С 8 по 13 сентября в Англии проходила конференция Планетарного сообщества. Практически все выступления об исследованиях марсохода «Curiosity» / Кьюриосити / касались воды на Марсе. Судя по находкам, которые были сделаны еще до начала путешествия Кьюриосити к горе Шарп в июле этого года, в прошлом планета была достаточно обводненной.

Большое внимание специалисты уделили небольшому образцу марсианской гальки, который Кьюриосити смог перевернуть, а чуть позже и разломить. Внутри образец оказался белого цвета - это указывает на наличие гидратированных минералов. Размер этой гальки слишком велик, для предположения того, что все они образовывались и переносились по поверхности под воздействием ветра. Также Кьюриосити смог обнаружить породы, которые обогащены сульфатом кальция, который должна была оставить текущая вода. 

Ключевое открытие так же касается свойств самой воды. Оказалось, что она обладала нейтральным pH, то есть не была слишком щелочной или же кислой для поддержания жизни. Оптимизм специалистов вызвало наличие на планете мелкодисперсных аргиллитов - глинистых горных пород. Аргиллиты обычно образуются в нейтральной стоячей воде. Озеро – это почти самое идеальное место для выживания, а так же размножения микробов.

Также были найдены свидетельства существования рек. На поверхности Марса обнаружены борозды, которые были заполнены сульфатом кальция. А в одном из первых образцов, изученных Кьюриосити, была обнаружена наклонная слоистость, которая образуется на Земле под действием турбулентных потоков воды в русле какой-либо реки.

Источник

С помощью оригинальной методики под названием «ловушка с нарисованным потенциалом» авторы недавнего исследования смогли получить бозе-эйнштейновский конденсат с чистым квантовым вращательным состоянием. Тем самым идея закрученных волн, которая уже работает для фотонов и электронов, была успешно перенесена и на когерентные волны материи.

Два месяца назад «Элементы» рассказывали о недавних достижениях в получении «закрученных» состояний фотонов и электронов, см. обзорную статью и новость. Прогресс в этой области идет вперед, и за прошедшее время появились новые заметные работы, касающиеся закрученного рентгена, закрученных электронов и их применения к исследованию магнитных свойств вещества, и даже были теоретически изучены закрученные состояния атомов. Однако одна работа стоит особняком. В статье Creation of matter wave Bessel beams, появившейся в архиве е-принтов неделю назад, сообщается об экспериментальном получении закрученных волн материи — бозе-эйнштейновского конденсата, который не просто летит в пространстве, но и оборачивается при этом вокруг направления движения. Такой объект был получен в Квантовом институте Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) с помощью разработанной там же методики с оригинальным названием: ловушка с «нарисованным потенциалом» (painted potential). Но — обо всём по порядку.

Конденсат Бозе–Эйнштейна и когерентные волны вещества

Квантовая механика управляет поведением не только отдельных элементарных частиц, но и вещества в целом. Правда, в обычных условиях на эти квантовые законы накладывается хаотичное тепловое движение атомов, и поэтому вещество ведет себя «классически», то есть неквантовым образом. Однако при достаточно сильном охлаждении мезоскопические и даже макроскопические образцы могут переходить в квантовое состояние, в котором огромное количество частиц движется синхронно, что сильно меняет поведение вещества. Таковы сверхпроводники, сверхтекучие жидкости, а также конденсат Бозе–Эйнштейна — сверххолодное разреженное облачко газа; их с полным правом называют красивым словом когерентные волны вещества.

Конденсат Бозе–Эйнштейна — это очень примечательное состояние вещества. Он позволяет изучать макроскопические квантовые эффекты в очень чистом виде, и к тому же с настраиваемым вручную взаимодействием. Нобелевские премии по физике за 1997-й и 2001 годы были присуждены как раз за получение и пионерские эксперименты с бозе-конденсатами. Благодаря своей чувствительности к внешним условиям, бозе-конденсаты и квантовые свойства материи вообще найдут и практические применения. Есть даже желание создать так называемый «атомный лазер» — устройство, которое по аналогии с обычным, оптическим лазером выпускало бы бозе-конденсат в виде протяженного «луча» вещества в квантовом состоянии.

Общий метод получения бозе-конденсатов, вкратце, таков (рис. 2). В специальное устройство (магнитную или магнито-оптическую ловушку для атомов) запускается холодное и разреженное облачко газа. В ловушке создана потенциальная яма, из которой атомы газа с их маленькими скоростями выбраться не могут, и потому их там можно держать без контакта со стенками сколь угодно долго. Газ этот, как правило, одноатомный и управляемый магнитным полем (например, рубидий в определенном состоянии), так что он не превращается в жидкость, а остается разреженным газом и при сверхнизких температурах. Затем этот газ охлаждают еще глубже. Тогда отдельные атомы начинают чувствовать друг друга за счет квантовых эффектов, и всё облачко превращается в единый бозе-конденсат. После этого с конденсатом можно ставить разные эксперименты, а затем его можно просто отпускать, выключив ловушку. Падая в поле тяжести, он расширяется и демонстрирует квантовые свойства; постепенное его выпускание как раз и даст атомный лазер (рис. 1 и 2). Подробнее об этих экспериментах и об атомном лазере см. статью А. В. Горохова «Атомные конденсаты и атомный лазер» в Соросовском образовательном журнале.

Рис. 2. Схема экспериментов с бозе-эйнштейновскими конденсатами: (а) в ловушке удерживается облачко газа и превращается в бозе-конденсат, (б) на него можно воздействовать внешними полями или лазерным лучом, (в) можно, например, разделить его на две части так, чтобы одна из них уже не держалась в ловушке, (г) падая вниз и расширяясь, конденсат образует когерентный поток квантовой материи — атомный лазер. Изображение из статьи Атомные конденсаты и атомный лазер

Когерентные волны вещества демонстрируют те же эффекты, которые обычно получают с лазерным лучом: интерференцию, дифракцию, квантовую запутанность, расщепление одного кванта (в данном случае — одного атома) на две ипостаси, которые идут совершенно разными путями и затем воссоединяются в один. Поэтому — вспоминая теперь про закрученность — можно попробовать получить когерентные волны вещества со спиральным волновым фронтом. Если это удастся сделать, появится новый инструмент для изучения квантовых свойств материи.

Именно такую задачу поставила перед собой — и, с некоторыми оговорками, решила — исследовательская группа из Квантового института в Лос-Аламосе. Они получили бозе-конденсат в «виртуальной» вращающейся ловушке и, отпустив его в свободное падение, обнаружили характерный для закрученных волн профиль конденсата.

Ловушка с «нарисованным потенциалом»

Экспериментальная методика, с помощью которой авторы реализовали вращающуюся ловушку, — ловушка с нарисованным потенциалом — сама по себе очень любопытна, о ней стоит поговорить чуть подробнее. Она была описана в статье 2009 года и затем неоднократно использовалась для разнообразных манипуляций с бозе-конденсатом.

Рис. 3. Принцип действия ловушки с «нарисованным потенциалом». Один, широкий, лазерный луч удерживает облачко холодного газа в виде плоского блинчика, а второй, узкий, лазерный луч быстро бегает по нему и вырисовывает заданный профиль потенциальной энергии. Изображение из статьиarXiv:1304.8095

Методика, вкратце, такова (рис. 3). Вначале холодное облачко газа загружают в стандартную магнито-оптическую ловушку, в которой лазерный луч удерживает облачко в виде плоского «блинчика» (типичные размеры: 10–20 микрон в ширину и порядка 1 микрона в толщину). Второй узко сфокусированный лазерный луч по специально заданной программе очень быстро (тысячи раз в секунду) обегает всю поверхность блинчика и словно вырисовывает в его толще дополнительную потенциальную энергию. Затем осуществляется дальнейшее охлаждение газа, он переходит в состояние бозе-конденсата и становится единым квантовым объектом. А поскольку бозе-конденсат эволюционирует медленно, он не успевает отследить быстро бегающий луч, а просто «чувствует» весь усредненный по времени нарисованный потенциал и «живет» в нём.

Важный момент: этот нарисованный потенциал создается и управляется достаточно плавно, чтобы не нагревать и не повредить атомный конденсат, чтобы он по-прежнему оставался цельным квантовым объектом, а не просто облачком газа.

Такой способ открывает богатые возможности для манипулирования конденсатом. Нарисованный потенциал может иметь сложную форму, а также может плавно меняться со временем (это чем-то напоминает принцип формирования движущейся картинки на экране телевизора с электронно-лучевой трубкой). Конденсат ощущает этот изменяющийся потенциал и подстраивается под него в согласии с законами квантовой физики. На рис. 4 показаны примеры тех «гимнастических упражнений», которые авторы заставляли выполнять бозе-конденсат.

Вернемся теперь к новой работе этой же группы. Их цель сейчас состояла в том, чтобы получить кольцеобразный, но крутящийся конденсат; такой конденсат, как на рис. 4, внизу, но при этом в нём бы тёк кольцевой ток материи. Ясно, что это для исследователей уже не представляет большой трудности. Они просто «нарисовали» кольцевой потенциал и придали ему некоторый наклон в одном из направлений обхода, так что конденсат ощущал себя словно в закручивающейся кольцевой ловушке. После того как конденсация произошла, вращение нарисованного потенциала постепенно ослаблялось, и он превращался просто в статический кольцевой потенциал. Зато конденсат продолжал в нём крутиться.

Рис. 4. Примеры манипуляции с бозе-конденсатом в ловушке с меняющимся во времени «нарисованным потенциалом». Вверху: две потенциальные ямы, крутящиеся по спиральной траектории; внизу: превращение кольцевого потенциала в набор из пяти ям и обратно. Изображение из статьи arXiv:0902.2171

Технология была хорошо отложена, так что от момента загрузки облачка газа и до получения свободно вращающегося конденсата проходило всего 3–4 секунды. Опыты показали, что это вращение держалось по крайней мере несколько секунд, чего более чем достаточно для осуществления всех нужных экспериментов с конденсатом.

На пути к закрученным волнам материи

Бозе-конденсат хорош тем, что в нём четко проступают явления квантового мира. Одно из них — это квантование момента импульса. Например, электроны в атоме могут находиться на энергетических уровнях, которые отвечают целочисленному орбитальному моменту импульса (в единицах измерения постоянной Планка); вся их классификация на s-, p-, d-, f-электроны проистекает отсюда. В случае конденсата это правило тоже работает, и, сверх того, оно становится даже более осязаемым. Оно проявляется в том, что конденсат в стационарном состоянии может вращаться только с угловой скоростью, кратной некоторой величине. Для описываемых экспериментов эта угловая скорость вполне «человеческая», примерно 1,3 оборота в секунду; ее можно легко получать и легко наблюдать в экспериментах с нарисованным потенциалом.

Подчеркнем, что вращение конденсата и вращение просто обычного (неквантового) куска вещества отличаются тем, что конденсат находится в определенном квантовом состоянии, а обычное вещество «размазано» сразу по огромному числу квантовых состояний, и в нём никакого вращательного квантования не видно. И если мы хотим получить настоящие закрученные когерентные волн материи, то такой четко вращающийся конденсат — первый шаг на пути к этому.

Но этот конденсат еще не находится в свободном состоянии, а насильно удерживается внутри ловушки. Поэтому следующий шаг — это высвободить вращающийся конденсат, дать ему возможность спокойно падать в поле тяжести. Именно это было проделано в описываемой работе. После того как конденсат был приготовлен и закручен, ловушку ослабляли, и конденсат, ничем больше не сдерживаемый, падал вниз. За время наблюдения (десятки миллисекунд) он успевал упасть на несколько миллиметров, так что можно смело говорить, что этот конденсат представлял собой волны вещества, свободно движущиеся в пространстве. С помощью просветки диагностическим лазером физики отслеживали, что происходит с конденсатом в свободном падении. Эти наблюдения позволили доказать, что конденсат выстраивается именно в такую волну, которая наблюдается в закрученном свете и закрученных электронах, и что эта волна действительно зависит от начальной закрутки конденсата.

Рис. 5. Моделирование того, что должно происходить с конденсатом при его высвобождении из ловушки. Вверху: невращающийся конденсат; внизу: вращение с пятикратной закруткой. Цветхарактеризует плотность конденсата. Изображение из обсуждаемой статьи

На рис. 5 показаны результаты теоретического моделирования того, что должно при этом происходить с конденсатом; верхняя серия рисунков показывает невращающийся конденсат, нижняя — вращающийся с пятикратной закруткой. Размеры области моделирования — 50 микрон в ширину и 100 микрон в высоту. Падение при этом не показано, но на последней картинке оно уже в десяток раз превышает продольный (то есть вертикальный) размер конденсата.

Исходное плоское колечко, которое выглядело похоже в обоих случаях, вначале быстро расширяется, как вдоль, так и вширь. Затем начинается интерференция волн материи, и спустя 6 миллисекунд конденсат уже принимает форму, четко отражающую начальную закрутку. Незакрученный конденсат имеет максимум в центре, закрученный — дыру, поскольку вращающиеся квантовые волны не способны подойти слишком близко к оси вращения.

Рис. 6. Снимки m-кратно закрученного конденсата в свободном падении. Шесть картинок отвечают числам m от 0 до 5. Изображение из обсуждаемой статьи

Нечто похожее происходило и в самом эксперименте. Правда, исследователи не могли отслеживать продольное расширение, но зато хорошо видели, какие получаются конденсаты в поперечной плоскости. На рис. 6 показаны реальные снимки конденсатов с m-кратной закруткой, где число m меняется от 0 до 5. Хорошо видны и интерференционные полосы, и центральная дыра, которая постепенно увеличивается пропорционально m. Еще раз подчеркнем, что на этих картинках показано не просто «как-то слепленное» облако газа, а та единственная форма, которую самостоятельно принимает облако из 40 тысяч атомов, когда все они находятся в едином квантовом состоянии с определенной закруткой.

Что сделано, а что нет

К сожалению, это пока еще не является настоящей экспериментальной демонстрацией закрученной квантовой волны вещества. Закрученная волна, по-видимому, действительно получена, просто доказать закрутку пока сложно. Тем не менее это большой шаг вперед, и не исключено, что через несколько лет «закрученный атомный лазер» заработает.

Сейчас уже сделано следующее: получен хорошо вращающийся конденсат и проверена его форма, которая совпадает с ожидаемой, несмотря на большое количество частиц и взаимодействие между ними. Это само по себе довольно интересно, потому что до сих пор все закрученные состояния, скажем, электронов были одночастичными.

То, что пока остается не доказанным, это спиральная форма закрученной волны. Такую форму можно увидеть только с помощью интерференции закрученного конденсата с незакрученным, чего пока что не сделано. Возможно, интерференцию можно будет организовать и на такой установке. Для этого потребуется создать вначале единый невращающийся конденсат, затем разделить его на два копланарных бублика (один чуть выше, другой чуть ниже, как на рис. 2), отдельно завращать верхний, а потом отпустить их в свободное падение. Падая и расширяясь, эти два конденсата перекроются и будут интерферировать в области перекрытия, демонстрируя спираль наподобие той, что была недавно получена для рентгена.

Еще одно усовершенствование, которое авторы работы хотят реализовать, это своего рода фокусировка этой закрученной волны. Сейчас полученный конденсат не просто падает, но и расширяется в стороны за счет дифракции волн вещества. Если бы удалось создать этакую собирающую линзу для этих волн, то «вращающийся атомный луч» мог бы тянуться долго без особого расхождения. Роль такой линзы может играть еще один (четвертый уже) лазерный луч, который придаст падающему конденсату правильный набег фазы (про связь фазы с фокусировкой см. в задаче Оптическая сила летящей линзы). Эта методика пока не реализована, но численное моделирование, которое провели авторы работы, показывает, что она вполне достижима.

Источник

Условия обитания для живых организмов на Земле будут подходящими, по меньшей мере, еще 1,75 миллиардов лет, как полагают астробиологи из университета Восточной Англии. Исследования, опубликованные вчера в журнале «Астробиология» (Astrobiology), раскрывают обитаемую продолжительность жизни Земли, принимая во внимание расстояние, на котором мы находимся от Солнца, а также температуры, при которых на планете возможна жидкая вода. 

Исследовательская группа обратилась для вдохновения к звездам. Используя недавно обнаруженные планеты за пределами нашей Солнечной системы (экзопланеты) в качестве примера, она исследовала способность этих планет поддерживать жизнь. 

Руководителем исследования стал Эндрю Рашби (Andrew Rushby) из школы науки об окружающей среде университета Восточной Англии. Он заявил: «Мы использовали концепцию «обитаемая зона», чтобы сделать определенные расчеты. Это расстояние от звезды, на котором температуры позволяют на поверхности планеты иметь жидкую воду. Мы использовали в своем исследовании модели звездной эволюции, чтобы оценить обитаемую продолжительность жизни планеты, определяя, когда планета уже не будет находиться в обитаемой зоне. Мы оценили, что Земля будет пригодна для обитания еще от 1,75 до 3,25 миллиардов лет. По истечении этого времени Земля будет уже находиться в «горячей зоне» Солнца. Температуры будут настолько высокими, что моря и океаны начнут испаряться. Безусловно, при такой высокой температуре человек не сможет выжить. Перенести такую жару смогут лишь микробы». 

Источник

Новый способ описания квантовых взаимодействий ставит под сомнение реальность пространства и времени

Источник

 Исследователи впервые экспериментально вычислили слабый заряд протона. Данные были получены в результате эксперимента Q-weak, проводимого в Лаборатории Джефферсона. Помимо вычислений для протона, физики также работали с информацией о слабом заряде нейтрона, верхнего кварка инижнего кварка.

На сегодняшний день полученные вычисления являются самыми точными, хотя выводы были сделаны на основе анализа лишь 4% всех данных. Чтобы включить оставшуюся информацию потребуется ещё год теоретической работы.

Эксперимент Q-weak направлен на исследование слабого взаимодействия элементарных частиц. Это одна из четырёх фундаментальных сил, действующих в природе, помимо гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия.

Слабое взаимодействие проявляется только на субатомном уровне, но его эффекты мы наблюдаем ежедневно: например, оно ответственно за естественную радиацию и ядерные реакции в звёздах.

Около десятилетия назад сотрудники Лаборатории Джефферсона предложили провести эксперимент с целью измерить напрямую слабый заряд протона, то есть определить, насколько мощно он взаимодействует с другими элементарными частицами через слабое взаимодействие.

Теоретически уже получили эти данные в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. Но эксперимент Q-weak является отличной проверкой этой схемы на практике.

В ходе исследования учёные направили продольно поляризованный интенсивный пучок электронов на ёмкость с жидким водородом. Электроны, испытывающие лишь скользящие столкновения с протонами (происходило упругое рассеяние, протоны оставались незатронутыми), выходили под острыми углами и перенаправлялись мощными электромагнитами на восемь детекторов, расположенных симметрично относительно друг друга.

Слабое взаимодействие проявляется значительно слабее, чем электромагнетизм. На практике из миллиона электронов, взаимодействующих с протонами посредством электромагнетизма, лишь один будет проявлять слабое взаимодействие.

Физики изучили и измерили все эти немногочисленные случаи, приняв во внимание важную разницу между этими двумя силами. Слабое взаимодействие нарушает пространственную чётность, в то время как электромагнитное − нет.

Сохранив все параметры эксперимента и изменив только поляризацию пучка электронов, физики смогли поймать разницу между измерениями двух направлений поляризации и выявить эффекты, производимые лишь слабым взаимодействием.

Первичные результаты проекта Q-weak показали, что экспериментальные данные о слабом заряде протона очень хорошо согласуются с теоретическими, представленными в Стандартной модели. Тем не менее, физикам предстоит проанализировать в 25 раз больше информации, чем они уже обоработали. Окончательные результаты должны будут либо утвердить Стандартную модель, либо её опровергнуть.

Соавтор исследования и представитель Лаборатории Джефферсона Роджер Карлини (Roger Carlini) говорит, что одной из целей их работы является поиск следов новой физики, способной опровергнуть привычные теоретические модели.

Добавим, что установка для отправки интенсивного пучка поляризованных электронов (CEBAF) также была создана сотрудниками Лаборатории Джефферсона и является их основным рабочим инструментом.

Статья учёных уже принята к публикации в журнале Physical Review Letters и появится в сети 13 октября 2013 года. А пока её можно почитать в этом PDF-документе.

Источник

Спутники больших планет в других солнечных системах могут быть малы для образования новой жизни.

Идея жизни на спутниках, каких либо планет не новая, тем более, если Вам что-нибудь говорят такие названия, как "Эндор" или "Пандора". Некоторые из спутников по сложности своего геологического строения не только же не уступают планетам, но и даже превосходят их. В нашей Солнечной системе самое наибольшее внимание при поисках какой либо внеземной жизни «приковано» к спутникам планет Юпитер и Сатурн, например на Энцеладе или Европе, а необычный мир Титана /спутника Сатурна/ уже давно вызывает любопытство астрономов.

Оптимистически настроенные ученые считают, что примерно в ближайшее время мы сможем получить достаточно новые и совершенные обсерватории, чтобы не только можно было обнаруживать спутники планет, но а так же изучать состав их атмосфер. На сегодняшний день было обнаружено уже сотни экзопланет. И многие из обнаруженных – это газовые гиганты, которые расположены в "обитаемой зоне". Как считается, на самих планетах жизни не может быть, но вокруг гигантов нашей системы вращаются несколько десятков спутников, и данное обстоятельство внушает нескольким энтузиастам немного оптимизма.

К сожалению, не все астрономы настроены оптимистично. Есть мнение, что особенности происхождения спутников планет не позволяют им приблизиться по массе к нашей планете. Из-за такого ограничения в размерах маловероятно, что так называемые экзолуны могут поддерживать только лишь собственное магнитное поле для защиты своей поверхностной жизни от космической радиации. В других случаях, луны могут быть защищены только лишь большим магнитным полем материнской планеты-гиганта, но, как показало компьютерное моделирование, в данном случае существует и другая проблема. К сожалению, большие спутники формируются на большом отдалении от планет, где магнитного поля нет, а для обнаружения маленьких лун, наши телескопы не скоро станут достаточно такими чувствительными.
Источник

Европейское космическое агентство (ЕКА) заинтересовано в том, чтобы их деятельность на других планетах выполнялась при помощи очень мобильных и маневренных аппаратов. Исследователи Фонда научных и промышленных исследований стараются понять, сможет ли стать в подобном случае превосходным решением такое изобретение, как робот-змея. 

НАСА уже высадило на Марс четырех роверов. Все они являются роботами, работающими на солнечной энергии, с шестью колесами и роботизированными руками, которые могут брать почвенные образцы и управлять камерами. Аппарат Sojourner был доставлен на красную планету в 1997 году, Spirit и Opportunity – в 2003 году, а более усовершенствованный аппарат Curiosity – прошлым летом.

«Маневренность – это сложная задача. Аппарат Spirit был навсегда потерян, после того как он застрял в песках на Марсе. Передвижные средства не могут добраться до многих мест на красной планете, где можно взять почвенные образцы», - заявили Пал Лилжебек (Pål Liljebäck) и Аксель Трансет (Aksel Transeth) из Фонда научных и промышленных исследований. 

Европейское космическое агентство поручило им заняться разработкой маневренного и мобильного аппарата, который смог бы в полной мере выполнять все поставленные задачи на Марсе. ЕКА и исследователи уверены в том, что если оборудовать ровер роботом-змеей, то подобные задачи будут выполнены. Робот-змея сможет пробраться в те места, которые будут недоступны всем прочим аппаратам. Следовательно, открываются большие возможности. 

В настоящее время почвенные образцы с Марса анализируются на борту самого ровера, а результаты анализа передаются на Землю. Однако ЕКА пытается рассмотреть варианты, которые позволят доставлять образцы непосредственно на Землю. Роботы-змеи могут помочь брать такие образцы, поскольку у них будет доступ к тем местам, куда не смогут попасть роверы. 

Источник

Исследователи из Университета Пенсильвании нашли более эффективный способ сбора энергии солнечного света с помощью так называемых плазмонных наноструктур. Результаты показывают, что плазмонные компоненты могут расширить и направить рассеяние оптических волн, действуя эффективнее, чем фотовозбуждение (процесс, работающий в солнечных батареях). Данная разработка способствует повышению производительности солнечных батарей, а также ускорению оптической связи.

Когда фотоны ударяются о поверхность солнечной батареи, энергия, которую они переносят, поглощается атомами легированного полупроводника. Если поглощаемая энергия выше, чем установленный порог (известный как энергетический интервал), то электроны освобождаются и могут быть использованы для выработки электроэнергии.

Теоретически, энергетическим интервалом можно манипулировать, чтобы максимально увеличить количество электронов, которые будут освобождены фотоном, но установка этого порога непростая, потому что некоторые фотоны содержат больше энергии, чем другие.Более эффективные солнечные батареи из плазмонных наноструктур

Фотоны в инфракрасном спектре, как правило, не несут достаточно энергии, чтобы выбить электроны из атомов кремния. Красные фотоны имеют как раз достаточно энергии, чтобы выбить один электрон, и фотоны в синей части спектра и за его пределами также могут выбить один электрон, но оставшаяся часть энергии тратится в виде тепла. И этот выпуск большого количества энергии впустую является большим минусом солнечных батарей.

Опираясь на предыдущие опыты, профессор Дон Боннелл (Dawn Bonnell) и его коллеги показали, что есть ещё один способ сбора энергии света - в 10 раз более эффективным, чем обычное фотовозбуждение/.

Исследователи взяли плазмонные наноструктуры - материалы, изготовленные из массива наночастиц золота и светочувствительных молекул porphyin, расположенных в определённом структурном порядке.

Когда фотон попадает в эти структуры, он генерирует электрический ток, который движется в направлении, определяемом размерами и расположением частиц золота. С помощью контроля и расширения оптического рассеяния эти наноструктуры могут преобразовывать свет в электричество с гораздо большей производительностью, чем раньше. Освобождённые электроны могут быть извлечены из плазмонов и использованы для питания молекулярных оптоэлектронных приборов.

Наноструктуры могут быть оптимизированы для какой-либо конкретной области применения путём изменения размера и расстояния между наночастицами, которое может привести к изменению длины световой волны, на которую реагирует плазмон - та же работают солнечные батареи с множественным переходом, для более эффективного поглощения фотонов с различными длинами волн.

Приложения могут включать в себя более эффективную трансдукцию оптических сигналов (например, из волоконной оптики) в электрические сигналы, и, конечно, более продуктивные солнечные батареи. «Например, можно представить себе, что краска на вашем ноутбуке будет действовать как солнечная батарея, и он будет включаться только от солнечного света», - говорит Боннелл.

Это открытие безусловно перспективное, однако мы должны помнить, что пока оно в основном теоретическое. Учёные показали эффективность плазмонных наноструктур, но ещё неизвестно, как скоро устройства на основе этого принципа будут запущены в массовое производство, и какой уровень продуктивности они покажут в ходе практического использования.

Источник

Надежные квантовые компьютеры будут решать чрезвычайно сложные технологические задачи в миллионы раз быстрее, чем современные самые мощные суперкомпьютеры.

Другие типы задач, которые можно будет решать с помощью квантовых компьютеров, сегодня невыполнимы даже с помощью наиболее мощных современных машин.

Если ученые хотят полностью понять огромный потенциал квантовых компьютеров, им необходимо научиться создавать отказоустойчивые машины. И вот теперь ученые из Китайского университета Цинхуа и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при министерстве энергетики США сделали шаг на пути к цели.

С помощью ультрафиолетовых лучей синхротрона в лаборатории ученые впервые продемонстрировали высокотемпературную сверхпроводимость на поверхности топологического изолятора — уникального класса передовых материалов, которые внутри являются изоляторами, а на поверхности — проводниками. Стимуляция высокотемпературной сверхпроводимости на поверхности топологических изоляторов открывает дверь созданию предпосылки для отказоустойчивых квантовых компьютеров, таинственной квазичастицы, известной как Majorana zero mode.

«Мы показали, что объединяя топологический изолятор, селенид висмута, с высокотемпературным сверхпроводником BSCCO или оксидом меди кальция стронция висмута (на правом фото), можно стимулировать сверхпроводимость в топологическом поверхностном состоянии», сообщил исследователь Алексей Федоров (на верхнем фото справа). „Это первая демонстрация индуцированной высокотемпературной сверхпроводимости в данных условиях“.

Результаты опубликованы в издании Nature Physics.

Источник

Ученые впервые смогли увидеть исходящие уже от умирающей звезды так называемые джеты, то есть очень большие струи частиц высоких энергий. Это помогает лучше предсказать, как будет «умирать» наше Солнце, и можно будет понять, как на его месте позже сформируется новая туманность.

К самому концу истории звезды с массой, равной солнечной, позже начинают превращаться в красные гиганты, которые потом начинают сбрасывать свою оболочку и становятся уже белыми карликами. Газовая оболочка начинает превращаться в планетарную туманность, которая может иметь различные свои формы.

Небольшая группа астрономов из Боннского университета с помощью комплекса 6ти двадцати двухметровых телескопов ATCA, которые находятся в Австралии, наблюдала за звездой IRAS 15445-5449. Данная звезда расположена в созвездии Южного Треугольника, примерно в 23 тыс. световых лет от нас и сейчас она превращается в планетарную туманность.

С помощью проведенных изучений, астрономы смогли зафиксировать джеты, то есть исходящие от звезды струи заряженных частиц. Вообще джеты сами по себе являются атрибутом нейтронных звезд или же сверхмассивных черных дыр. В данном случае струи частиц могут формироваться благодаря сильным магнитным полям, простирающиеся примерно на 1 триллион км от самой звезды.

Как сообщил один из астрономов, радиосигнал от этого джета варьируется и это значит, что возник недавно, примерно несколько десятилетий назад. И в течение следующих сотен лет данный джет будет образовывать новую форму планетарной туманности.

При всём том, астрономы всё же не могут точно сказать, сможет ли Солнце создать такой джет, так как до сих пор неясен механизм их рождения. Астроном так же добавил, что звезда всё же может иметь невидимый компонент, то есть большую планету или же другую звезду, которая помогает создать джет. По его мнению, такие детали помогут раскрыть такие телескопы как SKA ALMA.

Источник

Все мы знаем, что Земля вращается. Однако почему? Почему все в Солнечной системе вращается? И почему практически все вращается в одном и том же направлении? Это не может быть совпадением. Земля, как известно, движется против часовой стрелки. То же самое и с Солнцем, и с Марсом, и прочими планетами. 

4,54 миллиардов лет назад наша Солнечная система сформировалась внутри водородного облака, что свойственно и туманности Ориона (Orion Nebula), и туманности Орла (Eagle Nebula). Затем произошел толчок, будто от ударной волны близлежащей сверхновой, и это заставило область холодного газа направиться внутрь через свою собственную гравитацию. После этого облако начало вращаться. Но почему? 

Подумайте об отдельных атомах в водородном облаке. Каждая частица имеет свою собственную инерцию, когда она проходит через вакуум. У всех атомов возникает необходимость в уравнивании своей инерции. Свести цифру к нулю – неправдоподобно. Так, прото Солнечная система стала вращаться все быстрее и быстрее со своими частицами, имеющими равную инерцию. 

Солнце сформировалось из расширенного образования в центре диска. Далее сформировались планеты. Они унаследовали свое вращение у солнечной системы в целом. Таким образом, Земля вращается по той причине, что она сформировалась в аккреционном диске водородного облака. 
Источник

Прототипы фотодетекторов на основе графена удалось независимо разработать одновременно трём группам физиков – из Австрии, из Гонконга и из США. Эти устройства преобразуют инфракрасные оптические сигналы в электрические импульсы, причём эффективность графеновых фотодетекторов выше, чем у аналогичных устройств традиционного типа, передаёт Lenta.ruсо ссылкой на Nature News.

Все три разработки используют способность графена преобразовывать в электрические импульсы световые кванты с разной энергией и тот факт, что у графена нет так называемойзапрещённой зоны.

Графеновые детекторы оказались способны регистрировать (в случае с разработкой группы из Китайского университета Гонконга) кванты света в среднем инфракрасном диапазоне, с длиной волны от 1,55 до 2,75 микрометра. Авторы утверждают, что их детектор способен функционировать при комнатной температуре, хотя германиевые аналоги с чувствительностью в том же диапазоне требуют охлаждения жидким азотом.

Дирк Энглунд (Dirk Englund), физик из Массачусетского технологического института, подчеркнул также то, что скорость передачи данных через фотодетекторы на основе графена составила 12 гигабит в секунду, то есть оказалась сопоставима с обычными полупроводниковыми устройствами.

Отсутствие запрещённой зоны, как поясняет Томас Мюллер (Thomas Mueller) изТехнологического института в Вене, сделала его идеальным материалом для устройства, которое преобразует инфракрасные импульсы в электрические.

Источник

Американские ученые представили свою новую разработку – человекоподобного робота по имени «Салли». Правда, пока о его массовом внедрении говорить слишком рано.

Робот «Салли» был создан учеными Лаборатории прикладной физики из Университета Джонса Хопкинса в городе Балтимор, штат Мэриленд, США. Робот располагает двумя руками с пальцами, в которых встроены сервоприводы и необходимые датчики. Робот может поднимать, изучать и переносить предметы массой до 10 килограмм.

Новый робот сможет работать в условиях, опасных для жизни людей и выполнять сложные задачи. Управлять им можно дистанционно при помощи специального беспроводного пульта.

Как отмечают разработчики, их главная цель заключалась в создании конечностей робота, которые могли бы в точности повторять действия человеческих рук. И, похоже, им это удалось.

Источник

Две группы астрономов построили лучшую на сегодняшний день трехмерную карту центральной части Млечного Пути, основываясь на данных телескопов ESO. Они обнаружили, что внутренние области под некоторыми углами наблюдения напоминают арахис – имеют Х-образную форму. 

Одной из важнейших и массивнейших частей галактики является ее балдж. Это центральное звездное облако, удаленное на 27 000 световых лет, содержит порядка 10 000 млн. звезд и простирается на тысячи световых лет, но его структура и возникновение все еще плохо поняты. 

К сожалению, наблюдать эту центральную область из нашей точки пространства затруднительно, поскольку балдж скрыт от нас массивными газопылевыми облаками. Хороший вид балжда можно получить только наблюдая в более длинноволновом диапазоне, например, инфракрасном. 

Еще более ранние наблюдения 2MASS в инфракрасном диапазоне выявили эту загадочную Х-образную структуру. В настоящее время группа ученых использовала новые данные нескольких телескопов ESO, чтобы получить более четкую карту балджа. 

Первая группа из Института внеземной физики общества Макса Планка в Гархинге, Германия, использовала данные обзора в ближней инфракрасной области телескопа VISTA из Паранальской обсерватории, Чили. Команде удалось идентифицировать 22 миллиона звезд, принадлежащих к классу красных гигантов, чьи хорошо известные свойства позволяют вычислить расстояния до них. 

Вторая международная команда использовала другой подход, чтобы уточнить форму балджа. Сравнение изображений 11-летней давности с новыми данными MPG/ESO 2.2-метрового телескопа позволило измерить крошечные смещения звезд балджа, вызванные их движением. Дополнив эти измерения данными о лучевых скоростях звезд – их движении по направлению к нам или от нас – ученые получили трехмерную карту движений более чем 400 звезд. 

«Звезды, которые мы наблюдали, движутся по рукавам Х-образного балджа – их орбиты расположены так, что звезды появляются то над, то под плоскостью Млечного пути. Все это очень хорошо согласуется с предсказаниями современных моделей», - говорят исследователи.

Астрономы считают, что первоначально Млечный Путь был просто звездным диском, в котором миллиарды лет назад сформировался бар. Внутренняя его часть затем распалась и образовала ту объемную структуру, похожую на арахис, которую сейчас видят наблюдатели. 

Источник

Это звучит как научный вымысел, но теория панспермии, согласно которой жизнь может передаваться от одной планеты к другой, в настоящее время очень серьезно рассматривается планетарными учеными. Предположение о том, что жизнь не зародилась на Земле, а «пришла» откуда-то из Вселенной (например, с Марса) является возможным сценарием панспермии. Планеты и их спутники подвергались активной бомбардировке метеоритов, когда Солнечная система была еще совсем молодой. Метеориты, состоящие из марсианских пород, изредка находили на Земле. Так что вполне вероятно, что примитивные формы жизни, такие как, например, бактерии, могли появиться именно от столкновения Земли с такими метеоритами. 

Новое исследование, представленное на Европейском планетарном научном конгрессе (ЕПНК), призвано ответить на вопрос: Способны ли примитивные формы жизни выжить после столкновения Земли с небесными объектами? Используя замороженные образцы микроводоросли Nannochloropsis oculata, Дина Пасини (Dina Pasini) из Кентского университета решила создать условия, имитирующие выживаемость примитивных форм жизни, путешествующих в космосе, при столкновении. 

Используя двухступенчатую фотонную пушку, которая способна разгонять объекты до очень высоких скоростей, Пасини выстрелила замороженными шариками Nannochloropsis в воду и наблюдала, выжили ли хотя бы некоторые из них. 

«Как вы можете предположить, увеличение скорости столкновения повлияет на смертность водорослей, но даже на скорости в 6,93 километра в секунду небольшое количество все-таки смогло выжить. Примерно такая же скорость была бы, если бы метеорит столкнулся с планетой, подобной Земле», - заявила Пасини. 

Данное исследование говорит о том, что панспермия имеет полное право на существование. 

Источник

Хаос Арам (Aram Chaos), бугорчатый участок древнего ударного кратера на Марсе, сформировался в результате катастрофического таяния и разлива залегающего ледяного озера. В настоящее время ученые занимаются изучением снимков кратера, ширина которого составляет 280 километров, а длина – 4 километра, а также созданием моделей процесса таяния льда и катастрофического разлива. Мануэль Рода (Manuel Roda) представил результаты на Европейском планетарном научном конгрессе (ЕПНК) в Лондоне. 

Хаотичный рельеф является таинственной особенностью, простираясь на сотни километров. Все это так свойственно Марсу. То, каким образом он был сформирован, ученые понимают едва. 

«Около 3,5 миллиардов лет назад древний кратер был частично наполнен льдом, который был скрыт под двухкилометровым слоем осадочных пород. Этот слой изолировал лед от высоких температур на поверхности Марса, но он постепенно таял на протяжении миллионов лет в связи с теплом, высвобождаемым планетой. Осадочные породы, перекрывающие текучую воду, стали неустойчивы и обрушились», - заявил Рода. 

Дальнейшая массивная утечка сотен тысяч кубических километров воды примерно объема озера Байкал происходила четыре раза. Вода в итоге заполнила долину на 10 км в ширину и на 2 км в глубину. 

Источник

Источник

Проделав 35-летнее путешествие и удалившись при этом от Земли на 13 млрд. миль, космический аппарат НАСА «Вояджер» стал первым сделанным человеком объектом, достигнувшим межзвездного пространства. Об этом говорят новые данные, полученные командой ученых. 

«Это все равно что высадиться на Луну. Еще одна веха истории. Как и вся наука, это исследование. Новое знание», – говорит Дональд Гернетт (Donald Gurnett) из Университета штата Айовы. 

25 августа 2012 года аппарат «Вояджер», который был запущен в 1977 для исследования внешних планет, зарегистрировал внезапное понижение числа частиц, находящихся в «ловушке» солнечного влияния, так называемой гелиосфере, и соответствующий всплеск интенсивности галактических космических лучей, приходящих извне Солнечной системы.

Эти данные, однако, еще не давали полной уверенности того, что «Вояджер» достиг наконец межзвездного пространства. Ученые хотели получить дополнительные данные о плазме – ионизованных молекулах и атомах, окружающих «Вояджер» – но провести такие измерения уже невозможно: плазменный детектор прекратил свою работу еще 30 лет назад. 

По результатам компьютерных моделирований плотность плазмы, находящейся в пределах гелиосферы, составляет лишь малую долю той плотности, что характерна для межзвездного пространства. 

Оказалось, для получения нужной информации существует другой способ. 10-метровая антенна «Вояджера» может регистрировать колебания плазмы, а это дает ученым возможность вычислить ее плотность. 

В октябре 2012 ему удалось зарегистрировать последствия солнечной вспышки. Еще одно такое же событие произошло весной 2012 года, что окончательно убедило ученых: аппарат готов покинуть Солнечную систему. 

«Определение гелиопаузы основано на величине плазменной плотности, которая не была до сих пор измерена. И нам благодаря событиям, связанным с солнечной активностью, удалось наконец это сделать», - говорит Гернетт. 

Когда в августе 2012 «Вояджер» перешел в открытое межзвездное пространство, он сразу же зарегистрировал изменение в соотношении числа частиц, приходящих от Солнца и галактики. 

Таким образом, начат новый интереснейший этап путешествия «Вояджера». 
Источник

Астронавты Европейского космического агентства /ЕКА/ провели серию тренировок, имитирующих высадку на Луне.

The Apollo 11 Under The Sea повторяет такую же научную программу, которую провели астронавты Нил Армстронг и Базз Олдрин в 1969 году на Луне. И вот уже спустя 44 года в их роли выступили такие астронавты ЕКА как Жан-Франсуа Клервуа /Jean-François Clervoy / и Эрве Стевенин /Herve Stevenin/.

Под водой тренируются как астронавты, так и космонавты, поскольку это удачная возможность имитирования условий невесомости. Регулируя плавучесть астронавтов в скафандрах так же можно обеспечить и лунные условия, где вес в 6 раз меньше, чем на Земле.

Скафандр, в котором были астронавты, сделаны на основе русского скафандра «Орлан», который применяется для выхода в открытый космос по российский программе. В ходе этой тренировки были собраны образцы почвы аналогичными инструментами, которые были использованы экипажем Аполлона-11 на Луне.

Первая тренировка по имитации лунной миссии была проведена в одном из тренировочных бассейнов Comex в Марселе, а две предстоящие уже на дне Средиземного моря, неподалеку от города Марсель на юге Франции.
Источник

Возможно, теория Большого Взрыва скоро останется в прошлом. Космологи рассуждают о следующей возможности: причиной образования вселенной стал коллапс четырехмерной звезды с образованием черной дыры – этот сценарий может помочь объяснить удивительную однородность космоса во всех направлениях.

Стандартная модель Большого Взрыва говорит о том, что вселенная появилась из точки с бесконечно большой плотностью, или сингулярности. Но никто не знает, что вызвало этот «взрыв»: известные законы физики перестают там работать. Точно так же трудно объяснить, каким образом Большой Взрыв породил вселенную с практически однородной температурой, поскольку время, прошедшее от начала возникновения вселенной, не кажется достаточным для достижения термодинамического равновесия.

Большинство космологов видят наиболее вероятное объяснение этой однородности в том, что какая-то неизвестная форма энергии заставила молодую вселенную раздуваться со скоростью, превышающей скорость света. В этом случае небольшая однородная область расширилась бы до огромных размеров наблюдаемого сейчас космоса. Но ученые отмечают, что «Большой Взрыв был настолько хаотичным процессом, что неясно, могла ли там быть даже маленькая область однородности, чтобы инфляция начала работать».

Афсорди (Ashfordi) и его коллеги-астрофизики из канадского Института теоретической физики «Периметр», Ватерлоо, обратили свое внимание на предположение, сделанное в 2000 году командой Джиа Двали (Gia Dvali), который сейчас работает в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана. В той модели наша трехмерная вселенная – это мембрана, или брана, которая «вложена» в другую Вселенную, имеющую четыре пространственных измерения. 

Команда Афсорди поняла, что если большая Вселенная имеет собственные четырехмерные звезды, то некоторые из них могут коллапсировать, образуя четырехмерные черные дыры - точно так же, как это делают наши массивные звезды. 

В нашей вселенной черная дыра ограничена сферической поверхностью, называемой горизонтом событий. Аналогично, четырехмерная черная дыра может иметь свой горизонт, но уже трехмерный. Когда ученые смоделировали смерть четырехмерной звезды, они обнаружили, что выброшенная материя образует трехмерную брану, которая медленно расширяется. Астрофизики постулируют, что наша трехмерная вселенная может быть всего лишь такой бранной, и что мы воспринимаем увеличение размеров браны как космическое расширение. Модель естественным образом решает проблему однородности. Поскольку четырехмерная Вселенная могла существовать на протяжении бесконечно долгого времени, ее отдельные части вполне могли достигнуть термодинамического равновесия, которое и унаследовал наш трехмерный мир. 

Тем не менее, у теории есть свои недостатки. Ее предсказания не до конца согласуются с новыми данными аппарата «Планк» о микроволновом фоне – реликтовом излучении, которое несет отпечаток ранней вселенной. В то время как теории инфляции и Большого Взрыва хорошо объясняют наблюдательные данные, предсказания модели четырехмерной черной дыры отклоняются от них примерно на 4 %. Надеясь найти несоответствие, ученые занимаются совершенствованием своей теории.

Источник