К юбилею открытия графена: суперматериал для всего, история и перспективы

Уже более десяти лет назад  в рамках нобелевской недели были объявлены лауреаты премии по физике. В тот день главная научная премия была присуждена за передовые опыты с первым двумерным материалом — графеном. Для всех нас это событие не могло стать рядовым, так как премию получили россияне, выпускники Московского физико-технического института Андрей Гейм и Константин Новоселов, которые в тяжелые для нашей страны 1990-е годы уехали работать за рубеж. Примечательным это событие стало еще и потому, что открытие нашими учеными удивительных свойств принципиально нового материала было сделано всего за шесть лет до присуждения премии. О том, как графен повлиял на развитие науки и промышленности и можно ли его назвать материалом будущего — в авторской колонке (на сайте Будущее России) заместителя директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, кандидата физико-математических наук Алексея Арсенина. Итак, Гейм и Новоселов получили Нобелевскую премию всего спустя шесть лет после открытия свойств графена. Это открытие нельзя назвать запланированным. Изначально Андрей Гейм ставил задачу получения тончайшей пленки графита, настолько тонкой, насколько это возможно.

Читать далее

Новым квазичастицам, которые обнаружили в графене, дали название фермионов Брауна-Зака

Ученые обнаружили новый тип квазичастиц в графене, которые назвали фермионами Брауна-Зака. По своему поведению в магнитном поле они отличаются от дираковских фермионов, имеют высокую подвижность и длину свободного пробега, превышающую несколько микрометров. Работа опубликована  в известном журнале Nature communications. Свободные электроны в магнитном поле подчиняются законам классической физики: если направление поля перпендикулярно направлению движения электрона, то его траектория закручивается и он начинает двигаться по окружности. Если проекция скорости электрона на направление магнитного поля не нулевая, то траектория частицы представляет собой спираль вдоль направления поля. Причем чем сильнее магнитное поле, тем сильнее в нем закручивается траектория электрона. Только при нулевых или очень слабых полях электроны могут двигаться по прямым или баллистическим траекториям. Электроны в кристаллической решетке ведут себя немного сложнее, чем свободные, из-за наличия периодического потенциала самой решетки (его движение рассматривается как движение квазичастицы).

Читать далее

Раскрыта тайна образования периодических параллельных борозд на поверхности известняковых склонов

Иллюстрация: Adrien Gúerin et al. / Physical Review Letters, 2020. Французские физики установили, что желобковые карры — периодические параллельные борозды на известняковых склонах — образуются благодаря стеканию тонких слоев воды, в которых развивается гидродинамическая неустойчивость. Из-за нее растворение поверхности минерала происходит с разной скоростью в разных точках склона, что в конечном итоге приводит к появлению вертикальных канавок шириной в несколько десятков сантиметров, пишут ученые в Physical Review Letters. Под действием дождя на известняковых склонах часто образуются желобковые карры — вертикальные бороздки шириной в несколько десятков сантиметров. Водная эрозия ведет к медленному растворению известняка и других водорастворимых минералов, например гипса или каменной соли: при контакте с водой ионы переходят в раствор и уносятся потоком, оставляя углубления на изначально плоской поверхности камня. Интересно, что появляются такие канавки на довольно крутых склонах, вода по которым стекает не отдельными каплями или струями, а сплошным потоком, полностью покрывая поверхность горной породы.

Читать далее

Тайны цветов обитаемых миров вселенной: популярно о самом главном

«Вот тут мы и живём. На голубой точке», — сказал Карл Саган после выхода его знаменитой фотографии “бледно-голубая точка“. Фотографию сделал космический зонд Voyager 1 14 февраля 1990 года с расстояния в 6 млрд км. По сей день эта фотография остаётся самой дальней фотографией Земли. В феврале этого года ей исполнилось 30 лет, в честь чего её обработали, используя современные цифровые методы, и получили ещё более впечатляющее изображение. Бледно-голубая точка или синий шарик – в любом случае наша планета ассоциируется с синим цветом. И поскольку Земля – единственная из известных нам обитаемых планет, разумно предположить, что и другие обитаемые планеты будут голубыми. Однако на самом деле всё не так просто. Что такое цвет? Астрономы подразумевают под цветом интенсивность света определённой длины волны. Свет – это электромагнитное излучение (ЭМИ), перемещающееся в пространстве, будто волны на поверхности воды. Длина волны определяет цвет. К примеру, ЭМИ с длиной волны около 450 нм кажется нам синим. Однако то, что люди считают цветом, на самом деле обозначает лишь небольшую часть всех длин волн электромагнитного спектра.

Читать далее

Основные материалы, изменившие нашу цивилизацию: от камня до полупроводников

Как новые материалы меняли жизнь человечества? Какой самый важный материал современности? Здесь мы рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах. Главные материалы, изменившие человеческую историю, — это природный камень, бронза, железо, полимеры и кремний. Первые три материала, которые дали названия целым эпохам развития человечества — каменный век, бронзовый век, железный век, — между собой различаются по твердости и трещиностойкости — ключевым характеристикам, которые позволяют оценить полезность материала для изготовления ножей, топоров, мечей и других предметов.

Читать далее

Обнаружен суперабсорбирующий гель, собирающий влагу из атмосферы и удерживающий ее в течение 20 дней

Иллюстрация: Xingyi Zhou et al. / ACS Materials Letters, 2020. Материаловеды из Техаса создали почву, которая может поглощать атмосферную влажность при низкой температуре воздуха ночью и отдавать воду растениям в течение дня. Для этого ученые добавили в обычную песчаную почву суперабсорбирующий гель, который при относительной влажности воздуха в 90 процентов может поглотить до четырех грамм воды на грамм сухого вещества. Исследователи показали, что такой грунт способен удерживать достаточно воды для поддержания стабильной влажности в течение 20 дней без полива. В качестве примера ученые посадили в почву с гелем и без него редис и не поливали их 14 дней: в первом случае ростки выросли до 15 сантиметров, а во втором — погибли. Статья опубликована в журнале ACS Materials Letters. Без воды невозможна любая агрокультурная деятельность человека, в то время как засушливые регионы составляют примерно 40 процентов всей суши. Изменение климата и антропогенное загрязнение только усугубляют ситуацию, а население планеты растет.

Читать далее

Впервые удалось управлять спиновыми кубитами за границей дифракционного предела

Иллюстрация: Songtao Chen et al. / Science, 2020. Физики научились управлять спиновыми кубитами, расстояние между которыми не превышает дифракционный предел. Они использовали оптическое и микроволновое излучение для измерения состояния кубитов и научились ими управлять с помощью переменного эффекта Штарка. Работа опубликована в журнале Science. Одна из возможных реализаций кубита — использование спиновых дефектов в кристаллах. Наличие дефектов всегда говорит о нарушении кристаллической структуры твердого тела. Из множества разных видов дефектов для реализации кубита подходит система из иона, который находится не на своем месте (не в узле кристаллической решетки) и вакансии (пустого узла). Чаще всего такие дефекты можно получить ионным легированием, если бомбардировать бездефектный кристалл ионами другого вещества. Спиновыми дефекты называются из-за того, что помимо ионов они состоят из электронов с определенным значением спина. Именно положение спина этого электрона используется для кодирования информации. В настоящее время, один из самых популярных материалов для реализации спиновых кубитов — алмаз с азотными вакансиями, которые называют NV-центрами (N — азот, V — вакансия).

Читать далее

Разработан первый терагерцовый лазер, работающий без криогенного охладителя

Ученые разработали лазер, излучающий в терагерцевом диапазоне и работающий без криогенного охладителя, что позволяет впервые использовать его вне лаборатории. Рабочую температуру лазера, равную -23 градусам Цельсия, можно поддерживать обычным недорогим кулером. Исследование  опубликовано в журнале Nature Photonics. Спектр частот терагерцевого излучения расположен между инфракрасным и СВЧ-диапазоном. Самые современные приборы, излучающие в этом диапазоне — это квантово-каскадные твердотельные лазеры на основе полупроводников из арсенида галлия, легированного арсенидом алюминия-галлия. Излучение в квантово-каскадных лазерах основано на внутризонных переходах, а способствуют ему многочисленные дискретные уровни энергии, возникающие из-за особенностей квантовой гетероструктуры, которая за счет малого размера (меньше 200 ангстрем на один слой) буквально ограничивает движение носителей зарядов. Поскольку излучение квантово-каскадных лазеров — униполярное, то структура представляет собой повторяющиеся чередующиеся слои полупроводников, граница раздела которых — это некий барьер.

Читать далее

Построена квантовая модель оптомеханического взаимодействия кубитов в резонаторе с возникновением PT-симметрии

Российские физики впервые построили квантовую модель для описания оптомеханического взаимодействия кубитов в резонаторе и показали возможность возникновения невероятной PT-симметрии. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters. На основе квантовой электродинамики, которая точно описывает взаимодействие квантовых систем с фотонами, строится взаимодействие кубитов в квантовом компьютере. Однако, использование только электромагнитного взаимодействия, сильно ограничивает контроль кубитов. Оптомеханика позволяет создавать сильное взаимодействие между квантовомеханическими системами. Из-за затруднительного теоретического описания и сложной физической реализации подобных систем оптомеханика остается мало изученной в контексте создания взаимодействия между кубитами. Группа ученных из физико-технического университета имени Иоффе и Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики под руководством Александра Поддубного описала систему двух механических кубитов помещенных в оптическую ловушку и показали возможность возникновения PT-симметрии.

Читать далее