Дайджест последних новостей из мира современной физики (10.08-16.08)

Итак, мы продолжаем публиковать сводку интересных статей из ведущих научных журналов, которые мы освещали в рубрике ФОКУС ДНЯ на этой неделе. Приятного чтения!

Возможности интеграции различных физических систем на чипе становятся все шире!

На этот раз ученые смогли обеспечить когерентную связь между радиоволнами, светом в инфракрасном диапазоне и акустическими колебаниями! И все это на одном чипе!

В ЧЕМ СУТЬ

Мы уже несколько раз рассказывали о наноразмерных оптомеханических системах, в которых свет связан с механическими колебаниями. Такие системы широко используются в многочисленных приложениях, от сенсоров до обработки квантовой информации.

В этой работе ученые разработали новую оптомеханическую платформу, в которой фотоны со стандартной телекоммуникационной длиной волны в 1550 нм взаимодействуют с радиочастотными фотонами (частотой 2.4 ГГц) на базе фотонных и фононных волноводов из арсенида галлия. Этот материал был выбран благодаря двум уникальным свойствам - наличию пьезоэлектрического эффекта, позволяющего возбуждать механические колебания микроволновым излучением и фотоэластического эффекта, где такой же результат достигается с помощью инфракрасного излучения.

На картинке ниже показан использованный в эксперименте образец при различном увеличении. На рисунке а можно увидеть расположенные по бокам передатчик и приемник акустических волн (так называемые трансдьюсеры), а между ними расположены оптомеханические резонаторы и волноводы на фононных кристаллах.
При этом микроволновой сигнал подводится напрямую к трансдьюсерам, а оптический - к оптомеханическим резонаторам с помощью тонкого оптоволокна.

Используя этот образец, ученые смогли пронаблюдать деструктивную интерференцию, вызванную одновременным влиянием микроволнового и оптического сигналов на механические колебания резонатора - когда возбуждаемые микроволнами колебания "гасились" инфракрасным излучением.

Международная космическая станция получает новое оборудование для исследования высокоэнергетических космических лучей!

В ЧЕМ СУТЬ

Положение МКС над земной атмосферой превращает ее в идеальное место для детектирования прилетающих из космоса высокоэнергетичных частиц. Первым из приборов для проведения подобных экспериментов стал Альфа-Магнитный Спектрометр (AMS), запущенный в 2011 году и стоивший около полутора миллиардов долларов.

Теперь настала пора для двух меньших экспериментальных установок - Калориметрического Электронного Телескопа (CALET) и детектора ISS-CREAM - которые будут способны измерить космические лучи с гораздо большей эффективностью, чем AMS, с существенно меньшими затратами.

Само по себе исследование космических лучей - это лучший способ заглянуть внутрь объектов, которые (предположительно) порождают эти лучи, т.е. разгоняют частицы до гигантских энергий - например, взрывающиеся сверхновые. Сделать это с поверхности Земли можно только косвенно - наблюдая за ливнем вторичных частиц, порожденных прохождением космических лучей через атмосферу.

В отличие от AMS, который является детектором общего назначения, способным регистрировать электроны, протоны и даже антиматерию в большом диапазоне энергий, новые эксперименты куда более сфокусированные. CALET, который будет запущен уже 16 августа, будет регистрировать высокоэнергетичные электроны и, соответственно, искать близлежащие источники, способные их разгонять до подобных энергий. Что касается ISS-CREAM, который должен быть запущен на ракете SpaceX в июне 2016, то он сфокусируется на исследовании высокоэнергетических ядер различных элементов от водорода до железа. Это позволит лучше понять структуру сверхновых и происходящее в их недрах.

Узнать больше можно по ссылкам:

http://www.sciencemag.org/content/349/6248/572.summary

http://calet.phys.lsu.edu/

http://cosmicray.umd.edu/iss-cream/?server=1

На раннем этапе развития Солнечной системы в ней могла существовать еще одна планета-гигант!

В ЧЕМ СУТЬ

Кластер ледяных обломков в окрестностях орбиты Плутона может быть доказательством существования в Солнечной системе на раннем этапе ее развития еще одной планеты-гиганта! Этот кластер, называемый "ядром" долгое время оставался загадкой для астрономов - составляющие его обломки всегда находятся близко друг к другу и никогда не отклоняются от орбитальной плоскости планет, в отличие от других тел, населяющих пояс Койпера.

Для объяснения этого феномена было выдвинуто несколько гипотез, но все они не прошли проверку временем. На этот раз астроном
David Nesvorny выдвинул новую теорию, которая включает в себя существование в прошлом еще одного массивного тела. Используя компьютерное моделирование, он проследил движение ядра на 4 миллиарда лет назад, в результате чего обнаружил, что эти объекты были захвачены гравитационным полем Нептуна по мере его удаления от Солнца.

Но, на расстоянии 4.2 миллиарда километров от Солнца - близко к своей текущей орбите - орбита Нептуна внезапно изменилась на 7.5 миллионов километров! Захваченные объекты, разумеется, не успели так быстро изменить свое движение и были вынесены на свою теперешнюю орбиту, где они и продолжают двигаться в виде ядра.

Далее David Nesvorny отмечает, что единственное возможное объяснение внезапного изменения орбиты Нептуна - это гравитационное виляние другого массивного объекта - планеты-гиганта. Причем на эту роль не подходят ни Уран, ни Сатурн, ни Юпитер.

Подробнее об исследовании можно прочитать здесь:
http://news.sciencemag.org/space/2015/08/our-early-so..

Ученым удалось сжать оловянную фольгу до рекордных давлений!

Они смогли достичь давления в 1.2 триллиона паскалей (в 10 миллионов раз больше атмосферного), при этом не вызвав плавления образца, и напрямую пронаблюдать его кристаллическую структуру!

В ЧЕМ СУТЬ

Изучение материалов при давлении в триллионы паскалей может пролить свет на то, как ведет себя материя в глубинах планет и какие экзотические формы она вынуждена принимать. В данной работе ученые из Ливерморской национальной лаборатории, США, воспользовались технологией лазерной компрессии, которая позволила им сжать олово в твердом состоянии до рекордного давления в 1.2 терапаскаля, что в 30 раз превышает давление в центре Марса. В ходе эксперимента также удалось пронаблюдать неожиданную кристаллическую структуру материала, с помощью которой он приспосабливается к таким нагрузкам.

Это исследование важно по нескольким причинам. Во-первых, 1.2 терапаскаля - это наибольшее давление, при котором когда-либо наблюдалась кристаллическая структура. Во-вторых, результаты показывают, что техника бесшокового лазерного сжатия позволяет достигать таких давлений, не нагревая при этом металл выше температуры плавления, что позволяет исследовать структуру металла с помощью рентгеновской дифракции. Наконец, полученные данные покрывают неисследованную ранее область на фазовой диаграмме олова.

Проведя измерения в диапазоне от 0.12 до 1.2 терапаскалей и температурах ниже температуры плавления, ученые показали, что олово имеет гранецетрированную кубическую решетку во всем этом диапазоне, что отличается от проведенных ранее экспериментах, утверждавших наличие гексагональной решетки в диапазоне от 0.16 до 0.19 терапаскалей.

Подробнее: http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLe..

Новая техника сканирующей зондовой микроскопии позволяет увидеть полярность отдельных химических связей!

В ЧЕМ СУТЬ

Ученые уже достаточно давно умеют заглядывать в наномир, рассматривая и манипулируя отдельными атомами, с помощью, например, атомно-силового микроскопа (стандартная аббревиатура - AFM). Побочное направление этой технологии под названием кельвиновская сканирующая зондовая микроскопия (KPFM) способно также измерять заряды отдельных атомов и определять различные типы химических связей. Теперь же команда исследователей из университета Регенсбурга продвинулась еще дальше, показав, что с помощью такого микроскопа можно наблюдать мельчайший дисбаланс зарядов, определяющий полярность химических связей.

Принцип работы такого микроскопа состоит в следующем. Над поверхностью образца движется сканирующая иголка (кантилевер), с поданным на нее напряжением. Далее, а каждой точке измеряется энергия, необходимая, чтобы убрать один электрон, что дает информацию о диполях и зарядах на поверхности.

https://en.wikipedia.org/wiki/Kelvin_probe_force_micr..

Однако, чтобы различить отдельные химические связи, игла должна так близко подойти к поверхности образца, что она может проникнуть внутрь электронной оболочки исследуемых молекул. В этом случае регистрируемый сигнал становится довольно сложно интерпретировать по причине большего количества сил, действующих на иглу.

Чтобы решить эту проблему, ученые разработали схему, которая позволяет разделить действующие силы с помощью серии измерений, проводимых при различных напряжениях на игле и расстояниях до поверхности. Чтобы протестировать эту схему были выбраны два органических соединения ртути, которые должны содержать химические связи с разной полярностью: C-F и C-H.

Полученные результаты (на картинке ниже) позволили увидеть распределение молекулярного заряда с небывалой точностью и подтвердили теоретические предсказания: атомы фтора действительно притягивали заряд от атомов углерода к себе, что создавало большую по величине полярность, которая была еще и противоположна по знаку связи C-H, где заряд был наоборот смещен к атому углерода.

Подробнее: http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLe..

Изображение: F. Albrecht et al., Phys. Rev. Lett. (2015).

Надеемся, дайджест вам понравился, а мы будем стараться и дальше радовать вас самыми свежими и актуальными новостями из мира физики!
Присоединяйтесь к нашему сообществу и до новых встреч!
P.S. а если у вас есть интересующиеся физикой друзья - не стесняйтесь поделиться этим дайджестом с ними, нажав одну из кнопок ниже! 😉