Учёные изучили зависимость величины критического тока от способа получения материала

Сверхпроводники обладают нулевым электрическим сопротивлением при малых температурах. Поток электронов, создающих электрический ток, двигается в них без столкновений с атомами кристаллической решётки проводящего материала, а значит, и без тепловых потерь. Сегодня сверхпроводники используются при создании магнитов высокой мощности для дорогостоящего научного оборудования и средств медицинской диагностики высокой точности.

Материал проявляет сверхпроводящие свойства при определённых значениях напряжённости внешнего магнитного поля, температуры или силы протекающего тока. Учёные из Института физики металлов Уральского отделения РАН и ВНИИ неорганических материалов изучили зависимость величины критического тока от способа получения материала.

Ирина Дерягина и её коллеги получали сверхпроводящие волокна ниобата олова (Nb₃Sn)по бронзовой технологии, при которой ниобиевые волокна заключаются в бронзовую матрицу с повышенным содержанием олова. При нагревании атомы олова реагируют с волокнами, и образуются нанокристаллические зёрна сверхпроводящего Nb₃Sn.Если удачно подобрать условия (температура и время нагрева, концентрация олова), то после отжига на поперечных срезах волокон практически не останется непрореагироваших атомов ниобия. При получении волокон часто добавляют небольшое количество титана, который помогает атомам ниобия и олова правильно расположиться в пространстве для создания сверхпроводящих зёрен фиксированных малых размеров (около 60–80нм).

Титан можно добавить в состав бронзовой матрицы или ещё до отжига внедрить в структуру ниобиевых волокон. Исследователи сравнили физические свойства сверхпроводящих материалов, полученных двумя разными способами, и выяснили, что критическая плотность тока, при которой сверхпроводимость исчезает, в этих двух случаях заметно отличается. Если титан добавлять в бронзовую матрицу, критическая плотность тока для полученного проводника составит 980 А/мм².При добавлении атомов титана к волокнам ниобия эта величина снижается до 780 А/мм².Исследование, проведённое при поддержке Президиума РАН,опубликованов Журнале Сибирского федерального университета.

Физики изучили микрофотографии полученных структур. Если легирование титаном не проводится, то в материале сохраняются участки чистого ниобия, не прореагировавшего с оловом и хуже проводящего ток. Сами зёрна Nb₃Snв таких образцах неоднородны по размеру, что негативно влияет на сверхпроводник. Титан способствует образованию однородных зёрен Nb₃Snпри любом способе легирования, но если поместить его в матрицу вместе с оловом, а не в ниобиевые волокна, то положительный эффект выражен сильнее.

Авторы отмечают, что даже самые лучшие из полученных ими в эксперименте образцов содержат участки чистого ниобия, не вступившего в реакцию с оловом. Это значит, что достигнутые значения критического тока не являются предельными и ещё могут быть улучшены.«Полученные в работе результаты показывают направление совершенствования технологии изготовления многоволоконных проводников»,–заключают учёные.

Источник информации:

И.Л. Дерягина, Е.Н, Попова, Е.Г. Захаревская, Е.П. Романов, А.Е. Воробьева, Е.А, Дергунова, С.М. Балаев.«Влияние способа легирования и геометрии композита на структуру нанокристаллических слоёв Nb₃Snв сверхпроводящих композитах Nb/Cu-Sn».Журнал Сибирского федерального университета. Серия: математика и физика. 2011, том 4, № 2.

Источник

Действие чрезвычайно сильного магнитного поля может переводить физический вакуум в такое состояние, в котором он будет вести себя подобно сверхпроводнику

Российский физик Максим Чернодуб, работающий в Университете им. Франсуа Рабле (Франция), установил, что действие чрезвычайно сильного магнитного поля может переводить физический вакуум в такое состояние, в котором он будет вести себя подобно сверхпроводнику.

Зарегистрированное детектором CMS Большого адронного коллайдера столкновение ионов свинца, которое могло бы дать какую-то информацию о«сверхпроводящем»вакууме. (Иллюстрация ЦЕРН.)

 

Объяснение свойствам традиционных сверхпроводников даёт, напомним, теория Бардина—Купера—Шриффера. Обычно механизм сверхпроводимости рассматривают на примере простой кубической кристаллической решётки, составленной из положительно заряженных ионов. При прохождении электрона ионы, находящиеся ближе всего к нему, приобретают импульс в направлении, перпендикулярном его траектории, и смещаются. За движущимся электроном, таким образом, следует область избыточного положительного заряда, который притягивает другой электрон. Всё это заканчивается образованием связанногосостояния двух электронов, куперовской пары.

Спин электрона, как известно, равен 1/2, но куперовскую пару можно считать композитным бозоном—частицей с целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна, допускающей нахождение в одном квантовом состоянии нескольких частиц; следовательно, куперовским парам доступен процесс (бозе-эйнштейновской)«конденсации»в одно основное квантовое состояние. При этом разрыв одной пары, который обязательно сопровождается изменением энергий всего остального множества пар, требует значительной энергии, равной 2Δ,гдеΔ—так называемая сверхпроводящая щель. ШиринаΔзависит от температуры и в тот момент, когда последняя поднимается до критического значения, сравнивается с нулём, но при более низких температурах«коллективные»действия куперовских пар ведут к сверхпроводимости.

Экспериментально доказано, что сильное внешнее магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Известен, однако, и пример более сложного взаимодействия: у соединения урана URhGe в поле с индукцией в 2 Тл сверхпроводимость уходит, а с повышением индукции до 8 Тл—возвращается. Эффект, до некоторой степени аналогичный этому, и попытался описать г-н Чернодуб.

Упоминаемый учёным вакуум нужно понимать не как среду, содержащую газ при низком давлении, а какфизическийвакуум, в котором постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Рождённые кварк и антикварк могут объединяться с образованием заряженного ро-мезона, среднеевремя жизни которого составляет 4,5•10^–24с. Если рассматривать ро-мезон как свободную частицу, на фоне однородного магнитного поля с индукциейBэнергия её основного состояния выражается формулойE²(B)=m²–e•B.Здесьm—масса ро-мезона (775,5 МэВ), аe—элементарный электрический заряд. ПриB_с=m²/e~ 10¹⁶Тл энергия, таким образом, сводится к нулю.

С дальнейшим повышением индукции энергия основного состояния становится чисто мнимой, и именно здесь, по расчётам автора, создаются условия для«конденсации»заряженных ро-мезонов. Результат этого аналогичен переходу в сверхпроводящее состояние, причём эффект будет сохраняться только в одном направлении—вдоль магнитного поля.

Такие вычисления не имели бы смысла, если бы время жизни ро-мезонов оставалось на прежнем уровне. Г-н Чернодуб, однако, показал, что сильное магнитное поле с индукцией около 0,36•10¹⁶Тл«закрывает»основной канал распада ро-мезонов на заряженные пионы. Следовательно, сверхпроводящий конденсат должен быть относительно стабильным.

Всё вышесказанное относится к холодному вакууму, то есть к условию нулевой температуры. Из общих соображений можно заключить, что рост температуры должен, как и утрадиционных материалов, разрушать сверхпроводящее состояние.

Область сверхпроводимости на этом графике, связывающем температуру и индукцию поля, находится справа от кривой. При росте температуры значение индукции, на котором совершается переход, также увеличивается. (Иллюстрация автора работы.)

Поле в 8 Тл, которое устанавливается в экспериментах с URhGe, считается очень сильным. Несложно понять, что 10¹⁶Тл—это поистине гигантская величина, получить которую в лаборатории просто невозможно. Тем не менее г-н Чернодуб надеется экспериментально подтвердить свою теорию,воспользовавшись данными с Большого адронного коллайдера или Релятивистского коллайдера тяжёлых ионов. По мнению физика, движущиеся ионы в таких установках могутна чрезвычайно короткое—йоктосекундное, 10^–24с—время создавать поле с нужными параметрами.

Остаётся добавить, что перваястатьяо«сверхпроводящем»вакууме вышла в журнале Physical Review D в конце прошлого года. Новыйпрепринт,выложенный на сайт arXiv, подтверждает истинность представленных ранее результатов в рамках более«общей»модели Намбу—Иона-Лазинио, которую в определённом диапазоне параметров используют в качестве заменителя фундаментальной квантовой хромодинамики. Подробное описание этой модели можно найти встатьесотрудников Объединённого института ядерных исследований Михаила Волкова и Андрея Раджабова, опубликованной в журнале«Успехи физических наук».

Подготовлено по материаламPhysicsworld.Com.

Источник

Недавно в нижегородском Институте прикладной физики РАН в тринадцатый раз подвели итоги ежегодного конкурса работ молодых ученых

Одну из первых премий в 50000 рублей вручили научному сотруднику института Кириллу Мартьянову и аспиранту Василию Махалову за работу «Двумерный газ Ферми-атомов». Научный руководитель работы – ведущий научный сотрудник института Андрей Турлапов. В аннотации к работе привлекают слова «впервые в мире»: именно так авторы определяют новизну проведенного ими эксперимента по «приготовлению и прямому наблюдению квазидвумерного газа Ферми-атомов».

Результаты исследования опубликованы в одном из самых рейтинговых физических журналов мираPhysical Review Letters.

Рис. 1. Кирилл Мартьянов полагает,
что им по плечу разработка
отечественного варианта сверхточных
атомных часов для ГЛОНАСС.

Для справки:Кирилл Мартьянов –закончил нижегородский физико-математический лицей № 40 и факультет«Высшая школа общей и прикладной физики ННГУ им. Н.И. Лобачевского. С 2002 года работает в ИПФ РАН. После окончания университета занимался астрофизикой, но в 2007 году сменил сферу исследований на атомную физику со специализацией в области лазерного охлаждения и физики ультрахолодных Ферми-систем.

Кирилл, расскажите, что такое«Ферми-атомы»и как приготовить из них«квазидвумерный газ»?

• Мы работаем с атомами лития, существующими в видедвух изотопов –литий-6 (шесть нуклонов в ядре) и литий-7 (семь нуклонов в ядре). Атомы первого изотопа относятся к так называемым Фермионам, атомы второго –к бозонам. Мы работаем с Фермионами. Важно подчеркнуть, что принадлежность частиц к классу Фермионов либо бозонов проявляется только при сверхнизких температурах; если же температуры комнатные, то атомы обоих изотопов ведут себя одинаково.

Что вы понимаете под«сверхнизкими температурами»и как вы эти температуры получаете?

• Нам удалось достичь температуры всего на 10 миллиардных градуса выше абсолютного нуля.

На первом этапе охлаждения мы понижали температуру смеси атомов с помощью относительно новойметодики лазерного охлаждения.Для этого на находящееся в вакуумной камере облако атомов лития с шести сторон направляются сходящиеся в одной точке лучи лазеров. Частота лазерного излучения при этом подбирается такой, при которой его взаимодействие с атомами приведёт к уменьшению их кинетической энергии –иными словами, к понижению температуры атомной смеси (напомню, что температура –это мера средней кинетической энергии движения частиц).

Обратимся к несложной кинематической аналогии: представим себе движущуюся тележку, в которой сидит человек и в которую –навстречу движению –бросают снежки. Человек сбрасывает снежки в разные стороны, выбирая направление случайным образом. В результате тележка будет тормозиться. У нас тележка с человеком соответствует охлаждаемому атому лития, а снежки –фотонам лазерного излучения, этими атомами поглощаемым и переизлучаемым.

До какой температуры вам удается таким способом охладить атомную смесь?

• До 150 микрокельвин, и это еще достаточно далеко от действительно низких температур На следующем этапе охлаждение осуществляется уже иным способом, условно его можно назвать«выпариванием».Этот процесс происходит в потенциальной яме, содержащей большое число атомов. Понижая стенки ямы, мы способствуем вылету наиболее быстрых атомов за её пределы, что напоминает процесс испарения жидкости, при котором поверхность покидают наиболее быстрые молекулы.«Испарившиеся»атомы уносят с собой излишки энергии, а атомы, оставшиеся в яме, становятся в среднем более холодными. Предупреждая возможный вопрос, замечу, чтометод«выпаривания»также не является нашим ноу-хау. Но сооружение соответствующей установки потребовало от нас больших усилий.

А что же тогда вы сделали«впервые в мире»?

Рис. 2. Распределение атомов лития-6 в серии
ловушек. Фото, полученное в эксперименте по
приготовлению двумерных систем.

• Нашим личным достижением можно считатьразработанный и реализованный метод приготовления двумерной смеси Ферми-атомов(атомов лития). Для этого мы создаем специальную конфигурацию электрического поля, формируя пространственную«решётку»из потенциальных ям. Соседние ямы разделяют весьма высокие«стенки».Движению атома в перпендикулярном этим стенкам направлении соответствует определенная система энергетических уровней. Атом движется также и в плоскости, параллельной стенкам. Этому движению соответствует уже другая система уровней энергии.

Движение в перпендикулярном стенкам направлении отсутствует, только если атом занимает нижний из всех возможных для данного направления уровней энергии. Если нанижнем уровне находятся все атомы, систему можно считать двумерной (в параллельной стенкам плоскости движение сохраняется).

Согласно квантовой механике, всегда остается отличной от нуля вероятность туннельного перехода атома между соседними потенциальными ямами. Оценки показывают, что для созданной нами конфигурации потенциала время туннелирования будет существенно превышать длительность эксперимента. Это даёт нам полное право пренебрегатьсоответствующими движениями атомов. По этой причине атомы лития –когда они находятся на нижнем энергетическом уровне –можно рассматривать как двумерный газ –Ферми-атомов.

Рис. 3. Молодые физики ИПФ РАН и их установка,
на которой выполняли работу«Двумерный газ
Ферми-атомов».

В связи с чем вообще возникла задача приготовления и изучения столь экзотической системы –двумерного Ферми-газа?

• Эксперименты с подобными системами помогут в проверке теорий, описывающихявление высокотемпературной сверхпроводимости.

Может ли ваша работа найти какое-то применение на практике?

• Мы рассчитываем принять участие в разработкеотечественного варианта сверхточных атомных часов.Сейчас самые точные в мире атомные часы функционируют в лаборатории Национального института стандартов в США. В них используются так называемые холодные атомы, их получают методом лазерного охлаждения, который применяли и мы в нашем эксперименте. Американская установка занимает полкомнаты, и если наша группа включится в деятельность по разработке часов, то главным направлением работы может стать создание компактного, размером с чемодан, устройства с заданной точностью.

Высокий уровень технологий, продемонстрированный нами в последних экспериментах, дает право ставить перед собой столь амбициозные задачи.

Вероятным заказчиком таких часов в нашей стране могут статьразработчики системы ГЛОНАСС.Крайне желательно, чтобы используемые в национальной системе сверхточные часы производились в национальных же лабораториях. Если отвлечься от ошибок, связанныхс влиянием атмосферы, то точность системы глобального позиционирования определяется исключительно точностью используемых системой часов. Если она достигает 10^-15 секунды –то есть часы отстают или уходят вперед на 10^-15 секунды в течение одной секунды –мы можем достаточно верно определять координаты объектов на Земле.

Ни систему GPS, ни систему ГЛОНАСС мы, впрочем, в наших статьях не упоминали. Дело в том, что для создания атомных часов не нужен столь важный для наших исследований уровень охлаждения. Работоспособность атомных часов обеспечивается теми температурами, которых мы достигаем уже на первом этапе нашего исследования.

Кто ещё в мире работает в том же направлении исследований?

• Что касается трехмерных систем, то там конкуренция большая –в мире насчитывается более 10 активно работающих групп. В отношении же двумерных систем прямых конкурентов у нас пока не было, но, скорее всего, они появятся уже в ближайшем будущем. Своей работой мы фактически показали уровень задач, которые можем решать. Исключительно важен сам факт создания исправно работающей установки, где можно приготавливать и изучать газ Ферми-атомов. Наша группа продолжает работать, и мы не ограничиваем область своих интересов только двумерными системами.

Источник

Что на самом деле случилось с Гольфстримом?

Не стихают слухи об ослаблении Гольфстрима, которое происходит то ли из-за утечки нефти в Мексиканском заливе, то ли из-за сильного таяния арктических льдов, и о том, что это грозит нам неслыханными климатическими катастрофами, вплоть до наступления нового ледникового периода. В редакцию приходят письма с просьбой разъяснить,действительно ли тёплое течение скоро исчезнет. На вопросы читателей отвечает кандидат физико-математических наук Евгений Володин, ведущий научный сотрудник Института вычислительной математики РАН.

Гольфстрим—это тёплое течение в Мексиканском заливе, которое огибает Флориду, течёт вдоль восточного побережья США примерно до 37-го градуса с.ш. и затем отрывается от побережья на восток. Подобные течения существуют и в Тихом океане—Куросио, и в Южном полушарии. Уникальность же Гольфстрима состоит в том, что после отрыва от американского берега он не поворачивает обратно в субтропики, а частично проникает в высокие широты, где уже называется Северо-Атлантическим течением. Именно благодаря ему на севере Атлантики температура на 5—10градусов выше, чем на аналогичных широтах в Тихом океане или в Южном полушарии. По этой же причине Северное полушарие в целом немного теплее Южного.

Первопричина такой необычности Северной Атлантики состоит в том, что воды над Атлантическим океаном испаряется немного больше, чем выпадает в виде осадков. Над Тихим океаном, наоборот, осадки немного преобладают над испарением. Поэтому в Атлантике вода в среднем несколько солонее, чем в Тихом океане, а значит, тяжелее, чем более пресная тихоокеанская, и потому она стремится опуститься на дно. Особенно интенсивно это происходит на севере Атлантики, где солёную воду утяжеляет ещё и охлаждение на поверхности. На место опустившейся в глубину воды в северную Атлантику приходит вода с юга, это и есть Северо-Атлантическое течение.

Таким образом, причины, обуславливающие Северо-Атлантическое течение, глобальны, и вряд ли на них может существенно повлиять такое локальное событие, как разлив нефти в Мексиканском заливе. По самым пессимистическим оценкам, площадь нефтяного пятна составляет сто тысяч квадратных километров, в то время как площадь Атлантического океана чуть меньше ста миллионов квадратных километров (то есть в тысячу раз больше пятна). Согласно данным атмосферного реанализа NCEP (National Centers for EnvironmentalPrediction, США)—синтезированным данным спутников, станций наземных наблюдений, зондирований,«усвоенных»моделью динамики атмосферы (atmospheric model of NCEP’s Global Forecast System— GFS),с тёплыми течениями Северной Атлантики ничего страшного пока не случилось. Взгляните на карту, составленную на основе этих данных (рис. 1). В сентябре—ноябре 2010 года отклонение температуры поверхности в Мексиканском заливе, а также в той части Атлантики, где проходят Гольфстрим и Северо-Атлантическое течение, отсреднего значения в те же месяцы 1970—2009годов не превышает одного градуса Цельсия. Лишь на северо-западе Атлантики, в области холодного Лабрадорского течения, эти аномалии достигают двух-трёх градусов.Но и такая величина сезонных аномалий вполне обычна и наблюдается в том или ином регионе почти ежегодно.

Не подтверждаются и сообщения о том, что Гольфстрим между 76 и 47 меридианами в 2010 году стал холоднее на 10 градусов Цельсия. Как следует из данных GODAS¹(Global Ocean Data Assimilation System—система усвоения всех имеющихся данных наблюдений—спутников, кораблей, буёв и т.д.—с использованием модели динамики океана), средняя температура поверхности океана в июне 2010 года между примерно 40 и 70 градусами з.д. была ниже, чем в июне 2009 года, всего на один-два градуса и лишь в одном месте—почти на три градуса (рис. 2). Но такие аномалии температуры вполне укладываются в рамки естественной изменчивости. Обычно они сопровождаются«отклонениями»другого знака в соседних районах океана, что и происходило летом 2010 года, согласно данным GODAS. Так что если их усреднить по всей северной Атлантике, то среднее температурное отклонение было близко к нулю. К тому же такие явления живут обычно несколько месяцев, и осенью отрицательная аномалия уже не прослеживалась (рис. 3).

Существование Гольфстрима хорошо подтверждают и данные GODAS по горизонтальным скоростям течения на глубине 50 м, осреднённые за июнь 2010 года. Карта, составленная наоснове этих данных (рис. 4), показывает, что Гольфстрим, как и всегда, течёт через Мексиканский залив, вокруг Флориды и вдоль восточного берега США. Затем он отрывается от берега, становится шире, одновременно скорость течения падает (как и должно быть), то есть не прослеживается ничего необычного. Примерно так же, по данным GODAS,Гольфстрим течёт и в другие месяцы 2010 года. Отметим, что 50 м—наиболее характерная глубина, на которой Гольфстрим виден лучше всего. Скажем, поверхностные течения могут отличаться от тех, что на глубине 50 м, чаще всего из-за влияния ветра.

Впрочем, в истории были случаи, когда происходили события, аналогичные тем, что описываются в распространённых сейчас«страшилках».Последнее такое событие произошло около 14 тысяч лет назад. Тогда заканчивался ледниковый период, и на территории Северной Америки из растаявшего льда образовалось огромное озеро, запруженное ещё не растаявшим ледником. Но лёд продолжал таять, и в какой-то момент вода из озера начала вытекать в Северную Атлантику, распресняяеё и тем самым препятствуя опусканию воды и Северо-Атлантическому течению. В результате в Европе заметно похолодало, особенно зимой. Но тогда, по существующим оценкам, воздействие на климатическую систему было огромным, ведь поток пресной воды составлял около 10⁶м³/с. Это более чем на порядок превышает, например, современный сток всех российских рек.

Ещё один важный момент, который хотелось бы подчеркнуть: среднесезонные аномалии атмосферной циркуляции в умеренных широтах в очень небольшой степени зависят отаномалий температуры поверхности океана, в том числе и такие крупные, какие наблюдались этим летом в Европейской России. Специалисты по сезонному прогнозу погодыутверждают, что лишь 10—30%отклонений от«нормы»среднесезонной температуры в каком-либо пункте на территории России обусловлены аномалиями температуры поверхности океана, а остальные 70—90%—результат естественной изменчивости атмосферы, первопричина которой неодинаковое нагревание высоких и низких широт и предсказать которую на срок более двух-трёх недель практически невозможно (см. также«Наука и жизнь»№ 12, 2010 г.).

Именно поэтому считать наблюдавшиеся аномалии погоды в Европе летом 2010 года или ещё в какой-либо сезон результатом лишь влияния океана ошибочно. Если бы это былотак, сезонные или месячные отклонения погоды от«нормы»легко бы предсказывались, поскольку крупные аномалии температуры океана, как правило, инерционны и живут не меньше нескольких месяцев. Но пока хороший сезонный прогноз погоды не удаётся ни одному прогностическому центру в мире.

Если же говорить конкретно о причинах аномалии лета 2010 года в России, то она была вызвана взаимодействием двух случайно совпавших факторов: блокирующего антициклона, который обусловил перенос воздуха в центральные области России преимущественно с востока—юго-востока, и почвенной засухи в Поволжье и Предуралье, что позволило распространяющемуся воздуху не тратить тепло на испарение воды с поверхности. В результатеповышение температуры воздуха у поверхности получилось действительно беспрецедентным за весь период наблюдений. Однако вероятность возникновения блокирующегоантициклона и почвенной засухи в Поволжье мало зависит от аномалий температуры поверхности океана, в том числе и в районе Гольфстрима.

Комментарии к статье

¹Данные GODAS можно свободно скачать с сайтаhttp://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.godas.html.

Источник

Стипендия Университета Упсала (Швеция) для молодых ученых

Факультет физики и астрономии университета Упсала объявил конкурсный отбор аспирантов (PhD student) для работы в группе исследователей, участвующих в эксперименте ATLASна Большом Адронном Коллайдере (LHC).

ATLAS -один из четырех основных экспериментов на Большом Адронном Коллайдере в европейской организации ядерных исследований ЦЕРН в Женеве. Эксперимент проводится на одноимённом детекторе, предназначенном для исследования протон-протонных столкновений. Эксперимент предназначен для поиска сверхтяжелых элементарных частиц, таких, например, как бозон Хиггса. (Основной научный интерес группы ATLAS в университете Упсала–поиск заряженного бозона Хиггса). Всего в проекте ATLAS участвуют около 2000 ученых и инженеров из 165 лабораторий и университетов из 35 стран, в том числе и из России.

Группа ATLAS в Университете Упсала–подразделение группы физики высоких энергий факультета физики и астрономии. Подробная информация опубликована на сайте группыwww4.tsl.uu.se/~Atlas/index.html

Для работы в группе необходим квалифицированный и высокомотивированный исследователь, специализирующийся в экспериментальной физике и в методах программной обработки данных (C++ и ROOT). Его работа будет состоять в анализе данных, полученных в эксперименте ATLAS и участии в разработке методов распределенного анализа данных (ГРИД), необходимых для подобных вычислений.

Стипендия выделяется на четыре года, с возможностью продления до 5 лет.

Крайний срок подачи заявки–29апреля 2011 года.

Контактная информация:
Mattias Ellert, Ph. +46-(0)70-4250545mattias.ellert@physics.uu.se
Tord Ekelöf, Ph. +46-(0)70-4250210tord.ekelof@physics.uu.se.

Форма заявки здесь:PhD student position within the ATLAS experiment

Перевод сообщения выполнен сотрудниками ИК"НТ-ИНФОРМ" (www.rsci.ru).
При использовании перевода обязательна гиперссылка на данную публикацию в"НТ-ИНФОРМ".
Адрес публикации в Интернет http://www.rsci.ru/grants/grant_news/284/229126.php

Источник

IIМеждународная научная конференция молодых ученых «Физика низких температур»

6июня 2011 г. — 10 июня 2011 г., срок заявок: 4 апреля 2011 г. Украина, Харьков.

Совет молодых ученых Физико-технического института низких температур им. Б.И. Веркина Национальной академии наук Украины сообщает о проведении 2-й международной научной конференции молодых ученых«Физика низких температур»,которая состоится 6– 10июня 2011 года.

Тематика конференции охватывает физику низких и сверхнизких температур, физику твердого тела, нанофизику и нанотехнологии (включая нанобиофизику) при низких температурах, низкотемпературные физико-технические проблемы материаловедения; cовременные аспекты математики.

Для участия в конференции приглашаются студенты, аспиранты, молодые преподаватели и научные сотрудники возрастом до 35 лет, занимающиеся научными исследованиямив области экспериментальной и теоретической физики, а также математики. На пленарных заседаниях конференции выступят приглашенные ведущие иностранные и украинские ученые.

Конференция проводится ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАН Украины при поддержке Национальной академии наук Украины, профсоюзного комитета ФТИНТ НАН Украины и студенческих организаций: IRE-OSA (Optical Society of America), IRE-SPIE (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineering), IEEE Magnetics Society Student Chapter и MTTs-Student Chapter.

Регламент работы конференции
Место проведения–Украина, г. Харьков 61103, пр. Ленина, 47, Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины.

Язык–английский язык для тезисов, оформления презентаций и постеров; английский, украинский, русский для представления доклада.

Формы участия–устный доклад (15 минутная презентация на мультимедийном проекторе), стендовый доклад (стенд формата А1).

Материалы конференции–публикация тезисов докладов.

Участие в конференции–для включения в программу конференции Ваших материалов и получения приглашения Вам необходимо подать в Оргкомитет заявку на участие в работе конференции и тексттезисов доклада. Тезисы доклада будут прорецензированы программным комитетом. По результатам конференции авторы лучших докладов будут отмечены Оргкомитетом, атакже им будет предоставлена возможность подготовить статью для публикации в журнале«Физика низких температур» (ФНТ). После объявления решения программного комитета в течение месяца необходимо прислать статью в редакцию журнала ФНТ с учетом всех требований журнала http://fntr.ilt.kharkov.ua/pravila.pdf.

Регистрацию можно пройти непосредственно на сайте конференции , либо заявку на регистрацию и текст тезисов прислать электронной почтой на адрес оргкомитета kmu2011@ilt.kharkov.ua. В поле'Тема' (Subject)укажите свою фамилию, имя и номер тематики доклада (см. Тематику конференции), например ivanov_ivan_5.

Организационный взнос составляет для зарубежных участников эквивалент 35 Евро по курсу Национального банка Украины и 100 грн. для граждан Украины. Оргвзнос оплачивается непосредственно во время регистрации на конференции.

Последний день подачи заявки:4апреля 2011 г.

Организаторы:Физико-технический институт низких температур им. Б.И.Веркина, Национальной академии наук Украины, Украина, Харьков

Контактная информация:Украина, г. Харьков 61103, пр. Ленина, 47, ФТИНТ НАН Украины. Яготинцев Константин–председатель, тел.: +380 57 3410955; Юзефович Ольга–зам. председателя, тел.: +380 66 2299220 (MTS); Савина Юлия–секретарь, тел.: +380 98 0640948 (Kyivstar). E-mail: kmu2011@ilt.kharkov.ua

Эл. почта:kmu2011@ilt.kharkov.ua

Информацию предоставил: Ольга Юзефович(26марта 2011 г.)

Подробнее о конференции

Источник

Материя убегает из черной дыры по магнитным каналам

Гамма-телескоп"Интеграл"Европейского космического агентства, работающий в космосе уже 8 лет, обнаружил вокруг одной из черных дыр сверхперегретый газ, с почти световой скоростью убегающийот смертельной ловушки, в которую он чуть было не попал. Астрономы, наблюдавшие это явление, утверждают, что до того как пропасть в черной дыре материи оставалась буквально миллисекунда.

Эта черная дыра– Cygnus X-1 -находится в созвездии Лебедя и притягивает газ находящейся поблизости звезды-супергиганта, разрывая ее в клочья. С помощью"Интеграла"астрономы выяснили, что вблизи горизонта событий, буквально в нескольких сотнях километров от поверхности черной дыры существует настолько сильное магнитное поле, что оно захватывает собой часть падающего в дыру вещества и выталкивает его прочь по спиральной траектории. Это поле обнаружено впервые. Оно создает высоко-поляризованные магнитные каналы спасая обреченное вещество.

Струи этого сверхперегретого газа были обнаружены"Интегралом"благодаря гамма-излучению, ими испускаемому. По спектру этого излучения ученые определили скорость потока, по типу поляризации выяснили, что поток спирален. Но это было очень непросто.

"Для того, чтобы понять ситуацию, - утверждает глава проекта"Интеграл"Филипп Лоран (Philippe Laurent) из французского Института исследований фундаментальных законов Вселенной, - нам понадобились почти все данные наблюдений за этим сегментом неба, сделанные нашим гамма-телескопом".

"Почти все"–это значит пять миллионов секунд наблюдений за созвездием Лебедя, сделанных"Интегралом"за семь лет. Поляризацию сигнала они восстанавливали из почти незаметных крох информации.

Однако ученым до сих пор непонятно, каким образом падающее на черную дыру вещество собирается в струи, мчащиеся в обратную сторону, преодолевающие огромную гравитацию такой невероятно близкой черной дыры.

Источник

Физики «перевернули» оптический эффект Доплера

Доплеровский эффект (открытый в 1842 году Христианом Доплером) описывает изменение частоты волны при относительном движении наблюдателя и источника волны. Если речьидет о звуковой волне, например, от приближающего поезда, то ее частота растет по мере приближения, когда же поезд удаляется, частота уменьшается. Так и со светом. Когда объект и наблюдатель приближаются друг к другу, частота световой волны увеличивается (от красного до голубого), и, наоборот, если они удаляются, частота уменьшается.

Возможность существования обратного эффекта Доплера в особых средах предсказал советский ученый Виктор Веселаго. Несколько лет назад ученые наблюдали его проявления в радиочастотных волнах, и, наконец, - впервые в оптическом диапазоне.

Для демонстрации необычного эффекта исследователи из Австралии и Китая вырастили наноструктурный кристалл из кремния, уникальную фотонную суперпризму с отрицательным коэффициентом преломления. Направляя лазерный луч на призму и изменяя расстояние между ней и детектором, ученым удалось зарегистрировать обратный эффектДоплера, когда при приближении объектов свет«краснеет»,а при удалении«синеет».

Мы смогли«перевернуть»это природное явление благодаря созданию искусственного материала с отрицательным показателем преломления, объясняет профессор Мин Гу (Min Gu), директор австралийского Центра микрофотоники (Swinburne’s Centre for Micro-Photonics).Если стандартный эффект Доплера давно используют в астрономии, биодиагностике, медицине и радарах, то обратный эффект Допплера может в будущем привести к разработке новых технологий, например, созданию«шапки-невидимки».

Автор: Ольга Баклицкая
Источник: www.nkj.ru

Источник

Стипендии для аспирантов в IMEC (Бельгия)

Бельгийский исследовательский центр IMEC приглашает молодых специалистов с магистерской степенью (в физике, химии, биологии, биотехнологиях, инженерных дисциплинах) в аспирантуру.

В научно-иследовательском центре IMEC на высоком мировом уровне проводятся научные исследования в области наноэлектроники, нанотехнологий. Разработки института успешно применяются в здравоохранении, электронике, энергетике, на транспорте.

Тематика исследовательских проектов, предлагаемых потенциальным аспирантам, перечислена на сайте IMEC и доступна по ссылкам:
PhD areas of Process Technology
PhD areas of Smart Systems and Energy Technology

Крайний срок подачи заявок отсутствует,все заявки обрабатываются по мере поступления.

Форма заявки представлена насайте IMEC.

К заявке необходимо приложить следующие документы:

• Резюме;
• Мотивационное письмо;
• Копии дипломов (бакалавра и магистра). Если магистерский диплом еще не получен, то его можно отправить позже, после получения;
• Английский перевод дипломов бакалавра и магистра;
• По меньшей мере два рекомендательных письма;
• Для претендентов из стран, не входящих в ЕС: копии сертификатов GRE и TOEFL (или IELTS)

Заявка и все необходимые документы следует отправить электронной почтой по адресу: phd@imec.be.

Необходимо также отправить все перечисленные документы обычной почтой по адресу:
imec, att. of Mrs. Chantal Deboes, Kapeldreef 75, 3001 Leuven, Belgium

Желательно, чтобы рекомендательные письма были отправлены самими рекомендателями на адрес phd@imec.be или отдельным отправлением обычной почтой. Заявления будут рассматриваться только после того, как в imec будут получены все необходимые документы.

Особые требования: если магистерский диплом получен в стране, не входящей в ЕС, то необходимо сдать вступительный экзамен в аспирантуру (pre-doctoral exam). Сданный экзаменподтвердит эквивалентность магистерского диплома претендента бельгийскому магистерскому диплому.

С вопросами обращайтесь по адресу phd@imec.be

Подробная информация опубликована насайте IMEC

Перевод сообщения выполнен сотрудниками ИК"НТ-ИНФОРМ" (www.rsci.ru).
При использовании перевода обязательна гиперссылка на данную публикацию в"НТ-ИНФОРМ".
Адрес публикации в Интернет http://www.rsci.ru/grants/grant_news/284/229109.php

Источник

Удалось впервые получить ядро изотопа антигелия-4

Физикам из группы STAR, работающим с релятивистским коллайдером тяжелых ионов RHIC, расположенным в Брукхейвенской национальной лаборатории, удалось впервые получитьядро изотопа антигелия-4. Статья ученых пока не принята к публикации.

В рамках исследования ученые сталкивали ионы золота с энергией в 300 гигаэлектронвольт. В общей сложности ими был проведен анализ миллиарда подобных событий (то есть столкновений ионов), в результате которого им удалось достоверно зарегистрировать появление 18 ядер антигелия-4, то есть элементарной частицы состоящей из двухантипротонов и двух антинейтронов.

Впервые антигелий (речь идет об антигелии-3) был получен советскими учеными в 70-х годах прошлого века. Двойник этого элемента - гелий-4 - на Земле является самым распространенным изотопом этого элемента.

По словам исследователей, в рамках их опыта антигелий получался в количествах, которые хорошо согласуются с теоретическими результатами. Из этого, в частности, ученые делают два вывода. Во-первых, появления новых видов антигелия в ближайшее время ожидать не стоит - по расчетам, у современных ускорителей для этого не хватит мощности.

Во-вторых, обнаружение подобного антиэлемента в космосе будет означать, что, либо в космосе существуют другие, неизвестные человечеству схемы получения антиматерии, либо эта антиматерия осталась после образования Вселенной. Для поиска подобных частиц предлагается использовать, например, альфа-магнитный спектрометр AMS, который"Индевор"доставит на Международную космическую станцию.

По материалам:Lenta.ru

Источник

Когда ниобий становится сверхпроводящим, коэффициент трения для него уменьшается в три раза

Несмотря на кажущуюся простоту, трение остается дискуссионной и плохо изученной проблемой. В частности, отсутствие ясной взаимосвязи между трением на микро- и макроскопическом уровне не позволяет вывести фундаментальный закон, позволяющий одинаково правильно описывать это явление на разных масштабах. Команда ученых из Швейцарии и Испании, изучив взаимодействие кремниевой иглы атомно-силового микроскопа с ниобиевой пленкой, установила, что, когда ниобий становится сверхпроводящим, коэффициент трения для него уменьшается в три раза. Результаты проведенных исследований в дальнейшем могут прояснить природу возникновения трения и помочь в установлении универсального закона.

Трение присутствует в громадном количестве физических систем и играет центральную роль в явлениях, происходящих на самых разных уровнях —от нано- и микроустройств до землетрясений и других глобальными процессов. Несмотря на практическую и фундаментальную значимость трения и большое количество исследований, проводимых в этой области, истинные причины возникновения трения не поняты до сих пор.

Рис. 1. (a) Пример макроскопического трения: книга, скользящая по столу (N —сила реакции опоры, действующая со стороны книги). (b) Микроскопическое трение: несовершенство поверхностей двух тел приводит к появлению микроконтактов или шероховатостей, благодаря которым и рождается трение.©Обычный атомно-силовой микроскоп состоит из маленького чувствительного датчика силы или кантилевера с иглой. По мере движения иглы по шероховатой поверхности вещества возникают нормальные (перпендикулярные направлению движения) и поперечные силы, заставляющие кантилевер гнуться и изгибаться. Смещение кантилевера детектируется лазерным лучом, отражающимся от его поверхности и попадающим на специальный чувствительный фотодиод. Кантилевер с иглой атомно-силового микроскопа —хорошая модель, имитирующая взаимодействие отдельно взятой шероховатости со всей поверхностью. Рисунок с сайта physics.leidenuniv.nl.

Казалось бы, что сложного в таком обыденном явлении? Школьный курс физики гласит, что сила трения между двумя телами пропорциональна силе давления, которое они оказывают друг на друга, или силе реакции опоры. Безразмерный коэффициент пропорциональности —это коэффициент трения. Приведенное соотношение формально известно как закон Амонтона—Кулона, названный в честь ученых, получивших его экспериментальным путем в 1699-м и 1785 годах соответственно. Справедливости ради надо сказать, что на самом деле этот закон эмпирически вывел на три столетия раньше Леонардо да Винчи.

Трение на макро- и микроуровне

Закон Амонтона—Кулона подходит для описания силы трения между телами из разных материалов и разной геометрической формы, однако ничего по-настоящему фундаментального, что моглобы прояснить«истоки»трения, из него извлечь не получится. Более того, при продвижении в микроскопическую область закон Амонтона—Кулона перестает выполняться, потому что сила трения начинает зависеть от площади соприкасающихся поверхностей, от относительной скорости их движения и, помимо этого, уже нелинейным образом связана с силой реакции опоры.

Это можно проиллюстрировать следующим примером. Предположим, что по поверхности стола скользит книга (рис. 1a). Если«присмотреться»к контактирующим поверхностям книги и стола, то обнаружится, что кажущиеся гладкими поверхности на самом деле обладают микроскопическими впадинами и возвышенностями (рис. 1b). Получается, что истинный контакт двух тел происходит через множество микроскопических контактов или шероховатостей. В действительности контакт микроскопических шероховатостей —это взаимодействие группы атомов, каждая из которых может состоять из нескольких десятков, сотен и более атомов. Поэтому увеличение силы давления не только вовлекает в эти объединения новые атомы, что отражается в виде роста площади шероховатостей, но и провоцирует соприкосновение других шероховатостей. В конечном итоге происходит увеличение суммарной площади контактирующих поверхностей и, соответственно, увеличивается сила трения. Очевидно, что этот факт никак не учитывается в макроскопическом законе Амонтона—Кулона.

При скольжении книги по столу изучить в динамике силу трения очень сложно, поскольку невозможно проследить за поведением каждой шероховатости в отдельности из-заих большого количества. Поэтому было бы здорово для начала исследовать трение в системе, состоящей из одной или двух шероховатостей с маленькой силой реакции со стороны поверхности (чтобы не вызвать механическое разрушение шероховатости). Накопленный в ходе таких экспериментов материал мог бы помочь установить настоящийзакон трения, который бы выполнялся не только в макро-, но и в микроскопических системах.

С изобретением в 1986 году атомно-силового микроскопа стало возможным исследовать поверхности материалов на недостижимых ранее масштабах. Теперь ученые могли получать изображения поверхностной структуры вещества с атомным разрешением и измерять силы порядка наноньютона и меньше. Вместе с этим стало понятно, что главный элемент атомно-силового микроскопа —кантилевер с микроскопической иглойна конце (рис. 1c) —при своем движении по поверхности вещества может служить реальной моделью возникновения трения в системе с одиночным контактом (шероховатостью) и с очень малой силой реакции опоры (рис. 2).

Рис. 2. Схема типичного эксперимента по изучению трения в наномасштабе: игла атомно-силового микроскопа двигается по поверхности материала. Фиолетовые и зеленые шары обозначают атомы соприкасающихся веществ —соответственно, поверхности и иглы. Сила трения между иглой и поверхностью зависит от площади контакта (contact size dependence), силы давления иглы на поверхность, она же сила реакции опоры (normal force dependence), направления движения иглы (directional dependence: anisotropy), температуры поверхности и скорости перемещения иглы (temperature/velocity dependence) и структурыкристаллической решетки поверхности или расположения атомов вдоль основных кристаллографических направлений (crystallography dependence). Черная стрелка показывает направление приложения силы, красные стрелки —возможные направления движения и вращения иглы по отношению к поверхности. Рисунок из статьи M. Urbakh и E. Meyer. The renaissance of friction // Nature Materials, 2010. V. 9. P. 8–10.

С этого момента исследование трения переместилось на атомарный уровень, а сама наука о силе трения получила приставку«нано-»,превратившись внанотрибологию.

Неконтактное трение

Дальше —больше. В конце 90-х годов прошлого века —начале нынешнего была опубликована серия экспериментальных работ, в которых было показано, что сила трения рождается не только при непосредственном соприкосновении двух тел, но и когда они разделены небольшим расстоянием,составляющим несколько нанометров.Такое неконтактное трение ученые измерили, наблюдая затухание колебаний кантилевера атомно-силового микроскопа, расположенного вблизи поверхности.

Отсюда вопрос:как возникает неконтактное трение и как оно соотносится с«традиционным»,контактным трением?

В неконтактном режиме тела в системе (игла микроскопа —поверхность) разделены промежутком, который не позволяет атомам, электронам или другим частицам с ненулевой массой перескакивать с одного объекта на другой, то есть никакого взаимодействия, а значит, и трения вроде быть не должно. Всё верно, однако никуда не делось электромагнитное поле, которое возникает из-за структурныхнеоднородностей объектов (в данном случае —иглы микроскопа и поверхности) в виде дефектов, создающих некомпенсированные электрические заряды. Это электростатическое трение. Свой вклад вносят также температурные и квантовые флуктуации электрических токов, возникающие при движениизаряженных частиц.

Этован-дер-ваальсово трение(те же температурные и квантовые флуктуации ответственны за возникновение межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса). Электростатическое и ван-дер-ваальсово трение вместе образуют электронное трение.

Наконец, колебания иглы микроскопа возмущают близлежащие участки кристаллической решетки поверхности, генерируя на ее поверхности акустические волны. Эта разновидность трения называетсяфононное трение,поскольку переносчики этих акустических волн (или кванты колебаний кристаллической решетки) —квазичастицы фононы. Получается, неконтактное трение имеет двойную природу: электронное трение (электростатическое плюс ван-дер-ваальсово) и фононное.

Заметим, что контактное трение по своей сути не отличается от неконтактного и имеет те же две электронные и фононные составляющие. Но как соотносятся меду собой эти две компоненты? Равноправны ли они? Или одно слагаемое доминирует над другим? Поиском ответов на эти вопросы и занимаются сейчас на переднем крае нанотрибологии.

Трение и сверхпроводимость

Неожиданно оказалось, что прояснить ситуацию помогает явление сверхпроводимости.

Напомним, что главная и единственная причина, по которой металл оказывается сверхпроводником, заключается в формировании в нём пар из электронов проводимости, или куперовских пар, при температуре ниже определенного предела (критической температуры). Парное объединение электронов проводимости приводит к тому, что они начинают вести себя как единое целое. Иными словами, электроны теряют свою индивидуальность и формируют единый«организм».Благодаря этому единству электроны бездиссипативно, то есть без потерь энергии, двигаются через кристаллическую решетку, игнорируя ее сопротивление.

Значит, если электроны становятся невосприимчивы к препятствиям на своем пути, они не будут реагировать и на внешний раздражитель в виде иглы микроскопа. Следовательно, в системе«игла кантилевера —сверхпроводящая поверхность»вклад в трение будет давать лишь фононная часть, а электронная будет равна нулю. Из этого можно будет понять, насколько велика фононная компонента трения.

Разумеется, эксперименты подобного рода уже проводились, но, как это иногда бывает, вступали в противоречие друг с другом и грешили неточностями. Поэтому необходим был корректный эксперимент, который бы внес ясность в вопрос об изменении коэффициента трения при переходе вещества из нормального состояния в сверхпроводящееи прояснил бы вклад каждой из двух составляющих.

Такой эксперимент был проведен группой ученых из Швейцарии и Испании под руководством известного специалиста в областинанотрибологииЭрнста Мейера. Результаты своих исследований они опубликовали в статьеSuppression of electronic friction on Nb films in the superconducting state,вышедшей в январском номере журнала Nature Materials (в открытом доступе статья находится здесь, PDF, 572 Кб). Ученые измеряли силу трения между остройкремниевой иглой атомно-силового микроскопаипленкой ниобия(рис. 3). Очень чувствительный кантилевер с иглой совершал колебания на расстоянии, которое варьировалось практически от нуля до 3 нм. Сила трения измерялась в температурном диапазоне в 7 К вокруг критической температуры ниобия (9,2 К). Эксперимент проводился в условиях сверхвысокого вакуума (10^–11 атм.).

Рис. 3. Топография (рельеф поверхности) пленки ниобия, задействованной в эксперименте. Размер пленки 1 × 1 мкм. Снимок получен с помощью атомно-силового микроскопа. В верхней части рисунка —схематическое изображение иглы атомно-силового микроскопа и его снимок в правой части, полученный сканирующим электронным микроскопом. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Materials.

По затуханию колебаний кантилевера —точнее, по скорости диссипации энергии —ученые определили, как меняется коэффициент трения между кремниевой иглой и ниобиевой пленкой в зависимости от температуры и расстояния между ними.

Уточним, чтоизмеренный коэффициент трения —это не тот безразмерный коэффициент пропорциональности, фигурирующий в законе Амонтона—Кулона. Здесь это размерная величина (кг/с), являющаяся аналогом коэффициента затухания в уравнении, которое описывает колебания маятника с учетом существующего сопротивления (трение в точке подвеса маятника, сопротивление среды, в которой он колеблется и т. п.). Несмотря на эти различия в размерности не стоит думать, что проведенные эксперименты регистрировали какую-то«особую»силу трения. Обе характеристики в равной степени позволяют судить о характере силы трения при изменении температуры и расстояния.

Зависимость коэффициента трения от температуры показана на рис. 4. Приведенный график соответствует расстоянию между иглой ипленкой ниобия 0,5 нм.

Рис. 4. Температурное изменение коэффициента трения при переходе через критическую температуру (Tc = 9,2 К) для ниобия. Красные квадраты соответствуют данным, взятым из эксперимента. Зеленая кривая —это теоретическая зависимость коэффициента трения, рассчитанная на основе микроскопической теории сверхпроводимости (теории БКШ). Расстояние между кремниевой иглой атомно-силового микроскопа и пленкой ниобия равно 0,5 нм. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Materials.

Видно, что понижение температуры и переход ниобия в сверхпроводящее состояние (T/Tc< 1)вызывает приблизительно троекратное уменьшение коэффициента трения, имевшего в нормальном состоянии постоянное значение. На основании этого уменьшения авторы статьи делают вывод, что у вещества в сверхпроводящем состоянии трение возникает лишь за счет фононов, а электронный вклад начинает подавляться.

Чтобы выяснить, как с расстоянием меняется электронный и фононный вклад в трение, ученые измерили соответствующую зависимость коэффициента трения для пленки, находящейся сначала в нормальном состоянии, а затем в сверхпроводящем (при температуре около 5 К, то есть почти в два раза меньше Tc для ниобия).

Рис. 5. Зависимость коэффициента трения от расстояния для нормального (зеленые ромбы) и сверхпроводящего (красные квадраты) состояния пленки ниобия. Сплошные линии представляют собой попытку приближенно описать характер изменения коэффициента трения с увеличением расстояния (в нанометрах). Для нормального ниобия эта зависимостьобратно пропорциональна расстоянию d, для сверхпроводящего —обратно пропорциональна d в степени 3,8. На вставке в правом верхнем углу те же кривые показаны в логарифмическом масштабе. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Materials.

Судя по тому, как быстро падает красная кривая (рис. 5), характеризующая зависимость коэффициента трения от расстояния длясверхпроводящего ниобия,и как относительно медленно ведет себя аналогичная зависимость (зеленая кривая) для нормального состояния, несложно понять, что доминирующей частью трения является его электронная компонента. Кроме того, если еще раз посмотреть на скорость уменьшения коэффициента трения с понижением температуры (рис. 4), то надо сказать, чтоэлектронное трение хоть и подавляется, но всё же вносит свою лепту в суммарное трение при температурах, близких к критической.

Таким образом, эксперименты со всей очевидностью доказывают, что трение главным образом имеет электронную природу при условии, что вещество находится в нормальном состоянии. В сверхпроводящем состоянии вдалеке от критической температуры основным«источником»трения являются фононы.

Источник:Marcin Kisiel, Enrico Gnecco, Urs Gysin, Laurent Marot, Simon Rast, Ernst MeyerSuppression of electronic friction on Nb films in the superconducting state. – Nature Materials. – 2011. – V. 10. – P. 119–122.

Источник

Датчик влажности на основе кристалла селенида индия

Украинские учёные обнаружили, что в результате длительного хранения пластин селенида индия на их поверхности образуется оксид Se2O5. Этот оксид хорошо поглощает влагу из атмосферы. Исследования показали, что с изменением влажности окружающей среды происходит изменение электрической ёмкости структуры. Отслеживая трансформации ёмкости пластины, можно определять уровень влажности в помещении.

Селенид индия InSe–это слоистый полупроводник. Соседние слои в кристалле InSe слабо связаны между собой, и путём скола легко получать пластины с ровной поверхностью, которая практически не поглощает из атмосферы посторонние атомы. Из-за этой особенности покрытие из InSe часто используют в микроэлектронике для защиты поверхности кристаллов кремния.

Однако было замечено, что свойства некоторых полупроводниковых приборов, изготовленных с применением селенида индия, всё-таки изменяются со временем. Уже через 2,5–4года на поверхности подложек селенида индия появляются хаотически расположенные отдельные участки неизвестного оксида. Исследования показали, что химический состав таких плёнок зависит от температуры образования оксида и от времени нахождения InSe в атмосфере воздуха.

Учёные из НАН Украины и Черновицкого национального университета исследовали химический состав оксида, формирующегося на кристаллах селенида индия при их длительном хранении в нормальных условиях. Образовавшаяся плёнка представляет собой оксид селена Se₂O₅с включёнными частицами индия. В работе, опубликованной в последнем номере журнала«Прикладная физика»,учёные обратили внимание на то, что Se₂O₅хорошо поглощает влагу из окружающей среды. Зная электрические свойства такой структуры, можно было бы использовать её в качестве детектора влажности.

Исследование свойств кристалла селенида индия, покрытого оксидной плёнкой, показало, что существует прямая зависимость между электрической ёмкостью структуры истепенью влажности окружающей среды: чем выше уровень относительной влажности воздуха, тем больше электроёмкость структуры. Авторы подчёркивают, что материал быстро реагирует на изменение влажности: после переноса из одних условий в другие новое значение электроёмкости устанавливается в течение двух с половиной минут. Учёные предложили электрическую схему, которая отслеживает изменение ёмкости кристалла, а следовательно, и уровень влажности в помещении.

Исследователи пишут, что структуры, состоящие из InSe и расположенной на нём плёнки оксида, могут применяться как активные элементы датчиков влажности. В будущем учёные планируют разработать методику ускоренного получения плёнок при низких температурах.

Источник информации:

С. И. Драпак, С. В. Гаврилюк, З. Д. Ковалюк, О. С. Литвин«Собственный окисел селенида индия в условиях сорбции паров воды».Прикладная физика, №1, 2011 год.

Источник

Автоматическая межпланетная станция Messenger («Мессенджер»), запущенная 3 августа 2004 года, достигла своей цели

Меркурий – один из самых малоизученных объектов Солнечной системы. До “Мессенджера” к нему приблизился всего один аппарат – “Маринер-10”, три раза пролетевший мимо планеты в 1974-1975 годах.

Дело в том, что Меркурий является одним из самых труднодостижимых объектов Солнечной системы: чтобы перебраться с околоземной на околомеркурианскую орбиту, нужнопогасить значительную часть орбитальной скорости Земли, которая составляет примерно 30 км/с.

Messengerлетел к ближайшей к Солнцу планете по сложной траектории–было выполнено шесть гравитационных маневров у Земли, Венеры и Меркурия. Чтобы выйти на орбиту вокруг планеты,“Мессенджеру”потребовалось 6,5 лет. За это время зонд преодолел 7,9 млрд. км. Следует отметить, что полет к Плутону, гораздо более удаленному, у зонда New Horizons займет лишь немногим больше времени (правда, New Horizons не будет выходить на орбиту Плутона).

Несмотря на то что на дневной стороне Меркурия температура может достигать 450˚С, ученые надеются найти на планете водяной лед. Он мог сохраниться в затененных областях полярных кратеров.

Первые фотографии с орбиты Messenger сделает 29 марта. В этот момент зонд окажется над южным полюсом Меркурия, и на снимках будет видна часть планеты, которую до этого никогда не фотографировали.

Автор: Александр Ильин
Источник: www.nkj.ru

Источник

Исследователи предложили экспериментальную схему, которая позволяет управлять спинами отдельных атомов в оптической решётке

Германские исследователи из Института квантовой оптики им. Макса Планка предложили экспериментальную схему, которая позволяет управлять спинами отдельных атомовв оптической решётке.

Оптическая решётка образуется в результате интерференции лазерных лучей, которые создают потенциальные ямы, расположенные в виде упорядоченного массива. При внесении в такую решётку охлаждённых нейтральных атомов они занимают места в минимумах потенциала. Если глубина ямы не слишком велика, частицы могут перемещаться (засчёт туннельного эффекта) в соседние ячейки решётки; при увеличении глубины они надёжно удерживаются на своих местах.

Вероятно, зафиксированные в решётке атомы можно будет использовать в качестве кубитов квантового компьютера. Если эти проекты реализуются, физикам понадобится методика адресации отдельных ячеек массива, и именно её разработали авторы.

Схема эксперимента (иллюстрация из журнала Nature).

В опыте оптическая решётка с периодом в 532 нм была создана с помощью двух пар встречных лазерных пучков. В неё были загружены ультрахолодные атомы рубидия-87, изначально находившиеся в спиновом состоянии«0».На отдельные частицы направлялось лазерное излучение на длине волны в 787,55 нм, которое несколько изменяло разность энергий двух спиновых состояний. Затем вся решётка облучалась микроволнами, переводившими в состояние«1»только атом с модифицированной разностью энергий.

Повторяя эту процедуру, можно задать любое распределение частиц в решётке. Чтобы оценить результаты, учёные с помощью лазера удаляли из ячеек все атомы, находящиеся в каком-то одном спиновом состоянии, и наблюдали в микроскоп оставшиеся частицы.

Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что адресация работает примерно в 95 процентах случаев.

Разные варианты расположения частиц, остающихся в решётке после«выбивания»атомов в спиновом состоянии«1».Фигуры составлены из 29, 35, 18 и 23 атомов. (Иллюстрация из журнала Nature.)

Полная версия отчёта опубликована в журналеNature;препринтстатьи можно скачать с сайтаarXiv.

Подготовлено по материаламИнститута квантовой оптики им. Макса Планка.

Источник

Физики представили новые данные, уточняющие массу бозона Хиггса

Физики, анализирующие данные, полученные на американском коллайдере Тэватрон, представили новые данные, уточняющие массу бозона Хиггса - частицы, «ответственной»за наличие массы у других элементарных частиц. Новые данные пока не опубликованы в рецензируемом научном журнале. Коротко о работе пишет портал Physics World.

Существование бозона Хиггса было предсказано в рамках Стандартной модели - наиболее общепринятой на сегодня теории, объясняющей природу фундаментальных физических взаимодействий, однако экспериментально она пока не найдена. Физики ищут хиггсовский бозон, анализируя последствия столкновений элементарных частиц в коллайдерах. В таких столкновениях рождаются новые частицы, которые затем каскадно распадаются также с рождением частиц. Одна из частиц, которая, согласно теоретическимрасчетам, может рождаться (и сразу распадаться) в подобных столкновениях - это бозон Хиггса. В зависимости от того, какова масса этой частицы, будут отличаться и каскады ее распада.

К настоящему моменту физики смогли уточнить вероятные значения массы бозона Хиггса и продолжают постепенно сужать возможный диапазон. Анализ новых данных, полученных на детекторах Тэватрона CDF и D0, в совокупности с более ранними результатами позволил ученым исключить интервал масс от 156 до 183 гигаэлектронвольт. Масса хиггсовского бозона не лежит в большей части этого диапазона с вероятностью 95 процентов, но некоторые участки пока исключаются с вероятностью 90 процентов. В июле 2010 года физики с Тэватрона смогли исключить более узкий интервал возможных значений массы бозона Хиггса - от 158 до 175 гигаэлектронвольт. Если сопоставить все эти данные, то наиболее вероятные интервалы, в которые попадает масса бозона, лежат в пределах от 183 до 185 гигаэлектронвольт и от 114 до 156 гигаэлектронвольт.

Большие значения массы хиггсовского бозона означают, что он, с высокой вероятностью, будет распадаться на пары Z- или W-бозонов, и эти события будет достаточно легко зарегистрировать в Большом адронном коллайдере - гигантском ускорителе, который расположен на границе Швейцарии и Франции (одно подобное событие было зарегистрировано в 2010 году). Если же масса бозона Хиггса попадает в нижний диапазон, то при распаде этой частицы, скорее всего, будут образовываться b-кварки, которые трудно"засечь"в БАК на фоне остальных событий.

Недавно специалисты, анализирующие данные, которые были собраны на БАК, представили первые результаты, определяющие массу бозона Хиггса. Согласно выводам специалистов, масса этой частицы не должна располагаться в пределах от 144 до 207 гигаэлектронвольт. С учетом интервалов, полученных учеными с Тэватрона, возможная масса бозона попадает в«окно»,которое предсказывают более экзотические разновидности Стандартной модели.

В воскресенье, 13 марта, на БАК прошли первые в 2011 году столкновения протонов. Во вторник их энергия была доведена до 7 тералектронвольт.

Lenta.ru

Источник

Квантовый эффект способствует передаче информации по классическому каналу с помехами

Физики из Университета Уотерлу (Канада) составили теоретическое описание протокола, в котором квантовое запутывание повышает вероятность успешной передачи бита по классическому каналу, и реализовали такой способ связи в эксперименте.

В девяностых годах было показано, что эффект запутанности квантовых состояний можно использовать для увеличения скорости передачи информации по квантовым каналам с помехами и без помех. Тогда же учёные заключили, что расширить возможности классического канала запутанность не позволяет.

В упомянутых работах, однако, обсуждался стандартный случай многократного использования канала, где нужно снижать«общую»частоту появления ошибок. Канадцы же рассмотрели однократную передачу одного бита, и здесь эффект запутанности, как оказалось, приносит ощутимую выгоду.

Одиночный сеанс связи можно представить в виде игры на показанной ниже доске с четырьмя кнопками, выкрашенными в белый или серый цвет и соединёнными отрезками трёх разных цветов. Игроков, как это принято в криптографии, мы назовём Алисой и Бобом: первая будет отправителем сообщения, а второй—получателем. В простейшем варианте игры Алиса нажимает на одну из кнопок, после чего доска передаётся Бобу, и один из трёх отрезков, примыкающих к выбранной отправителем кнопке, высвечивается. Затем Бобу предлагают указать, какая именно кнопка была нажата; поскольку к каждому отрезку примыкают две кнопки, получателю в любомслучае придётся гадать, и вероятность правильного ответа составляет ровно 0,5.

Игровая доска (иллюстрация Carin Cain).

При изменении правил игры шансы на выигрыш можно заметно увеличить. Пусть Бобу необходимо указать не конкретную кнопку, а её цвет, и до начала игры получатель и отправитель договариваются о том, что нажата будет одна из кнопок, находящихся слева (обмениваются кодом). Задача Боба, очевидно, упрощается: если высвечиваются красные или зелёные отрезки, он безошибочно определяет цвет, так как правые кнопки не рассматриваются, и только в одном варианте из трёх—когда высвечивается синий отрезок—ему приходится угадывать. Вероятность корректного ответа, следовательно, составляет 2/3 + 1/3•1/2,что примерно равно 0,833. В классическом случае и при условии, что игра остаётся азартной, это значение максимально, то есть сразу за ним идёт стопроцентная вероятность.

Теперь рассмотрим квантовую«добавку»к классическому случаю. Здесь отправителю и получателю выдают по одному фотону из запутанной по поляризации пары, и Алиса действует так. Сначала она случайным образом выбирает цвет кнопки, которая будет нажата, и в соответствии с этим устанавливает один из двух возможных базисов для измерений своего фотона. Выполнив измерения, она также получает один из двух возможных результатов, который однозначно определяет кнопку (левую или правую в выбранном ранее ряду). Нажав на неё, Алиса передаёт доску Бобу.

Если высвечивается зелёный отрезок, Боб, которому предстоит угадать цвет нажатой кнопки, сразу даёт верный ответ. В противном случае он должен выбрать базис, основываясь на том, какой из отрезков—красный или синий—высветился, и провести измерение. К примеру, при известном красном отрезке ему интересно узнать, какой из синих примыкает к выбранной кнопке, поскольку эта информация однозначно её идентифицирует.

Преимущество методики заключается в том, что квантовые корреляции позволяют Бобу при измерении в нужном базисе получить верную информацию такого рода с вероятностью, примерно равной 0,854. Общая вероятность корректного ответа будет составлять 1/3 + 2/3•0,854,или 0,902. Квантовое запутывание, таким образом, обеспечивает повышение шансов на целых семь процентов.

Этот результат был подтверждён в эксперименте с запутанными парами фотонов, получаемыми в процессе спонтанного параметрического рассеяния с помощью кристалла титанил-фосфата калия KTiOPO₄.Кристалл обладает нелинейными оптическими свойствами, и фотоны падающего на него лазерного излучения с некоторой вероятностью«расщепляются»на пары меньшей энергии.

Измеренная вероятность корректной передачи бита составила 0,891± 0,002.Это значение, как видим, несколько отличается от теоретического максимума, но разницу легко объяснить неидеальным«качеством»запутанного состояния.

Полная версия отчёта опубликована в журналеPhysical Review Letters;статью можно загрузитьотсюда.

Подготовлено по материаламАмериканского физического общества.

Источник

Оригинальное решение для удобного хранения водорода придумали исследователи из лаборатории Лоуренса в Беркли

Плотная упаковка водорода, безопасная в обращении, может послужить основой для транспорта будущего: работающих за счёт топливных элементов машин с нулевым выхлопом. Теперь такая техника стала чуть ближе к реальности.

Новый композит на снимках с просвечивающего электронного микроскопа (фото National Center for Electron Microscopy).

Оригинальное решение для удобного хранения водорода придумали исследователи из лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab). Они создали недорогой нанокомпозит, который способен с большой скоростью впитывать H₂и отдавать его обратно при умеренном нагреве. Причём содержащийся в композите металл не окисляется и не деградирует со временем.

Ранее в качестве эффективной ёмкости для водорода уже предлагались гидриды металлов в самых различных вариациях, а ещё такая экзотика, как полимерная пена, или, к примеру, соединения аммиака. Ни один вариант массовым не стал.

EurekAlert!информирует:«Новый материал состоит из множества наночастиц металлического магния, распределённых по матрице из полиметилметакрилата.»

Полимерная матрица создаёт барьер для кислорода и паров воды, но в то же время пропускает к магнию водород и выпускает его обратно при необходимости. А нести такой материал может до 4% водорода по весу. Это показал анализ образцов. (Детали экспериментов —в статьев Nature Materials).

 

Схема полимерного нанокомпозита и его взаимодействие с водородом (фото Jeff Urban).

Если разработка лаборатории в Беркли будет доведена до конвейера, она должна быть хорошо воспринята в энергетике и на транспорте. Ведь ныне те немногие автомобили, что уже работают на водороде, несут его с собой либо в сжиженном виде при криогенных температурах, либо как газ, находящийся под большим давлением. Оба варианта —явно не самые безопасные и удобные.

Источник

Астрономы из США, Канады и Франции отыскали нового кандидата на звание самого холодного коричневого карлика

Составляя план наблюдений, учёные ориентировались на опубликованные в прошлом году данные поиска ультрахолодных коричневых карликов с использованием Канадско-франко-гавайского телескопа. В этой работе был выделен объект CFBDSIR J1458+1013, температуру которого тогда оценили в 550–600 К.

Исследовать его более тщательно помогла система адаптивной оптики 10-метрового телескопа Кек II. Проведя два сеанса наблюдений (в мае и июле 2010-го) и обработав полученные результаты, авторы обнаружили, что за обозначением CFBDSIR J1458+1013 скрывается тесная двойная. Расстояние между ней и Землёй было оценено в 23,1± 2,4пк.

Вид CFBDSIR J1458+1013 при наблюдении с использованием фильтров с разной центральной длиной волны: J— 1,25, CH4s— 1,592, H— 1,64, K— 2,20мкм (иллюстрация из Astrophysical Journal).

Наибольший интерес представляет второй компонент двойной системы, CFBDSIR J1458+1013B. Он имеет рекордно низкую болометрическую (учитывающую излучение во всех диапазонах) светимость, равную 2•10^-7солнечной, а сравнение его параметров с характеристиками других тусклых коричневых карликов и результатами моделирования позволяет предположить, что температура этого объекта составляет лишь 370± 40К. Комнатную температуру, напомним, обычно принимают равной 300 К.

Масса CFBDSIR J1458+1013B также чрезвычайно мала и должна попадать в интервал от 6 до 15 юпитерианских. Этот диапазон вполне доступен для экзопланет.

По словам астрономов, необычный коричневый карлик становится реальным кандидатом на роль ультрахолодного объекта спектрального класса Y, существующего пока только в теории. О другом кандидате, который имеет чуть более высокую температуру и обозначается как UGPSJ0722-05.

Полная версия отчёта будет опубликована в изданииAstrophysical Journal;препринтстатьи можно загрузить с сайтаarXiv.

Подготовлено по материаламDiscovery News.

Источник

Международная группа астрономов тщательно изучила CL J1449+0856, самое удалённое из известных зрелых скоплений галактик

Этот объект был замечен при обработке архивных данных инфракрасного космического телескопа «Спитцер». Для того чтобы точно оценить расстояние, отделяющее нас от CL J1449+0856, учёные провели наблюдения с использованием спектрографов VIMOS и FORS2 «Очень большого телескопа». Выяснилось, что скоплению соответствует красное смещение z =2,07, а следовательно, мы видим CL J1449+0856 таким, каким оно было примерно через три миллиарда лет после Большого взрыва.

Изображение, объединяющее снимки«Очень большого телескопа»и телескопа«Субару». CL J1449+0856здесь представляется как скопление тусклых красных объектов в правой центральной части фотографии. (Иллюстрация ESO / NOAJ / Subaru / R. Gobat.)

Специалистам известны и более удалённые группировки галактик, но они имеют вид молодых скоплений и находятся в процессе формирования. CL J1449+0856 резко отличается отних: как показали наблюдения«Хаббла»и нескольких наземных телескопов, оно содержит большое число галактик, не отличающихся активным звездообразованием и имеющих в своём составе звёзды, возраст которых составляет около одного миллиарда лет.«Выходит, зрелые скопления действительно существовали уже тогда, когда возраст Вселенной не превышал четвёртой части его нынешнего значения,—рассуждает ведущий автор работы Рафаэль Гоба (Raphael Gobat).—Если современная теория верна, такие объекты должны встречаться чрезвычайно редко. Нам крупно повезло».

Правильность классификации CL J1449+0856 подтвердили данные космической рентгеновской обсерватории XMM-Newton. Источником зарегистрированного излучения авторы считают горячий газ, который находится в пространстве между галактиками и собирается в центральной области. Молодые скопления сформировать такие запасы газа не успевают.

По результатам измерений рентгеновской светимости CL J1449+0856 астрономы вычислили его массу, которая оказалась равна (5,3± 1,0)•10¹³солнечной. Со временем скопление, естественно, будет расти, и на красном смещении z = 1,5 его масса должна увеличиться до (0,9–1,5)•10¹⁴,а на z = 0—до (4,9–8,2)•10¹⁴солнечной. Последняя величина сравнима с массой известнейшего скопления Abell 1656.

Пролёт в направлении CL J1449+0856:

Полная версия отчёта опубликована в журналеAstronomy& Astrophysics;текст статьи можно скачатьотсюда.

Подготовлено по материаламЕвропейской организации астрономических исследований в Южной полусфере.

Источник

Спутник Сатурна за счет своих собственных резервов генерирует около 15,8 гигаватт тепла - примерно в 10 раз больше, чем предполагали раньше

При помощи последних данных, переданных космическим аппаратом Кассини, ученые установили, что один из крупнейших спутников Сатурна Энцелад производит тепла значительно больше, чем предполагали раньше. Прежде было установлено, что на южном полюсе Энцелада находится точка, температура в которой гораздо выше, чем в среднем на спутнике.

Сейчас исследователи подсчитали, что данный спутник Сатурна за счет своих собственных резервов генерирует около 15,8 гигаватт тепла - примерно в 10 раз больше, чем предполагали раньше. Новые данные в прямом и переносном смысле слова"подогревают"теорию о том, что под толстым слоем льда, которым скована поверхность Энцелада, находится водяной океан, температура воды в котором может быть пригодной для возникновения сложных биологических форм.

"Механизм, ответственный за производство тепла в таком количестве нам пока остается неизвестен, более того он явно никак не увязывается с принятыми сейчас теориями производства планетарного тепла", -говорит Карли Хауэтт, астрофизик из Университета Колорадо, США.

Энцелад является шестой по величине планетой Сатурна. Он имеет полностью статичную и безжизненную поверхность из льда. Однако в районе южного полюса Энцелада вольду есть разломы, через которые время от времени с огромной силой выдавливаются водяные пары. Подобные полосы доходят до 130 км в длину и до 2 км в ширину. Впервые они были зафиксированы в 2005 году.

В новом исследовании, проведенном при помощи инфракрасного спектрометра Кассини, ученые попытались установить, как именно распределяется по спутнику внутреннеетепло.  По словам исследователей из НАСА, 15,8 гигаватт тепловой энергии - это примерно тот объем, который могут выработать 20 одновременно запущенных угольных электростанций. В Университете Колорадо говорят, что изначально они считали, что Энцелад может за счет собственных резервов генерировать только 1,1 гигаватт тепловой энергии,причем большая часть этого тепла появляется в результате радиационного излучения.

Сейчас ученые предполагают, что большая часть внутреннего тепла Энцелада генерируется за счет радиации и гравитации, которые возникают за счет сильного гравитационного взаимодействия с двумя другими космическими телами - планетой Сатурн и спутником Диона.

В заявлении НАСА говорится, что с наличием жидкого океана и тепловой энергии Энцелад становится еще более вероятным претендентом на наличие каких-либо форм жизни, хотя их следы пока и не были обнаружены.

Источник

Международная школа"Синхротроны для физики и химии наноструктурированных материалов PCnano-2011"

Cтуденты старших курсов и аспиранты первых лет обучения приглашаются для участия в Международной Школе"Синхротроны для физики и химии наноструктурированных материалов PCnano-2011",которая состоится с 1-го по 14 октября 2011 года в Москве, Екатеринбурге и Новосибирске.

На школе прочитают лекции известные российские и немецкие профессора. Каждому из участников предоставляется возможность сделать краткий доклад по теме своих научных исследований. Во время школы предполагается проведение исследований наноматериалов на лучших российских синхротронах в РНЦ"Курчатовский Институт"и ИЯФ СО РАН.

Получить более подробную информацию, зарегистрироваться для участия в школе и отправить мотивированную заявку, включающую конкретные предложения по проведениюэкспериментов с использованием синхротронного излучения, можно до 1-го апреля 2011 на сайтеhttp://conf.uran.ru/Default.aspx?cid=pcnanoили по электронной почте rempel.nano@mail.ru. официальный язык школы английский.

Источник:Пресс-центр

Источник

Телескоп Subaru впервые получил прямые изображения протопланетных дисков

Планеты образуются в газопылевых дисках, окружающих молодые звезды. Если удастся заглянуть в места рождения планет, то это означает, что мы сможем совершить путешествие в прошлое Земли и всей Солнечной системы. Теперь астрономы смогли получить детальные изображения протопланетных дисков для двух звезд с помощью телескопа Subaru на Гавайях. Это первый случай, когда структура диска, сопоставимая по размерам с нашей собственной Солнечной системой, была хорошо разрешена, были выявлены такиеособенности как, кольца и пробелы, которые связаны с формированием планет-гигантов. Наблюдения являются частью систематического обзора для поиска планет и дисковвокруг молодых звезд с использованием камеры с высокой контрастностью, разработанной специально для этой цели.

Планетные системы подобно нашей практически являются побочными продуктами звездообразования. В результате гравитационного воздействия вновь образовавшейся звезды остатки газа и пыли формируют плотный, плоский диск, вращающийся вокруг звезды. Из сгустков вещества в диске уже под действием их собственной гравитации формируются плотные тела - планеты. В последние годы наблюдается существенный прогресс как в наблюдениях (в основном косвенных), так и в теоретическом моделировании таких"протопланетного"дисков. Два новых наблюдения добавили новые подробности, выявившие структуры, которые никогда раньше не наблюдались.

Рисунок 1.Общепринятая модель эволюции протопланетного диска вокруг звезд солнечного типа. (Изображение: Subaru Telescope& NAOJ).

На рисунке 1. представлена общепринятая до настоящего времени модель формирования планетной системы у звезд. Два верхних рисунка относятся к стадии протозвезды. Звезды рождаются, когда молекулярное облако, состоящее из холодного газа и пыли, под действием гравитации начинает сжиматься. Далее масса протозвезды постепенно увеличивается за счет аккреции вещества из родительского облака. Это вещество образует вокруг звезды толстый протопланетный диск. Энергия, выделяющаяся при падении вещества, нагревает диск, и его излучение можно наблюдать в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах. Обычно возраст таких объектов непревышает 100 000 лет.

На следующем рисунке представлена схема звезды типа Солнца примерно в возрасте 1 миллиона лет, такие звезды относят к классу звезд типаТ Tau. В таких объектах наблюдается сильныйзвездный ветер, который уносит вещество звезды вовне. В возрасте около 10 миллионов лет у звезд типа Солнца протопланетный диск становится тоньше, в нем начинают формироваться планеты.

Самая нижняя диаграмма - схематическое представление звезды в ее стабильном состоянии, в возрасте от 100 миллионов лет, когда в ее ядре идутреакции ядерного синтеза. Протопланетного диска как такового уже не осталось, все вещество ушло на формирование планет. Но столкновения тел системы, таких как астероиды, могут формировать вторичный диск, например, пылевой диск у звезд типаBeta Pictoris (βЖивописца), или аналог зодиакальной пыли в нашей Солнечной системе.

Лавинообразно увеличивающее количество открытых планет у других звезд вызывает повышенный интерес к проблеме их формирования, к протопланетным дискам каких первоисточникам. Изучать эти диски очень сложно. Размеры их очень малы, а излучение центральной звезды просто"забивает"слабый сигнал от диска. Кроме того, имеющиеся средства наблюдений дают возможность разрешать только структуру внешних слоев диска.

Специальные инструменты помогают преодолевать эти трудности. Коронограф облегчает наблюдение слабых объектов вокруг звезд - в нем применяются специальные маски, закрывающие излучение звезды. Использование адаптивной оптики позволяет существенно повышать пространственное разрешение путем компенсации размытия изображений из-за влияния атмосферы.

Новые наблюдения были сделаны с помощью камеры HiCIAO (The High-Contrast Coronographic Imager for Adaptive Optics), коронографа в сочетании с системой из 188 элементов адаптивной оптики, установленного на 8,2 метровом телескопе Subaru. Он создавался для изучения слабых компонентов звезд, коричневых карликов, планет-гигантов около близких звезд, но может использоваться и для изучения околозвездных дисков. HiCIAO является усовершенствованной версией CIAO (Coronographic Imager with Adaptive Optics). Он выполнен в виде настраиваемой камеры, состоящий из нескольких модулей, которые могут быть настроены в зависимости от режима работы.

Наблюдения являются частью проекта SEEDS - Strategic Explorations of Exoplanets and Disks with Subaru - Стратегические Исследования экзопланет и дисков с помощью Subaru, руководимого Мотохидэ Тамура (Motohide Tamura) из Нациальной Астрономической Обсерватории Японии. В рамках SEEDS, начатого в 2009 году, ведется систематический поиск экзопланет и протопланетных дисков.

Одной из исследованных звезд былаLkCa 15звезда, находящаяся на расстоянии около 450 световых лет от Земли в созвездии Тельца. Это совсем молодая звезда, ее возраст составляет нескольких миллионов лет, наше Солнца в тысячу раз старше. Из предыдущих наблюдений ее инфракрасного спектра и излучения в миллиметровом диапазоне ученые сделаливывод о наличие большого разрыва в центре ее протопланетного диска. Полученные изображения (рисунок 2) показывают отражения звездного света от поверхностидиска, т.е. в первый раз четко виден острый край разрыва. Самое интересное, что разрыв имеет эллиптическую форму и не центрирован относительно звезды,и кажется однобоким.

Рисунок 2.Это изображение получено с помощью камеры HiCIAO, установленной на телескопе Subaru. Показана яркая дуга рассеянного отраженного света (выделено белым) от протопланетного диска вокруг молодой звезды LkCa 15 (находится в центре, закрытом маской в виде темного круга). Резкий внутренний край сопровождается большим разрывом в диске. Этот разрыв явно однобокий, значительно более выражен слева, - и, скорее всего, вызван наличием одной или более новорожденных планет, вращающихся вокруг звезды. (Изображение: MPIA (Christian Thalmann)& NAOJ).

Наиболее вероятным объяснением разрыва на диске LkCa 15 и, в частности, его асимметрии, является наличие одной или нескольких планет, недавно образовавшихсяиз вещества диска, которые заметали газ и пыль при своем вращении. Интересно, что разрыв диска достаточно большой, величина его такова, что в нем могут разместиться орбиты всех планет нашей Солнечной системе. Поэтому очень заманчиво предположить, что LkCa 15 может быть в процессе формирования планетной системы, похожей на нашу собственную. Сами планеты еще не обнаружены, но не исключено, что это только вопрос времени.

Рисунок 3.Эскиз трехмерной формы протопланетного диска вокруг звезды LkCa 15. На изображениях HiCIAO виден только свет, отраженный от внешнего диска (показан желтым цветом). Другие структурные особенности были выведены из предыдущих косвенных наблюдений системы. Большой разрыв между внутренним и внешним дисками, скорее всего, вызван действием одной или более новорожденных планет, вращающихся вокруг звезды. Сами планеты до сих пор не обнаружены. (Изображение: MPIA (Christian Thalmann)& NAOJ)

Вторая звезда, за которой велось наблюдение - звездаAB Aurв созвездии Возничего, она расположена на расстоянии 470 световых лет от Земли. Эта звезда еще моложе - ее возраст составляет только один миллион лет.Эта звезда - одна из наиболее исследуемых переменных звезд, в 2008 году уже было получено изображение диска вокруг нее. Новые наблюдения впервые показали деталина масштабах, сравнимых с размерами нашей собственной Солнечной системы. На изображениях можно видеть двойную кольцевую систему с кольцам размерами около 40 и 100 а.е. и кольцеобразный разрыв между ними. Найден наклон между кольцами диска, и при этом вещество диска не распределено симметрично вокруг звезды - нерегулярные образования могут указывают на наличие, по крайней мере, одной очень массивные планеты.

Рисунок 4.Изображение AB Aur в ближней инфракрасной области (1,6 мкм). На верхних панелях представлены снимки, сделанные HiCIAO и CIAO. Оба изображения имеют поле зрения 7,5"на 7,5".Вверху слева - изображение, полученное HiCIAO с использованием коронографической маской диаметром 0,3".Вверху справа - изображение, полученное CIAO с использованием искусственной маски диаметром 1,7".Нижние панели показывают внутреннюю часть диска AB Aur. Оба изображения имеют поле зрения 2,0"на 2,0".Внизу слева - изображение с коронографической затемняющей маской диаметром 0,3".Внизу справа показаны характерные особенности центральной области. Эллипсы, обозначенные прерывистой линией - внешнее и внутреннее кольца. Сплошной эллипсоид указывает на огромный разрыв между кольцами. Знак"+"показывает на положение звезды. Кружок - является центром внешнего кольца. Для этого объекта 1"соответствует 144 а.е. в реальном масштабе. (Изображение: NAOJ/J. Hashimoto)

Эти два полученных результата очень важны, они, в первую очередь, показывают особенности дисков, в которых происходит образование планет, причем, на масштабах,сравнимых с Солнечной системой. Прямые снимки убедительно свидетельствует о существовании планет-гигантов типа Юпитера, которые оказывают влияние на структуру диска. Обнаружения уже сформировавшихся планет за один миллион лет поставило исследователей в тупик. Считалось, что планеты-гиганты, такие как Юпитери Сатурн, а также гигантские экзопланеты формируются в течение нескольких десятков миллионов лет. Поэтому полученные результаты заставляют пересматриватьтеории формирования планет. В рамках проекта SEEDS будет продолжать поиск и изучение экзопланет в течение следующих пяти лет.

Результаты исследований опубликованы в Astrophysical Journal Letters:V.729, p.17, 2011иV.718, pp. L87-L91, 2010.

Источник