Пять новых открытий в физике

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Башкирский государственный педагогический университет

им. М.Акмуллы»

(ФГБОУ ВПО «БГПУ им. М.Акмуллы»)

Кафедра общей и теоретической физики

Педагогическое образование

Направление Физическое образование

РЕФЕРАТ

ПЯТЬ НОВЫХ ОТКРЫТИЙ В ФИЗИКЕ

Габбасова Роберта Фаизовича

Руководитель: Фатыхов М. А., профессор, д. ф.-м. н.

Уфа 2012

Содержание

1. Новое семейство сверхпроводников

2. Первая плоская линза, фокусирующая свет без искажений

3. Ученые предложили способ управления нитями света

4. Американские ученые создали самую мощную лазерную систему

5. Открыта боковая отталкивающая сила света

Литература

1. Новое семейство сверхпроводников

В 2008 г. разработано второе семейство высокотемпературных сверхпроводников.

Исследователи Японии и Китая разработали новое семейство высокотемпературных сверхпроводников - материалов, которые проводят электрический ток без какого-либо сопротивления при необъяснимо высоких температурах. Физики всего мира приветствуют открытие новых железо-мышьяковых соединений как важный прорыв в науке, так как другие сверхпроводники являлись лишь медно-кислородными или купратными, открытыми в 1986 году. Эти старые материалы получили Нобелевскую премию и породили всплеск исследований, однако физики до сих пор не единогласны во мнении относительно принципа работы сверхпроводников, оставляя высокотемпературную сверхпроводимость как величайшую загадку физики твердого тела. Некоторые исследователи надеются, что новые материалы помогут разрешить ее.

"Возможно, что эти материалы обеспечат понимание принципа их работы и, возможно, физика купратов станет ясной", говорит Хаи-Ху Вэн, физик из Института физики, Пекин, Китайской академии наук. Однако, Филипп Андерсон, теоретик из Принстонского университета, нобелевский лауреат, говорит, что новые сверхпроводники будут более важны, если они работают по принципу отличному от старых. "Если это действительно новый механизм, одному Богу известно, как он происходит", сказал он.

Сверхпроводимость - это лучшая природная загадка. Обычно, электроны, движущиеся в металле, теряют энергию вследствие столкновений с частицами кристаллического материала. В сверхпроводниках, электроны не претерпевают никаких потерь и просто продолжают двигаться. Это происходит потому, что при низкой заданной температуре они образуют пары. Отклонение электрона требует разрыва пары и при низких температурах недостаточно энергии для этого. Поэтому такие двойные ансамбли беспрепятственно двигаются.

В обычном сверхпроводнике пары держатся вместе посредством колебаний через основу материала из положительно заряженных ионов. Многие физики, однако, думают, что механизм не объясняет работу купратов, которые могут работать при температурах до 138 К. В них каждое соединение содержит плоскости кислорода и ионов меди, упакованных в квадратных структурах. Электроны перепрыгивают иона меди на ион меди и как-то образуют пару, хотя физики не единогласны с тем, как это происходит.

Новые материалы имеют сходство с купратами в некоторых замечательных направлениях. Они также являются многослойными материалами, однако вместо меди и кислорода, они содержат плоскости железа и мышьяка вдоль которых электроны вероятно скользят. Между плоскостями лежат элементы, такие как лантан, церий или самарий смешанные с кислородом или фтором. 23 февраля, Хидео Хосоно из Токийского технологического института и коллеги сообщили в журнале Journal of the American Chemical Society, что лантан-кислород-фтор-железо-мышьяк (LaO1-xFxFeAs) становится сверхпроводником уже при 26° К.

Затем китайские исследователи использовали эту разработку. 25 марта X.H. Chen из Университета науки и технологии, Китай, Хайфэй, сообщили, что самарий-фтор-железо-мышьяк (SmO1-xFxFeAs) проявляет сверхпроводимость уже при 43° К. Тремя днями спустя Zhong-Xian Zhao из Института физики сообщил, что празеодим-кислород-фтор-железо-мышьяк (PrO1-xFxFeAs) имеет критическую температуру 52° кельвина. 13 апреля этот автор и его группа показали, что самариевое соединение становится сверхпроводником уже при 55° К если его подвергнуть воздействию давления. Все материалы имеют схожую кристаллическую структуру и расчетами показано, что сами колебания не имеют достаточно оснований, для того, чтобы быть ответственными за такие высокие критические температуры.

Как минимум 4 разные группы в Китае, включая три группы из института физики, синтезировали новые вещества и сообщили результаты на сервере материалов еще не вышедших в печать.

Первый вопрос, приходящий на ум каждому, - работают ли новые высокотемпературные сверхпроводники по такому же принципу, как и старые. Анедерсон говорит, что они не могут, т.к. старые материалы развиваются из состояний с одним электроном на один ион меди, тогда как новые материалы развиваются из состояний с двумя электронами на ион железа. Однако Стивен Кивельсон, теоретик из Стэнфордского университета, Пало Альто, Калифорния, отмечает, что старые и новые материалы оба имеющие плоские структуры, являются изначально плохими сверхпроводниками, и демонстрируют тип магнетизма, называемый антиферромагнетизм. "Это достаточные схожие признаки того, что это хорошая рабочая гипотеза о том, что они работают по схожему механизму", сказал он.

Все единогласны в том, что новые материалы обусловят возрастающий интерес и новый шаг в синтезе высококачественных образцов, содержащих единичный чистый кристалл.

2. Первая плоская линза, фокусирующая свет без искажений

сверхпроводник линза свет лазерный

Ученые из США создали первые ультратонкие плоские линзы. Благодаря своим свойствам, предложенная линза устраняет оптические аберрации, характерные для обычных линз со сферическими поверхностями, позволяя получить четкую фокусировку. Интересно, что в теории фокусирующая способность новой линзы приближается к физическому пределу, установленному законами дифракции.

В обычной оптической линзе свет распространяется быстрее в периферических областях, нежели в центре из-за того, что в стекле фазовая скорость света меньше, чем в воздухе. На практике такое распределение скоростей порождает преломление света и его фокусировку. Таким образом, большинство оптических устройств на сегодняшний день достаточно громоздки, поскольку изменение направления распространения падающего светового луча требует оптического элемента определенной толщины.

Похоже, ученые из США придумали способ уменьшить геометрические размеры оптических устройств. Исследователи из Harvard School of Engineering and Applications (США) предложили новую линзу, где преобразование направления распространения света осуществляется с помощью плоской структуры всего лишь 60 нм толщиной. Новая ультратонкая линза отличается от обычных оптических устройств тем, что ее поверхность покрыта оптически тонкими элементами, получившими название «оптических антенн». Эти антенны позволяют вносить небольшую задержку фазы в рассеиваемый луч света. Как поясняют сами ученые, антенны представляют собой не более чем резонатор, который «хранит» свет некоторое время, а после небольшой задержки «выпускает» его. Эта самая временная задержка изменяет направление распространения луча таким же образом, как и толстые стеклянные линзы. Таким образом, если поверхность плоской линзы структурировать антеннами различной формы и размеров, ориентированными в соответствующих направлениях, можно получить эффект фокусировки падающего света в одной единственной точке. Поверхностная структура может быть настроена под конкретную длину волны путем изменения размера, угла и расстояния между наноантеннами.

На практике ученые создали подобную линзу путем осаждения нанометрового слоя золота. Позже часть золота была удалена при помощи электронно-лучевой литографии, так что на поверхности кремниевой пластины остались равномерно распределенные V-образные структуры (наноантенны). Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.

Предложенный оптический элемент, в отличие от классических линз со сферическими поверхностями, не страдает от искажений изображения, известных как монохроматические аберрации. Это условие выполняется, даже если световые лучи попадают на линзу далеко от ее оптической оси или под большим углом к ней, причем, без дополнительных корректирующих методов.

Наиболее очевидным приложением для созданного оптического элемента является фотография и микроскопия, а также другие области, где стеклянные линзы могут быть заменены плоскими. В связи с этим научная группа завалена заявками от астрономов и фотографов со всего мира. Хотя пока эффективность фокусировки созданной линзы не так велика, она может быть легко увеличена путем увеличения плотности расположения наноантенн на поверхности кремния. Также пока линза работает только с одной длиной волны. По мнению исследователей, эта проблема может быть решена уже в ближайшее время путем организации различных сложных антенн на поверхности.

В ближайшем будущем ученые планируют повысить эффективность производства устройств, применив вместо трудоемкого метода электронно-лучевой литографии новые техники нанолитографии, пригодные для массового производства.

3. Ученые предложили способ управления нитями света

При благоприятных условиях лазер высокой интенсивности может образовывать так называемые филаменты - своеобразные протяженные «нити» излучения, энергия которого локализована в пространстве. Эти филаменты имеют целый диапазон возможных применений, но эксперименты показали, что они достаточно неустойчивы, их трудно контролировать. В своей последней работе группа ученых из Греции показала, что как нити, так и взаимодействия между ними могут быть стабилизированы, если она направлены в стекло, оптические свойства которого периодически изменяются в пространстве.

Луч света, сфокусированный на маленьком объекте, распространяется за него посредством дифракции. Если свет будет достаточно интенсивным, он будет взаимодействовать со средой (например, с воздухом или стеклом), повышая показатель преломления в центре луча (где его интенсивность максимальна). Эта особенность работает, как линза, обеспечивая самофокусировку луча, компенсируя отклонения формы пучка света из-за дифракции. Таким образом, луч при распространении имеет постоянный диаметр.

Если световой импульс имеет большую интенсивность, чем это необходимо для формирования постоянного диаметра луча, он может сфокусироваться настолько, что при его прохождении среда (воздух или стекло) будет ионизирована, т.е. образуется плазма. Этот интенсивный узкий пучок носит название филамента (в некоторых источниках его также называют нитью-филаментом). Центральный канал из плазмы помогает ему сохранять стабильный диаметр порядка десятка микрон.

Потенциальное применение филаментов достаточно обширно. К примеру, они могут использоваться для получения оптического отклика от объектов, которые необходимо наблюдать с безопасного расстояния (например, радиоактивного распада). Кроме того, взаимодействие света и плазмы позволяет получить предельно короткие импульсы, длительность которых не увеличивается при прохождении на большие расстояния.

Однако до сих пор у ученых не было инструментов контроля над поведением филаментов. Из-за сложного взаимодействия света и среды, в которой он распространяется, такие импульсы проходят через циклы фокусировки и расфокусировки в пространстве и времени. Похоже, в своей последней работе группа ученых из Foundation for Research and Technology-Hellas (FORTH) и University of Crete (Греция) предложили путь для стабилизации филаментов.

Ранее в рамках теоретических расчетов ученые уже показали, что филаменты могут быть стабилизированы, если они создаются в так называемой фотонной решетке - среде, оптические свойства которой периодически изменяются в пространстве. Как и в случае дифракционной решетки, использование такой среды приведет к рассеянию пучка, однако это рассеяние может контролироваться, параллельно препятствуя спорадической фокусировке и расфокусировке, возникающей в результате внутренних изменений. Теперь же подобная возможность была продемонстрирована экспериментально. В качестве фотонной решетки на практике исследователи использовали кристалл стекла, в котором лазером были «выжжены» длинные каналы (с другим показателем преломления).

По мнению ученых, аналогичные фотонные структуры могут быть созданы и в воздухе, например, с помощью ионизации. Таким образом, опубликованная в журнале Physical Review Letters работа является шагом в направлении использования филаментов на практике.

4. Американские ученые создали самую мощную лазерную систему

С помощь лазерной системы, расположенной на территории научного парка National Ignition Facility, что в США, ученые смогли установить новый рекорд мощности импульса лазера. Работа лазерной системы обеспечивается благодаря 192 отдельным лазерным пучкам. Как видно, установка является весьма сложной и, следовательно, довольно дорогой. Однако это система является необычайно важной для дальнейшей научной работы - с помощью установки физики планируют запустить инерциальный термоядерный синтез.

Для реакции синтеза необходимо определенное условие - достаточное приближение двух ядер трития и дейтерия друг к другу на сверхмалое расстояние (речь идет о фемтометровых расстояниях). Именно на таком интервале возможно действие ядерных сил.

Посредством мощного лазерного излучения в ходе дальнейших экспериментов планируется подвергнуть воздействию металлический цилиндр, внутри которого будет находиться сфера с оболочкой из бериллия и дейтерий-натриевым наполнением. При этом цилиндр начнет нагреваться, а полученная энергия в виде излучения рентгеновского спектра будет воздействовать на специальную мишень. Таким образом, энергии будет достаточно для того, чтобы вещество начало испаряться с поверхности сферы. Кроме этого, образуется направленная внутрь ударная волна, способная увеличить температуру топлива до термоядерных величин. Далее горение распространится на периферийную часть образца.

На данный момент производятся работы по проверке и испытаниям экспериментальной установки. В результате таких подготовительных работ и был установлен новый рекорд мощности лазерного импульса: на мишени толщиной 2 мм была зафиксирована мощность излучения ультрафиолетового спектра в 500 ТВт. При этом выделилось около 1,85 МДж энергии. Ранее были зафиксированы другие рекорды: мощность лазера составляла 423 ТВт, но количество энергии при этом выделилось несколько больше - 1,89 МДж.

По словам руководителя научного парка National Ignition Facility, Эдварда Мозеса, действующий проект был запущен 20 лет назад и в наши дни приобретает черты грандиозной исследовательской лаборатории. На сегодняшний день установка полностью готова к работе, и коллектив американских физиков стоит в преддверии того момента, когда произойдет реальный пуск термоядерного синтеза.

5. Открыта боковая отталкивающая сила света

Хун Тан (Hong Tang) и его команда из школы инжиниринга и прикладных наук Йельского университета экспериментально выявили отталкивающее действие света. Тем самым они завершили построение картины биполярного взаимодействия близкорасположенных наноразмерных волноводов, по которым проходят пучки излучения с определёнными параметрами.

В прошлом году Тан и его коллеги скомбинировали наномеханику и нанофотонику, впервые построив устройство, в котором для контроля положения компонентов применялась боковая (перпендикулярная лучу) сила воздействия со стороны света.

Это взаимодействие электромагнитных волн и оптической системы не следует путать с давно известным фронтальным давлением света, падающего на поверхность того или иного тела.

Существование боковых сил (также называемых оптическими связывающими силами -- optical binding force) теоретики предсказывали с 2005 года, причём предполагалось, что эти силы могут быть как отталкивающими, так и притягивающими. Последние как раз удалось обнаружить в прошлом году.

А вот теперь та же группа исследователей построила микроскопическое устройство, в котором добилась проявления как силы притяжения, так и силы отталкивания между соседними световыми пучками, пойманными внутри волноводов. Причём физики нашли способ регулировать эти силы по своему желанию.

"Это завершает картину, -- заявил Тан. -- Мы показали, что действительно существует двухполярная сила света с притягивающей и отталкивающей компонентами". Физики поясняют, что существование оптических связывающих сил увязано с уравнениями Максвелла, а по физической сути данные силы являются родственниками силы Казимира, которая появляется из-за квантовых флуктуаций в вакууме.

Для проявления этой новой силы учёные разделили луч инфракрасного лазера на два отдельных потока, проходящих по кремниевым нановолноводам, отличным по длине. После завершения такой петли эти волноводы подходили вплотную друг к другу (расстояние в ряде опытов менялось). В этот момент два бегущих рядом пучка оказывались со смещёнными друг относительно друга фазами.

В зависимости от величины этого сдвига, выяснили экспериментаторы, и меняется (по величине и знаку) боковая сила взаимодействия этих пучков, которую они передают на удерживающие их волноводы. И хотя сила была мала (порядка нескольких пиконьютонов), её удалось измерить и выявить закономерности: открытая сила зависела и от сдвига фаз, и от мощности излучения, и от расстояния между нановолноводами.

"Силы взаимодействия света интригуют, поскольку работают противоположным образом по сравнению с заряженными телами, -- говорит один из авторов эксперимента Вольфрам Пернайс (Wolfram Pernice). -- Противоположные заряды притягивают друг друга, тогда как сдвинутые по фазе световые лучи отталкиваются".

Команда Тана полагает, что придуманная ими технология когда-нибудь пригодится в создании быстрых, компактных и экономичных телекоммуникационных устройств. В таких схемах компоненты могли бы взаимодействовать между собой при помощи пойманного в волноводы света, что помогло бы кардинально сократить число проводников.

Литература

1. http://www.membrana.ru/particle/13926

2. http://sfiz.ru/list.php?c=news

3. http://sci-lib.com

Размещено на Allbest.ru