Новости науки

МОСКВА, 6 окт – РИА Новости. Ученые из Германии и США разработали новую методику ускорения частиц при помощи терагерцового излучения, которая позволила им уменьшить габариты подобного прибора в 100 раз и собрать его единичный "кубик" размером со спичку, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Большинство современных ускорителей частиц, помимо их экзотических "кильватерных" и лазерных разновидностей, используют радиоволны для передачи энергии разгоняемым частицам. Очень большая длина волны у радиоволн является одной из причин того, почему современные коллайдеры приближаются по площади к небольшому государству.

Физики из Германского синхротронного центра DESY и их коллеги из Америки под руководством Франца Кертнера (Franz Kaertner) сделали большой шаг в сторону радикального уменьшения размеров ускорителей частиц, научившись использовать другой тип волн – так называемое терагерцовое излучение – для разгона заряженных частиц.

Как объясняют ученые, терагерцовые волны занимают промежуточное положение между светом и классическими радиоволнами, обладая положительными чертами и тех и других. В частности, они так же легко проникают через материю, как и радиоволны, и при этом не ионизирует ее. Это позволяет использовать подобные лучи в качестве безопасной замены для рентгена, в качестве основы для сверхскоростных систем связи и ряда других целей.

Главной положительной чертой этого излучения в контексте ускорения частиц является то, что длина его волн в тысячу раз короче, чем у тех радиоволн, которые используются в современных ускорителях. Это позволяет, в теории, уменьшить размеры всех компонентов ускорителя в аналогичное число раз, однако сначала физикам нужно приспособить терагерцовые волны для работы в ускорителях.

Кертнер и его коллеги создали первый прототип такого устройства размером с довольно крупную спичку или небольшую сигарету, изготовив особый световод, поглощающий лучи терагерцового излучения и передающий их энергию электронам, пролетающим через этот модуль.

Первые результаты оказались достаточно скромными – ученым удалось ускорить частицы, пролетающие через эту спичку, лишь на 7 килоэлектронвольт (7 кэВ). Для сравнения, плазменные и кильватерные ускорители достигали отметки в 5 гигаэлектронвольт (5 ГэВ), что почти в миллион раз больше, а БАК – до значений в 8 тераэлектронвольт.

"Конечно, это не особо сильное ускорение, но наш эксперимент показал, что подобная методика разгона частиц работает на практике. Если теории верны, то мы сможем достичь значений ускорительного градиента в гигаэлектронвольт на метр, что в десять раз больше, чем показывают лучшие ускорители сегодня", — заключает Арья Фаллахи (Arya Fallahi) из Германского синхротронного центра DESY.
Источник

Сверхпроводимость, которая почти несовместима с магнитным полем, может при определенных условиях способствовать его распространению — этот пока необъясненный эффект обнаружили физики из НИИ ядерной физики МГУ вместе с коллегами из Британии. Они полагают, что устройства на базе этого эффекта могут приблизить эпоху компьютеров будущего — спинтронных вычислительных машин. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Nature Physics.

Группа ученых при участии Натальи Пугач из НИИ ядерной физики имени Скобельцына МГУ исследовала взаимодействие сверхпроводимости и намагниченности для того, чтобы научиться управлять спинами электронов и создавать технологии электроники нового типа. Если в обычной микроэлектронике информация кодируется с помощью электрических зарядов, то в спиновой электронике — или спинтронике — информация предоставляется с помощью спина электрона, который может быть направлен вдоль или против определенной оси. Исследователи проводили эксперименты с устройством под названием спиновый вентиль, который состоял из двух слоев ферромагнетика (кобальта), слоя сверхпроводника (ниобия) толщиной около 150 атомов и слоя золота. Ученые обнаружили неожиданный эффект: в тех случаях, когда направления намагниченности слоев ферромагнетика были непараллельны, взаимодействие их со сверхпроводником порождало наведенную намагниченность в слое из золота, «перепрыгивая» через сверхпроводник. Когда ученые «поворачивали» намагниченность в одну сторону, сила поля в золоте уменьшалась в 20 раз и эффект почти полностью пропадал.

Несмотря на то что пока исследователи не могут дать полноценное объяснение наблюдаемого эффекта, по мнению авторов работы, он, возможно, позволит создать принципиально новые спинтронные элементы, а на их основе — и суперкопьютеры.

Источник

Нобелевскую премию по физике 2015 года получат канадец Артур Макдоналд и японец Такааки Кадзита «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». В существовании ненулевой массы у этой частицы физики были уверены последние несколько десятилетий, а решение Шведской королевской академии наук окончательно поставило точку в этом вопросе.

Исторически нейтрино возникли в физике элементарных частиц более 80 лет назад в ходе поисков решения двух задач ядерной физики: так называемой азотной катастрофы и описания непрерывного спектра электронов в бета-распаде. Первая проблема связана с тем, что ученые считали верной теорию Резерфорда, согласно которой атом состоит из протонов и электронов. В частности, физики не знали о существовании нейтрона и полагали, что ядро атома азота состоит исключительно из протонов. Это приводило к тому, что опыт и теория давали различные значения спина ядра (его полного момента количества движения).

Вторая проблема — непрерывного спектра электронов в бета-распаде (этот распад изменяет заряд ядра на единицу и приводит к испусканию электрона или его античастицы — позитрона) — связана с тем, что в опытах по бета-распаду энергии образующихся электронов изменялись непрерывным образом в отличие от, например, дискретного (прерывного) спектра альфа-частиц (ядер гелия-4).

Две проблемы не давали покоя физикам, поскольку приводили к нарушению законов сохранения — импульса, момента импульса и энергии. Некоторые ученые, в частности, датчанин Нильс Бор, даже предположили, что пришло время пересмотреть энергетические основы физики и отказаться от законов сохранения. К счастью, этого не пришлось делать.

Всех успокоил швейцарский физик Вольфганг Паули. В 1930 году он написал письмо участникам конференции в городе Тюбинген. «Имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть "нейтронами" и которые обладают спином 1/2. Масса "нейтрона" по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0,01 массы протона. Непрерывный бета-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается еще и "нейтрон" — таким образом, что сумма энергий "нейтрона" и электрона остается постоянной», — сообщал ученый.

«Нейтрон» Паули оказался не тем нейтроном, который экспериментально открыл в 1932 году британец Джеймс Чедвик, а теоретически предположили советский физик Дмитрий Иваненко и немец Вернер Гейзенберг. Между тем, в 1933 году Паули выступил на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, где рассказал подробности своей идеи, «спасшей» закон сохранения энергии.

Нейтрино (итальянское «маленький нейтрон») дал имя итальянский физик Энрико Ферми, который создал первую количественную теорию бета-распада. В ней описывалось взаимодействие четырех частиц: протона, нейтрона, электрона и нейтрино. Нейтрино в теории Ферми не содержится в атомном ядре, как полагал Паули, а вылетает из него вместе с электроном в результате бета-распада.

Ферми считал нейтрино нейтральной частицей легче электрона или даже с массой, равной нулю. Однако его теория была неперенормируемой (приводила к расходимостям). Только после введения новых частиц — промежуточных векторных бозонов — и создания электрослабой теории, объединяющей слабые и электромагнитные взаимодействия, все свойства нейтрино получили непротиворечивое теоретическое обоснование. С тех пор именно нейтрино стали основными маркерами слабого взаимодействия.

Начиная с экспериментального открытия нейтрино в 1953-1956 годах американскими физиками Фредериком Райнесом и Клайдом Коэном (первый из них получил за это Нобелевскую премию в 1995 году, второй до этого не дожил — скончался в 1974-м), ученых волновало два вопроса. Первый — имеют ли нейтрино массу и существуют ли у них античастицы. Открытия Макдоналда и Кадзиты позволили утвердительно ответить на этот вопрос. Да, нейтрино имеют массу.

Основной вклад в это открытие внесли работы Макдоналда и Кадзити и возглавляемых ими коллективов. Детектор нейтринной обсерватории в Садбери SNO (Sudbury Neutrino Observatory), которой руководит Артур Макдоналд, позволил наблюдать осцилляции солнечных нейтрино, а японский эксперимент Super-Kamiokande позволил обнаружить осцилляции атмосферных нейтрино.

Нейтрино чрезвычайно мало взаимодействует с веществом: длина свободного пробега такой частицы в воде может достигать порядка ста световых лет. Для того чтобы зафиксировать нейтрино, необходимы сверхчувствительные экспериментальные установки, отсекающие другие фоновые процессы, которые могут мешать регистрации нейтрино.

Канадский детектор в Садбери размещается в никелевом руднике, на глубине более двух километров. Он имеет вид сферы диаметром 12 метров, которая заполнена тысячей тонн тяжелой воды, окруженной семью тысячами тонн обычной воды. В сфере на расстоянии около полуметра расположены около 9,5 тысяч фотоэлектронных умножителей, регистрирующих продукты взаимодействия нейтрино с дейтерием (среди них — протоны, электроны и нейтрино).

Детектор Super-Kamiokande использует пространство пещеры, расположенной в 250 километрах от KEK (основной японской организации по исследованиям в физике элементарных частиц). В ней находится резервуар с 50 тысячами тонн воды и размещенными в ней фотоумножителями.

Под осцилляциями нейтрино подразумеваются взаимопревращения одного сорта этих частиц в другие. Всего существуют три типа нейтрино (и, возможно, три типа отвечающих им античастиц): электронное нейтрино (исторически первый открытый тип нейтрино), мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Вместе с электроном, мюоном и таоном они образуют шесть лептонов — класс бесструктурных элементарных частиц. Адроны тоже считаются элементарными частицами, однако состоят из кварков, которые вследствие явления асимптотической свободы (невылетания) не могут наблюдаться в свободном состоянии.

Проблема нейтринных осцилляций возникла из астрофизики — ученые наблюдали расхождение между генерируемым Солнцем количеством электронных нейтрино и достигающими Землю частицами (примерно две трети таких частиц не достигают планеты в исходном состоянии). Впервые это наблюдал американский физик Дэвис Раймонд (он получил в 2002 году Нобелевскую премию «за создание нейтринной астрономии») в экспериментах с мишенью из тетрахлорэтилена. Дефицит нейтрино ученые наблюдали неоднократно, а объяснение этому предложили американец Линкольн Вольфенштайн (в 1976 году) и советские физики Станислав Михеев и Алексей Смирнов (в 1986 году).

Предложенный механизм получил название эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна. Явление заключается в том, что при движении нейтрино в веществе окружающие его лептоны индуцируют появление у частицы так называемой эффективной массы, которая зависит от типа нейтрино и плотности лептонов в среде. Если массы нейтрино равны нулю или совпадают, то такого процесса быть не должно.

В классической версии Стандартной модели (СМ) — современной и наиболее непротиворечивой рабочей теории, описывающей все известные взаимодействия элементарных частиц и получившей уверенное экспериментальное подтверждение (завершившееся открытием бозона Хиггса), — нейтрино имеют равную нулю массу. Однако в последние десятилетия ученые проводят расчеты, считая массу нейтрино ненулевой, — это достигается небольшой модификацией СМ без нарушения ее внутренней стройности.

Теоретически нейтринные осцилляции включаются в СМ матрицей Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты, элементы которой содержат так называемые углы смешивания (среди которых есть и такие, которые могут сделать нейтрино так называемыми майорановскими частицами, но об этом — ниже). В этом смысле принятие ненулевой массы нейтрино никак не означает какого-то принципиально нового расширения СМ.

Вместе с тем в теоретической физике частиц существуют три группы фермионов (так называются частицы с полуцелым спином — именно к ним относятся нейтрино): вейлевские, майорановские и дираковские. Частицы Германа Вейля (предсказанные немецким ученым в 1929 году) возникают как решения безмассового уравнения Поля Дирака (которое, в свою очередь, описывает релятивистские массивные фермионы — в частности, электроны и их античастицы — позитроны). Исходное уравнение при этом распадается на два, каждое из которых называется уравнением Вейля и описывает безмассовые фермионы с противоположными спиральностями. Фермионы Этторе Майораны неотличимы от своих античастиц. К дираковским фермионам относятся все частицы, не попадающие под определение вейлевских и майорановских.

В настоящее время все фермионы Стандартной модели уверенно (кроме нейтрино) считаются дираковскими. Открытие Макдоналда и Такааки показало массивность нейтрино, следовательно, эти частицы не являются вейлевскими. Вопрос о том, совпадают ли у нейтрино их частицы с античастицами (то есть являются ли предложенные Паули частицы майорановскими), в настоящее время остается открытым. Самое интересное начинается, если окажется, что нейтрино являются не дираковскими, а майорановскими частицами.

Искать майорановские нейтрино можно различными способами. Самый распространенный из них заключается в поиске безнейтринного двойного бета-распада, в результате которого электрический заряд атомного ядра увеличился бы на две единицы с испусканием двух бета-частиц (двух электронов). Двойной бета-распад — разновидность радиоактивного распада, при котором зарядовое число ядра увеличивается на две единицы. В результате масса ядра практически не меняется, а дополнительно образуются два электрона и два электронных антинейтрино. В безнейтринном двойном бета-распаде, как ясно из названия, не образуются нейтрино (или антинейтрино). Для этого необходимо, чтобы нейтрино были майорановскими частицами (то есть частицами, античастицы которых совпадают с частицами), и имели отличную от нуля массу.

В Стандартной модели — современной теории физики элементарных частиц — безнейтринный двойной бета-распад нарушает закон сохранения (общего) лептонного числа. Так, если в двойном бета-распаде образуются по две частицы и античастицы (например, два электрона (лептонный заряд равен +2) и два электронных антинейтрино (лептонный заряд равен -2)) и закон сохранения лептонного числа сохраняется (0=+2-2), то в безнейтринном двойном бета-распаде могут образоваться только, например, два электрона, и закон сохранения лептонного числа оказывается нарушенным (0≠+2).

До сих пор ученые не обнаружили майорановские нейтрино, и прогнозы тут пока неутешительные. Поиски майорановских нейтрино и попытки обнаружения процессов, нарушающих законы сохранения лептонного и барионного чисел, являются стремлением физиков выйти за пределы СМ: лептонные и барионные числа, в отличие от, например, электрического заряда, не являются источниками калибровочного поля (в случае электрического заряда — электромагнитного поля). В настоящее время ученые продолжают эксперименты по обнаружению майорановских нейтрино, а их целью является проверка различных гипотез и ограничений на расширения СМ (в том числе суперсимметричные и с дополнительными пространственными измерениями).

Так, если в СМ ввести майорановские нейтрино, то оказывается возможным существенно продвинуться в объяснении сразу многих вопросов современной космологии, в частности, проблемы темной материи и наблюдаемой асимметрии вещества и антивещества. Нейтрино, по мнению многих ученых, является подходящим кандидатом на роль частиц горячей темной материи — таких частиц скрытой массы, которые движутся с околосветовыми скоростями. На роль же частиц холодной темной материи (движущихся намного медленнее нейтрино) предлагается целый зоопарк экзотических частиц, в том числе ряд частиц-суперпартнеров известных частиц Стандартной модели.

Кроме легких нейтрино, ученые предполагают существование четвертого типа нейтрино — тяжелых (стерильных) нейтрино, с массами до десятков гигаэлектронвольт. Такие частицы, предположительно, не участвуют в слабом взаимодействии. Некоторые ученые выдвигают стерильные нейтрино в качестве кандидатов на роль частиц теплой темной материи, занимающей промежуточное положение между холодной и горячей материями.

Массивные нейтрино, как и их суперпартнеры — снейтрино, входят в состав многих расширений СМ, прежде всего суперсимметричных. В суперсимметрии число частиц удваивается за счет того, что каждой известной частице ставится в соответствие ее частица-парнер. Например, для фотона — фотино, кварка — скварк, хиггса — хиггсино и так далее. Суперпартнеры должны иметь значение спина, на полуцелое число отличающееся от значения спина у исходной частицы — это означает, что у суперпартнеров другая квантовая статистика (частица-бозон имеет суперпартнером фермион и наоборот).

Поэтому физики исследуют специальные сценарии, в которые заключены специальные пространства значений параметров (массы частиц и значения углов смешивания в матрицах типа матрицы смешивания кварков Каббибо-Кобаяши-Маскавы и матрицы смешивания нейтрино Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты), позволяющие провести эксперименты для обнаружения следов суперсимметричных частиц. В ходе последних экспериментов на Большом адронном коллайдере для суперсимметричных моделей были получены достаточно сильные ограничения на параметры теории, однако на ее основе все еще существуют возможность построения непротиворечивой модели физики частиц.

Источник

Ученые Университета Ватерлоо в Канаде решили объяснить широкой аудитории ряд ключевых концепций квантовой физики с помощью игры для мобильных платформ, передает портал Phys.org.

К разработке проекта привлекли студентов из Института игр, организованного на базе университета. Получившаяся у них игра копирует мобильный хит Angry Birds. Как и в случае с оригиналом, пользователю предлагают стрелять персонажами из катапульты по импровизированным баррикадам, чтобы их разрушить. В роли «снарядов» на этот раз выступают кошки, которые олицетворяют ключевые понятия из квантовой механики. Например, один из котов воплощает принцип неопределённости: он превращается в размытое облако и по его полету нельзя понять, в какую именно мишень он попадет. Задача игрока — разрушить заграждения из картонных ящиков, чтобы освободить спрятанных внутри котят.

Новинка под названием Quantum Cats уже доступна для устройств под управлением Android, в дальнейшем ее обещают адаптировать для iOS и смартфонов BlackBerry.

Angry Birds — популярная серия игр финской компании Rovio. Оригинальная Angry Birds появилась на iPhone в 2009 году. В настоящее время она имеет более 10 вариаций, в том числе по мотивам вселенных «Звездных войн» и «Трансформеров», не считая переизданий для разных платформ. Первый номерной сиквел игры стал доступен 30 июля. За все время существования Angry Birds скачали более 3 миллиардов раз.

Источник

Вскоре будет построена целая флотилия мощных космических телескопов. Но знаем ли мы точно, куда направить эти телескопы?

Астрономы из Виртуальной планетной лаборатории Вашингтонского университета, США, изобрели способ сравнивать между собой экзопланеты, чтобы определить, какие из тысяч открытых на сегодня внесолнечных планет требуют более тщательного изучения для поиска на них следов внеземной жизни.

Этот новый показатель, получивший название «индекс обитаемости для планет, совершающих транзит», описан в новой научной работе, выполненной профессорами астрономии Вашингтонского университета Рори Барнсом и Викторией Мэдоуз в соавторстве с Николь Эванс.

Космический телескоп «Кеплер» позволил астрономам обнаружить тысячи экзопланет – очевидно, такое количество объектов трудно исследовать, если подробно изучать каждую планету в отдельности. Космический телескоп «Джеймс Уэбб», запуск которого запланирован на 2018 г., станет первым инструментом для наблюдений, способным измерять содержание газов в атмосферах каменистых, возможно, подобных Земле планет, расположенных далеко в космосе.

Астрономы обнаруживают некоторые планеты, когда те «совершают транзит», или проходят по диску родительской звезды, блокируя при этом часть испускаемого звездой света. Космический аппарат Transiting Exoplanet Survey Satellite, или TESS, который планируется отправить в космос в 2017 г., сможет обнаружить большое число планет этим методом.

Доступ к таким телескопам будет весьма дорогим, поэтому исследователи из Виртуальной планетной лаборатории предложили новый интегральный показатель обитаемости экзопланет, чтобы астрономы всего мира могли лучше понять, на какие именно планеты стоит обратить особое внимание при поисках внеземной жизни. В основу своего показателя исследователи положили такие факторы, как: каменистость планеты, её расположение относительно краев обитаемой зоны звезды, а также уникальный фактор, получивший название «вырожденность эксцентричность-альбедо», который отражает соотношение между альбедо, или отражательной способностью поверхности экзопланеты, и эксцентричностью её орбиты. Роль последнего фактора хорошо иллюстрируется следующим примером: планета, имеющая высокое значение альбедо, интенсивно отражает излучение, испускаемое звездой, а потому для неё «подойдет» орбита с высоким эксцентриситетом, характеризующаяся тем, что планета получает повышенное количество энергии от звезды при прохождении мимо неё в точке, близкой к перицентру своей орбиты. В итоге, температуры на планете не будут ни слишком высокими, ни слишком низкими – то есть, подходящими для жизни.

Исследование вышло в журнале Astrophysical Journal.

Источник

Во вторник, 29 сентября, марсианский ровер НАСА Curiosity пробурил свое восьмое по счету отверстие на поверхности Марса, и пятое по счету, если считать с момента достижения марсоходом подножья горы Шарп – которое состоялось примерно один год назад. Бурение этого отверстия глубиной 65 миллиметров в камне, который команда миссии назвала «Big Sky» является частью многодневной, многошаговой последовательности операций, результатом которой должен стать анализ составляющих марсианского камня внутри двух бортовых лабораторий ровера – дифрактометра Chemistry and Mineralogy X-Ray diffractometer (CheMin) и комплекса инструментов Sample Analysis at Mars (SAM).

«Образец Big Sky представляет собой обычный песчаник, как мы и предполагали, – сказал ученый проекта Curiosity Ашвин Васавада. – Но в непосредственной близости от него мы также увидели ещё один камень из песчаника, который выглядит так, словно его поверхность была изменена протеканием жидкости – вероятно, грунтовыми водами с растворенными в них химическими соединениями. Мы собираемся выбрать этот камень в качестве новой цели для бурения, а после второго бурения сравнить полученные результаты с результатами анализа камня Big Sky и понять, какие именно изменения произошли с тем вторым камнем».

Анализ порошка, полученного при измельчении образца камня Big Sky, при помощи инструментов CheMin и SAM будет проводиться в течение следующей недели. Тем временем команда ровера направит его к следующему камню, где процедуры по подготовке образцов к анализу будут повторены заново.

В настоящее время вездеход Curiosity находится в нижней части склонов горы Шарп, в области под названием Stimson Unit, где доминируют песчаники.

Источник

Когда звезда коллапсирует, формируя черную дыру, то создается пространственно-временная сингулярность, где более не работают законы физики. В 1965 г. сэр Роджер Пэнроуз представил теорему, в которой он связывает эту сингулярность с так называемыми «захваченными поверхностями» (trapped surfaces), которые со временем сжимаются. Эта гипотеза – один из результатов Общей теории относительности – сегодня празднует свою годовщину.

Ровно 50 лет назад физик и математик сэр Роджер Пенроуз, в настоящее время Заслуженный профессор Оксфордского университета, СК, сформулировал теорему, в которой он обобщает два представления, связанных с относительностью. Одно из этих представлений – это гравитационная сингулярность, «ошибка» в ткани пространства-времени, где физические величины не могут быть определены.

Другое представление – это так называемые «захваченные поверхности», зоны, которые неизбежно сжимаются с течением времени. Эти поверхности формируются при взрыве звезды в конце её жизненного цикла и являются причиной коллапса звезды и формирования из неё в дальнейшем черной дыры. В этот момент создается гравитационная сингулярность, где время перестает существовать и законы физики теряют силу.

Теорема Пенроуза объединяет оба этих представления и считается первым математически строгим результатом общей теории Эйнштейна. Вскоре после опубликования этой теоремы Пенроуз совместно со знаменитым Стивеном Хокингом проверили ещё одну теорему, которая указывает на то, что расширяющаяся Вселенная – такая как наша Вселенная – должна происходить из безвременной сингулярности. Такая сингулярность получила название Большого взрыва, таинственного исходного состояния Вселенной с бесконечной плотностью.

Сегодня в журнале Classical and Quantum Gravity вышла работа под авторством Хосе М. М. Сеновилла из Университета Страны Басков, Испания, включающая теоретический анализ знаменитой теоремы Пенроуза о сингулярности, вместе с 12 другими работами, ознаменовавшими столетнюю годовщину с момента публикации Общей теории относительности Эйнштейна.

Источник

МОСКВА, 5 окт – РИА Новости. Российские физики и их зарубежные коллеги смогли превратить тонкую пластинку из золота в подобие магнита, используя особый сверхпроводник на базе ниобия и несколько кусочков железа, которые могут стать базой для сверхбыстрой и экономичной спиновой электроники, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

О результатах этого исследования рассказывает пресс-служба НИИ ядерной физики имени Скобельцына при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова.

Главным препятствием для создания спинтронных вычислительных устройств пока является то, что спин электронов и прочих заряженных частиц крайне сложно контролировать. Этого можно достичь, используя сверхпроводники для "транспортировки" спина, и ферромагнетики – для управления его состоянием.

Проблема заключается в том, как объясняет Наталья Пугач из НИИ ядерной физики имени Скобельцына при МГУ, что сверхпроводники и магнитные материалы почти невозможно заставить "общаться" друг с другом из-за диаметрально противоположных физических свойств. Авторы статьи нашли потенциальное решение этой проблеме и попутно намагнитили золото, экспериментируя с "бутербродами" из ферромагнитных материалов и сверхпроводника на базе ниобия.

Измеряя силу магнитных полей в окрестностях и внутри каждого из слоев этого "бутерброда" при помощи мюонного спектроскопа, авторы статьи заметили крайне необычный феномен, который не описывается современными теориями сверхпроводимости и ферромагнетизма.

Оказалось, что взаимодействие сверхпроводника и ферромагнетика порождало намагниченность в расположенном рядом листе из золота, "перепрыгивая" через сверхпроводник. Сила этого поля очень сильно зависела от того, как были намагничены ферромагнитные слои "бутерброда". К примеру, когда ученые "поворачивали" ферромагнетики в одну и ту же сторону, намагниченность листа золота уменьшалась в 20 раз и эффект почти полностью пропадал.

"Этот эффект не был предсказан, мы очень удивились, когда это нашли, долго пытались объяснить полученные данные с помощью другого распределения намагниченности, которое было предсказано ранее, но данные не сходились. У нас есть некоторые предположения, но полноценного объяснения до сих пор нет. Однако этот эффект дает нам новый способ манипуляции со спинами", — объясняет Пугач.

Данное открытие позволит создать принципиально новые спинтронные элементы. По словам Пугач, технологии сверхпроводящей спинтроники могут быть полезны для создания суперкомпьютеров, мощных серверов, где потребление энергии и выделение тепла создаёт значительно больше проблем, чем на обычных настольных машинах.

"Развитие компьютерных технологий было основано на полупроводниках. Для персональных компьютеров это хорошо, но когда на тех же технологиях создают суперкомпьютеры – они греются, шумят, и требуют мощных систем охлаждения. Спинтроника позволит решить эти проблемы", — заключила исследователь.

Источник

"Нам удалось совершить первое вычисление внутри квантового кремниевого чипа, используя те технологии, которые применяются сегодня в полупроводниковой индустрии. Нам удалось достичь этого, используя обычные транзисторы, которые мы перестроили таким образом, что через них мог проходить только один электрон", завил Эндрю Дзурак из университета Нового Южного Уэльса (Австралия).

Дзурак и его коллега по университету Андреа Морелло уже несколько лет разрабатывают компоненты, необходимые для сборки полноценного квантового компьютера. Так, в 2010 году они создали квантовый одноэлектронный транзистор, а в 2012 году — полноценный кремниевый кубит на основе атома фосфора. В 2013 году они собрали новую версию кубита, которая позволяла почти со 100% точностью считывать данные из него и оставалась стабильной очень долго.

Оставался один шаг – научиться объединять подобные кубиты, используя те же полупроводниковые технологии, что и сами ячейки квантовой памяти. Сделать это, как отмечает Дзурак, было крайне тяжело, так как наладить связь между отдельными кубитами ученым удавалось только при сверхнизких температурах или при помощи сверхпроводников.

Дзураку и его коллегам удалось найти решение этой проблеме, заменив атом фосфора на редкий изотоп кремния – кремний-29, и поменяв структуру кубита, сделав его очень похожим на обычный полевой транзистор, применяемый в почти всех компьютерных чипах.

Благодаря этим модификациям, австралийским физикам удалось объединить два подобных кремниевых кубита, просто расположив их рядом и соединив их затворы друг с другом. Созданная ими структура представляет так называемый CNOT-вентиль – квантовый аналог устройства, исполняющего операцию "ИЛИ" в классических микросхемах.

По словам Дзурака, его лаборатория уже разработала и запатентовала технологию, которая позволяет производить чипы с тысячами и миллионами подобных кубитов, взаимодействующих друг с другом, при помощи тех же технологий, которые уже существуют сегодня.

"Сейчас мы активно ищем партнеров в IT-индустрии для создания первого полноценного универсального квантового процессора. Мы сделаем мечту о квантовых вычислениях реальностью", — заключает Дзурак.

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, использующее в своей работе квантовомеханические эффекты. Принципиальным отличием таких компьютеров от традиционных является использование квантовых систем с двумя возможными состояниями (так называемых квантовых битов, кубитов) вместо двоичной системы представления информации в виде 0 и 1.

Кубитом может быть спин электрона, принимающий состояния, условно называемые "верх" и "низ". Для своей работы компьютеры должны уметь менять состояние спина, то есть записывать информацию, и отслеживать это изменение, тем самым считывая обработанные данные.

Источник

Сверхпроводимость, которая почти несовместима с магнитным полем, может при определенных условиях способствовать его распространению, выяснили российские ученые. Устройства на базе этого эффекта могут приблизить эпоху компьютеров будущего — спинтронных вычислительных машин. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics, а коротко об этом сообщается в пресс-релизе НИИЯФ МГУ, поступившем в редакцию «Ленты.ру».

Группа ученых, в которую входит Наталья Пугач из НИИ ядерной физики имени Скобельцына при МГУ, исследовала взаимодействие сверхпроводимости и намагниченности для того, чтобы научиться управлять спинами (магнитными моментами) электронов.

Если в обычной микроэлектронике информация кодируется с помощью электрических зарядов, то в спиновой электронике, или спинтронике, информация предоставляется с помощью спина электрона, который может быть направлен вдоль или поперек определенной оси. Главным препятствием для создания таких вычислительных устройств пока является то, что спин электронов и прочих заряженных частиц крайне сложно контролировать. Новое исследование показывает, что сверхпроводник, возможно, пригодится для транспортировки спинов, а ферромагнетики — для управления ими.

Состояние сверхпроводимости очень чутко реагирует на магнитные поля: сильные магнитные поля могут разрушать его, и наоборот — сверхпроводники полностью выталкивают из себя магнитное поле. Обычные сверхпроводники и магнитные материалы почти невозможно заставить «общаться» друг с другом из-за их противоположного упорядочения: в магнетиках поле стремится выстроить спины в одну сторону, а электроны в обычных сверхпроводниках имеют противоположные спины.

Во время экспериментов ученые обстреливали образцы мюонами. Таким образом они смогли получать данные о том, как ведет себя намагниченность в разных слоях образца.

Спиновый вентиль состоял из двух слоев ферромагнетика (кобальта), слоя сверхпроводника (ниобия) толщиной около 150 атомов и слоя золота. В ходе эксперимента ученые обнаружили неожиданный эффект: в тех случаях, когда направления намагниченности слоев ферромагнетика были непараллельны, взаимодействие их со сверхпроводником порождало наведенную намагниченность в слое из золота, «перепрыгивая» через сверхпроводник. Когда ученые «поворачивали» намагниченность в одну сторону, сила поля в золоте уменьшалась в 20 раз и эффект почти полностью пропадал.

Данный эффект дает новый способ манипуляции со спинами и, возможно, позволит создать принципиально новые спинтронные элементы. «Развитие компьютерных технологий было основано на полупроводниках. Для персональных компьютеров это хорошо, но когда на тех же технологиях создают суперкомпьютеры — они греются, шумят и требуют мощных систем охлаждения. Спинтроника позволит решить эти проблемы», — заключила Пугач.

Источник

НАСА выбрало пять научных проектов, на которые в течение всего следующего года будет обращено особое внимание, с тем чтобы затем выбрать из них одну или две миссии для запуска в космос уже в 2020 г. Три из этих миссий разработаны при непосредственном участии Лаборатории реактивного движения НАСА. Представленные предложения направлены на изучение: Венеры, околоземных объектов, а также различных астероидов.

Каждая команда исследователей получит по три миллиона USD на проведение исследований и анализов в рамках предэскизного проекта. После подробного обзора и оценки представленных предэскизных проектов НАСА сделает окончательный выбор к сентябрю 2016 г., при этом будет продолжено финансирование выбранного проекта(-ов) вплоть до самого запуска миссии в космос. Стоимость снаряжения любой из выбранных миссий должна составить примерно 500 миллионов USD, не включая стоимость ракеты-носителя и расходов, которые будут понесены после запуска миссии.

НАСА объявило конкурс научных проектов в ноябре 2014 г. В общей сложности экспертное жюри рассмотрело 27 конкурсных работ. Пять лучших из этих работ включают следующие проекты миссий:

The Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy mission (VERITAS) – проект предполагает составление топографических карт Венеры высокого разрешения и получение изображений её поверхности. Также предполагается составление первых в мире карт деформаций и химического состава всей поверхности Венеры.

Psyche – миссия направлена на изучение происхождения ядер планет. Для получения такой информации предполагается исследовать металлический астероид Psyche, предположительно, представляющий собой ядро протопланеты, потерявшее в прошлом свои внешние оболочки в результате космического столкновения.

Near Earth Object Camera (NEOCam) – позволит обнаружить и охарактеризовать в десять раз больше околоземных объектов, чем известно на сегодняшний день.

Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging (DAVINCI) – миссия предполагает изучение химического состава венерианской атмосферы в течение 63-минутной посадки космического аппарата. Миссия позволит ответить на ряд важных научных вопросов, в том числе: имеются ли на поверхности Венеры в настоящее время активные вулканы, или каким образом поверхность Венеры реагирует с её атмосферой?

Lucy – эта миссия ставит целью изучение троянских астероидов Юпитера, объектов, которые могут содержать ценные сведения об истории Солнечной системы.

Источник

Открывая двери в священные храмы науки, озадаченные ученые в минувшую среду принимали помощь от сообщества любителей астрономии, чтобы объяснить природу ряда загадочных особенностей карликовой планеты Цереры.

Космический аппарат НАСА Dawn, который путешествовал по космосу в течение семи с половиной лет и прошел около 4,9 миллиарда километров, чтобы достичь Цереры в марте этого года, стал первым космическим аппаратом, вышедшим на орбиту карликовой планеты.

Целью миссии этого зонда является получение новых знаний о структуре Цереры – которая обращается вокруг Солнца по орбите, лежащей между орбитами Марса и Юпитера – в попытке лучше понять процессы формирования Земли и других планет.

Однако многие из особенностей рельефа поверхности карликовой планеты до сих пор остаются загадкой для ученых – включая положительную форму рельефа высотой примерно шесть километров, которую ученые назвали «Одинокой горой».

«Мы затрудняемся понять, что привело к формированию этой горы, и мы попросили публику ответить за нас на этот вопрос», – сказал руководитель проекта Dawn Кристофер Рассел в интервью репортерам в рамках космической конференции, состоявшейся недавно в городе Нанте, Западная Франция.

Один из горячих поклонников зонда отправил Расселу электронной почтой сообщение, в котором указал, что эта гора напоминает ему ледяные структуры, виденные в лесу на территории американского штата Арканзас несколько лет назад. Ученые миссии говорят, что рассматривают такие сообщения без малейшей тени иронии.

Ученые надеются узнать больше о Церере ближе к концу октября или в декабре, когда зонд выйдет на свою самую низкую и последнюю по счету орбиту, высота которой над поверхностью Цереры составит 375 километров.

Источник

Робот стоимостью в несколько миллиардов USD, который был отправлен на Марс с миссией поиска жизни, должен воздерживаться от посещения, возможно, самых многообещающих, с точки зрения обнаружения жизненных форм, точек поверхности Красной планеты во избежание загрязнения их микробами с Земли, сказали ученые проекта НАСА в четверг.

На этой неделе, когда появились неопровержимые доказательства того, что вода в жидкой форме не только присутствовала на Марсе в далеком прошлом, но продолжает находиться на поверхности Красной планеты в настоящее время, ученые вдруг осознали, что ими в свое время могла быть упущена одна счастливая возможность.

«Марсоход Curiosity оказался не готов к отправке в те места, где могут присутствовать марсианские жизненные формы, – сказал Майкл Мейер, ученый, работающий в рамках программы НАСА Mars Exploration Program. – Туда следует посылать аппараты с более высоким уровнем стерильности».

Этот удручающий факт стал следствием принятого несколько лет назад судьбоносного решения отказаться от прохождения наиболее строгих процедур по стерилизации, применяемых в НАСА для обработки аппарата, отправляемого во влажные условия, где марсианская жизнь – если она существует – вероятно, будет обнаружена. Это решение тогда стало отражением компромисса между научными возможностями строящегося вездехода и его стоимостью. Теперь же, когда вездеход уже находится на поверхности Марса, ученые не в силах как-либо повлиять на ситуацию.

В минувший понедельник ученые объявили об обнаружении следов, формируемых гидратированными кристаллами солей – по сути, сверхпересыщенными растворами солей – которые сбегают вниз по крутым склонам холмов на поверхности Красной планеты.

Вездеход Curiosity – мобильная лаборатория размером с небольшой автомобиль – приземлился внутри кратера Гейл Красной планеты в августе 2012 г. Робот оснащен оборудованием, предназначенным специально для поисков жизни в условиях Марса.

Источник

Теореме Пенроуза о сингулярности черной дыры исполнилось полвека. О знаменитом следствии общей теории относительности (ОТО), вводящем понятие гравитационной сингулярности и ловушечной поверхности, впервые рассказал британский математик и физик Роджер Пенроуз. Об этом напоминает журнал Classical and Quantum Gravity и ресурс ScienceDaily.

В 1965 году Пенроуз в журнале Physical Review Letters опубликовал статью под названием «Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности». В своей статье ученый обосновывал утверждение, описывающее возникновение черной дыры и связанной с ней гравитационной сингулярности.

Коллапс предполагает образование так называемой ловушечной поверхности, приводящее к эволюции звезды в черную дыру. С возникновением черной дыры связано понятие сингулярности — особенности пространства-времени, где уравнения ОТО приводят к некорректным с физической точки зрения решениям.

Теорема Пенроуза считается первым крупным математически строгим результатом ОТО. Вскоре после этого ученый вместе с другим британцем Стивеном Хокингом показал, что в далеком прошлом Вселенная (до Большого взрыва) имела начальное состояние с бесконечной плотностью массы.

Сингулярности, которые возникают в ОТО и описаны в работах Пенроуза и Хокинга, не поддаются объяснению в современной физике. В частности, это приводит к невозможности описания природы до Большого взрыва без привлечения дополнительных гипотез и теорий, в частности теорий струн и квантовой механики.

ОТО основывается на пропорциональности инертной и гравитационной масс и связывает эффекты гравитационного притяжения с четырехмерной неевклидовой геометрией пространства-времени. В случае слабого гравитационного поля теория Эйнштейна приводит к закону всемирного тяготения Ньютона и плоскому пространству.

Источник

Немецкие и российские ученые из университета в Германии измерили то, о чем раньше лишь рассуждали физики-теоретики. В ходе эксперимента им впервые удалось измерить колебания вакуума.

 Какими свойствами обладает вакуум – «абсолютное ничто»? До сих пор физики исходили из того, что свойства этого «ничто», то есть основного состояния пустого пространства, невозможно измерить напрямую. Однако ученым из лаборатории профессора Альфреда Ляйтенсторфера из Университета города Констанца в Германии именно это удалось сделать при использовании передовой в мире оптической техники.

С помощью световых импульсов длительностью менее чем половина периода световой волны в исследуемом спектральном диапазоне они смогли пронаблюдать вакуумные флуктуации.

Эти поля существуют даже в пустоте при абсолютной темноте, то есть даже в отсутствие светового излучения и радиоволн. Результаты исследования, в котором принимали участие российские ученые, имеют фундаментальное значение для дальнейшего развития квантовой физики. Их работа опубликована в пятничном выпуске научного  журнала Science.

В теории о существовании вакуумных флуктуаций было известно давно. Именно на постоянном рождении частиц и античастиц построена знаменитая теория испарения черных дыр, предложенная известным британским астрофизиком Стивеном Хокингом.

Эти флуктуации, связанные с рождением и аннигиляцией виртуальных частиц, следуют из принципа неопределенности Гайзенберга, который гласит, что электрическое и магнитное поля излучения никогда не могут полностью пропадать одновременно. Поэтому даже если свет и радиоволны находятся в основном состоянии и мы имеем полную темноту,

в любом объеме пространства все равно присутствуют конечные колебания электромагнитного поля.

Однако до последнего времени непосредственное экспериментальное наблюдение этого фундаментального явления не считалось возможным. Ученые исходили из того, что вакуумные флуктуации всегда проявляют себя в природе опосредованно, приводя к широкому спектру эффектов. Например, в виде спонтанного излучения света возбужденными атомами в люминесцентной лампе или влияния на структуру Вселенной еще в момент большого взрыва.

При помощи экспериментальной установки, способной производить измерения электрических полей со сверхвысокими временным разрешением и чувствительностью, удалось впрямую детектировать вакуумные флуктуации, несмотря на все существующие теоретические ограничения. Основу для этого заложили ведущие в мире оптические технологии и специальные лазерные установки по генерации сверхкоротких импульсов излучения высочайшей стабильности, созданные группой исследователей Университета Констанца, международной командой ученых.

Кроме того, ими было разработано теоретическое описание полученных результатов на основе квантовой теории поля.

Временное разрешение, использованное в эксперименте, лежит в фемтосекундном диапазоне — миллионных долей одной миллиардной секунды.

Измерения производились с чувствительностью, ограниченной лишь квантовой природой поля. «При помощи такой экстремальной точности мы можем впервые непосредственно наблюдать, что мы постоянно окружены полями электромагнитных вакуумных флуктуаций», — заключает Альфред Ляйтенсторфер, соавтор работы.

«Удивительным с точки зрения науки в наших экспериментах является то, что мы получаем прямой доступ к основному состоянию квантовой системы без его изменения, например усиления какой-либо интенсивности», — объясняет Ляйтенсторфер, который не скрывает, что сам удивлен положительными результатами эксперимента.

«Это стоило нам пары лет бессонных ночей, так как необходимо было исключить любую возможность вероятных паразитных сигналов», — усмехается ученый. «В общем, можно заключить, что имеющийся у нас доступ к сверхкоротким интервалам времени короче периода колебаний изучаемых световых волн является ключом к пониманию тех поразительных возможностей, которые открывает наш эксперимент», — добавил он.

Однако не все специалисты по квантовой физике уверены в том, что ученым удалось измерить именно колебания вакуума. По мнению физика Стива Ламоро из Йельского университета, не участвовашего в исследовании, измеренные флуктуации могли быть рождены в так называемом электрооптическом кристалле, сквозь который в установке проходил свет. А эти колебания могут иметь вовсе не квантовую, а, например, тепловую природу.

Именно Ламоро был одним из тех, кто первыми зафиксировал тонкий эффект Казимира — макроскопическое следствие колебаний вакуума. «Свойства материала могут флуктуировать сами по себе. Поэтому как отнести эти флуктуации к одним только колебаниям вакуума?», — задается вопросом физик.

Источник

Космический аппарат «Новые горизонты» агентства НАСА передал на Землю лучшие цветные снимки высокого разрешения Харона – крупнейшего спутника Плутона. Данные фотографии позволили ученым заглянуть в запутанную историю космического объекта.

Достигая в диаметре половины Плутона, Харон является крупнейшим по отношению к своей планете спутником в Солнечной системе. Многие ученые миссии «Новые горизонты» ожидали, что Харон окажется однородным небесным телом, изрезанным кратерами. Вместо этого они обнаружили ландшафт с горами, каньонами, оползнями, а также разнообразие цветов поверхности спутника.

«Мы полагали, что вероятность обнаружить столь интересные особенности на поверхности спутника, расположенного на окраине нашей Солнечной системы является ничтожно малой», - говорит Росс Бейер, исследователь команды проекта. «Однако я пришел в восторг от увиденного». 

Снимки обращенного к Плутону полушария Харона были получены аппаратом «Новые горизонты» во время его пролета через систему Плутона 14 июля. Они были переданы на Землю 21 сентября. Фотографии отображают детали пояса трещин разломов и каньонов, расположенных к северу от экватора спутника. Эта огромная система каньонов простирается примерно на 1 600 километров по всей поверхности обращенного к Плутону полушария спутника и, вероятно, заходит на обратную сторону Харона. В четыре раза длиннее Большого Каньона, а в некоторых местах и в два раза глубже него, эта система каньонов указывает на смещения породы в прошлом.

«Похоже, что вся кора Харона раскололась», - говорит Джон Спенсер, ученый проекта «Новые горизонты» из Юго-Западного исследовательского института в Боулдере, штат Колорадо. «С учетом размеров системы каньонов по отношению к Харону, она очень похожа на систему каньонов в огромной Долине Маринера на Марсе».

Команда также обнаружила, что равнины к югу от каньонов Харона имеют меньше крупных кратеров в сравнении с регионами, расположенными к северу от них. Это указывает на то, что они значительно моложе. Гладкость равнин является явным признаком масштабного возобновления поверхности.

Объяснить гладкую поверхность может криовулканизм. «Команда обсуждает возможность замерзания в далеком прошлом внутреннего океана воды. В результате изменения его объема могли образоваться трещины, позволившие водяной лаве достигнуть поверхности», - говорит Пол Шенк, член научной команды миссии «Новые горизонты» из Института по исследованию спутников и планет в Хьюстоне.

Снимки Харона с еще большим разрешением и данные о составе спутника ученым еще предстоит получить. Аппарат «Новые горизонты» продолжит передавать цифровые данные, записанные на его носители, в течение следующего года. «Я предполагаю, что в скором времени история Харона примет еще более неожиданный поворот», - говорит Хэл Уивер, ученый миссии из Лаборатории прикладной физики университета Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд. 

В настоящее время аппарат «Новые горизонты» находится на расстоянии 5 млрд километров от Земли, все его системы работают исправно.

Источник