Инновации в физике, которые стали доступны широкому кругу людей в 2012-2013 годах

Міністерство освіти і  науки

Харківський національний університет  ім. В.Н. Каразіна

Реферат

по теме: «Инновции в облсти физики, которые стали известными широкому кругу людей в 2012-2013 годах»

Выполнила:

студентка группы ФА-51

Жанишева Светлана

Харьков - 2013

Новости инновационний, которые  стали доступны широкому кругу людей  в 2012 году

 

Гигантский радиотелескоп  поможет обнаружить следы первых звезд и галактик

 

Радиотелескоп является самым  сложным и разносторонним проектом в своем роде, инновационной технологией, которая способна осуществить мониторинг неба в северном полушарии всего  за 45 дней на низкочастотных радиоволнах.

Более 20 000 радиоантенн будут  объединены через Интернет для изучения неисследованных радиочастот, обнаружения  следов первых звезд и галактик и, возможно, признаков внеземных цивилизаций.

Сверхчувствительный высокочастотный  радиотелескоп (Low Frequency Array – LOFAR) будет  состоять из массива антенн, распределенных по 48 станциям в Нидерландах и  в других странах Европы. Все антенны  будут объединены в сеть при помощи волоконно-оптических кабелей. Сигналы  с данных станций будут объединяться сверхмощным компьютером, что, по словам Хейно Фальке (Heino Falcke), председателя органа правления проекта международного телескопа LOFAR, делает данный радиотелескоп  одним из наиболее сложных и разносторонних проектов в своем роде.

В настоящее время установлено 16 000 тысяч антенн LOFAR и 41 станция, весь комплекс работ по созданию инновационной  технологии будет завершен к середине этого года. При всем этом разрешение LOFAR будет сопоставимо с разрешением  телескопа, диаметр которого составляет 620 миль (1 000 километров). Кроме того, по словам Майкла Уайза (Michael Wise) из ASTRON, Нидерландского института радиоастрономии, дизайн телескопа предусматривает  возможность дальнейшего расширения и возможность установки дополнительных станций.

Из-за большого размера LOFAR телескоп может сканировать большие участки  неба – в рамках первого исследования, начатого 9 января, все северное небо может быть сканировано дважды всего  за 45 дней, согласно заявлению, сделанному Джорджем Хелдом (George Heald) в ASTRON.

LOFAR также является быстродействующим  устройством, способным производить  измерения всего за пять миллиардных  долей секунды. Помимо этого,  тот факт, что LOFAR, по сути, представляет  собой множество объединенных  вместе радиотелескопов, обеспечивает  возможность одновременного проведения, например, трех различных проектов.

Комплекс разработан для  мониторинга низкочастотных радиоволн, которые представляют собой значительную неизученную часть излучений  неба. Одним из основных источников таких радиоизлучений являются чрезвычайно  слабые сигналы, поступающие от скопления  холодного газообразного водорода, который преобладал в космическом  пространстве во время так называемого  «средневековья» в развитии вселенной. Поскольку в конечном итоге образовались звезды, они должны были оставить следы на таком скоплении водорода, и анализируя процесс изменения данных радиосигналов во времени, ученые смогут узнать, как образовались первые галактики.

По словам Гера де Брюна (Ger de Bruyn) из ASTRON, это основной этап в  процессе раннего развития вселенной, который растянулся на 400–800 миллионов  лет после «большого взрыва».

LOFAR также будет также  выявлять искусственные радиоизлучения  в составе программы поиска  внеземных цивилизаций (SETI). Прошлые  миссии SETI были сосредоточены на  высокочастотных радиоволнах, но, возможно, внеземные цивилизации  предпочитали более низкие частоты.

Интенсивное излучение низкочастотных радиоволн также наблюдается  вокруг мощных космических объектов, например, черных дыр, и исследование данных волн может помочь ученым лучше  понять внутреннее устройство таких  сложных систем. Например, по мнению Джейсона Хесселса (Jason Hessels) из ASTRON, когда  речь заходит о пульсарах –  высоко намагниченных и быстро вращающихся  нейтронных звездах, которые могут  образоваться после сверхновых звезд  – LOFAR cможет отслеживать радиоизлучения из, примерно, 60-мильного (100-километрового) диапазона от поверхности пульсара.

С начала мая LOFAR будет открыт для астрономов всего мира. Ученые, работающие над проектом LOFAR, выступили  с подробными докладами о проделанной  ими работе на 219-й ежегодной конференции  Американского астрономического сообщества в городе Остин, штат Техас.

Электроника из графена переходит  в третье измерение

Удивительный материал графен был провозглашен новым кремнием, с одной только большой проблемой: он обладает слишком высокой проводимостью, чтобы его можно было использовать в компьютерных микросхемах. В настоящее  время ученые из Университета Манчестера разработали перспективы его  дальнейшего использования и  внедрения инноваций на предприятиях, выпускающих электронику.

Не так давно команда  Университета Манчестера, возглавляемая  Нобелевскими лауреатами - профессором  Андре Геймом (Andre Geim) и профессором  Константином Новоселовым - практически  открыла третье измерение в исследовании графена. В ходе исследования был  разработан транзистор, который добавляет  графену недостающее звено, чтобы  сделать его новым кремнием.  
Графен – атомная плоскость углерода – выдающийся материал с бесконечными уникальными свойствами, от электроники до химии и от оптики до механики.  
Одно из возможных многочисленных применений графена – его использование в качестве основного материала для компьютерных микросхем вместо кремния. Эта возможность привлекла внимание крупнейших производителей микросхем, включая IBM, Samsung, Texas Instruments и Intel. Отдельные транзисторы с очень высокой частотой (до 300 ГГц) уже были продемонстрированы многими исследовательскими группами по всему миру.  
К сожалению, эти транзисторы нельзя плотно устанавливать в микросхему, и внедрение инноваций на предприятии-производителе пока невозможно. Основная причина заключается в том, что транзисторы проводят слишком большой объем тока, даже в самом защищенном состоянии графена. Электрический ток может вызвать расплавление микросхем за считанные секунды.  
Эта проблема возникла в 2004 г., когда исследователи из Манчестера рассказали о своем открытии, принесшим им Нобелевскую премию, и, несмотря на огромные усилия по разрешению данной проблемы в международном масштабе, решение так и не было найдено. br> 
Сейчас ученые из Университета Манчестера предлагают использовать графен не горизонтально (в плоскости), как это было во время предыдущих исследований, а вертикально. Они использовали графен, как электрод, электроны от которого проникают внутрь другого металла сквозь диэлектрик. Это называется замещающий (тоннелирующий) диод. br> 
Затем они задействовали совершенно уникальное свойство графена: внешнее напряжение может сильно изменить энергию тоннелирующих электронов. В результате они получили новый тип устройства – вертикальный тоннелирующий транзистор, для которого графен является основным компонентом.  
Однако, одного графена недостаточно, чтобы добиться проникновения. К счастью, существует множество других материалов толщиной в один атом или молекулу, и они используются в качестве дополнительных материалов.  
Команда ученых из Манчестера создала транзисторы путем комбинирования графена с атомными плоскостями нитрида бора и дисульфида молибдена. Такие транзисторы собираются слой за слоем в требуемой последовательности, как слоеный пирог, только на уровне атомов.  
Подобных многослойных суперструктур в природе не существует. Это совершенно новая концепция, предложенная исследователями из Манчестера. Сборка на уровне атомов предоставляет новые степени функциональности; без некоторых из них создание тоннелирующих транзисторов было бы невозможно.  
Безусловно, транзистор важен, но концепция сборки атомных слоев, возможно, еще важнее. Тоннелирующий транзистор – всего лишь один пример неисчерпаемого количества многослойных структур и новейших устройств, которые теперь можно создать при помощи такой сборки. Она действительно предоставляет бесконечные возможности, как для фундаментальной физики, так и для конкретного применения. Среди других вероятных примеров можно назвать светодиоды, фотогальванические механизмы.

Создан первый атомный рентгеновский  лазер

Ученые из департамента США  при Национальной ускорительной  лаборатории SLAC создали самый коротко  импульсный и четкий рентгеновский  лазер, какой только когда-либо существовал, оправдав давние прогнозы и открыв дорогу к новым научным открытиям.

В Национальной ускорительной  лаборатории ученые направили линейный когерентный источник света - Linac Coherent Light Source (LCLS) - на источник света в  капсуле газа неона, используя рентгеновское  излучение для создания первого  в мире атомного рентгеновского лазера.

По словам Нины Роринджер (Nina Rohringer), физика, возглавившего исследование, такие инновации и технологии, как рентгеновские лучи, позволяют  заглянуть в мир атомов и молекул. Это должно заинтересовать ученых, которые могут использовать новый  тип лазера для проведения различных  интересных экспериментов, например, вызывать химические реакции или наблюдать  за биологическими молекулами. Ведь чем  короче импульсы, тем быстрее изменения, которые можно зафиксировать. И  чем четче свет, тем большую  резкость приобретают детали.

Создание нового атомного рентгеновского лазера было предсказано  в далеком 1967 году. Тогда утверждалось, что инновации и технологии позволяют  сделать рентгеновские лазеры по технологии лазеров видимого диапазона, заставив электроны падать с верхнего и нижнего энергетических уровней  в атомах, испуская при этом свет одного цвета. Но до 2009 года – момента  запуска лазера LCLS – еще не существовало источника рентгеновского излучения, достаточно мощного для создания такого типа лазера.

Чтобы стать атомным, LCLS испускает  мощные рентгеновские импульсы, каждый из которых в миллиард раз ярче, чем любой существующий лазер. Эти  импульсы сбивают электроны с  внутренних зарядов множества атомов неона, заключенных в капсулу. Когда  электроны падают и заполняют  пространство, только один из 50 атомов создает ответную реакцию, излучая  фотон в рентгеновском диапазоне, который имеет очень короткую длину волны. После чего эти рентгеновские  лучи стимулируют соседние атомы  неона на излучение еще большего количества рентгеновских лучей, тем  самым, создавая эффект домино, который  усиливает лазерный свет в 200 миллионов  раз.

Несмотря на то, что и LCLS, и неоновые капсулы являются лазерами, они по-разному создают и излучают свет с различными характеристиками. Излучение LCLS проходит через электроны  высокой энергии через переменное магнитное поле для того, чтобы  вызвать образование рентгеновских  лучей, и его рентгеновский импульс ярче и гораздо мощнее. Импульсы атомного лазера длиннее всего на одну восьмую долю, но их свет гораздо четче, что позволяет освещать и выделять подробности сверхбыстрых реакций, т.е. то, что раньше невозможно было увидеть.

Как считает Джон Бозек (John Bozek), это достижение открывает путь к новым областям применения рентгеновского излучения и, безусловно, ученым очень  пригодится новый тип лазера и  его преимущества.

Например, и LCLS, и атомные  лазерные импульсы можно совместно  использовать для синхронизации  «быстрого удара»: первый лазер вызывает изменения в исследуемом образце, а второй фиксирует с точностью  до атома все изменения, которые  произошли в течение нескольких долей секунды.

В будущем ученые попытаются создать еще более коротко  импульсный и высокоактивный атомный  рентгеновский лазер с использованием кислорода, азота или серы.

 

Открытия ученых требуют проверки: сверхсветовые нейтрино

 

Ученые, которые работают в эксперименте ICARUS, вновь измерили скорость нейтрино и не подтвердили  сенсационных результатов сделанного их коллегами из эксперимента OPERA ранее (2011 год) открытия ученых о превышении скорости света. Такую информацию подтверждает пресс-служба Организации ядерных  исследований Европы (ЦЕРН).

В конце сентября прошлого года физики из ЦЕРНа Швейцарии и  итальянской лаборатории Гран-Сассо  заявили, что им удалось с помощью  детектора OPERA засечь нейтрино, элементарные частицы, которые двигались со сверхсветовой  скоростью. Нейтрино, по оценкам этих ученых, пролетали в ЦЕРНе от ускорителя SPS до подземного детектора в тоннеле  Гран Сассо 730 км на 60 наносекунд быстрее, чем предполагалось.

Карло Руббиа, нобелевский  лауреат, официальный представитель  научной группы ICARUS, отмечает, что  эксперимент ICARUS провел проверку необычных  результатов, которые были получены OPERA в 2011 году. Измерения показали, что  скорости света скорость нейтрино не превышает.

Детекторы OPERA и ICARUS находятся  в равных условиях – они размещены  в Альпах, в одной лаборатории  в тоннеле Гран-Сассо, на одинаковом расстоянии от ЦЕРНа и «наблюдают»  один пучок нейтрино. Это позволяет  сопоставлять полученные данные.

Серджио Бертолуччи, директор ЦЕРНа по исследовательским проектам, говорит о появлении свидетельств, которые указывают, что результат OPERA был артефактом экспериментальных  измерений.

Однако он подчеркнул необходимость  проведения тщательной проверки, поэтому  участники других нейтринных экспериментов  в Гран-Сассо (ICARUS, BOREXINO, OPERA, LVD) в мае 2012 года будут проводить новые  измерения скорости пучков нейтрино из ЦЕРНа для вынесения окончательного вердикта. А также ученые будут  сопоставлять скорости нейтрино космоса.

Раньше участники эксперимента OPERA сообщили, что была обнаружена техошибка, при изучении пучков нейтрино она  могла привести к появлению информации о превышении скорости света. Данные эффекты могли привести к переоценке и к недооценке скорости.

Первый возможный эффект относится к источнику колебаний, применявшийся для получения  точных сигналов времени с целью  синхронизации GPS. Этот факт мог привести к завышению времени полета нейтрино. Второй эффект обусловлен разъемом волоконно-оптического кабеля, по которому к главным часам эксперимента передавался внешний сигнал системы GPS. Во время измерений этот разъем мог быть неправильно подсоединен, это привело к недооценке времени полета нейтрино.

Участники эксперимента OPERA имеют цель организовать проверку воздействия  двух эффектов в процессе специально организованных экспериментов, которые  также запланированы на май этого  года.

 

 

 

Китайцы осуществили на рекордное расстояние телепортацию фотонов

 

Физики из Китая провели  телепортацию фотонов на расстояние в 97 км по открытому воздуху. Эта  инновационная разработка предполагает передачу запутанных фотонов при  помощи лазера мощностью в 1.3 Вт. Эксперимент  провели над озером, которое находилось на уровне 4 000 м над уровнем моря. Поскольку главной проблемой  при передаче на это расстояние оказалось  уширение луча, физики решили применить  дополнительный направляющий лазер, помогающий подстроить передатчик и приемник. Кроме уширения луча, потери фотонов  были вызваны турбулентностью воздуха  и несовершенством оптики.

Однако за четыре часа ученые передали на 97 км примерно одну тысячу сто запутанных фотонов. Физики отмечают, что наблюдаемые потери не являются весьма большими и можно надеяться, что квантовую телепортацию фотонов  в скором времени можно будет  проводить и между коммуникационным спутником и наземной станцией. Тем  более, что расстояние, которое было достигнуто учеными, лишь в несколько  раз меньше расстояния между поверхностью Земли и спутником.

В физике квантовая телепортация - это мгновенная передача информации между двумя разделенными в пространстве точками без участия передающей среды. Она проводится на базе квантового феномена запутанности, при этом состояния  двух частиц связаны между собой, если они даже расположены на существенном расстоянии друг от друга. Существует возможность при изменении состояния  одной из частиц, мгновенно изменить состояние другой, это может стать  базой канала передачи информации.