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

Взвесь наночастиц оксида алюминия в воде удалось заморозить в виде тончайшей пленки, состоящей из цилиндров

Китайские физики заморозили капли воды и суспензии наночастиц оксида алюминия на супергидрофобной поверхности из нано/микро-структурированного оксида меди. В ходе эксперимента ученые следили за распределением температур и формой капель: капли воды замерзли с острым кончиком на вершине, тогда как наносуспензия замерзла в форме цилиндра. Авторы предполагают, что все дело во втором потоке тепла в капле, который увеличивает горизонтальное расширение на вершине капли. Статья  опубликована в журнале Langmuir. Маленькие капли воды замерзают на холодных поверхностях — это начальная стадия образования инея, который мешает эффективно обмениваться теплом, например, в холодильниках. Чтобы с этим бороться, инженеры разрабатывают сложные поверхности, мешающие появлению зародышей льда или снижающие адгезию инея к поверхности. Но к этому процессу подходят и с теоретической точки зрения: ученые моделировали процессы заморозки капли на переохлажденной поверхности и обнаружили, что она кристаллизуется с образованием острой вершины.

Читать далее

Экспериментально усилены ограничения на взаимодействие частиц темной и обычной материй

Иллюстрация: Colin Kennedy et al. / arXiv.org. Американские физики улучшили ограничения на взаимодействие темной материи с обычной материей, которое могло бы проявляться в мельчайших колебаниях постоянной тонкой структуры и массы электрона. Они добились этого путем сравнения частот электромагнитного излучения, генерируемого в процессе работы сразу трех сверхточных устройств: криогенного кремниевого резонатора, оптических часов и водородного мазера. Ученым в пределах точности эксперимента не удалось обнаружить изменения в фундаментальных константах, от которых в разных соотношениях зависели генерируемые частоты, но эксперимент позволил усилить ограничения на взаимодействие темных частиц с массами в промежутке между 10-21 и 10-16 электронвольт с обычной материей. Препринт работы  опубликован на arXiv.org. Ученым уже давно стало ясно, что кроме видимой нам материи во вселенной присутствует еще некоторая скрытая масса. Без ее существования крайне сложно объяснить аномально высокие скорости вращения периферических областей галактик и гравитационное линзирование.

Читать далее

Обнаружена способность белой краски с наполнителем из микрометровых частиц карбоната кальция “охлаждать” поверхность ниже температуры окружающей среды

На иллюстрации: Узор из краски с CaCO3-наполнителем на фоне обычной краски в оптическом и инфракрасном диапазонах. Li et al. / Cell Reports Physical Science, 2020. Ученые изготовили белую краску с наполнителем из микрометровых частиц карбоната кальция и пронаблюдали за поведением покрытия из такого вещества под лучами солнца. Оказалось, что краска отражает около 95,5 процента падающей энергии излучения и позволяет поверхности становиться на 1,7 градуса Цельсия холоднее окружающей среды в дневное время и до 10 градусов — в ночное. По словам авторов, если дальнейшие испытания подтвердят пригодность вещества для длительного использования в разных погодных условиях, краску можно будет применять для пассивного охлаждения зданий и наружных электрических систем. Исследование опубликовано в Cell Reports Physical Science. Предметы кажутся белыми, если они равномерно и почти без потерь отражают падающую энергию излучения всех длин волн видимого диапазона.

Читать далее