Новости науки

Исследователи из Германии и Швейцарии разработали трехмерный плащ-невидимку для сокрытия микроскопических частиц. Ученые, работе которых посвящена статья в журнале Scientific Reports, утверждают, что их разработка может найти ряд практических применений.

В основе нового плаща-невидимки лежат серебряные наночастицы. Исследователи использовали шарики диаметром шесть нанометров. Расположив их вокруг кремниевых частиц большего размера (вплоть до ста нанометров) специалистам удалось добиться того, что такие частицы перестали искажать проходящий через них свет.

В статье ученых подчеркивается, что сами по себе незамаскированные кремниевые шарики тоже были слишком малы для того, чтобы при помощи оптического микроскопа можно было получить их изображение. Однако такие частицы рассеивают проходящий через них свет в том случае, если не закрыты «плащом-невидимкой». Добавление слоя наночастиц блокирует рассеяние света и тем самым может препятствовать обнаружению кремниевых шариков: с практической точки зрения это, как утверждают авторы открытия, далеко не самое важное свойство.

Слева показана кремниевая наносфера без наночастиц меньшего размера, справа такая же сфера с наночастицами. «Плащ-невидимка» уменьшает рассеяние света.

Скрытие от посторонних глаз наночастиц имеет меньшее значение, чем создание более эффективных нанооптических систем, которые в меньшей степени рассеивают падающий на них свет. Исследователи считают, что их разработка может найти применение в создании оптических датчиков и даже солнечных батарей, для которых потери энергии на рассеяние сведены к минимуму. Масштабирование результатов работы до уровня макроскопических объектов при этом затруднено: от идеи устройств, скрывающих целиком людей или технику большинство физиков отказалось, признав это принципиально невозможным.

Серебро было выбрано в качестве материала для наночастиц из-за того, что именно взаимодействие серебряных наночастиц с электромагнитным излучением изучено на сегодня достаточно хорошо. Падающая на наночастицы электромагнитная волна вызывает колебания электронов на поверхности серебряных шариков. Эти колебания, называемые в физике плазмонами (строго говоря плазмон — это квант таких колебаний, используемая для их описания квазичастица) накладываются на внешнее поле и за счет правильно подобранной конфигурации системы частиц можно добиться усиления или ослабления световых волн в заданном направлении.

Источник

По словам ученых, в свой первый год пребывания на Марсе, марсоход НАСА «Curiosity» совершил открытия, которые должны помочь проложить путь для человеческой миссии на Красной планете, которую планируется осуществить в ближайшие несколько десятилетий.

«Однотонный космический аппарат «Curiosity», собрал для нас полезную информацию об уровне радиации на поверхности Красной планеты и в глубоком космосе. А его высадка на поверхность планеты, которую мы прозвали «семь минут страха», в ночь на 5 августа 2012 года, продемонстрировала более-менее надежный способ высадки тяжелых аппаратов и грузов на чужеродной планете», говорит глава НАСА Чарльз Болден.

Во время празднования года пребывания «Curiosity» на поверхности Марса в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия, Чарльз Болден заявил: ««Curiosity» своими колесами, буквально прокладывает путь для первых человеческих следов на Марсе».

Программы НАСА по долгосрочному прибыванию человека в космосе в конечном итоге на данный момент подразумевают главную цель – высадка человека на Красной планете. 

Президент США Барак Обама уже дал указ агентству НАСА, чтобы они разработали эффективные программы по получению образцов околоземного астероида к 2025 году, а затем осуществили полет к около-марсианской орбите к середине 2030х годов.
Источник

Как недавно всем стало известно, на нашем Солнце скоро произойдет смена магнитных полюсов. Но какие конкретные последствия для нас представляет это событие?

Процесс смены магнитных полюсов которые как известно происходят на Солнце каждые 11 лет, будет происходит в ближайшие 3-4 месяца.

«Хотя это не катастрофическое событие, смену магнитных полюсов мы почувствуем на себе. Это изменение будет иметь волновой эффект, который будет ощущаться во всей нашей Солнечной системе», говорит Тодд Хоксем, директор Стэнфордского университета, который следит за происходящими процессами в магнитных полях Солнца.

Когда дело касается темы разворота магнитных полей на Солнце, у физиков сразу возникает ассоциация с «токовым слоем».

Вся гелиосфера окутана этим токовым слоем и во время смены магнитных полей этот слой становится очень подвижным и волнообразным.

Вследствие чего в ближайшее время будет происходить резкая смена космической погоды, солнечные бури, а на Земле так же будут возникать геомагнитные возмущения в течение некоторого времени уже после смены полюсов на Солнце.

Впрочем, есть и хорошая новость, те самые возмущения токового слоя на Солнце, являются отличным щитом от опасных космических лучей возникающих в нашей галактике от взрыва сверхновых и других космических катастроф и мчащихся к нам на скорости почти достигающей скорости света.

Такие лучи могут угрожать космонавтам при выходе в открытый космос, а так же могут повредить космические зонды. Но благодаря токовому слою на Солнце, мы в некоторой степени можем быть от них защищены в данный момент.
Источник

Три кратера на Марсе, в районе которых в декабре 1971 года совершила посадку советская АМС "Марс-3" получили названия в честь 2-х российский городов и поселка Казахстана, сообщил руководитель групп марсохода «Curiosity» и Роскосмоса в социальной сети «ВКонтакте».

Три новых названия, три города – Реутов, Белёв и Тюратам появились на Марсианской карте. Эти названия появились не случайно. Ведь в апреле с.г. группа энтузиастов космонавтики, которую и возглавляет сам Егоров смогли на красной планете обнаружить советский КА, запущенный в конце мая 1971 года и прибывшая к планете 2 декабря того же года - «Марс-3». На снимках, который сделал Mars Reconnaissance Orbiter /MRO/ можно увидеть объекты, похожие на парашют и саму станцию. Это и был «Марс-3». 

Согласно традициям, кратерам на Марсе, которые имеют небольшой размер, дают соответствующие имена поселков городского типа /ПГТ/, деревень или же городов, численность которых не превышает 100 000 жителей.

Первое название – Реутов /город в Московской области/, получил кратер в 18 км в диаметре, расположенный в кратере Птолемей. Этот город был выбран по той причине, т.к. там собирали ракету «Протон-К» для запуска «Марса-3». 

Второе название – Тюратам /Казахстан/ располагается в кратере диаметром 270 м. Этот поселок расположен близ Байконура. И третье – Белёв /город в Тульской области/ - кратер в диаметре 180 метров. Именно между этими кратерами предположительно совершил посадку «Марс-3», - добавил Егоров.

Источник

Этот снимок был сделан инфракрасным телескопом «Subaru», который находится на Гавайях. Международная команда астрономов получила первый снимок самой маленькой экзопланеты, вращающейся вокруг яркой звезды – GJ 504. Это самая маленькая по размерам и массе экзопланета, которую удалось именно сфотографировать, а не обнаружить по косвенным признакам.

Планета, ярко-пурпурного цвета, размерами немного больше Юпитера, но при этом, массой более чем в 3 раза превышающей массу Юпитера, она получила название - GJ 504b. GJ 504b обладает устойчивой температурой, примерно в 237 градуса по Цельсию.

Ее орбита вокруг родной звезды расположена дальше, чем орбита Юпитера от нашего Солнца. GJ 504b находится на расстоянии в 43,5 а.е. от звезды GJ 504.

Планета GJ 504b, вращается вокруг своей звезды – GJ 504, которая немного жарче чем Солнце, но все равно очень похожа на нашу звезду по размерам и типу. Эта звезда, едва различима невооруженным глазом в созвездии Девы. 

Сфотографировать экзопланету GJ 504b, удалось и за счет того, что эта звездная система находится не очень далеко от нашей, всего в 57 световых годах от Земли.

Молодые звездные системы являются наиболее привлекательными объектами для получения снимков новых экзопланет, так как эти планеты сформировались относительно недавно и не успели потерять большую часть тепла после момента их формирования, что повышает силу и яркость их инфракрасного излучения.

«Недавно обнаруженные, молодые звездные системы еще мало изучены. Однако изучение этих систем очень важно, для того чтобы понять процесс развития нашей собственной солнечной системы в ее молодости», говорят ученые.
Источник

Информация, которая приходит от обсерваторий NASA показывают то, что наше светило подходит к тому моменту, когда солнечное магнитное поле может перевернуться, то есть сможет поменять полярность на другую, противоположную. Данный феномен происходит лишь только тогда, когда Солнце оказывается на пике одиннадцатилетнего цикла солнечной активности, передаёт сайт NASA.

Во время максимума, которое традиционно происходит каждые 11 лет, на Солнце намного чаще появляются корональные дыры, а так же происходят солнечные вспышки. Корональные дыры – это та часть Солнца, где повышена скорость ветра и выброса плазмы, впоследствии чего на нашей планете наступают магнитные бури. В большинстве случаев, во время солнечной активности начинает происходить переполюсовка магнитного поля, то есть северный полюс будет на месте южного, а южный на месте северного.

В данный момент с обсерваторий, которые наблюдают за Солнцем, поступает сведения о том, что оба солнечных полушарий движутся к так называемому "переключению" не синхронно, то есть северный полюс начинает проявлять признаки готовности к "переключению", а южный догоняет его.

За последние 2 дня на Земле уже наблюдались небольшие геомагнитные бури с появлением Полярных сияний.



Источник

Ученые выяснили, что планетные системы, которые движутся вокруг других звезд, более организованны, чем наша система.

На самом деле, то, как они расположены, означает, что астрономы могут использовать старый закон, чтобы предсказать, где будут совершены новые открытия.

Более 200 лет назад было установлено, что расстояния между планетами нашей Солнечной системы можно приблизительно описать математическим отношением, теперь известным как «Правило Тициуса - Боде». Поскольку закон не полностью понимают, многие современные астрономы считают, что этот закон - не более, чем бессмысленное совпадение.

Тем не менее, астрономы Австралийского Национального Университета воспользовались новым данным полученным спутником НАСА Кеплером (Kepler) и выяснили, что планеты, которые движутся вокруг других звезд, подчиняются этому закону даже больше, чем планеты нашей Солнечной системы.

Ученый Тим Боверд (Tim Bovaird), кандидат наук, утверждает, что данное открытие дает возможность астрономам предугадать, где должны находиться планеты. Благодаря данным расчетам, сведения, собранные Кеплером были тщательно изучены и ученые нашли полдюжины новых планет.

Источник

За 12 месяцев с момента приземления Кьюриосити (Curiosity) в ночь на 6 августа 2012 года, марсоход отправил более 190 гигабайт данных, в том числе более 70 000 изображений различных размеров. Он использовал более 75 000 лазерных импульсов для изучения состава марсианских пород и почвы. И он уже достиг своей главной научной цели.

Благодаря марсоходу, удалось собрать сведения об активном прошлом Марса. На протяжении последнего года, Кюриосити прошел около 1,6 км. В следующем году, планируется расстояние в 5 раз больше.

Научная группа уже проводит исследования изображений с орбиты, в поисках мест на пройденном пути, которые смогут помочь узнать больше об истории обитаемости Марса в прошлом. Ученые обратили внимание на кратер Гейла из-за Эолида: тщательный анализ ее слоев горных пород может помочь узнать что-то новое в геологической истории за миллиарды лет. Но ученые также обратили внимание на веерообразную воронку, которая находится внутри кратера. Имеется предположение, что там раньше стекала вод. 

Основываясь на предварительном анализе геологического строения части Марса, ученые установили, что Кюриосити двигался возле древних русел. Несколько месяцев спустя, марсоход, пробурил породы в местности, известной как бухта Йеллоунайф и изучил серую пыль, которая находится внутри. Ученые увидели химические признаки взаимодействия с водой, в которой был нейтральный рН баланс. В такой воде могли находиться микроорганизмы. Как давно это было? Наверное, миллиарды лет назад, до того, как Марс потерял большую часть своей атмосферы и поверхностных вод.

В следующем году будут проводиться поиски новых сведений, дабы заполнить «пробелы» в исследовании Марса. Также ученые готовятся получить много новых данных из Эолида. Исследователям может понадобиться целый год, чтобы сложить все кусочки «пазла» вместе. Хотя миссия Кьюриосити уже затянулась на неопределенное время и благодаря радиоизотопной энергетической установке, марсоход, вероятно, сможет продолжить свои исследования на десятилетия дольше.

Источник

Авторитетам любят поклоняться. Авторитетам верят на слово. Авторитетов чтят. Но именно их ошибки десятилетиями служат тормозом в дальнейшем естественном развитии науки.

«А. Эйнштейн, работая в патентном бюро, просто «позаимствовал» идеи у двух учёных: математика и физика Жуля Анри Пуанкаре и физика Г.А. Лоренца. Эти двое учёных, в течение нескольких лет, совместно работали над созданием этой теории. Именно А. Пуанкаре выдвинул постулат об однородности Вселенной и постулат о скорости света. А Г.А. Лоренц вывел знаменитые формулы. А. Эйнштейн, работая в патентном бюро, имел доступ к их научным работам и решил «застолбить» теорию на своё имя».

P.S: «создатель» специальной и общей теории относительности, и стоящие за ним, с самого начала знали о том, что эти теории не отражают действительность даже частично. И, тем не менее, они были навязаны всему человечеству. В результате чего, земная цивилизация пошла по ложному пути, в конечном итоге, ведущему к самоуничтожению.

Источник

Это можно назвать гигантским шагом для робота: небольшое говорящее чудо техники на борту японского грузового космического судна запущен в космос в субботу (3 августа).

Японское Агентство Аэрокосмических Исследований (JAXA) запустило гуманоида Киробо (Kirobo) на орбиту с космического центра Танегасима (Tanegashima), который находится на юге Японии, как часть груза весом около 3,5 тонн, состоящим из еды и оборудования для снабжения команды из шести человек на космической станции.

Киробо был помещен внутри японского грузового корабля без экипажа HTV-4 (Конотори 4) (Kounotori 4), когда тот был запущен на орбиту на ракете H-2B в 15:48 EDT, правда, в Японии во время старта было раннее воскресное утро (август 4). Корабль HTV-4 прибудет на космическую станцию 9 августа.

Космический робот Киробо является маленьким механическим человечком всего 34 сантиметров в высоту, и создан для общения с астронавтами во время долгих космических полетов. Робот, и его земной коллега Мирата (Mirata) являются частью проекта Кибо Робот, который предполагает изучение технологии взаимодействия человека и робота. Киробо говорит на японском и он сможет пообщаться с астронавтом JAXA Коичи Вакатой (Koichi Wakata), когда он прибудет на космическую станцию в ноябре.

Модуль исследовательской лаборатории, который находится на борту Международной космической станции, называется Кибо, что на японском означает «надежда». Название Киробо получилось от соединения слов «Кибо» и «робот».

Киробо и Мирата были созданы учеными и инженерами в Университете передовой науки и технологии Токио. Оба робота оснащены технологией распознавания голоса и лица, а также камерой, распознающей эмоции и обработкой естественного языка.

Киробо всего лишь одна небольшая составляющая всего груза весом в 3 тонны, который держит путь на космическую станцию на борту японского космического аппарата HTV-4. Среди этого груза находится около 852 кг запасных частей и новых экспериментальных продуктов питания.

Японское грузовое космическое судно будет «схвачено» с помощью механической руки в пятницу, 9 авг в 7:29 утра EDT и будет прикреплено к космической станции примерно в 9:30 утра EDT.
Источник

Согласно новым исследованиям, проведенным Университетом Вашингтона и Университетом Виктории, перегрев планеты реальнее, чем кажется. Это превратит планету в «раскаленную теплицу».

На данной стадии, планета поглощает больше солнечной энергии, чем может отдать для поддержания равновесия. В результате, она перегреется, начнется кипение в океанах, что приведет к выделению пара в атмосферу. Вследствие этого, планета будет всё время накаленной и непригодной для жизни, по подобию Венеры.

Пересмотрев этот классический научный сценарий с помощью нового компьютерного моделирования, астрономы обнаружили более низкий порог теплового излучения для процесса перегрева планеты. Это означает, что данный этап может начаться быстрее, чем кажется.

Хотя дальнейшие исследования ещё будут продолжаться, данные открытия могут привести к повторной калибровке, чтобы понять, где начинается и заканчивается обитаемая зона, так как мнение о том, что некоторые планеты пригодны для жизни, оказалось ошибочным.

Последующие исследования необходимы, так как их компьютерное моделирование было произведено при условиях «чистого неба». Другими словами, она была создана при поверхностных условиях, созданных вокруг планеты, в которых не учитывается атмосферное влияние облаков. 

Исследования также актуальны для Земли. Так как солнечный свет со временем усиливается, Землю тоже может настигнуть подобный процесс.
Источник

Физики из Китая и США сумели измерить температуру отдельных клеток организма при помощи наноалмазов, используемых в качестве квантовых точек, излучающих свет.

Статья об исследовании опубликована в журнале Nature.

"Наша технология позволяет измерять даже малейшие колебания температуры, не превышающие 1,8 милликельвина, и делать это на расстоянии в 200 нанометров между индивидуальными "термометрами". Внедрив наноалмазы в стволовую клетку, мы смогли составить ее температурную карту на субклеточном уровне, что открывает дорогу для уникальных научных исследований", - рассказывает член исследовательской группы из Гарвардского университета Михаил Лукин.

Ученые говорят, что выбрали этот материал из-за чувствительности его наночастиц к окружающей среде: малейшие сдвиги температуры влияют на количество света, которое частица излучает.

На основе наноалмазов разработчики создали несколько сотен "градусников", каждый из которых содержал в себе 500 источников света.

Физики верят, что их разработка поможет медикам бороться с инфекционными болезнями и воспалениями.

С так называемыми квантовыми точками, наночастицами полупроводников, Лукин и его коллеги работают несколько лет. Но не каждый материал подходит из-за своей токсичности.

Источник

Волновой фронт закрученного света

Физики из Великобритании продемонстрировали эффект Доплера при отражении света от вращающегося объекта. Причем ось вращения может быть параллельна направлению падающих лучей света. Ключевую роль в явлении играет орбитальный угловой момент, или закрученность света. Подробностиприведены в журнале Science.

Статья также удостоилась отдельного редакционного комментария, так как эффект Доплера очень широко используется на практике. Изменение частоты излучения (в частном случае света) помогает определять скорости небесных тел, находить экзопланеты, дистанционно измерять направление и скорость потоков в различных прозрачных средах, а замена электромагнитных волн на звуковые дает возможность медикам исследовать ток крови по сосудам. Однако во всех перечисленных случаях нет возможности выявить не прямолинейное движение, а вращение объекта вокруг своей оси, особенно если ось вращения совпадает с направлением на объект со стороны наблюдателя. Исследователи из университетов Глазго и Стретчклейда смогли зафиксировать эффект Доплера с закрученными фотонами.

Физики использовали свет, фотоны которого имеют отличный от нуля орбитальный момент, то есть «закручены». Подобные пучки света научились получать около двадцати лет назад, и их важной особенностью является то, что при взаимодействии с веществом они передают ему некоторый вращающий момент. Уже первые эксперименты с таким светом в 1990-х годах показали возможность раскрутить им микроскопические частицы пыли. В новой работе закрученные фотоны направили на вращающийся диск и при отражении от него наблюдался сдвиг частоты, пропорциональный как скорости вращения, так и величине орбитального момента. Сдвиг частоты отраженного света составлял около нескольких килогерц при частоте вращения диска около сотни оборотов в секунду: при этом погрешность измерений составляла всего несколько герц.

Исследователи считают, что измерение частоты вращения при помощи закрученного света найдет применение как для дистанционного обследования различных устройств на Земле, так и для изучения небесных тел. Ранее основной сферой применения закрученного света назывались оптоэлектронные устройства и каналы передачи информации. За счет манипулирования не только интенсивностью или поляризацией, но и орбитальным моментом можно передать больше данных в единицу времени.

Источник

Все мы знакомы с эффектом Доплера, даже если не знаем самого термина. Сегодня ученые нашли альтернативное объяснение явлению, когда звук или свет крутящегося объекта рассеивается. Это открытие могло бы помочь астрономам измерить вращение планеты или даже улучшить производительность ветрогенераторов.

Вот какой принцип работы эффекта Доплера: когда объект, издающий шум, движется навстречу, его звуковые волны сходятся в кучу и производят высшую частоту. И наоборот, когда объект отдаляется, звуковые волны рассеиваются. Чем быстрее движется объект, тем резче разница частот.

Эффект Доплера актуален и для света. К примеру, астрономы определяют, насколько быстро отдаляются звезды и галактики, измеряя степень, в которой их свет "растягивается" в нижние частоты, красная часть спектра. Подобные красные смещения были использованы в 1920 году, после чего стало известно, что большинство звезд и галактик движутся о нас и что вселенная вероятно расширяется.

Ученые проводили исследования, направляя лазер на быстро крутящийся пластиковый ротор. Они собирали рассеянный свет на датчик, который превращал их в два типа сигналов: позитивные (вращение по часовой стрелке) и негативные (против часовой стрелки) сигналы орбитального момента. Хотя ротор не менял общий орбитальный момент света, он переводил позитивные сигналы в высшую частоту, а негативные – наоборот. Исследователи использовали это разделение частот для определения скорости вращения ротора.

Большинство объектов не источают свет: они рассеивают и отражают свет других объектов, как например лампы или Солнце. Исходя из этого, есть предположение, что можно найти применение эффекту Доплера для рассеянного света. Например, астроном мог бы его использовать для определения вращения дальних планет. На Земле, лазеры можно направить через ветровые станции для определения вращения воздушных потоков.
Источник

 

Рис. 1. Волновой фронт для плосковолнового (в центре) и для закрученного света (слева и справа). Если раньше закрученный свет ограничивался лишь оптическим диапазоном, то сейчас его удалось получить и в рентгене

 Закрученный свет — необычная световая волна, несущая вращательный момент, — используется в физике уже давно, но до сих пор он не выходил за пределы оптического диапазона. Сейчас немецким физикам удалось получить яркий пучок закрученного рентгена с энергией фотонов 99 эВ. Это открывает новые возможности как в фундаментальной физике, так и для многочисленных приложений.

Закрученный свет: первое знакомство

Закрученный свет — это разновидность световой волны, у которой волновой фронт не плоский, а спиральный, словно винт с резьбой (рис. 1). Из-за такого нестандартного профиля пучок закрученного света не просто летит вперед, но еще и словно крутится вокруг направления своего движения. Такой световой луч несет не только энергию, импульс и поляризацию, но еще и определенное вращение, определенный орбитальный угловой момент.

Сразу стоит сделать важную оговорку: несмотря на то, что картинка на рис. 1 напоминает стандартную иллюстрацию для циркулярной поляризации, это две разные и независимые характеристики световой волны. Поляризация связана с направлением электрического поля в плоской волне, а закрученность характеризует волновой профиль неплоской волны неважно с какой поляризацией. Подробное объяснение см. в нашей статьеЗакрученный свет и закрученные электроны: обзор новых результатов.

То, что фотоны могут нести не только поляризацию, но и орбитальный угловой момент, было понятно уже давно. Но реальные узконаправленные световые пучки с винтовым волновым фронтом научились получать лишь в 1995 году. Благодаря огромному интересу технология получения, детектирования и управления закрученным светом быстро усовершенствовалась и буквально за одно десятилетие превратилась в рутинный метод исследований в самых разных разделах физики.

Здесь и тонкие вопросы оптики, как классической, так и квантовой, и разнообразные вопросы из квантовой теории информации. Квантовые состояния двух фотонов можно запутывать не только по поляризации (которая дает всего лишь двумерное пространство для запутывания, то есть произвольные комбинации правой и левой циркулярной поляризации), но и по орбитальному угловому моменту. А поскольку он может быть любым целым числом, то и пространство для манипуляций тут намного более емкое, формально оно сколь-угодно-мерное. Сейчас уже умеют запутывать состояния фотонов с орбитальным угловым моментом не ±1, не ±2, а вплоть до ± несколько сотен. Это позволяет ставить квантовомеханические эксперименты с невиданной ранее свободой действий, резко повышает информационную емкость единичных фотонов, расширяет возможности квантовой криптографии. Наконец, закрученный свет используется как новый метод воздействия на отдельные атомы, на бозе-эйнштейновский конденсат, как новый инструмент исследования в микроскопии, в микромеханике, в оптоэлектронных микроустройствах и даже в астрофизике. Многочисленные примеры можно найти в вышедшей два года назад книге (J. P. Torres, R. Torner, 2011. Twisted Photons).

Как поднять энергию?

Это всё замечательно, но до сих пор возможности экспериментаторов не уходили дальше оптического диапазона (энергия фотонов порядка 1 электронвольта, эВ). А ведь для целого ряда задач очень хочется получить закрученные фотоны намного большей энергии. Скажем, если бы был доступен закрученный рентген (энергии фотонов в сотни эВ и кэВ), то новыми красками заиграл бы рентгеноструктурный анализ вещества и в особенности сложных (в частности, биологически важных) молекул с винтовой закруткой. В атомной физике появился бы способ возбуждать электронные переходы с резким изменением орбитального углового момента — то, что сегодня делается с большим трудом. Если же удастся получить закрученные фотоны с энергиями порядка МэВ и выше, то откроется новый способ возбуждать вращательные состояния ядер, а может быть, даже и элементарных частиц. В общем, перспективы заманчивые — надо лишь сделать такие фотоны реальностью.

К сожалению, стандартные методики закручивания света тут уже не работают. Дело в том, что обычно закрученные фотоны получают так: сначала порождают обычные световые плоские волны с широким и ровным волновым фронтом, а затем пропускают их сквозь специальные дифракционные устройства или иные «маски», вырезающие из световой волны профиль нужной формы (подробности см. в нашей обзорной статье). Но для энергий в сотни эВ и выше трудно найти источники фотонов с хорошей когерентностью и создать подходящие «оптические маски». Поэтому ученые стали склоняться к мысли, что надо кардинально менять саму методику получения закрученных фотонов большой энергии.

Рис. 2. Схема возникновения синхротронного излучения в ондуляторе.

В 2007 году в статье Phys. Rev. Lett. 100, 124801 было высказано предложение генерировать яркий пучок закрученного рентгена с помощьюондулятора. Идея заключается вот в чём. Берем обычный ускоритель электронов до умеренно больших энергий (скажем, несколько ГэВ) и прогоняем электронный пучок через прямой участок, на котором в ряд установлено много магнитов чередующейся полярности (рис. 2). Пролетая сквозь такое поле, электронный сгусток будет вилять из стороны в сторону, и, виляя, он будет излучать синхротронное излучение. Это излучение можно сделать довольно мощным, узконаправленным, монохроматичным и, к тому же, с настраиваемой частотой, которая зависит от энергии электронов. Подробнее о принципе работы и применении ондулятора см. в нашей новости Физики создали настольный рентгеновский микроскоп. На этим принципе, в частности, работает лазер на свободных электронах.

Ондуляторы бывают двух основных типов: плоский и спиральный. В первом электронный сгусток колеблется в одной плоскости (как на рис. 2), во втором его траектория представляет собой спираль. Это влияет на свойства излучения: в плоском оно линейно поляризовано, а в спиральном — циркулярно. Но это еще не всё. По расчетам статьи 2007 года получается, что это будет влиять и на закрученность излученных фотонов: излучение с определенным орбитальным угловым моментом будет возникать именно в спиральном ондуляторе.

Правда, тут есть маленькая тонкость, заметно усложняющее дело. Для многих периодических процессов вызываемый ими эффект, если его разложить по колебаниям с определенной частотой, может содержать не только основную (так называемую фундаментальную) частоту, но и кратные частоты: удвоенную, утроенную и т. д. То же справедливо и для ондуляторного излучения: в основном излучение идет на фундаментальной частоте, но есть также излучение и в кратные частоты, правда оно намного слабее. Как показали расчеты, для закручивания фотонов нужна не фундаментальная, а более высокая частота; этот же вывод был затем подтвержден и в статье arXiv:1109.1603.

Закрученный рентген получен

Предложенная идея оказалась не столь простой для реализации. Дело тут не только в том, что излучение ондулятора на кратных частотах слабое и потому обычно не изучается. Оказывается, доказать наличие орбитального углового момента в неплоской волне не так-то и просто. Если таким закрученным светом посветить на экран, то он оставит след в виде аккуратного симметричного колечка. Но такие же колечки яркости можно создать и без закрутки (читатели «Элементов» уже встречались с таким примером в задаче Скорость радиально-поляризованного света). Поэтому для доказательства, что полученные фотоны действительно закручены, желательно использовать какой-то более четкий способ.

Такой способ был придумал и реализован в вышедшей на днях статье Phys. Rev. Lett. 111, 034801 (2013). Благодаря ему физики смогли воочию убедиться, что полученные ими рентгеновские фотоны с энергией 99 эВ действительно несут орбитальный угловой момент.

Рис. 3. Схема эксперимента по наблюдению рентгеновского ондуляторного излучения с орбитальным угловым моментом

На рис. 3 приведена схема эксперимента, выполненного на немецком электронном накопительном кольце BESSY II. Физики установили на нем особый, двойной ондулятор. Первая половина его заставляла электронный сгусток двигаться по спирали, а затем переводила траекторию в плоскость. Излучение шло на обоих участках, и оно, разумеется, было одинаковой частоты и накладывалось друг на друга. В результате то, что попадало на экран, представляло собой не чистый закрученный рентген, а интерференцию закрученного и незакрученного света, который затем регистрировался специальным монохроматором и детектором.

И вот такая интерференция, как оказалось, приводит к сложному узору, который четко показывает наличие и направление закрученности излучения, порождаемого на первом этапе. На рис. 4 слева показано то, как выглядело распределение интенсивности в реальности, а справа — результаты численного моделирования. Отлично видна спиральная структура излучения, которая хорошо совпадает с результатами моделирования. При изменении направления спиральной траектории в первой половине ондулятора менялось и направление спирали в этом распределении. Подчеркнем, что этот результат относится к излучению на удвоенной частоте; на основной частоте никакой закрутки не было. Ее также не было, разумеется, и при отключении любой из половин ондулятора.

Таким образом, предложенный 6 лет назад метод получения закрученного рентгена был успешно реализован, и физика закрученного света шагнула по шкале электромагнитных волн сразу на два порядка вверх. При желании эксперименты с закрученным рентгеном можно ставить уже сейчас. А параллельно с этим можно попытаться поднять энергию фотонов еще выше: для этого достаточно установить такой же двойной ондулятор в накопительное кольцо с большей энергией электронов. Поскольку в современных электронных коллайдерах уже достижимы энергии порядка 100 ГэВ, а энергия излученных фотонов в ондуляторе квадратично растет с энергией электронов, то и МэВные закрученные фотоны уже кажутся вполне достижимыми.

Источник

Как сформировалась и образовалась наша галактика? Чтобы найти ответ на этот вопрос, астрономы пытаются установить возраст самых древних компонентов Млечного пути. Особо полезными в этом исследовании оказались древние, плотные шаровые звездные скопления, которые служат как временные капсулы. Они хранят условия, которые существовали с начала существования галактики.

По словам астрономов, благодаря наблюдениям телескопа Хаббл(Hubble) за белыми карликовыми звездами, смогли установить возраст величайшего шарового скопления 47 Тускана. Это шаровое скопление находится в 15 000 световых лет от Земли и считается вторым самым ярким скоплением после Омеги Центавры. Согласно новым данным возраст 47 Тусканы составляет 9,9 миллиардов лет, плюс-минус 700 миллионов лет.

Это шаровое скопление богато на металл и на 2 миллиарда лет младше, чем скопление с меньшим количеством металла. Бедное и богатое на металл скопления относятся к разным составляющим Млечного пути. Соответственно, данные об их возрасте помогают восстановить историю галактики. Скопления с малым количеством металла являются частью древнего звездного гало, находящегося вокруг диска Млечного пути.

В свою очередь шаровое скопление богатое на металл находится в балдже галактики и в толщи диска. Следовательно, разница в возрасте говорит о том, что прошли миллиарды лет с момента формирования звездного гало до рождения диска. 
Источник

Учёные из Национальной ускорительной лаборатории SLAC измерили время, которое потребовалось для перевода магнетита (минерала с природными магнитными свойствами) из не проводящего состояния в проводящее. Как выяснилось, это процесс занимает всего одну триллионную долю секунды, а это в тысячу раз быстрее, чем на самых современных транзисторах.

"Это исследование определило лимит скорости переключения электричества в данном материале", — поясняет ведущий автор исследования Роопали Кукреджа (Roopali Kukreja) из Стэнфордского университета.

В ходе эксперимента учёные использовали рентгеновский лазер на свободных электронах LCLS. Для начала учёные направили на образец магнетита луч лазера видимого света, который изменил электронную структуру материала на атомном уровне.

После этого минерал "подсветили" ультракороткой вспышкой рентгеновского излучения, вследствие чего физики смогли впервые изучить структурные и временные изменения в образце, вызванные первым лучом лазера.

Оказалось, что внутри материала образуются непроводящие "островки", окружённые проводящими областями. Эти островки изоляции, которые не проводят электрический ток, образованы "тримеронами". Тримероны представляют собой пирамидки из трёх атомов железа, которые "запирают" электрический заряд внутри себя. То, что они существуют, учёные выяснили лишь недавно— в 2012 году.

Реструктуризация (а значит, и переход из непроводящего состояния в проводящее) началась всего через пару сотен квадриллионных долей секунды после того, как на минерал направили луч лазера.

Исследователи несколько раз меняли периодичность рентгеновских вспышек, чтобы в точности измерить, сколько времени потребовалось материалу для изменения состояния.

Статья физиков из Стэнфорда, которая вышла в журнале Nature Materials, описывает, как два состояния проводимости и непроводимости могут сосуществовать в одном материале одновременно. По словам авторов, их работа может лечь в основу технологий будущего, необходимых для создания транзисторов нового поколения.

Впрочем, у этой технологии есть и свои недостатки, препятствующие немедленному её внедрению на рынок. Магнетит должен быть охлаждён до -190 °С.

"Мы надеемся найти материал с похожими свойствами, который будет работать при комнатной температуре", — рассказывает Кукреджа в пресс-релизе.

К слову, они уже начали следующий этап своего исследования, главной целью которого является поиск материалов, работающих также эффективно при более высоких температурах. Теперь вместо магнетита в ход идут гибридные материалы. Успех уже есть, но до комнатных температур дело пока не дошло.

Главный постановщик эксперимента Герман Дюрр (Hermann Dürr) заявил, что полупроводники, используемые для производства современной электроники, безнадёжно устарели, и мир давно нуждается в куда более быстрых и компактных компьютерах.

Источник

Широко известен факт о непреодолимости скорости света, и базируется он на научной очевидности того, что у фотонов нет массы.

То есть они вообще нисколько не весят. Физики задумались: а что если масса у этих необычных частиц всё-таки есть, но она очень мала?

Совсем недавно исследователи обратились к данным, которые были собранны при помощи спутника COBE, который изучает фоновое излучение с 1989 года.

Ученые смогли рассчитать минимальную продолжительность жизни этих частиц. Они основывались на анализе реликтового электромагнитного излучения, которое образовалось спустя несколько сотен тысячелетий после Большого взрыва.

По итогам тщательных расчётов выяснилось, что продолжительность жизни фотона должна составлять от квинтиллиона (миллиард миллиардов) лет до бесконечности. Кроме того, если верить Эйнштейну, то скорость движения через пространство обратно пропорциональна скорости движения во времени. Это свойство получило название релятивистского замедления времени. Другими словами, если на нашей планете пройдёт квинтиллион лет, то для фотона этот период будет равняться всего лишь трем годам.

Автор последнего исследования Юлиан Хик из Института ядерной физики Макса Планка говорит о том, что если физики смогуткогда-либо  доказать существование у фотона массы, то все представления о свете и скорости окажутся бессмысленными.

Источник

Секрет невероятно точного измерения температуры единичных человеческих клеток — в использовании золота и бриллиантов. Но на самом деле, всё не так роскошно, как кажется. Команда физиков из Гарвардского университета (Harvard University) во главе с Михаилом Лукиным (http://www.physics.harvard.edu/people/facpages/lukin.html) вживили в человеческую клетку очень маленькие алмазы, а точнее наноалмазы — их диаметр составлял всего 100 нанометров. Эти микроскопические камешки способны измерить температуру с точностью до 0,001 градуса.

"Теперь у нас есть прибор для контроля температуры на клеточном уровне. Это позволит подробнее изучить реакции биологических систем на температурные изменения", — рассказывает член команды разработчиков новой методики Питер Маурер (Peter Maurer).

Алмазы — не просто красивые камни, пригодные лишь для ювелирного дела, они также незаменимы в высоких технологиях, например, при изготовлении квантовых компьютеров. Дело в том, что алмазы прекрасно справляются с передачей квантовой информации. В обычных компьютерах информация хранится в двоичных единицах информации или битах, которые могут принимать значение либо "1", либо "0". Но квантовые биты или "кубиты" могут принимать значения "1" и "0" одновременно, а также все промежуточные значения.

Алмазы могут хранить кубиты в электронном состоянии примесей кристаллической решётки углерода. Эти примеси на самом деле выглядят следующим образом: вместо одного из атомов углерода в решётке стоит один атом азота, а в соседнем узле кристаллической решётки располагается вакансия (отсутствующий атом углерода).

Учёные решили использовать эти пробелы и азотные примеси в своих интересах. Электроны, входящие в состав атомов азота, чрезвычайно чувствительны к магнитным полям. Поэтому наноалмаз с единичными атомами азота можно использовать в магнитно-резонансной томографии. Эти магнитные зонды крайне чувствительны и к минимальным температурным перепадам, а значит, они могут послужить прекрасными термометрами.

Проводимый эксперимент походил на работу ювелиров: исследователи использовали нанопровод, чтобы вживить микроскопические алмазы внутрь эмбриональной клетки человека. Затем на клетку направили луч зелёного лазера. Азотные примеси и вакансии в результате стали причиной появления красной флуоресценции.

Интенсивность красного свечения зависела от локальных температур внутри клетки. Достаточно было с помощью чувствительных приборов измерить яркость испускаемого света, чтобы определить температуру всей клетки с точностью до 0,001 градуса. Так как алмазы отлично проводят тепло, нанотермометры хорошо отражают температуру клетки.

На втором этапе эксперимента в ход пошли не только драгоценные камни, но и драгоценные металлы. Физики вживили в клетку наночастицы золота и также направили на них узкий лазерный луч. Золото нагревалось и параллельно повышало температуру в различных частях клетки. Процесс контролировали с помощью всё тех же алмазов: нанотермометры показывали, где именно стало теплее и насколько.

"Алмазные нанотермометры могут быть очень полезны биологам. Многие процессы, начиная от экспрессии генов и заканчивая клеточным метаболизмом, тесно взаимосвязаны с перепадами температур. Биологи могут изучать развитие простейших организмов, круглых червей, к примеру, путём измерения температуры на клеточном уровне. Можно нагревать отдельные клетки и смотреть, ускорится или замедлится развитие соседних", — предлагает Маурер.

Применение для нанотермометра найдётся и в области химии, считает автор одного из похожих исследований Дэвид Оушалом (David Awschalom) из Калифорнийского университета. С помощью микроскопических алмазов можно будет проследить за потоками тепла, воздействующими на химические реакции, особенно в тех случаях, когда соприкасаются две субстанции.

Отметим, что гарвардская команда физиков — далеко не первая среди тех, кто пытался создать сверхточный нанотермометр.

"Наши коллеги использовали флуоресцентные молекулы для слежения за температурными изменениями в человеческих клетках. Методика, которую применили мы, в 10 раз точнее всех остальных — наш термометр способен почувствовать флуктуации до 0,05 Кельвина (0,044 °C)", — рассказывает Маурер.

Впрочем, учёным ещё есть к чему стремиться: если поместить термометр за пределы клетки, то его чувствительность повышается до 0,0018 Кельвинов (0,0016 °C).

Об экспериментах и результатах своих трудов Маурер и его коллеги написали статью, которая вышла в журнале Nature.

Источник