Дайджест последних новостей из мира современной физики (24.08-29.08)

Добро пожаловать на наш еженедельный дайджест самых интересных новостей из мира современной физики! В сегодняшнем выпуске: новый материал для суперконденсаторов, реальность майорановских фермионов, хамелеоноподобная кожа и электроны на поверхности жидкого гелия! Читайте на здоровье! 🙂

Исследователи разработали новый материал для суперконденсаторов (готовься, Тесла!), который можно легко внедрить в существующее производство благодаря его широкой доступности!

В ЧЕМ СУТЬ

Cуперконденсаторы имеют множество преимуществ перед привычными всем аккумуляторами, одно плохо - емкость у них все еще маловата, а определяется она площадью поверхности электродов конденсатора. Неудивительно, что ученые уже некоторое время работают над ее увеличением, пытаясь использовать различные пористые проводящие материалы (активированный уголь, например).

Последний писк в этой области, конечно же, углеродные нанотрубки и графен, которые состоят из слоя атомов углерода толщиной в один атом, и уже использовались для создание суперконденсаторов-рекордсменов. Проблема в том, что стоимость их производства остается довольно высокой, а существующие технологии не позволяют производить их в достаточных для промышленного производства объемах.

Другой подход к созданию суперконденсаторов высокой емкости - использование активных редокс-молекул, которые охотно забирают электроны и затем отдают их обратно. Но и здесь существуют свои сложности - некоторые из них распадаются после нескольких циклов зарядки, другие же не достаточно пористы.

Два года назад химики из Корнелльского университета предложили новую платформу - ковалентный органический фреймворк (COF), который при нужных условиях самособирался в гексагональную решетку с отверстиями посередине каждой ячейки. Такие слои можно было последовательно наращивать, причем отверстия ячеек выстраивались друг над другом, образуя искусственные поры с большой площадью поверхности.

Уже первые эксперименты показали серьезную емкость порядка 160 фарад на грамм материала. Проблема была в недостаточной проводимости материала, которая не позволяла создавать электроды толщиной более 200 нанометров (иначе электроны просто не могли перебраться с одного края на другой).

Теперь, похоже, учены удалось обойти и это ограничение, покрывая слои COF тонким проводящим полимером (известным как PEDOT), в результате чего получившиеся конденсаторы имели емкость до 350 фарад на грамм - выше, чем у любого промышленно производимого сегодня суперконденсатора. Это по-прежнему гораздо меньше продемонстрированной в экспериментах с углеродными нанотрубками 3300 фарад на грамм, но не в этом суть. Благодаря широкой доступности используемых компонент и их относительной дешевизне, новые суперконденсаторы могут быть легко выпущены на рынок.

http://news.sciencemag.org/chemistry/2015/08/new-elec..

Ссылка на научную группу: http://dichtel.chem.cornell.edu/

Ученые подтвердили существование майорановских фермионов на концах одномерных проволок, совместив атомно-силовую и сканирующую туннельную микроскопию!

В ЧЕМ СУТЬ

Про майорановские фермионы все давно уже наслышаны. Пока физики десятилетиями пытались обнаружить их на ускорителях и в космосе, небезызвестный теоретик Алексей Китаев в 2001 году предположил их наличие в квантовых проволоках, толщиной в 1 атом. Более этого, он показал возможность использования таких систем в качестве долгоживущих кубитов для построения квантового компьютера.

Его голос был услышан, однако для экспериментальной проверки потребовалось ждать еще около десяти лет, пока технология изготовления и исследования наноструктур не выйдет на нужный уровень. Наконец, начиная с 2012 года различные группы по всему миру стали писать о наблюдении майорановских фермионов в одномерных цепочках атомов.

Скептицизм научного сообщества по отношению к этим заявлениям был достаточно силен, пока в прошлом году с помощью сканирующего туннельного микроскопа (STM) не было продемонстрировано наличие связанных майорановских состояний на концах цепочки из атомов железа на сверхпроводящей свинцовой подложке.

Наконец, в этой работе ученые из университета Базеля, использовав атомно-силовой и сканирующий туннельный микроскоп, продемонстрировали наличие упорядоченных моноатомных цепочек атомов железа на свинцовой подложке со связанными майорановскими состояниями на концах (см. картинку ниже).

Более того, они подтвердили локализованность этих состояний на длине ~25 нм, что хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями. Все это подтверждает возможность использования связанных майорановских состояний в качестве новой платформы для создания квантового компьютера!

Ссылка на статью: http://arxiv.org/abs/1505.06078

Ученые создали гибкую хамелеоноподобную электронную "кожу", которая меняет свой цвет при прикосновении!

В ЧЕМ СУТЬ

Способность хамелеонов менять цвет своей кожи давно изумляла ученых, которые, с одной стороны, пытались понять механизм работы этого феномена, а с другой - создать искусственный материал с подобными свойствами. Подходов к созданию такого материала было предпринято множество - микроканалы с подкрашенной жидкостью, оптоэлектронные системы, флюоресценция и т.д.

В новой работе исследователи из Стэнфордского университета создали гибкую многослойную электронную "кожу" на полимерной подложке, оборудованную датчиком давления на основе электрохромной пленки. Схема устройства показана на первой картинке ниже: слой электрохромного полимера (действующего в качестве пигментных клеток) зажат между двумя слоями диэлектрика - микроструктурированного полидиметилсилоксана (PDMS) с покрытием из углеродных нанотрубок.

Процесс изготовления такого устройства показан на картинке выше, а принцип его работы довольно прост - с верхней части микро-пирамидок удалено покрытие с углеродными нанотрубками, поэтому в стационарном состоянии ток через пленку не течет. Однако, стоит приложить давление (прикоснуться) к поверхности, как проводящий слой начинает соприкасаться с покрытием проводящих углеродных нанотрубок, что приводит к появлению тока.

Добавив электрохромный полимер (темной-красный в нормальном состоянии и голубой в окисленном) в качестве промежуточного слоя, ученые добились нужной функциональности устройства (на последней картинке можно увидеть как оно выглядит в реальности).

В дальнейшем ученые планируют исследовать различные электрохромные полимеры для отображения различных цветов, а также объединять их в массивы для большего покрытия цветового спектра, высокой контрастности и разрешения. Такие устройства обещают найти свое применение в интерактивных носимой электронике, искусственном протезировании и умной робототехнике.

Оригинал статьи: http://www.nature.com/ncomms/2015/150824/ncomms9011/f..

Электрохромные устройства: https://en.wikipedia.org/wiki/Electrochromic_devices

Это потрясающе! Ученым удалось связать электроны на поверхности сверхтекучего гелия со сверхпроводящим резонатором!

В ЧЕМ СУТЬ

Использование электронов на поверхности сверхтекучего гелия для создания квантового компьютера была предложено более 15 лет назад, но оставалось не более чем игрушкой теоретиков из-за сложностей экспериментальной реализации. До недавнего времени.

Группа ученых из Чикагского университета использовала новый подход - чип со сверхпроводящим резонатором (с дополнительным электродом для создания нужного потенциала), помещенный в герметичный контейнер, в который подавался жидкий гелий.

Им удалось пронаблюдать сильную связь между запущенным на поверхность жидкого гелия ансамблем электронов и сверхпроводящим резонатором, проявлявшуюся в сдвиге его частоты. Полученные результаты позволяют рассчитывать на возможность управлять состоянием не только ансамбля в целом, но и отдельными электронами.

Все это делает создание квантового компьютера на основе электронов на поверхности жидкого гелия реальностью и открывает путь совершенно новым экспериментам с этими замечательными системами!

Оригинальная статья: http://arxiv.org/abs/1508.04847
Научная группа: http://schusterlab.uchicago.edu/

И еще несколько коротких новостей напоследок:

  • Крупнейший в мире интернет-ритейлер Alibaba вместе с китайской Академией наук запустила новую лабораторию, которая к 2030 году должна создать прототип универсального квантового компьютера (при этом компания намерена вкладывать в проект по 5 миллионов долларов в год в течение 15 лет): http://www.rqc.ru/news/?ELEMENT_ID=1176
  • Исследователи из калифорнийской компании Tri Alpha Energy заявляют о прорыве в создании термоядерного реактора: http://news.sciencemag.org/physics/2015/08/secretive-fusion-company-makes-reactor-breakthrough
  • Астрономы обнаружили двойную черную дыру в ближайшей к нам галактике, в центре которой к тому же находится квазар: http://www.popsci.com/scientists-find-double-black-hole-inside-nearby-quasar

На этом мы заканчиваем наш дайджест за прошедшую неделю, но интересные новости и новые открытия не заканчиваются никогда!
Так что вступайте в нашу группу Вконтакте, подписывайтесь на e-mail рассылку и до новых встреч!