для избавления кристаллов исходного материала от возможных примесей и загрязнений.) Затем образцы графена подвергались воздействию так называемой «direct-current» плазмы — смеси аргона и молекулярного водорода (доля Н2 составляла 10%), находящейся при низком давлении — около 0,1 миллибара (1 миллибар = 100 Па). «Direct-current» плазма создавалась с помощью разряда между алюминиевыми электродами (отсюда ее название). Чтобы избежать возможного повреждения ионами, образующимися в плазме в результате облучения, графенные плоскости располагались на расстоянии 30 см от зоны разряда. После того как образцы два часа находились в плазме, и получался графан. На рис. 1 приведено сравнение кристаллической структуры графена (A) и графана (B).
    Чтобы удостовериться в том, что получено действительно новое вещество, ученые повторили описанные выше манипуляции с графеном, но уже без 10-процентной примеси водорода в плазме, и с помощью рамановской спектроскопии убедились, что никаких трансформаций графена в другое вещество не происходило.
    Проведенные резистивные измерения подтверждают теоретические предсказания полупроводниковых свойств графана. График на рис. 2 показывает температурную зависимость сопротивления нового материала (голубые квадраты). Как видим, с ростом температуры T сопротивление ρ уменьшается, как и у полупроводников. При переходе от температуры 300 К к температуре жидкого гелия (около 4 К) графан проявляет изолирующие свойства: его сопротивление вырастает на два порядка, а подвижность зарядов по сравнению с графеном падает более чем в 1000 раз. Собственно, зависимость ρ(T) хорошо приближается функцией exp[(T0/T)1/3], где T0 — некоторая температура, равная приблизительно 250 К.
    [​IMG]
    Рис. 2. Переход металл–изолятор в гидрированном графене — графане. Красные круги и зеленые треугольники отображают температурную зависимость сопротивления чистого и отожженного графена соответственно. Синие квадраты — температурная зависимость сопротивления графана. Сплошная кривая — аппроксимация зависимости ρ(T) функцией exp[(T0/T)1/3]. Рис. из обсуждаемой статьи в Science

    Любопытно, что реакция гидрирования графена является обратимой, и графан можно снова превратить в графен с помощью отжига при температуре 450°C в течение 24 часов. Свойства такого отожженного графена практически не изменяются: его сопротивление опять слабо зависит от температуры и подвижность зарядов возвращается почти на прежний уровень.
     
    #19
  20. |{HЯ3b.74

    |{HЯ3b.74 Guest

    Репутация:
    0
    |{HЯ3b.74, 4 апр 2009
    Новости

    Поиск бозона Хиггса

    Путем объединения данных двух экспериментов CDF и D0, проводимых на ускорителе Тэватрон в Лаборатории им. Э. Ферми, получены новые ограничения на возможную массу бозона Хиггса. Ранее в экспериментах на электрон-позитронном коллайдере в ЦЕРНе было установлено, что масса бозона Хиггса превышает 114 ГэВ. С другой стороны, теоретические расчеты процессов с участием бозона Хиггса ограничивают его массу сверху величиной 185 ГэВ. В настоящее время проводятся систематические поиски бозона Хиггса в интервале возможных масс 114-185 ГэВ, и уже исключены отдельные участки этого диапазона. Согласно данным CDF и D0, бозон Хиггса не может иметь массу в интервале 160-170 ГэВ с вероятностью 95%. Также в эксперименте D0 c рекордной на сегодняшний день точностью измерена масса W-бозона — 80,401 ± 0,044 ГэВ. Повышение точности в измерении массы W-бозона может помочь в поисках бозона Хиггса путем уточнения границ его возможных масс и улучшения точности в расчетах реакций с его участием.

    Усиление люминесценции углеродных нанотрубок

    F. Papadimitrakopoulos и его коллеги из университета Коннектикута нашли способ усиления люминесцентного свечения однослойных углеродных нанотрубок до рекордно большого уровня эффективности 20%. Светимость нанотрубок ограничена за счет дефектов их поверхности, таких как абсорбированные молекулы кислорода. Ранее, помещая нанотрубки в растворы-суспензии, удавалось достичь эффективности люминесценции лишь на уровне 0,5%. В новом эксперименте нанотрубки покрывались слоем соединения FC12 — аналога флавина-мононуклеотида, близкого по составу к витамину B. По мере нанесения такого покрытия происходила самоорганизация молекул FC12 в трубку, коаксиальную с углеродной нанотрубкой, и при этом с поверхности нанотрубки автоматически удалялись посторонние молекулы. Люминесцентное свечение вызывается облучением нанотрубок ИК-излучением, либо путем электрического возбуждения. Углеродные нанотрубки с высокой эффективностью люминесценции могут найти множество полезных применений, например, в фотодетекторах нанометрового масштаба и в биологических сенсорах.

    Охлаждение нанотрубок

    P. Avouris и его коллеги из исследовательского центра компании IBM и Университета г. Дюк (США) обнаружили, что тепло от углеродной нанотрубки может отводиться на контактирующую с ней подложку даже если между ними нет химической связи. В эксперименте исследовались нанотрубки на подложке из оксида кремния в конфигурации, похожей на полевой транзистор. Тепловые колебания регистрировались методом рамановской спектроскопии. Передача тепла от нанотрубок объясняется электрическим взаимодействием между зарядами: электроны нанотрубки взаимодействуют с наведенными электрическими полями от подложки, энергия передается зарядам подложки вблизи ее поверхности, и затем тепловые колебания уносятся вглубь образца. Обнаруженный эффект важен для решения проблемы охлаждения микроэлектронных устройств на основе углеродных нанотрубок.

    Стохастический резонанс в цифровой электронике

    W. Ditto (Аризонский университет) и его коллеги обнаружили, что работа логического элемента может быть стабилизирована определенным уровнем стохастических шумов. Обычно шумы являются помехой в работе электронных устройств, приводя, например, к непредсказуемым переключениям состояний логических элементов. Однако в некоторых нелинейных системах возможен стохастический резонанс, когда при повышении уровня широкополосных шумов появляется возможность выделения полезного сигнала за счет того, что сумма сигнала и шума превышает некоторое пороговое значение. Стохастический резонанс проявляется, в частности, в чередовании климатических циклов и в нейронных системах. В Аризонском университете выполнено математическое моделирование логического элемента, на вход которого подаются два прямоугольных сигнала и шумы, и обнаружено, что при повышении уровня шумов работа элемента становится предсказуемой, причем стабильность сохраняется в достаточно широком интервале амплитуд шумов. Теоретические выводы были подтверждены исследованиями электронного аналога рассматриваемой нелинейной системы. Другим полезным свойством сконструированного логического элемента является возможность изменения его логических свойств на противоположные с помощью управляющего сигнала.

    Рентгеновские наблюдения пульсара PSR J0108-1431

    С помощью космической рентгеновской обсерватории Чандра обнаружен самый старый из известных на сегодняшний день изолированных (вне двойных систем) пульсаров, излучающих в рентгеновском диапазоне. По радионаблюдениям установлено, что пульсар PSR J0108-1431 имеет возраст около 170 млн. лет. Неожиданным результатом стало то, что рентгеновская светимость пульсара очень высока, несмотря на его большой возраст и медленное вращение (с периодом 0,8 с). Примерно 0,4% энергии, связанной с замедлением вращения, преобразуется в рентгеновское излучение. Пульсар PSR J0108-1431 находится на расстоянии 770 световых лет от Земли и движется со скоростью около 200 км с-1. Не ясным пока остается механизм рентгеновской светимости. Возможно, что в излучении присутствуют две компоненты, одна из которых генерируется в магнитосфере пульсара, а вторая — вблизи полюсов.

    Темная материя в карликовых галактиках

    С помощью космического телескопа Хаббла исследованы 29 карликовых эллиптических галактик в ядре скопления галактик Персей, находящегося на расстоянии 250 млн. световых лет от Земли. В отличие от соседствующих с ними спиральных галактик, карликовые галактики имеют правильную форму без видимых признаков разрушения приливными гравитационными силами со стороны ядра скопления и других галактик. Это говорит о том, что карликовые галактики имеют достаточно большую массу, препятствующую приливному разрушению. Эта невидимая масса заключена в темной материи (скрытой массе). Отношение масса-светимость исследованных карликовых галактик достигает значений ≈120 в солнечных единицах. Таким образом, установлено, что в карликовых эллиптических галактиках в ядрах скоплений, так же как и в карликовых сфероидах Локальной группы галактик, содержится относительно большое количество темной материи.
     
    #20
Загрузка...