Ученые CERN воспроизвели условия первых моментов существования Вселенной

Исследователи европейской организации ядерных исследований CERN, сталкивая ядра атомов свинца, разогнанных до очень большой энергии в недрах Большого Адронного Коллайдера, воссоздали в миниатюрных масштабах условия, существовавшие во Вселенной в самый первый момент ее зарождения, спустя несколько миллиардных долей секунды после момента Большого Взрыва. Энергия столкновения была столь велика, что в месте столкновения все элементарные частицы распались и образовалась так называемая кварково-глюонная плазма, а характеристики и энергетические показатели этой плазмы были измерены с очень высокой точностью с помощью датчиков эксперимента ALICE учеными из Института Нильса Бора университета Копенгагена. Следует отметить, что данный случай является своего рода рекордом, атомы свинца были разогнаны до рекордной энергии, составившей 5.02 ТэВ (тераэлектронвольт).

Измерения, сосредоточенные на установлении значений групповых параметров кварково-глюонной плазмы, показали, что материя в этом состоянии ведет себя более подобно жидкости, нежели газу даже при столь высоком уровне плотности энергии. Новые измерения позволили получить значения корреляции между многими частицами плазмы, что, в свою очередь, позволило вычислить с большой точностью параметры, такие, как вязкость, экзотической жидкости, которую ученые называют "исконным супом".

Новый метод, используемый для проведения измерений, гораздо сложней, нежели методы, использованные учеными ранее. Два ядра атома свинца сталкиваются не лоб в лоб, а немного сместившись друг относительно друга. В результате этого получается не сферическое облако кварково-глюонной плазмы, а облако, имеющее форму, напоминающую форму мяча для регби. Благодаря этому в этой чрезвычайно горячей "капельке" исконной жидкости возникают перепады давления, которые стимулируют процессы неравномерного расширения и возникновения в ней потоков. Все эти неравномерности как раз и позволяют с высокой точностью измерить параметры плазмы и определить силы взаимодействия между ее частицами.

"В экспериментах нам удалось воссоздать частичку самой ранней Вселенной. Радиус этой частички равен миллионной из одной миллиардной доли метра" - рассказывает Йенс Йорген Гардхье (Jens Jorgen Gaardhoje), профессор из Института Нильса Бора и глава научной группы эксперимента ALICE, - "Измеренные нами параметры кварково-глюонной жидкости полностью совпадают с тем, что определяется физическими законами гидродинамики, теорией, описывающей природу и свойства вязких жидкостей. Все это указывает на то, что кварково-глюонная плазма является жидкостью, но это очень экзотический вид жидкости, так как она не состоит из молекул, как вода, а состоит из глюонов и кварков".

Источник

Китайский экспериментальный термоядерный реактор EAST успешно удержал высокотемпературную водородную плазму в течение 102 секунд.

Буквально через несколько дней спустя первого успешного запуска на водородном топливе германского термоядерного реактора Wendelstein 7-X ученые из китайского Института физики (Institute of Physical Science) добились прогресса в деле исследований термоядерного синтеза. В камере экспериментального реактора-токамака EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) была получена высокотемпературная водородная плазма, разогретая до температуры в 50 миллионов градусов Цельсия, которая удерживалась магнитными полями в стабильном состоянии в течение более полутора минут.

Напомним нашим читателям, что немецкий стеллатор Wendelstein 7-X и китайский токамак EAST, который произвел первые вспышки плазмы в 2006 году, являются экспериментальными реакторами, своего рода полигонами, на которых проводятся исследования реакций термоядерного синтеза, условий их инициирования и поддержания в стабильном состоянии. Конструкция реактора EAST заключается в создании условий для получения высокотемпературной плазмы, нагретой минимум до 100 миллионов градусов Кельвина, и удержания этой плазмы непрерывно на протяжении 1000 секунд (около 17 минут). Для справки, температура, при которой начинают идти стабильные реакции термоядерного синтеза, равна приблизительно 180 миллионам градусов.

Ради справедливости стоит заметить, что китайский реактор EAST произвел первую плазму задолго до того, как строительство немецкого реактора Wendelstein 7-X было завершено. А в 2013 году китайский реактор произвел импульс плазмы, которая удерживалась в течение 30 рекордных секунд. Такое достижение, согласно имеющейся информации, стало возможным благодаря новым технологиям, позволяющим получить магнитное поле определенной формы, удерживающее плазму, и новый тип внутреннего покрытия камеры реактора, который предохраняется стены от разрушения в случае их контакта с плазмой.



Однако, создание реактора Wendelstein 7-X преследует несколько иные цели, нежели создание реактора EAST. Реактор Wendelstein 7-X предназначен, в первую очередь, для проверки работоспособности и жизнеспособности реакторов типа стеллатор. Эти реакторы имеют гораздо более сложную форму магнитного поля, нежели поле у обычных токамаков. Такое магнитное поле, формируемое очень сложной системой сверхпроводящих электромагнитов, способно удерживать плазменный шнур строго в центре камеры реактора, держать плазму в стабильном состоянии в течение длительного времени и лучше предохранять оборудование реактора от разрушения вследствие контакта с плазмой.

Несмотря на то, что полученная в реакторе EAST плазма имела более низкую температуру, нежели плазма в реакторе Wendelstein 7-X, температура которой составляла 80 миллионов градусов, китайские физики добились ее удержания на протяжении 102 секунд, в то время, как плазма в реакторе Wendelstein 7-X удерживалась всего в течение четверти секунды. Тем не менее, серия модернизаций реактора Wendelstein 7-X, которые уже запланированы на ближайшие четыре года, позволит этому реактору удерживать плазму непрерывно в течение 30 минут.

И в заключение следует отметить, что эти оба проекта находятся сейчас на "острие" мировых исследований в области термоядерного синтеза. Несмотря на их внешнюю схожесть, сравнивать китайский и немецкий реактор не совсем корректно, это похоже на сравнение яблока с апельсином, к примеру. "Оба проекта являются полностью самостоятельными, они решают схожие задачи, используя различную геометрию магнитных полей" - рассказывает доктор Мэтью Холл (Dr Matthew Hole), старший научный сотрудник Центра изучения плазмы и жидкостей австралийского Национального университета, - "Оба устройства обладают различными свойствами, хотя и имеют несколько общих черт. Последние достижения, произведенные при помощи этих реакторов, безусловно, являются большими шагами в деле изучения термоядерного синтеза. Но следующим большим шагом в этой области станет запуск реактора ITER".

Источник

Новый тип оптического транзистора может полностью изменить принципы работы компьютерных чипов

В настоящее время транзисторы находятся практически в каждом устройстве, они работают в ваших компьютерах, мобильных телефонах, автомобилях и даже в холодильниках. Каждый новый виток развития технологий требует уменьшения размеров транзисторов, что позволяет разрабатывать все более высокоскоростные чипы и процессоры с большей вычислительной мощностью. Однако, в последние годы дело с сокращением размеров транзисторов обстоит не очень хорошо, приблизившись к пределу физических ограничений его темпы значительно уменьшились, можно сказать практически остановились на месте. Однако, транзистор нового типа, разработанный учеными из университета Северной Каролины, который использует в своей работе принципы фотоники, может стать одной из палочек-выручалочек, которые помогут сдвинуть с мертвой точки процесс увеличения вычислительных мощностей процессоров, определяемый так называемым законом Гордона Мура.

Транзистор, в частности полевой транзистор, использующийся сейчас практически во всех полупроводниковых чипов, по сути, является крошечным "выключателем" с электронным управлением. У него имеются три электрода - сток, исток и затвор. Изменяя напряжение на затворе, можно управлять силой тока, который течет между стоком и истоком. А множество таких транзисторов, объединенных в единую электронную схему, может выполнять и простейшие логические операции, и сложные вычислительные задачи, что определяется величиной и сложностью электронной схемы.

Но сокращение размеров транзисторов является достаточно непростой задачей. Они и так уже имеют размеры, исчисляющиеся десятками нанометров. Основу большинства современных транзисторов составляют тончайшие слои кремния с различными добавками, что придает материалу различные полупроводниковые свойства. И когда структура транзистора становится слишком маленькой, он начинает вести себя совершенно непредсказуемо за счет проявления некоторых эффектов странной квантовой физики, в частности, квантового туннелирования.



Как упоминалось выше, током через транзистор, разработанный учеными из Северной Каролины, управляет свет. Когда фотоны света начинают падать на определенный участок поверхности транзистора, он открывается и начинает пропускать ток от истока к стоку. И самым главным является то, что такие устройства могут иметь гораздо меньшие размеры, нежели обычные транзисторы, ведь у них полностью отсутствует управляющий электрод, затвор. Отсутствие этого электрода устраняет возможность возникновения паразитного тока за счет явления квантового туннелирования электронов от стока к затвору и от затвора к истоку, и наоборот.

Физика, определяющая принципы работы нового транзистора, достаточно проста и понятна. В транзисторе использованы фотоматериалы, которые известны достаточно давно и которые проводят через себя электрический ток только при условии освещения их поверхности. В данном случае в роли такого материала выступает лента из кадмия и селена, толщина которой составляет всего несколько атомов. Такой материал при освещении светом лазер изменяет свою электрическую проводимость более чем в миллион раз и это сопоставимо с подобными характеристиками обычных полевых транзисторов.

Все, что написано выше, звучит весьма привлекательно, но существует и несколько проблем, которые будут препятствовать появлению чипов и процессоров на основе транзисторов нового типа. И главной проблемой является проблема оптического управления каждым из отдельных транзисторов, миллионы и миллиарды которых объединены в одну электронную схему. Если технологии такого управления обычными транзисторами отработаны уже достаточно хорошо, то подходящая технология оптического индивидуального управления транзисторами не существует даже в теории.

Источник