Дайджест последних новостей из мира современной физики (17.08-22.08)

Идет третья неделя нашего дайджеста, а мы не прекращаем радовать вас обзором лучших научных статей за неделю из рубрики ФОКУС ДНЯ. Итак, что же интересное произошло в физике за прошедшую неделю, с 17 по 21 августа? Трибоэлектрический эффект, темная материя и темная энергия, неожиданный мультиферроик и компактный источник рентгена! Читайте с удовольствием и делитесь с друзьями!

Трибоэлектрический эффект позволяет создавать датчики, не требующие для своей работы внешнего источника энергии!

В ЧЕМ СУТЬ

Трибоэлектрический эффект – это процесс перетекания электрического заряда с поверхности одного материала на поверхность другого при их контакте. Он является одним из видов так называемой «контактной электрификации», когда одно тело электризует другое, передавая ему имеющийся заряд.

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

Ученые исследуют этот феномен уже довольно давно и сейчас он стал находить применение в так называемых трибоэлектрических наногенераторах (TENG). Это привело к созданию целого класса сенсоров, не нуждающихся во внешнем источнике питания: датчиков давления, скорости, магнитного поля, химических и акустических сенсоров и многих других.

В данной работе ученые создали самозапитывающийся кинематический векторный сенсор из тонких пленок, способный измерять координаты смещения, скорость, ускорение и их направления. Устройство самого сенсора показано на картинке ниже.

Он состоит из двух частей - движущейся и неподвижной (статор), собранных из нескольких слоев. Генерация трибоэлектричества происходит при движении этих частей друг относительно друга, а для детектирования направления смещения на поверхность пленок обоих компонент нанесены массивы медных электродов.

В ходе экспериментов такое устройство показало высокую точность и надежность работы, а простота его изготовления и установки позволяет рассчитывать на многочисленные применения в индустрии сенсоров и детекторов.

Оригинальная статья:
http://www.nature.com/ncomms/2015/150814/ncomms9031/f..

Гамма-излучение карликовой галактики может помочь расшифровать природу темной материи!

В ЧЕМ СУТЬ

Карликовые галактики - довольно непримечательные по астрономическим меркам объекты, состоящие из нескольких миллиардов звезд. Однако орбиты этих звезд могут сигнализировать о наличии темной материи - загадочной сущности, из которой по оценкам состоит более 80% всей материи во Вселенной. Эта особенность предоставляет ученым редкий шанс использовать эти объекты для исследования темной материи.

В двух недавних работах две независимые группы ученых исследовали слабое гамма-излучение от недавно обнаруженной карликовой галактики и проверяли, может ли оно быть вызвано столкновением частиц темной материи. Выводы получились неоднозначными, т.к. регистрируемое гамма-излучение может быть также вызвано флуктуациями радиационного фона галактики.

Еще одна сложность состоит в наличии множества моделей темной материи, каждая из которых дает различные предсказания относительно свойств излучения, которое должно рождаться при столкновении частиц темной материи. Наиболее вероятные кандидаты для проверки этих моделей - центры и скопления галактик, однако и карликовые галактики являются отличными кандидатами на эту роль благодаря простому устройству и относительной близости к нам.

Делать окончательные выводы о возможности использование этих объектов для исследования темной материи еще рано, а, значит, поиски продолжаются и еще не одна карликовая галактика станет объектом пристального внимания астрономов!

http://physics.aps.org/articles/v8/81

Ученые обнаружили неожиданное существование спонтанной магнитной и электрической поляризации в веществе с высокосимметричной кристаллической решеткой!

В ЧЕМ СУТЬ

Мультиферроики (или сегнетоэлектрики) - это вещества, которые могут иметь как электрическую, так и магнитную поляризацию, что делает их крайне интересными объектами для спинтроники и других магнитоэлектрических приложений. Обычно этот эффект возникает из-за асимметрии кристаллической структуры вещества, однако в новом исследовании ученые обнаружили мультиферроидное поведение в материале с высокосимметричной кубической решеткой - перовските с химической формулой LaMn3Cr4O12!

https://ru.wikipedia.org/wiki/Мультиферроики

В общепризнанной модели мультиферроиков, магнитная поляризация (намагниченность) появляется благодаря ионам переходных металлов (например, железа и никеля), а электрическая поляризация - за счет смещения ионов относительно положения равновесия из-за взаимодействия с соседями по решетке. Такие сдвиги могут привести к появлению поляризации, но только если в структуре кристалла отсутствует центр инверсии, относительно которого кристалл считается симметричным.

Неожиданность открытия в том, что кубические кристаллы обладают центром инверсии, поэтому мультиферроидности от них никак не ожидали! Но, если намагниченность внутри материала асимметрична, то посредством нее можно возбудить и ферроэлектрический эффект.
В исследованном перовските содержатся ионы двух переходных металлов - марганца и хрома, которые выстраивают свои магнитные моменты вдоль одного направления решетки, у которой отсутствует центр инверсии. Поэтому, когда ученые охладили материал до температуры в 50 кельвин (-223 градуса Цельсия), при которой он стал полностью намагниченным, они обнаружили и электрическую поляризацию.

Это значило, что в данном материале существует связь между намагниченностью и ферроэлектричеством. Поэтому ученые отбросили существующие модели мультиферроиков и провели серию вычислений, показавших, что спин-орбитальное взаимодействие между ионами могло привести к появлению электрической поляризации.

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

Ученые разработали компактный источник рентгеновских фотонов с круговой поляризацией для исследования биологических материалов!

В ЧЕМ СУТЬ

Многие органические молекулы поглощают право- и лево-поляризованный свет по-разному, в зависимости от их структуры, поэтому источники поляризованного излучения могут успешно использоваться для определения формы молекул. Особенно полезным в данном случае является "мягкий" рентген с длинами волн от единиц до нескольких десятков нанометров, который позволяет рассматривать происходящее внутри живой клетки.

Однако большинство источников такого излучения, способных генерировать достаточное количество фотонов, представляют собой гигантские сооружения, наподобие синхротронов, к которым довольно непросто получить доступ. В данной же работе ученые из университета Париж-Сакле разработали и протестировали компактный источник мягкого рентгеновского излучения с круговой поляризацией, который может выдавать необходимое для исследований количество фотонов и достаточно мал, чтобы поместиться в пределах лаборатории.

Принцип работы устройства заключается в следующем: излучение от лазера с круговой поляризацией запускается в газовую ячейку, наполненную криптоном, где происходит возбуждение определенного атомного перехода, в результате которого излучается когерентный свет на длине волны в 32 нанометра. Наличие такой газовой камеры увеличивает количество фотонов с круговой поляризацией почти в 10 000 раз по сравнению с первоначальным лазерным пучком, позволяя получать до 10 миллиардов фотонов в одном импульсе длительностью в несколько пикосекунд.

Такого количества фотонов с лихвой хватит для таких требовательных задач, как исследование белков и вирусов, а также для множества других биологических исследований. Ученые рассчитывают в перспективе сделать установку еще более компактной, а также достичь более коротких длин волн и длительности импульсов. Это позволит, к примеру, исследовать более миниатюрные наноструктуры и тонкие пленки, используемые в современной электронике.

Изображение: A. Depresseux et al., Phys. Rev. Lett. (2015)

Ученые протестировали одну из гипотез происхождения темной энергии с помощью падающего на алюминиевую сферу облака атомов!

В ЧЕМ СУТЬ

Открытие темной энергии произвело переворот в космологии, показав, что Вселенная расширяется с ускорением. До этого ученые считали, что расширение Вселенной должно замедляться по мере того, как гравитация компенсирует силы, действовавшие на Вселенную во время Большого взрыва.

Вопрос за малым - что такое темная энергия? Здесь существуют две возможности. Это может быть космологическая константа, предложенная еще Эйнштейном в 1917 году - энергия, скрытая в самом вакууме пространства. Либо это может быть квантовое поле, которое наполняет пространство и раздувает его подобно шарику.

У обеих версий есть свои проблемы - вычисленное значение космологической константы оказывается слишком большим по сравнению с наблюдаемым расширением Вселенной, а наличие квантового поля должно влиять на массивные объекты - планеты Солнечной системы, например, - но такого эффекта темной энергии пока что не наблюдалось.

Чтобы решить одну из этих проблем ученые предложили рассмотреть наличие частиц-хамелеонов, которые могли бы порождать нужное квантовое поле, но взаимодействовали бы с материей таким образом, что это поле исчезало бы при достаточно большой плотности вещества. Такое поле вполне бы объясняло отсутствие влияния на движение планет.

Звучит довольно странно, не правда ли? Именно так подумали физики из университета Калифорнии в Беркли и решили поставить эксперимент. В поисках поля-хамелеона они изучали взаимодействие между алюминиевой сферой, диаметром 9,5 миллиметров и облаком из 10 миллионов ультрахолодных атомов цезия. Наличие алюминиевой сферы (массивного объекта) должно было искажать поле частиц-хамелеонов у поверхности, где согласно предсказаниям оно должно было обращаться в ноль. Таким образом облако атомов, падающее на сферу, должно было испытать на себе градиент этого поля и замедлить свое гравитационное падение.

Исследователи использовали специальную технику высокоточных измерений, называемую атомной интерферометрией, чтобы измерить ускорение атомов цезия по мере их падения в течение примерно 20 миллисекунд. Для сравнения результатов измерений, они также проводили эксперимент с падающими атомами в стороне от сферы, где поле-хамелеон должно было быть однородным и не оказывать никакого воздействия.

К сожалению (или к счастью), никакого различия между данными двух экспериментов ученые не обнаружили, а значит часть гипотезы о частицах-хамелеонах (где соответствующее взаимодействие сильнее гравитационного) придется отбросить. Однако, чтобы можно было попрощаться с этой гипотезой насовсем, нужно повысить точность измерений хотя бы в 1000 раз, чем и собираются заняться ученые в дальнейшем.

Источник: http://news.sciencemag.org/physics/2015/08/tiny-fount..

P.S. Да, кроме хамелеонной гипотезы есть множество других предложений, как спрятать квантвое поле, порождающее темную энергию...

На этом наш дайджест за эту неделю заканчивается, но не заканчиваются захватывающие новости из мира современной физики! Хотите знать больше? Тогда вступайте в наше сообщество!
P.S. если вам понравилась статья - поделитесь с друзьями, мы будем благодарны! 🙂