Создана высокоскоростная камера способная фиксировать распространение ударной волны в воде и движение света в кристалле

Физики создали камеру, которая позволяет снимать со скоростью триллион кадров в секунду и с ее помощью можно увидеть процессы, происходящие в прозрачных объектах — например, распространение ударной волны в воде и движение света в кристалле. Статья опубликована в журнале Science Advances. Высокоскоростная съемка используется учеными давно. С ее помощью можно изучать деформацию материала при ударе, следить за летящей пулей или началом ядерного взрыва. Но значительная часть интересных для изучения процессов прозрачны или почти прозрачны, такие как воздушный вихрь, взрывная волна или химические реакции. Для создания камеры, способной зафиксировать такие процессы, требуется не только добиться высокой частоты кадров, но и адаптировать технологию фазово-контрастной микроскопии, используемую для изучения бесцветных объектов. Камера, созданная под руководством профессора Лихона Вана (Lihong Wang) из Калифорнийского технологического института называется pCUP (phase-sensitive compressed ultrafast photography).

Читать далее

Механика жидкости и газа: последние открытия и математические доказательства

Удивительное экспериментальное открытие, связанное с поведением жидкостей, запустило волну математических доказательств. Научный прогресс не всегда движется по прямой. Исследователи начинают заниматься какими-то вопросами, а потом бросают их. Результаты перестают вдохновлять. На формирование теории могут уйти десятилетия. Но иногда накопление научных знаний идёт прямой дорогой, и одно открытие порождает другое, будто падение костяшек домино. Подобное недавно произошло в области, изучающей при помощи математики механику жидкостей. Удивительное экспериментальное открытие 2013 года запустило серию математических доказательств, разрушивших вековые представления. «Это была очень динамичная и удивительная история», — сказал Александр Киселёв, математик из Университета Дьюка, соавтор одного из доказательств. В основе открытий лежат уравнения Эйлера, сформулированные Леонардом Эйлером в 1757 году. Математики и физики использовали их для моделирования поведения жидкостей во времени. Если бросить в пруд камень, как будет двигаться жидкость через пять секунд? Уравнения Эйлера помогут ответить на этот вопрос.

Читать далее

Будущее ДНК-вычислений: объемная 3D-архитектура, наноразмер и невероятная производительность

Наиболее вероятно, что главным революционным отличием процессоров будущего станут объемная (3D) архитектура и наноразмер составляющих, что позволит головокружительно увеличить количество элементов. Сегодня кремниевые технологии приближаются к своему технологическому пределу, и ученые ищут адекватную замену кремниевой логике. Клеточные автоматы, спиновые транзисторы, элементы логики на молекулах, транзисторы на нанотрубках, ДНК-вычисления. Но как собрать наноэлементы в сложное единое целое? Как подвести к ним питание? Как они будут обмениваться информацией? Как их заставить работать сообща? И еще, не менее важная проблема – как организовать обмен информацией между внешним миром и наноустройствами, иначе говоря, как сделать информационный переходник от «микро» к «нано»? Увы, на сегодняшний день главные претенденты на замену кремния находятся в состоянии идей или работающих стендовых образцов. Их технические реализации, в подавляющем большинстве, не дают ответа на поставленные выше вопросы, откладывая на будущее решение этих проблем.

Читать далее

Создано “нанозеркало” с индексом отражения выше 99,9% для новых оптоэлектронных устройств

Фото: VCSEL solutions & photodiodes. Свыше 99,9% падающего излучения отражает новое зеркало, построенное физиками США. А ведь толщина его составляет всего-то 0,23 микрометра. Специалисты говорят, что такое “нанозеркало” способно улучшить параметры многих компьютерных устройств, где применяется лазерная оптика. Изобретение американцев называется “Контрастная решётка с высоким индексом преломления и шагом, меньше длины волны” (high-index contrast sub-wavelength grating – HCG). Создали её Конни Чан-Хаснейн (Connie J. Chang-Hasnain), директор Центра оптоэлектроники, наноструктур и полупроводниковых технологий Университета Калифорнии в Беркли (CONSRT), и её аспиранты Майкл Хуан (Michael Huang) и Е Чжоу (Ye Zhou). Однако, прежде, чем рассказать о сути, необходимо сделать небольшое отступление. Ранние версии полупроводниковых лазеров использовали в качестве зеркал кристаллы, которые обеспечивали коэффициент отражения в 30%. Это не слишком много, если учесть, что зеркала в лазере обеспечивают многократный пробег фотонов через рабочую среду, где они вызывают генерацию новых фотонов, вся эта лавина накапливается и, в конечном счёте, выходит через одно из зеркал (полупрозрачное) в виде лазерного луча.

Читать далее

Впервые получено вращающееся со сверхзвуковой скоростью кольцо из вещества в сверхтекучем состоянии

Фото: R. Dubessy / University of Paris 13; CNRS Paris. Физики экспериментально получили кольцо из вещества в сверхтекучем состоянии, которое вращается более минуты со скоростью, превышающей звуковую до 18 раз. Данная конфигурация должна помочь реализовать гигантский квантовый вихрь в подобной системе, пишут авторы в журнале Physical Review Letters. При охлаждении ряда веществ до близкой к абсолютному нулю температуре они могут переходить в квантовое состояние, которое характеризуется новыми свойствами. В частности, гелий при таких условиях становится сверхтекучим, то есть ведет себя как жидкость с нулевой вязкостью. Также многие вещества, в первую очередь разреженные атомарные газы, становятся конденсатами Бозе — Эйнштейна, в которых частицы проявляют скоррелированное поведение и описываются единой волновой функцией. Важным свойством сверхтекучих веществ оказывается возникновение квантовых вихрей, то есть небольших вращательных течений, которые могут существовать лишь при определенных значениях момента импульса.

Читать далее

Обнаружена возможность гасить и усиливать лазерный луч с помощью постселекции облака атомов

Благодаря постселекции облако атомов в основном состоянии может гасить и усиливать падающий на него лазерный луч даже в том случае, если состояние атомов не изменяется. Ключевую роль в этом эффекте играет переменное и заранее неизвестное число фотонов, содержащихся в падающем пучке. Теоретическую статью с описанием эффекта американские физики  опубликовали в Physical Review A, а препринт статьи выложили на сайте arXiv.org. Если достаточно сильно охладить облако атомов и некоторое время подождать, то все атомы «свалятся» в основное состояние, в котором их энергия минимальна. Такое облако поглощает фотоны, но не может их испускать. Следовательно, если пропустить сквозь него лазерный луч, атомы будут «выдергивать» из него фотоны и отбирать энергию. Впрочем, в квантовой механике процесс поглощения фотона происходит не наверняка, поэтому с небольшой вероятностью атомы могут остаться в основном состоянии даже после пропускания лазерного луча. Естественно ожидать, что после такой обработки энергия луча не изменится.

Читать далее

Впервые измерена величина сильного взаимодействия между протоном и гипероном

Иллюстрация: ALICE CERN, 2020. Данные эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере по протон – протонным столкновениям использовали для измерения сильного взаимодействия между протонами и двумя типами гиперонов — частиц из трех кварков, один из которых является странным. Новые наблюдения превзошли предыдущие исследования по точности и диапазону наблюдения, а в будущем использованный метод позволит лучше изучить сильное взаимодействие короткоживущих адронов. Это может помочь физикам не только в поиске связанных состояний экзотических частиц, но и в понимании структуры нейтронных звезд. Статья опубликована в журнале Nature. Почти вся видимая материя во Вселенной состоит из нуклонов (протонов и нейтронов), которые, в свою очередь, являются барионами — частицами из трех кварков. Кварки в таких структурах связывает сильное взаимодействие, которое реализуется посредством обмена глюонами — бозонами-переносчиками сильного взаимодействия. Это же взаимодействие приводит к возникновению остаточной силы, которая связывает друг с другом и сами нуклоны: таким образом образуется дейтрон (связанное состояние нейтрона и протона) и все остальные атомные ядра.

Читать далее

Бозонный сэмплинг на 100-модовом оптическом интерферометре позволил продемонстрировать квантовое превосходство

Китайские физики собрали оптическую схему, с помощью которой продемонстрировали квантовое превосходство. В качестве задачи для демонстрации скорости работы квантового устройства они выбрали бозонный сэмплинг на 100-модовом оптическом интерферометре. По расчетам авторов, их квантовый вычислитель справляется с этой задачей в 100 триллионов раз быстрее, чем обычный суперкомпьютер. Работа опубликована в журнале Science. С начала развития квантовых технологий вопрос превосходства квантового компьютера над классическим не только остается открытым, но и постоянно меняется его формулировка. Ученые сосредоточили свое внимание на определенных задачах, в которых квантовые вычислители оказываются эффективнее классических. Почти год назад отдел квантового искусственного интеллекта компании Google впервые заявил о том, что их сверхпроводниковый 53-кубитный процессор Sycamore смог превзойти классический суперкомпьютер в задаче о генерации случайных числовых строк. Из-за вероятностной природы кубитов число возможных вариантов таких строк оказывается очень большим — 253, поэтому для классического компьютера решение такой задачи может занять тысячи лет.

Читать далее

Скорость света и шумеры: рассказ об условности нашего понимания пространства и времени

Из учебников физики нам известно, что скорость света в вакууме равна 299792458 метрам в секунду. Вы никогда не задумывались, почему такая фундаментальная физическая константа как скорость света имеет такое странное значение? Почему она равна приблизительно трехстам миллионам метров в секунду? Почему не больше и не меньше? В чем сакральный смысл этого числа? Никакого сакрального смысла в этом числе, ясное дело, нет. Все дело в том, что мы получаем такое бессмысленное значение скорости света исключительно из-за полной бессмысленности выбранной нами системы мер. Ведь что такое секунда и метр? Что такое секунда? Чтобы понять это, давайте представим себе, инопланетянина, изучающего людскую цивилизацию. Он узнает, что для измерения времени мы используем единицы, равные времени полного обращения нашей планеты вокруг собственной оси, деленное на некоторое число. Если мы поделим время полного обращения Земли на двадцать четыре, то получим час. Если час мы поделим на шестьдесят, то получим минуту. А если и минуту мы поделим на шестьдесят, то получим секунду.

Читать далее