Сверхпроводники могут стать ключом к обнаружению таинственной темной материи.


В настоящее время проводится множество экспериментов, направленных на поиски темной материи, загадочной невидимой субстанции, наличие которой проявляется только в виде гравитационного воздействия на свет, звезды, галактики, скопления галактик и на другие объекты, состоящие из обычной материи. На поверхности Земли ученые для поисков используют ускорители частиц, такие, как Большой Адронный Коллайдер, бдительно следят за космосом при помощи датчика AMS на борту Международной космической станции и пытаются поймать призрачные вспышки света внутри нескольких датчиков, размещенных глубоко под поверхностью планеты. И тот факт, что ученым так и не удалось обнаружить никаких следов частиц темной материи, может быть объяснен тем, что чувствительность всех используемых датчиков и приборов не позволяет регистрировать частицы, энергия-масса которых не превышает значения в 10 ГэВ (10 миллиардов электрон-вольт).

Для преодоления вышеуказанной проблемы ученые постоянно работают в направлении разработки новых и более чувствительных датчиков. И недавно, ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Калифорнийского университета в Беркли и Стэнфордского университета предложили конструкцию датчика нового типа, основанного на сверхпроводящих материалах. Этот датчик может обеспечить высокую чувствительность в диапазоне от 1 КэВ (1000 электрон-вольт) до 10 ГэВ, что позволит при его помощи регистрировать частицы, массой в миллиард раз меньше массы протона, среди которых могут находиться и частицы темной материи.

Считается, что в подавляющем большинстве случаев частицы темной материи не взаимодействуют с частицами обычной материи, что делает невозможным ее прямое обнаружение в лабораторных условиях. Хотя, как и в случае с частицами нейтрино, частицы темной материи должны оказывать некоторое влияние на отдельные электроны и частицы, из которых состоят ядра атомов. Согласно имеющимся теориям, такое взаимодействие может стать причиной рождения других частиц, фотонов или фононов. И именно на этом предположении и основаны принципы работы большинства датчиков, которые нацелены на регистрацию таких частиц, "побочных продуктов" влияния темной материи.

С этой точки зрения имеет очень большое значение материал, из которого изготовлено рабочее тело датчика и который определяет вид образующихся вторичных частиц. Наиболее чувствительные датчики используют в качестве рабочего тела жидкий ксенон (датчик LZ), германий (датчик SuperCDMS) и некоторые другие более экзотические материалы.

Вышеупомянутые ученые-физики продемонстрировали, что датчик частиц темной материи, изготовленный из сверхпроводящего материала, такого, как сверхчистый алюминий, может быть способен обнаруживать частицы с энергией всего в сотни КэВ и меньше. Высочайшая чувствительность обеспечивается тем, что сверхпроводящий материал имеет нулевое или очень близкое к нулю значение ширины запрещенной зоны, энергетического барьера, который требуется преодолеть электронам для того, чтобы материал стал проводником электрического тока. У алюминия в сверхпроводящем состоянии ширина запрещенной зоны составляет всего 0.3 мэВ (0.0003 электрон-вольта).

Идея, легшая в принцип работы сверхпроводящего датчика, заключается в том, что частицы темной матери постоянно пронизывают Землю в больших количествах. Это значительно увеличивает вероятность того, что какой-нибудь из частиц темной материи все же удастся "зацепить" один из свободных электронов в сверхпроводящем материале, которые образуют так называемые куперовские пары, энергия связи которых составляет намного меньшую величину, чем 1 мэВ. В этом случае энергии частицы темной материи будет достаточно для того, чтобы разорвать куперовскую пару и заставить электрон перепрыгнуть через запрещенную зону. А этот факт может быть зарегистрирован при помощи высокочувствительного калориметра, устройства, измеряющего количество выделившегося в материале тепла, что послужит подтверждением наличия частиц темной материи.

Ученые прогнозируют, что некоторые усовершенствования имеющихся сейчас технологий должны сделать возможным создание подобного датчика в не таком уж и далеком будущем. Одной из главных проблем, с которыми придется столкнуться ученым, станет проблема устранения постороннего шума из источников, не имеющих отношения к темной материи. Кстати, эта проблема очень остро стоит и в случае других типов датчиков темной материи. Однако, если создание сверхпроводящего датчика пройдет успешно, то это даст ученым неплохой шанс выяснить то, из чего же на самом деле состоит большая часть матери в окружающей нас Вселенной.

Источник

Ученые создали аналог черной дыры на чипе из графена и металла, который ведет себя подобно воде


Исследователи из Гарвардского университета и компании Raytheon BBN Technology обнаружили, что заряженные частицы, обеспечивающие перенос электрического заряда по поверхности графена высокой степени чистоты, ведут себя подобно жидкости, обладающей некоторыми релятивистскими свойствами. Данное открытие может привести к появлению новых технологий эффективного преобразования тепла в электрическую энергию и к более экзотическим вещам, к примеру, чипов, на поверхности которых можно смоделировать некоторые аспекты поведения сверхновых звезд, черных дыр и других астрономических объектов.

Известно, что графен является очень легким и прочным материалом, он имеет высокие показатели электрической и тепловой проводимости, он одновременно и прочен и гибок. Столь уникальный набор характеристик этого материала позволяет рассматривать его в качестве альтернативной замены кремнию в электронике или литию в аккумуляторных батареях. Кроме этого, тросы для первого космического лифта, когда он будет построен, могут быть изготовлены из графена или его ближайшего "родственника" - углеродных нанотрубок.

Исследователи, возглавляемые профессором Филипом Кимом (Prof. Philip Kim), нашли еще один способ получения высококачественных листов графена и использовали это для обнаружения еще одного примечательного свойства этого материала. Они выяснили, что при некоторых условиях частицы, переносящие электрический заряд по поверхности графена, ведут себя больше как жидкость, вместо того, чтобы отталкиваться друг от друга, эти частицы сталкиваются между собой триллионы раз в секунду.

Группа профессора Кима изолировала единственный слой графена, защитив его с обеих сторон слоями нитрида бора, прозрачного кристаллического материала, известного под названием "белый графен" из-за его подобных свойств и атомарного строения. Специально оставленные без защитного слоя концы листа графена были покрыты ионизированными заряженными частицами и, благодаря этому, ученым удалось наблюдать воочию за процессами движения электрических зарядов, которые возникали под воздействием приложенного извне электрического потенциала и потоков тепла.

Когда большинство из материалов подвергается воздействию электрического поля, отрицательно заряженные электроны и их антиподы, электронные дыры, движутся в противоположных направлениях. Однако, при некоторых условиях, к примеру, под воздействием тепла из внешнего источника, эти носители отрицательного и положительного зарядов начинают двигаться в одном направлении. Но в любом случае заряженные частицы в нормальных условиях практически не взаимодействуют друг с другом.

Однако, двухмерная природа и сотовидная структура графена высокой чистоты вынуждают заряженные частицы двигаться в одном и том же направлении, сталкиваясь между собой с большой частотой, формируя нечто вроде сильно взаимодействующей квазирелятивистской плазмы, известной под названием жидкости Дирака. "Физика, которую мы обнаружили, изучая черные дыры и теорию суперструн, была найдена и на поверхности графена" - рассказывает Эндрю Лукас (Andrew Lucas), один из исследователей, - "Это является первым образцом релятивистской гидродинамической системы в металлическом материале".

Обнаруженные на графене эффекты релятивистской гидродинамики могут быть использованы для создания чипов, работающих на несколько отличающихся от традиционной электроники принципах. Это, в свою очередь, позволит не только обеспечить высочайшее быстродействие этих чипов. Эти чипы могут быть использованы в качестве испытательных средств для экспериментов, раскрывающих суть сложных квантовых явлений, проявления которых до этого времени были найдены лишь в некоторых видах астрономических объектов.

Источник

Новый "плоский" материал позволит "продлить жизнь" закону Гордона Мура


Ни для кого не является секретом, что соблюдение закона Гордона Мура, определяющего темпы развития микропроцессорной вычислительной техники, в последнее время находится под большим вопросом в силу многих причин. Именно поэтому различные исследовательские группы производят поиски альтернативных вариантов, материалов, позволяющим электронам или другим носителями электрического заряда перемещаться из точки А в точку Б быстрее, нежели чем в кремнии. Определенных успехов в этом деле удалось добиться исследователям из университета Юты, они обнаружили новый вид плоского полупроводникового материала, состоящего из моноокиси олова, имеющего одноатомную толщину. За счет особенностей электронной и атомарной структуры этот материал позволяет электрическим зарядам проходить через себя быстрее, чем в традиционном кремнии и в других "неплоских" полупроводниковых материалах.

Следует заметить, что электрические заряды, двигающиеся внутри полупроводниковых компонентов, состоящих обычно из нескольких слоев кремния с различными свойствами, практически никогда не движутся по кратчайшему пути. Во время движения носители электрических зарядов взаимодействуют с элементами кристаллической решетки материала и друг с другом, за счет чего траектория их перемещения напоминает хаотически изломанную в трех измерениях линию. Несколько иначе ситуация обстоит в случае двухмерных материалов, графена, дисульфида молибдена, борофена и т.п. Двухмерная природа этих материалов позволяет носителям заряда двигаться только в одной плоскости и только уже за счет этого электрические заряды могут перемещаться быстрей в этих материалах.

"Найденный нами материал обладает огромным значением для дела дальнейшего ускорения и миниатюризации электроники" - рассказывает профессор Асутос Тивари (Ashutosh Tiwari), - "В отличие от графена и других плоских материалов он позволяет перемещаться через себя носителям как отрицательных, так и положительных зарядов - "электронным дыркам"". Все это позволило отнести новый материал к классу стабильных полупроводниковых материалов p-типа.

"Теперь в нашем распоряжении имеется все необходимое" - рассказывает Асутос Тивари, - "И мы надеемся, что вскоре "притормозившее" развитие цифровой электроники двинется вперед прежними темпами".

Ученые полагают, что из нового материала могут быть изготовлены транзисторы, имеющие меньшие размеры и более высокое быстродействие, чем любые другие транзисторы, используемые в современной электронике. Эти транзисторы, в свою очередь, станут основой новых микропроцессоров, в сотни раз более мощных, нежели нынешние, и которые потребляют в разы меньше энергии, экономя дефицитную энергию аккумуляторных батарей.

"Эта область исследований является очень "горячей" в нынешнее время и некоторые люди и организации уже проявили интерес к нашей разработке" - рассказывает Асутос Тивари, - "Мы ожидаем, что первые опытные образцы транзисторов на базе нового материала могут появиться в течение следующих двух-трех лет".

Источник

Лазерная система POLARIS устанавливает мировой рекорд по мощности импульса


POLARIS является самой мощной на сегодняшний день лазерной системой со светодиодной накачкой, которая недавно произвела импульс с рекордной для подобных систем мощностью. Рекордный уровень энергии импульса был получен, благодаря некоторой серьезной модернизации этой лазерной системы, которая было проведена специалистами из Института оптики и квантовой электроники (Institute of Optics and Quantum Electronics), возглавляемыми доктором Мэйлтом Калузой (Dr Malte Kaluza). Энергия импульса составила 50 Джоулей и это в три раз большее энергии импульса, который могла произвести лазерная система POLARIS до модернизации.

50 Джоулей - это энергия, которой обладает объект, весом в 500 грамм, поднятый на высоту 10 метров. Для того, чтобы поднять температуру воды в стакане на один градус требуется в 17 раз больше энергии. Поэтому, когда речь идет о импульсе высокоэффективной лазерной системы, 50 Джоулей кажутся не очень впечатляющей величиной. "Но наша лазерная система поставляет это количество энергии в течении очень короткого промежутка времени" - рассказывает доктор Калуза, - "лазерный импульс имеет длительность в 120 фемтосекунд, а фемтосекунда - одна тысячная от миллионной миллионной доли секунды. Во время импульса его пиковая мощность достигает отметки в несколько сотен тераватт, это во много раз больше, чем моментальная мощность всей электроэнергии, вырабатываемой в мире".

Увеличение мощности импульса системы POLARIS является результатом нескольких месяцев работы ученых. "Основная архитектура системы и конструкция лазерной установки практически не изменились" - рассказывает доктор Калуза, - "Но мы добились значительного улучшения эффективности работы множества мелких узлов и деталей".

Основным ключом к увеличению мощности импульса лазера стало использование новых кристаллов из фторида кальция, покрытых слоем иттербия. Кроме этого, было изменено покрытие других оптических компонентов, которые подвергаются большой нагрузке под воздействием лазерного излучения. "Все эти невидимые с первого взгляда изменения позволили в несколько раз увеличить энергию лазерного импульса" - рассказывает доктор Калуза, - "Но полученные нами 54.16 Джоуля энергии являются только началом процесса дальнейшего увеличения энергии".

Следующим шагом, который позволит увеличить значение пиковой мощности лазерного импульса, станет сокращение продолжительности импульса, длительность которого не будет превышать 100 фемтосекунд. И после этого обновленную лазерную систему станет возможно использовать в качестве элемента нового ускорителя частиц и ионов. А интенсивные и короткие импульсы ионного излучения, в свою очередь, можно будет использовать в медицине, для удаления злокачественных опухолей, в науке и в промышленности.

"Достаточно высокое количество энергии импульса, вырабатываемого установкой POLARIS, позволит нам изготавливать и предлагать подобные установки всем нуждающимся в таком оборудовании людям" - рассказывает доктор Калуза, - "Эти установки более компактны, нежели другие лазерные системы с подобной мощностью, они проще в эксплуатации, в ремонте и обслуживании. А теперь мы собираемся проверить, до какой энергии нам удастся разогнать частицы при помощи системы POLARIS".

Источник

Астрономы впервые "понюхали" атмосферу экзопланеты при помощи телескопа Hubble


Международная группа ученых, возглавляемая учеными из Университетского колледжа в Лондоне (University College London, UCL), впервые за всю историю астрономии сумела произвести детальный анализ атмосферы экзопланеты, относящейся к классу суперземля. Используя данные, собранные камерой Wide Field Camera 3 (WFC3) космического телескопа Hubble Space Telescope, ученые определили, что планета 55 Cancri e имеет сухую атмосферу без единых следов водяного пара. Основными составляющими атмосферы планеты являются водород и гелий.

Планета 55 Cancri e является суперземлей, масса которой в восемь раз превышает массу Земли. Она находится в составе планетарной системы 55 Cancri, удаленной от Земли на расстояние в 40 световых лет. Планета является несколько необычной суперземлей из-за ее близости к центральной звезде системы. Год этой планеты длится всего 18 земных суток, а температура на поверхности достигает отметки 2 тысячи градусов по шкале Цельсия. Именно то, что планета 55 Cancri e вращается столь близко от достаточно яркой звезды, и позволило ученым-астрономам извлечь массу информации об этой планете при помощи новых аналитических методов и методов обработки полученных изображений.


Суперземли, подобные 55 Cancri e, являются наиболее распространенным типом планет в нашей галактике, галактике Млечного Пути. Название суперземля указывает на то, что такие планеты имеют массу, в несколько раз превосходящую массу Земли, но намного меньшую, нежели масса планет газовых гигантов в Солнечной системе.

"Полученные результаты являются ключом к нашему пониманию особенностей атмосфер планет класса суперземля. У нас уже имеются некоторые подсказки касательно того, как сформировалась атмосфера и как она развивалась. А это, в свою очередь, указывает на некоторые из тонкостей процессов, приводящих к формированию таких больших планет" - рассказывает Джованна Тинетти (Giovanna Tinetti), ученая-астроном из UCL, - "Самым интригующим является то, что мы обнаружили четкие подписи наличия в атмосфере 55 Cancri e следов цианида водорода, который является известным "маркером" атмосфер, богатых соединениями углерода".

Следует отметить, что камера WFC3 космического телескопа Hubble уже неоднократно использовалась в исследованиях атмосфер далеких экозпланет, но данный случай является первым случаем в истории астрономии, когда ученым удалось получить множество разносторонней научной информации.


Источник

Ученые успешно внедрили графеновые электроды в нейроны головного мозга


Ученые-нейробиологи уже достаточно давно ищут новые способы внедрения электродов различных типов, которые эффективно взаимодействуют с нейронами головного мозга человека. Эти электроды позволят считывать из мозга информацию и искусственно стимулировать клетки нервных тканей, что может стать одним из методов лечения некоторых неврологических заболеваний, таких, как болезнь Паркинсона. И в прошлом месяце группе исследователей из Италии и Великобритании удалось продемонстрировать как графен, один из самых удивительных материалов на свете, может взаимодействовать с нейронами.

Следует отметить, что это далеко не первая попытка исследователей использования графена для создания интерфейсов между мозгом и электроникой. Однако, во всех предыдущих попытках графеновые электроды могли обеспечить лишь сигнал с низким уровнем и низким значением соотношения сигнал/шум. Но усилия ученых из университета Триеста, Италия, и Кембриджского университета, Великобритания, увенчались успехом благодаря тому, что они использовали электроды из необработанного графена.

"Мы впервые осуществили подключение графеновых электродов непосредственно к нейронам" - рассказывает профессор Лаура Баллерини (Laura Ballerini) из университета Триеста в Италии, - "При помощи этих электродов нам удалось получить электрические сигналы от нейронов, которые являются отражением деятельности мозга. Кроме этого мы проверили, что наличие электродов никак не сказалось на функционировании этих нейронов".

До начала экспериментов с графеновыми электродами (graphene-based substrates, GBS) ученые внедряли микроэлектроды, изготовленные из вольфрама или кремния. Использование матриц таких электродов было успешным на протяжении некоторого времени, но затем, из-за реакции тела человека на травму, вокруг этих электродов формировались более плотные защитные ткани, которые служили помехой для получения качественных сигналов. Кроме этого, из-за высокой твердости и хрупкости материалов, матрицы электродов через некоторое время выходили из строя вследствие механических повреждений.

Однако, чистый графен обладает гибкостью, прочностью и он абсолютно безопасен для живого организма. Эксперименты ученых, проведенные на нервных клетках, взятых из мозга подопытного животного, показали, что графен очень хорошо взаимодействует с нервными тканями и обеспечивает съем высококачественных сигналов без каких-либо отрицательных побочных эффектов.

"В настоящее время мы только внедряемся в пограничную область, где сходятся графеновые нанотехнологии и биомедицина" - рассказывает профессор Маурицио Прато (Maurizio Prato), - "А дальнейшее развитие высокоэффективных биомедицинских устройств на основе графена потребует дополнительных исследований взаимодействия графеновых нано- и микропокрытий с сигнальным механизмом клеток нервных тканей. И наша работа является первым шагом в этом направлении".

И в заключение следует отметить, что данные работы проводились в рамках и под финансированием проекта Graphene Flagship, европейской инициативы, целью которой является соединение областей теории и практики для уменьшения времени, требующегося всяким "графеновым технологиям" на путь от лабораторий до конечного потребителя.

Источник

Снимок телескопа Hubble - галактика NGC 4889, содержащая одну из самых больших черных дыр в известной нам части Вселенной


Космический телескоп Hubble (Hubble Space Telescope) сделал новый снимок эллиптической галактики NGC 4889. Во внешнем облике этой галактики нет ничего особо выдающегося. Однако, эта галактика примечательна тем, что в ее центре находится одна из самых больших обнаруженных учеными-астрономами в доступной для изучения части Вселенной гигантских черных дыр, которую, к сожалению, уже невозможно увидеть даже при помощи самых мощных астрономических инструментов.

Ученые-астрономы высчитали, что сверхмассивная черная дыра галактики NGC 4889 имеет массу, превышающую массу Солнца в двадцать один миллиард раз. А диаметр ее горизонта событий, границы, пределы которой уже не может покинуть любой вид материи, излучения и энергии другого вида, составляет 130 миллиардов километров. Для сравнения, черная дыра нашей галактики, галактики Млечного Пути, Sgr A*, имеет массу, превосходящую массу Солнца в четыре миллиона раз, а диаметр ее горизонта событий равен приблизительно 150 миллионам километров.

Астрономы утверждают, что черная дыра галактики NGC 4889 находится сейчас полностью в пассивном состоянии, что и определяет ее "невидимость". За все время ее существования она накапливала массу и практически выбрала всю материю газопылевых облаков и звезд из окружающего пространства, доступного ее гравитационным "щупальцам". Из-за этого астрономы не могут наблюдать за ее квазаром непосредственно, но ее масса и некоторые другие параметры были определены путем косвенных измерений.

Косвенные измерения были произведены при помощи астрономических инструментов обсерватории Keck II Observatory и телескопа Gemini North Telescope. Наблюдения за галактикой NGC 4889 позволили ученым измерить скорости и траектории движения звезд в области центра галактики. А это, в свою очередь, дало возможность вычислить действующие в центре галактики гравитационные силы и, значит, массу центральной черной дыры.

Приведенный выше снимок в высоком разрешении можно увидеть на веб-сайте телескопа Hubble по этому адресу. А приведенный ниже видеоролик демонстрирует процесс "погружения" в глубины космоса и приближения к галактике NGC 4889.


Источник