Новости науки

Угроза космической радиации возрастает, выяснили исследователи

В новом исследовании астрономы из Университета Нью-Гэмпшира, США, показывают, что уровень космической радиации оказался в последнее время значительно выше, чем предполагалось. Это может иметь негативные последствия для здоровья астронавтов, пребывающих в космосе продолжительное время, а также для спутниковых систем.

«Результаты измерений уровня космической радиации, полученные за последние четыре года, демонстрируют увеличение, по сравнению с другими циклами солнечной активности, не менее чем на 30 процентов. Это говорит о том, что радиационная обстановка в космосе становится более опасной», - сказал Натан Швадрон (Nathan Schwadron), профессор физики Университета Нью-Гэмпшира и главный автор нового исследования.

В своем исследовании команда Швадрона показывает, что крупные потоки галактических космических лучей становятся более интенсивными, чем когда-либо ранее за всю историю освоения космоса. Исследователи использовали данные, полученные при помощи инструмента CRaTER орбитального лунного аппарата НАСА Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO). Согласно Швадрону и его коллегам такое увеличение интенсивности высокоэнергетического излучения, приходящего к нам из-за пределов Галактики, может быть связано с недавним аномально долгим периодом относительно низкой солнечной активности. При снижении солнечной активности уменьшается число пятен на Солнце и ослабляется магнитное поле светила, переносимое по нашей планетной системе с частицами солнечного ветра. Такое ослабление магнитного поля, экранирующего космические лучи, приводит к повышению уровня космической радиации, считают Швадрон и его соавторы.

Исследование увидело свет в журнале Space Weather.

Источник

Российские физики превратили свет в крючок для бактерий

Российские и зарубежные физики открыли новый вид искривленных пучков света и превратили их в своеобразный крючок, с помощью которого можно ловить бактерии и манипулировать положением наночастиц в пространстве, сообщает пресс-служба Университета ИТМО в Санкт-Петербурге.

"Сейчас мы собираемся провести эксперимент по перемещению бактерий по искривленной траектории при помощи фотонного крюка. Сначала нужно получить сам крючок и проверить, как на него будет влиять, например, подложка, на которой мы располагаем кубоид. Затем мы сделаем прототип микрореактора и посмотрим, как будет двигаться частица", — рассказывает Александр Шалин, физик из Университета ИТМО.

Еще со времен античности считалось, что волны и частицы света могут двигаться только по прямой, меняя траекторию при взаимодействии с различными предметами или оптическими приборами. Примерно полвека назад известный британский физик Майкл Берри теоретически показал, что это не совсем так: при определенных обстоятельствах луч света будет двигаться не по прямой, а по параболе.

"Мы исследовали частицу под названием кубоид. Она выглядит как куб с призмой с одной из сторон. Из-за такой формы в частице неравномерно изменяется время полной фазы колебаний оптической волны. В итоге на выходе из частицы получается искривленный световой пучок", — объясняет Шалин.

Дальнейшие эксперименты с этими наночастицами показали, что можно гибко управлять тем, как именно будет поляризован и закручен свет, а также менять другие его свойства, в том числе и то, как сильно и в какую сторону он будет толкать материальные объекты при столкновении.

Подобные лучи, по мнению физиков, найдут применение при изучении микробов и объектов наномира, манипуляции с которыми раньше были сильно затруднены. В отличие от обычных лучей Эйри, для выработки которых нужно громоздкое и сложное оборудование, "фотонные крючки" можно получать с помощью всего лишь лазеров и наночастиц из обычного стекла. Это заметно расширит их применимость на практике, заключают авторы статьи.

Источник

Информацию можно передавать с двойной скоростью света, выяснили физики

Скорость света не предел для передачи информации – при некоторых условиях данные можно передавать в два раза быстрее, заявляют ученые в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

"Нам удалось теоретически и экспериментально показать, что квантовая суперпозиция позволяет обмениваться информацией сразу в двух направлениях, передавая лишь одну частицу, что считалось невозможным с точки зрения классической физики. Это позволяет создавать абсолютно защищенные линии связи, в которых будут защищены не только данные, но и само направление их передачи", — пишут Филип Вальтер и его коллеги из Венского университета (Австрия).

Согласно теории относительности, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее скорости света, так как на ее преодоление потребуется бесконечное количество энергии. Это же касается и носителей информации – ни один из них не может обогнать свет и мгновенно передать данные на огромные расстояния.

Вальтер и его коллеги выяснили, что предел скорости света все же можно нарушить: они заставили информацию перемещаться в два раза быстрее, и сделать это позволили необычные свойства фотонов, запутанных на квантовом уровне. Как поясняют ученые, все это не означает, что частица движется с удвоенной скоростью света или что она несет сразу два бита данных. Речь идет о том, что фотон служит каналом не односторонней, а двусторонней связи.

Таким образом, абонент квантовой линии может считывать информацию, которую ему передают, и одновременно записывать собственную. А его собеседник сможет прочитать переданные обратно данные, сравнивая, какими свойствами обладал фотон в тот момент, когда на него записали бит, и каковы они теперь.

Подобный трюк, как отмечают ученые, не противоречит теории относительности, но позволяет передавать данные в два раза быстрее, чем это теоретически возможно в соответствии с классическими законами физики.

Первые эксперименты с этой установкой показали, что передаваемые данные автоматически шифруются, так что взлом линии связи становится очень сложной задачей. Более того, если один из абонентов будет передавать абсолютно случайные данные, то хакер в принципе не сможет извлечь их. Это сделает двусторонние линии квантовой связи привлекательными для банков и госорганов.

Источник

Астрономы открывают два ярких экстремально далеких квазара

Используя обзоры неба VST ATLAS и WISE, астрономы идентифицировали два новых ярких квазара, лежащих на высоких красных смещениях (красное смещение служит мерой расстояния до далекого космического объекта). Эти вновь обнаруженные квазизвездные объекты, получившие соответственно обозначения VST-ATLAS J158.6938-14.4211 и VST-ATLAS J332.8017-32.1036, могут помочь глубже понять эволюцию Вселенной.

Квазары с высокими красными смещениями (свыше 6,0) представляют особый интерес для астрономов, поскольку идущее от них ультрафиолетовое излучение поглощается нейтральным водородом, расположенным вдоль линии наблюдения; поэтому эти квазары могут быть использованы для получения информации о межгалактической среде ранней Вселенной. Они являются самыми яркими и самыми далекими, компактными объектами наблюдаемой части Вселенной.

Спектр квазаров, имеющих высокие значения красного смещения, может быть использован для оценки массы сверхмассивной черной дыры, определяющей модель формирования и эволюции квазара. Поэтому такие объекты являются мощным инструментом изучения ранней Вселенной.

Однако квазары с высоким красным смещением тяжело обнаружить наблюдениями, поскольку они имеют низкую пространственную плотность, а также из-за помех со стороны холодных карликов. Среди 300000 квазаров, обнаруженных на сегодняшний день, лишь 290 квазаров лежат на красных смещениях выше 5,0.

В новой работе научный коллектив, возглавляемый Беном Чехаде (Ben Chehade) из Даремского университета, Соединенное Королевство, открыл два квазара, лежащих соответственно на красных смещениях 6,07 (J158-14) и 6,32 (J332-32). По оценкам авторов работы массы центральных сверхмассивных черных дыр обнаруженных ими квазаров составляют соответственно 1,8 миллиарда солнечных масс и 2 миллиона масс Солнца.

Работа появилась на сервере предварительных научных публикаций arxiv.org.

Источник

Подтверждено 15 новых экзопланет, обращающихся вокруг холодных карликов

Команда исследователей под руководством Тэруюки Хирано (Teruyuki Hirano) с кафедры наук о Земле и планетах Токийского технологического института, Япония, подтвердила планетный статус 15 экзопланет-кандидатов, находящихся в системах красных карликов. Вокруг одного из самых ярких карликов, звезды K2-155, лежащей на расстоянии примерно 200 световых лет от нас, обращаются три транзитных планеты класса суперземель. Одна из этих суперземель, крайняя внешняя планета системы под названием K2-155d, имеющая радиус порядка 1,6 радиуса Земли, может находиться в обитаемой зоне звезды.

Эти находки, опубликованные в форме двух новых научных работ, базируются на наблюдательных данных, собранных при помощи космического аппарата Kepler («Кеплер») НАСА, который выполняет в настоящее время расширенную миссию под названием K2, и данных дальнейших наблюдений, проведенных с использованием наземных телескопов, включая телескоп «Субару» (Гавайи) и Северный оптический телескоп (Испания).

Согласно Хирано и его коллегам на поверхности планеты K2-155d может присутствовать вода в жидкой форме. Эти выводы базируются на результатах трехмерного компьютерного моделирования глобального климата планеты. Однако исходным допущением при моделировании было то, что состав планеты K2-155d подобен составу Земли, хотя на самом деле наблюдательных подтверждений этому получено не было, отмечают авторы работы. Для более корректной оценки обитаемости следует провести более точные оценки радиуса и температуры этой планеты, указывают они.

Оба исследования опубликованы в журнале Astronomical Journal.

Источник

Физики из России впервые попытались взломать "рабочую" квантовую сеть

Ученые и инженеры из Санкт-Петербурга и Казани создали первую "рабочую" междугороднюю линию квантовой связи, объединившую две электрических подстанции в Ленинградской области, и потерпели поражение при попытке взломать ее, сообщает пресс-служба Университета ИТМО.

"Успех испытаний подтверждает, что метод, реализованный в нашем комплексе, обеспечивает эффективность, экономичность и непревзойденный уровень безопасности. То, что интерес к российским разработкам в этой области проявляют такие крупные компании, как "Россети" – важный сигнал для всей энергетической отрасли, и мы уверены, что наш прототип быстро пройдет путь от перспективной разработки до реального внедрения", – считает Артур Глейм, руководитель Лаборатории квантовой информатики Университета ИТМО.

Феномен квантовой запутанности является основой современных квантовых технологий. Это явление, в частности, играет важную роль в системах защищенной квантовой связи – такие системы полностью исключают возможность незаметной "прослушки" из-за того, что законы квантовой механики запрещают "клонирование" состояния частиц света. В настоящее время системы квантовой связи активно разрабатываются в Европе, в Китае, в США.

Первые сети такого рода начали появляться в России примерно четыре года назад. Первая квантовая линия связи была запущена в Университете ИТМО в 2014 году, когда ученые связали квантовым каналом два корпуса вуза через действующий подземный оптоволоконный кабель. В июне 2016 года Российский квантовый центр заявил о запуске первой "городской" линии связи между двумя отделениями банка, а в сентябре 2016 года МГУ сообщил о соединении двух точек в городах Подмосковья. 

В середине февраля этого года Глейм и его коллеги из Университета ИТМО и КАИ сделали еще один шаг в развитии квантовых технологий, соединив две электрические подстанции компании "Ленэнерго" линией защищенной квантовой связи. Ее длина составляет около 60 километров, и пока в ней присутствуют два узла обмена информацией.

Ключи, вырабатываемые и передаваемые системой, разработанной командой Глейма, ученые использовали для шифровки данных, передаваемых через VPN-тоннель по обычному каналу интернет-связи.  Во время тестов сети ученые использовали это зашифрованное подключение для передаче видеосигнала с компьютера, установленного на одной подстанции, на вторую машину, которая работает на другом объекте.

Убедившись в том, что сеть корректно работает, Глейм и его коллеги попытались ее взломать, "подслушивая" сигнал, который передавался через квантовую линию связи, эксплуатируя известные проблемы в работе уже существующих квантовых сетей. Несмотря на все попытки ученых, им не удалось извлечь данные и подобрать пароль к VPN-тоннелю. Это подтвердило, что квантовая связь может объединять критически важные объекты инфраструктуры в сети, защищенные от взлома.

Как пояснил представитель "Россетей", вся энергетическая система России нуждается в подобных системах защиты, и сейчас ее специалисты активно сотрудничают с ведущими научными организациями и IT-компаниями страны и пытаются найти наиболее оптимальный и перспективный вариант их реализации.

Источник

Астероид размером с многоэтажный дом пройдет рядом с Землей 18 марта

Недавно открытый астероид размером с многоэтажный дом, который получил обозначение 2018 ET1, пройдет рядом с нашей планетой в воскресенье, 18 марта, примерно в 6:30 UTC. Этот космический камень будет двигаться относительно Земли со скоростью 6 километров в секунду, оставаясь от нее на безопасном расстоянии примерно в 4,4 дистанции Земля-Луна (lunar distance, LD), или 1,7 миллиона километров.

Астероид 2018 ET1, относящийся к группе Аполлона и являющийся околоземным объектом, впервые наблюдали 7 марта при помощи обзора неба Маунт-Леммон (Mount Lemmon Survey, MLS), использующего 1,52-метровый рефлектор системы Кассегрена, установленный в обсерватории Маунт-Леммон, штат Аризона, США. Обзор неба MLS представляет собой один из наиболее плодотворных обзоров неба, если говорить об открытии новых околоземных объектов. До настоящего времени с его помощью было обнаружено свыше 50000 малых планет.

Согласно оценкам астрономов диаметр астероида 2018 ET1 составляет от 9 до 31 метра. Этот объект имеет абсолютную величину 26,4 и обращается вокруг Солнца по орбите радиусом примерно 1,28 астрономической единицы (1 а.е. равна расстоянию от Земли до Солнца) с периодом 532 дня.

Следующее сближение астероида 2018 ET1 с нашей планетой состоится 30 августа 2021 г., когда он пройдет на расстоянии 44 LD (16,9 миллиона километров) от Земли.

На сегодняшний день астрономы открыли почти 18000 околоземных объектов. С начала текущего года было обнаружено 343 таких объекта.

Источник

Получено изображение «молекулярного потока», создаваемого черной дырой

Столкновение между галактиками может вызвать значительное увеличение их яркости за счет активного звездообразования и увеличения количеств материала, падающего на сверхмассивные черные дыры (СМЧД), лежащие в центрах галактик. Астрономы наблюдали строгую статистическую корреляцию между массами этих черных дыр и другими свойствами галактик, такими как их скорость, структура или светимость, и пришли к выводу, что такая связь должна существовать.

Своего рода «обратная связь» могла бы объяснить эти корреляции, и астрономы до настоящего времени пытаются установить ее источник и природу. Согласно одному из распространенных предположений «обратная связь» представляет собой поток молекулярного газа, направленный в стороны из галактики; после возникновения такого потока галактика обедняется материалом, необходимым для звездообразования и дальнейшего роста черной дыры. О доказательствах присутствия молекулярных потоков, вытекающих из галактик, прежде уже сообщалось, однако в этих ранних работах пространственная привязка полученных спектральных данных была недостаточно точной, чтобы однозначно ассоциировать наблюдаемую активность с ядрами галактик.

В новой работе астроном из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра, США, Джунко Уеда (Junko Ueda) вместе с коллегами наблюдал при помощи радиообсерватории ALMA молекулярный поток, исходящий из системы NGC6240, представляющей собой яркое столкновение двух галактик на позднем этапе. Высокое пространственное разрешение радиотелескопа ALMA позволило точно «привязать» спектральные данные, соответствующие линиям монооксида углерода (CO) к радиосигналу, указывающему на положение двух СМЧД в образующейся единой галактике. Согласно полученным спектральным данным скорость движения потока молекулярного газа составляет до двух тысяч километров в секунду.

Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.

Источник

О новом классе звезд сообщается в научной работе, проведенной исследователем-постдоком Раулем Карбалло-Рубио (Raúl Carballo-Rubio) из международного научного института SISSA, Италия. Карбалло-Рубио описывает новую математическую модель, в которой были объединены Общая теория относительности (ОТО) и расталкивающее влияние квантовой поляризации вакуума. Результатом стало описание конфигурации сверхкомпактных звезд, существование которых в равновесных условиях ранее считалось невозможным.

«В результате совместного действия сил притяжения и отталкивания массивная звезда может превратиться либо в черную дыру, либо в нейтронную звезду», - сказал Карбалло-Рубио. В нейтронной звезде равновесие является результатом баланса между гравитацией, силой притяжения, и квантово-механической силой отталкивания, называемой давлением вырожденного газа. «Однако, если масса звезды превышает определенное критическое значение, эквивалентное примерно трем массам Солнца, равновесие нарушается, и звезда коллапсирует под действием гравитации в черную дыру».

В своем исследовании Карбалло-Рубио изучает возможность существования в природе дополнительных квантово-механических сил, включение которых в модель дает новые равновесные конфигурации звезд, массы которых превышают приведенное выше критическое значение. Эта дополнительная сила является проявлением эффекта поляризации вакуума – концепции, являющейся следствием объединения гравитации и квантовой механики в единой полуклассической теории.

Возможности проверить эту новую модель наблюдениями в настоящее время нет, отмечает автор. Однако «если во Вселенной существуют эти очень плотные сверхкомпактные звезды, напоминающие черные дыры, но отличающиеся от последних отсутствием горизонта событий, то мы сможем их обнаружить в следующих десятилетиях», - считает он.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Источник

Снимок: Необычное столкновение галактик

Галактики представляют собой отнюдь не статичные звездные островки – они являются динамичными и постоянно меняющимися объектами, движущимися в темной пустоте Вселенной. Иногда, как видно из этого снимка системы Arp 256, сделанного при помощи космического телескопа Hubble («Хаббл»), галактики могут испытывать мощные столкновения.

На расстоянии 350 миллионов световых лет от нас расположенная в направлении созвездия Кита пара спиральных галактик с перемычкой начала сливаться в единую галактику. На этом снимке запечатлен один отдельный момент слияния, и видны газ, пыль и звезды, выбрасываемые из галактик под действием гравитационных сил, благодаря которым происходит слияние.

Хотя ядра галактик до сих пор разделены довольно большим расстоянием, формы галактик системы Arp 256 уже значительно искажены. Галактика, расположенная в верхней части снимка, демонстрирует ярко выраженные приливные хвосты – длинные, протяженные ленты из газа, пыли и звезд.

Эти галактики сверкают яркими областями с активным звездообразованием: яркие голубые «небесные фейерверки» представляют собой «звездные фабрики», производящие горячие молодые звезды.

Источник Arp 256 был впервые зарегистрирован Хэлтоном Арпом в 1966 г. как один из объектов составленного им «Атласа пекулярных [необычных – прим. пер.] галактик». Целью составления этого каталога была классификация примеров необычных и удивительных структур среди близлежащих галактик, которые отражают различные этапы эволюции галактик. Эти пекулярные галактики отражают переходные процессы, протекающие при трансформациях спиральных и эллиптических галактик.

Этот снимок был сделан при помощи камер Advanced Camera for Surveys (ACS) и Wide Field Camera 3 (WFC3) космического телескопа Hubble (“Хаббл”). Изображение представляет собой новую версию ранее опубликованного в 2008 г. снимка, который входил в коллекцию из 59 снимков объединяющихся галактик, опубликованную к 18-й годовщине «Хаббла».

Источник

Космический мусор поможет в поисках внеземных цивилизаций

Источник

NASA предлагает использовать ядерное оружие для уничтожения опасных астероидов

Американское космическое агентство NASA предложило использовать ядерное оружие для уничтожения потенциально опасных астероидов, приближающихся к Земле. Об этом сообщили в пресс-центре агентства и уточнили, что использование ядерного оружия сведет к минимуму риски приближения к Земле потенциально опасных космических объектов. 

В частности, NASA предложило правительству США использовать огромные ядерные боеголовки для уничтожения опасных астероидов и создать для этих целей специальное подразделение из кораблей, которое и будет заниматься уничтожением астероидов. Риски столкновения космических лет с поверхностью Земли минимальны, но все же присутствуют, подчеркнули в NASA. 

Например, космическое тело Бенну, которое сейчас находится в районе Солнца, может упасть на Землю примерно через 100 лет. Этот астероид пока находится на безопасном расстоянии от нашей планеты, но примерно из 2700 шансов один может оказаться катастрофическим для Земли. Специалисты американского агентства разработали проект, в рамках которого планируется запустить в космос почти девятитонный корабль. Он приземлится на потенциально опасном объекте и замедлит его движение в космическом пространстве. После замедления его движения Солнце сможет притянуть этот объект к себе, изменив его орбитальный полет. 

Астрофизики уверены, что если в космосе будет обнаружен небольшой потенциально опасный астероид, его можно уничтожить с применением ядерного оружия. Пока агентство не занимается строительством космических кораблей, готовых высадиться на астероиде. Но если власти США поддержат этот проект, то строительство аппарата может начаться в скором времени, добавили в NASA. В успешной реализации проекта агентство почти уверено. 

Напомним, ранее сообщалось, что астрономы смогли обнаружить космический объект, который вошел в Солнечную систему из межзвездного пространства. По последней информации, это тело будет пролетать между орбитами и Юпитера и Сатурна. Этот астероид в начале осени 2019 года приблизится к Солнцу. Теперь перед астрономами стоит задача рассчитать максимально точную орбиту полета данного космического тела.

Источник

Внутри туманности Ориона обнаружена большая сетевая структура

Источник

У полюсов Юпитера обнаружены группы циклонов в форме многоугольников

В окрестностях полюсов Юпитера расположены группы атмосферных вихрей в форме многоугольников, а атмосфера гигантской планеты оказалась на самом деле глубже, чем предполагалось.

Эти открытия были сделаны четырьмя международными исследовательскими группами на основе наблюдений, проведенных при помощи космического аппарата НАСА Juno («Юнона»), находящегося на орбите вокруг гигантской планеты.

Одна из этих научных команд открыла группу из девяти циклонов в окрестностях северного полюса планеты и группу из шести циклонов – над ее южным полюсом. Скорости потоков газа в этих вихрях достигают 350 километров в час.

Эти мощные вихри не сдвинулись со своего места в течение того времени, пока проводились эти наблюдения.

Группа вихрей, обнаруженная в окрестностях северного полюса Юпитера, имеет форму восьмиугольника, в котором один вихрь расположен в центре, а восемь остальных вихрей окружают первый, формируя восемь вершин многоугольника. Вихри над южным полюсом аналогичным образом формируют пятиугольник. Каждый вихрь составляет несколько сотен тысяч километров в диаметре.

Кроме того, в другом опубликованном исследовании обнаружено, что струйные течения, обнаруженные ранее в атмосфере Юпитера, на самом деле находятся очень глубоко в атмосфере планеты, на глубине до 3000 километров. Это означает, что в действительности атмосфера Юпитера может оказаться значительно толще, чем ожидалось, отмечают авторы.

Работы опубликованы в журнале Nature.

Источник

Вселенная может оказаться горячее с одного конца и холоднее - с другого

Ученым уже давно известно о разнице в энергии наблюдаемого реликтового излучения, однако до сих пор оставалось неизвестным, насколько реально это различие и не связано ли оно с систематической ошибкой наблюдений. Исследователи из Университета Южной Калифорнии, США, похоже, знают, как найти ответ на этот вопрос.

При наблюдениях с Земли Вселенная выглядит более горячей с одного конца, чем с другого, если судить по энергии реликтового, или космического микроволнового излучения (cosmic microwave background radiation, CMB). Однако ученые допускают, что это различие может быть обусловлено допплеровским эффектом, связанным с движением Солнечной системы в пространстве по отношению к остальной части Вселенной.

Допплеровский эффект представляет собой видимое смещение частоты электромагнитных волн при наблюдениях объекта, который быстро приближается к наблюдателю или удаляется от него. В первом случае происходит смещение максимума интенсивности излучения в сторону более высоких частот, во втором – в сторону более низких частот. Допплеровское смещение максимума интенсивности реликтового излучения в область более высоких частот соответствует тому, что при оценках температуры этого излучения мы будем получать завышенные цифры – и обратное верно для случая допплеровского смещения в область более низких частот.

В новой работе исследователи во главе с Сиявашем Ясини (Siavash Yasini) из Университета Южной Калифорнии предлагают проверить, действительно ли регистрируемый при наблюдениях градиент температуры фонового излучения связан с допплеровским эффектом, или же он является характерным свойством Вселенной. Ответить на этот вопрос поможет усредненный по всему небу спектр CMB; получить эти данные позволят обзоры неба следующих поколений, отмечают Ясини и его коллеги.

Составлено по материалам, предоставленным Университетом Южной Калифорнии.

Источник

Физики из России заставили молекулы склеиваться в треугольные нанокирпичи

Ученые из Омска заставили одиночные звенья полимерных молекул самостоятельно объединяться в двумерные нанообъекты, которые физики называют "лестницей дьявола", из которых можно собирать структуры любой формы и размеров, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review B.

"Мы разработали инструментарий, который позволяет исследовать процессы самосборки на компьютере, не проводя сложные, долгие и дорогие эксперименты. Меняя всего один параметр, давление, мы можем получать разные фазы вещества. По сути, мы нашли способ делать треугольные кирпичи, из которых в будущем можно сделать что угодно в любых количествах", — рассказывает Павел Стишенко из Омского государственного технического университета, чьи слова приводит пресс-служба РНФ.

Многие сложные объекты живой и неживой природы возникли не в результате каких-то осмысленных действий отдельных компонентов клетки или стихий, а благодаря феномену самоорганизации и самосборки. Главной движущей силой в этом процессе выступают законы физики и химии, заставляющие простые молекулы объединяться в сложные структуры для достижения равновесия.

Ярким примером этого являются два типа биологических молекул – спирали ДНК и РНК, способные собирать себя, как выражается Стишенко, с атомной точностью, а также болезнетворные белки-прионы, способные копировать себя при попадании в клетки мозга и вызывающие болезнь Альцгеймера и прочие нейродегенеративные заболевания.

Ученые достаточно давно пытаются приспособить оба этих феномена для создания технологий, позволяющих конструировать наноматериалы с четко заданной структурой и свойствами, однако этому мешает то, что пока физики и химики не до конца понимают принципы, управляющие подобными процессами, что вынуждает их проверять большую часть таких идей экспериментальным путем. Это требует и большого количества денег, и времени.

Стишенко и его коллеги нашли способ избежать этих проблем и расходов, используя в качестве основы для подобных самособирающихся структур физический феномен, который ученые называют "лестницей дьявола".

Под этим словом в математике, химии и физике понимается структура, имеющая конечную длину, но бесконечное число "ступенек". В их роли  в данном случае выступают устойчивые комбинации полимерных нитей, в которые может объединяться большое, но не бесконечное число молекул. 

Относительно недавно, как отмечает физик, его команда выяснила, что подобную "чертову лестницу" можно создать, используя одиночные звенья полимерных молекул, объединенные в пары и прикрепленные к шестиугольной решетке, похожей по устройству на лист графена.

Молекулы полимера, как обнаружили ученые, могут прикрепляться к этим "сотам" двумя путями – вертикально и горизонтально, благодаря чему их комбинации образуют треугольники разных размеров и формы. Поскольку размеры треугольников могут быть любыми, есть бесконечное число способов "закрыть" ими поверхность листа, что и создает "лестницу дьявола".

Изначально, по словам авторов статьи, они проводили расчеты для температур, близких к абсолютному нулю, и поэтому они были не совсем уверены в том, что подобная структура останется стабильной в более реалистичных условиях, при температурах, близких к комнатной или хотя бы к тем, которые господствуют в Антарктике.

Для проверки этого они разработали компьютерную модель подобной "чертовой лестницы", которая подтвердила, что она не разрушится при повышении температуры, и помогла им выяснить, что процессом самосборки такой структуры можно легко манипулировать, меняя давление газа.

Как надеются физики из Омска, их открытие позволит создать технологии самосборки наночастиц произвольной формы и других конструкций, используя "чертову лестницу" и содержащиеся в ней треугольные "нанокирпичи".

Источник

Массивные астрофизические объекты подчиняются уравнению для микрочастиц

Квантовая механика является разделом физики, изучающим иногда весьма необычное поведение крохотных частиц, из которых состоит вещество нашей Вселенной. Уравнения, описывающие квантовый мир, как правило, применимы лишь к ограниченной области размеров частиц – субатомной области. Математика, используемая на очень малых масштабах, неприменима на крупных масштабах и наоборот. Однако в новой научной работе исследователь из Калифорнийского технологического института (Калтеха) показывает, что уравнение Шрёдингера – фундаментальное уравнение квантовой механики – оказывается чрезвычайно полезно при описании долгосрочной эволюции некоторых астрофизических структур.

В этой работе Константин Батыгин, ассистент-профессор планетологии Калтеха и один из теоретиков, выдвинувших недавно предположение о существовании в Солнечной системе 9-й планеты, описывает с общих физических позиций эволюцию аккреционных дисков вокруг различных астрофизических объектов. Аккреционные диски образуются, когда под действием гравитационных сил материя, падающая на массивный объект, формирует плоский диск. Этот диск редко имеет правильную круговую форму; чаще происходит его эволюция, в результате которой диск становится вытянутым, и в нем наблюдаются волны, подобные волнам на поверхности воды.

В своей работе Батыгин использовал метод аппроксимации, называемый теорией возмущений. В рамках этой теории переходят от рассмотрения индивидуальных частиц, движущихся по орбитам, к частицам, «размазанным» вдоль всей орбиты, то есть аккреционный диск рассматривается как набор концентрических колец, медленно обменивающихся друг с другом угловым моментом. Перейдя к такому рассмотрению и постепенно увеличивая число колец и уменьшая их толщину, Батыгин обнаружил, что в пределе такого дробления используемый им подход приводит к уравнению, схожему по форме со знаменитым уравнением Шрёдингера для микрочастиц, описывающим с позиций волновой теории движение субатомных частиц.

Исследование опубликовано в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Источник

Физики превратили бутерброд из графена в "изоляторо-сверхпроводник"

"Бутерброд" из двух слоев графена, если скрутить его под определенным "магическим" углом, одновременно приобретает и изолирующие, и сверхпроводящие свойства, между которыми можно легко переключаться, случайно выяснили физики из MIT, опубликовавшие две статьи в журнале Nature.

"Теперь мы можем использовать графен в качестве платформы для изучения необычных форм сверхпроводимости. Подобные же структуры можно использовать для создания сверхпроводящих транзисторов, которые можно будет легко включать и выключать, превращая их из изолятора в сверхпроводник и наоборот. Это создает массу новых возможностей для создания новых квантовых устройств", — рассказывает Пабло Харилло-Эрреро (Pablo Jarillo-Herrero) из Массачусетского технологического института (США).

Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. За создание графена, обладающего уникальными физико-химическими свойствами, работающие в Великобритании выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию 2010 года по физике.

Не все уникальные свойства графена оказались полезными — к примеру, неожиданным образом оказалось, что графен крайне тяжело превратить в полупроводник, что делает его малопригодным для изготовления электронных приборов, солнечных батарей, лазеров и источников света. Кроме того, графен нельзя растягивать из-за очень высокой хрупкости.

Многие эти проблемы, как рассказывает Харилло-Эрреро, ученые пытаются решить, используя не однослойные, а двухслойные или многослойные "бутерброды" из листов графена. Подобные структуры часто обладают достаточно неожиданными, но интересными свойствами, на одно из которых совершенно случайно натолкнулись физики из MIT.

Они обнаружили, что двойные листы из графена при определенных условиях могут одновременно иметь и сверхпроводящие, и изолирующие свойства, изучая электрические свойства подобных "бутербродов".

Для их изготовления они использовали ту же методику, что и Гейм и Новоселов – они отщепляли одиночные слои графена от листа графита, используя стеклянную пластинку, покрытую клеем, и затем пытались оторвать еще один слой "нобелевского углерода", используя ту же сторону стекла.

Как отмечает Харилло-Эрреро, его команду интересовало то, как меняются электрические свойства графена, если его листы накладываются друг на друга не идеальным образом, образуя своеобразный муаровый узор, или сложный набор из пустот и пересечений связей между атомами углерода.

Проводя подобные эксперименты, американские физики натолкнулись на потрясающий феномен – в том случае, если эти листы наклонены друг к другу на угол в 1,1 градуса, электроны в них начинают двигаться крайне необычным образом.

При таком положении листов графена, как объясняют ученые, их атомы начинают очень сильно влиять на то, как движутся носители заряда внутри этого "бутерброда". Это заставляет их или двигаться без потерь энергии, подобно парам электронов в высокотемпературных сверхпроводниках, или образовать непреодолимый барьер для других частиц, который физики называют "изолятором Мотта". 

"Если листы будут скручены под неправильным углом, даже при самой небольшой погрешности, к примеру, если ошибка будет составлять всего 0,2 градуса, вся эта необычная физика исчезает – графен перестает быть и сверхпроводником, и изолятором", — отмечает Харилло-Эрреро.

Как впоследствии обнаружили ученые, графеновый "бутерброд" не нужно заново собирать для его превращения из сверхпроводника в изолятор и наоборот — для перехода из одного состояние в другое необходимо просто добавить "лишние" электроды в эту структуру или убрать их.

Физики пока не знают, почему это происходит, и надеются, что последующие опыты с графеном помогут им раскрыть эту загадку и понять, как сверхпроводимость графена и его изолирующие свойства связаны между собой.

Источник