Джеты — струи плазмы — сверхмассивных чёрных дыр хорошо различимы во многих спектрах от гамма-диапазона до видимого. Но это не означает, что учёные в полной мере представляют микрофизику струй. Что на самом деле происходит в облаке летящей с околосветовой скоростью плазмы — это всё ещё загадка, ответ на которую пытаются дать теория и моделирование. Попытку воспроизвести плазменную струю чёрной дыры на Земле совершили физики ЦЕРНа. И у них получилось.

Художественное представление джета чёрной дыры. Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Для эксперимента учёные воспользовались установкой HiRadMat для бомбардировки материалов высокоэнергетическими пучками протонов. С её помощью обычно исследуются перспективные материалы или компоненты ускорителя. На этот раз учёные были намерены получить струю плазмы в виде электрон-позитронных пар. Считается, что именно такая плазма преобладает в джетах сверхмассивных чёрных дыр. Для этого пучок протонов в количестве 300 млрд частиц с синхротрона направили на мишени из графита и тантала. Удар по мишеням запустил каскад взаимодействий частиц, в результате которого возникло достаточное количество электрон-позитронных пар для поддержания стабильного состояния плазмы.

Энергии протонов было достаточно, чтобы из ядер углерода в графите были высвобождены субатомные частицы пионы. Пионы в свою очередь быстро распадались на гамма-лучи высокой энергии. Затем эти гамма-лучи взаимодействовали с электрическим полем тантала, которое производило пары электронов и позитронов. В ходе тестового запуска было произведено 10 трлн электрон-позитронных пар — этого более чем достаточно, чтобы искусственно созданное облако частиц начало вести себя как настоящая плазма.

Источник изображения: University of Rochester Laboratory for Laser Energetics illustration / Heather Palmer

«Основная идея этих экспериментов заключается в воспроизведении в лаборатории микрофизики астрофизических явлений, таких как струи из чёрных дыр и нейтронных звезд, — рассказали исследователи. — То, что мы знаем об этих явлениях, получено почти исключительно из астрономических наблюдений и компьютерного моделирования, но телескопы не могут по-настоящему исследовать микрофизику, а моделирование требует приближений. Лабораторные эксперименты, подобные этим, являются связующим звеном между этими двумя подходами».

Тёмная материя — гипотетическая частица, обладающая только гравитационным взаимодействием, — призвана заполнить пробелы в наблюдениях Вселенной, когда звёзды и материя в целом ведут себя неправильно с позиций измеряемых масс: ускоряются на периферии галактик и преломляют свет без видимого присутствия вещества. Альтернатив у тёмной материи тоже немало, но новая гипотеза может удивить — она отвязывает массу от гравитации, объясняя всё дефектами в пространстве-времени.

Источник изображения: NASA/JPL-Caltech

Некоторое время назад в престижном астрономическом журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society вышла работа доктора Ричарда Лью (Richard Lieu) из Университета Алабамы в Хантсвилле (США), в которой он предложил достаточно свежую гипотезу наблюдаемых несоответствий. Учёный представил не до конца проработанный математический аппарат, который, как он пояснил, выдвигает на роль тёмной материи топологические дефекты или складки пространства-времени, возникшие из-за неоднородностей Вселенной во время фазового перехода топологии пространства-времени при разделении фундаментальных взаимодействий.

В частности, на этом этапе могли образоваться такие одномерные линейные топологические дефекты пространства-времени, которые известны как космические струны, которые достаточно давно и обоснованно поддержаны серьёзными математическими выкладками. Американский физик предположил существование других 2D-структур-дефектов — в виде сфер с нулевой гравитацией.

«Топологические дефекты представляют собой очень компактные области пространства с очень высокой плотностью вещества, обычно в виде линейных структур, известных как космические струны, хотя также возможны 2D-структуры, такие как сферические оболочки, — пояснил автор работы. — Оболочки в моей статье состоят из тонкого внутреннего слоя с положительной массой и тонкого внешнего слоя с отрицательной массой; общая масса обоих слоев — это всё, что можно оценить с точки зрения массы — в точности равна нулю, но когда звезда лежит на этой оболочке, она испытывает большую гравитационную силу, притягивающую её к центру оболочки».

Учёный представляет сферические топологические дефекты как вложенные друг в друга сферы. Они не имеют массы, но гравитационно воздействуют как на видимую материю, так и на свет. Не исключено, что предложенная концепция не может полностью исключить присутствие тёмной материи, но она значительно умаляет её роль.

Мы наблюдаем во Вселенной круги и арки протяжённостью в тысячи и сотни тысяч световых лет, поясняет автор, это может служить зримым доказательством присутствия в пространстве топологических дефектов сферической формы. В то же время учёный не сделал попытки объяснить в своей статье, как формируются складки пространства-времени сферической формы. Он также не предложил способ попытаться обнаружить их во Вселенной. Всё, что на сегодня есть — это сырой математический аппарат, который можно критиковать и развивать, что, на самом деле, уже немало.

Физики из Вирджинского политехнического института и университета штата (Virginia Polytechnic Institute and State University) открыли новый способ левитации воды, детально изученный ещё около 300 лет назад Иоганном Готлобом Лейденфростом. Предложенное решение резко снижает температуру, при которых капельки воды в жидкости начинают летать над охлаждаемой поверхностью. Открытие способно повысить эффективность теплоотвода в системах водяного охлаждения, например, в атомных реакторах.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Так называемый эффект Лейденфроста заключается в том, что прослойка пара между каплей жидкости и перегретой поверхностью служит изолятором для тепла, что также заставляет каплю летать над поверхностью. В критических случаях это может приводить к взрывам пара, что недопустимо в случае эксплуатации ядерных реакторов и, в принципе, в целом в сфере охлаждения (сюрпризы при эксплуатации оборудования никому не нужны).

Исследователи из Вирджинии поставили перед собой задачу создать более мягкие условия для передачи тепла от охлаждаемой поверхности жидкости, чтобы снизить риск взрывного парообразования, который растёт по мере нагрева среды.

Источник изображениq: Nature

«Мы полагали, что микропилляры изменят поведение этого хорошо известного явления [эффект Лейденфроста], но наши результаты превзошли даже наше собственное воображение, — рассказал инженер-механик Цзинтао Ченг (Jingtao Cheng) из Вирджинского политехнического института и университета штата. — Наблюдаемые взаимодействия пузырьков [пара] и капель являются большим открытием в области теплопередачи при кипении».

Предложенная учёными охлаждаемая поверхность состоит из сотен крошечных столбиков высотой около 0,08 мм. Они расположены в виде сетки с шагом ячейки около 0,12 мм. При размещении на такой поверхности капля воды покрывает около 100 столбиков. Вдавленные внутрь капли, эти столбики заставляют её быстрее закипать. В результате, эффект левитации проявляется значительно быстрее и при температуре всего 130 °C вместо примерно 230 °C для обычных плоских поверхностей.

Открытие наверняка можно использовать в массе областей, где используется жидкостное охлаждение, включая область компьютеров и особенно суперкомпьютеров, размещать которые всё чаще и чаще начинают на атомных электростанциях — настолько быстро растёт их потребление.

Группа физиков из Массачусетского технологического института подвела основу под теорию идентичности тёмной материи и первичных чёрных дыр. Сделано это оригинальным образом — за счёт внедрения в процесс новых элементов — экстремально маленьких экзотических чёрных дыр с цветовым зарядом. Исследователи доказали, что влияние этих экзотических дыр на первичные чёрные дыры было достаточным для последующего обнаружения. Осталось найти эти следы.

Источник изображения: Kaća Bradonjić

Полвека назад физик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) предположил, что тёмная материя — это проявление влияния рассеянных по Вселенной первичных чёрных дыр — объектов «размером с атом и массой астероида». Они невидимы, но их гравитация искажает пространство-время и притягивает к себе обычное вещество, порождая в процессе звёзды, галактики и всё-всё-всё. Тем самым вместо поиска экзотического тёмного вещества (тёмной материи), нам следовало бы уделить всё внимание поискам первичных чёрных дыр.

Предполагается, что первичные чёрные дыры образовались через одну квинтиллионную долю секунды (10^-18) после Большого взрыва. Они коллапсировали из сверхплотного в те мгновения вещества и затем рассеялись во Вселенной. Как теперь установили физики из MIT, за доли мгновений до зарождения первичных чёрных дыр и отчасти одновременно с их формированием родились ещё более экзотические и микроскопические чёрные дыры «размером с протон и массой носорога».

Эти экзотические дыры испарились также быстро после своего рождения, но они могли воздействовать на образование первичных чёрных дыр и этот след, теоретически, можно будет обнаружить, доказали учёные. Поскольку микроскопические чёрные дыры могли образоваться лишь из кварк-глюонной плазмы, то они приобрели бы свойственный этим субэлементарным частицам экзотический цветовой заряд. Именно влияние этого заряда, который не мог появиться у обычных чёрных дыр даже первичных, поскольку в процессе «сборки» обычные чёрные дыры приобрели бы нейтральный заряд, должно было оставить память о появлении ещё более экзотических чёрных дыр сразу после Большого взрыва.

Обнаружение этих следов, существование которых физики доказали лишь теоретически, поможет доказать происхождение тёмной материи, как следствие влияния на мир первичных чёрных дыр. Фактически, учёные заменили одну экзотику другой. Осталось только определить, какая из версий соответствует реальному положению дел.

«Несмотря на то, что этих короткоживущих экзотических объектов сегодня поблизости нет, они могли повлиять на космическую историю способами, которые могут проявляться в малозаметных сигналах сегодня, — пояснил Дэвид Кайзер (David Kaiser), профессор физики Массачусетского технологического института. — В рамках идеи о том, что вся тёмная материя может быть образована чёрными дырами, это дает нам новые возможности для поиска».

Около полувека для охлаждения до сверхнизких температур используется так называемый охладитель на пульсирующих трубках. Как установили учёные из США, его можно легко модернизировать, чтобы получить огромную экономию на охлаждении. В мировых объёмах ежегодная экономия составит $30 млн, 27 МВт электричества и воды на 5000 олимпийских бассейнов. Всё, что для этого нужно, — это поставить в систему охлаждения один регулирующий вентиль.

Источник изображения: newatlas.com

Как рассказали в своей работе исследователи из Национального института стандартов и технологий США (NIST), опубликованной в журнале Nature Communications, классическая холодильная установка на пульсирующих трубках в самом начале процесса охлаждения при комнатной температуре работает крайне неэффективно. На этом этапе гелий в системе находится в газообразном состоянии под очень высоким давлением. Система предохранительного сброса давления постоянно стравливает газ до его серьёзного охлаждения, что ведёт к потерям газа и перерасходу ресурсов на его охлаждение.

Схема модернизированной установки. Источник изображения: NIST

Чтобы избежать этого, учёные предложили ввести в систему регулируемую заслонку, которая постепенно перекрывала бы канал циркуляции газа. В таком случае охлаждение можно было бы ускорить до двух раз со значительной экономией ресурсов и времени. Расчёты показывают, что для охлаждения до температуры вблизи абсолютного нуля (до 4 K или -269 °C) модернизированной установке потребуется на 71 % меньше энергии, чем классической.

Чем быстрее модернизированные установки начнут появляться в промышленности, медицине и научных учреждениях, тем скорее и мощнее будет отдача от экономии. Сегодня криогенное охлаждение необходимо для работы сканеров МРТ, ускорителей, квантовых платформ и во многих других областях. Простая модернизация охлаждающих установок способна изменить правила игры во всех этих сферах, уверены учёные.

Учёные из Сколтеха и их китайские коллеги опубликовали в престижном журнале Physical Review B работу, в которой обосновали существование в недрах Урана и Нептуна экзотической молекулы акводия (aquodiium). Это молекула воды с двумя «лишними» протонами, которая стабильна лишь при высочайших температурах и давлении. Наличие акводия в недрах далёких планет теоретически объясняет их странные магнитные поля, отличающиеся от магнитного поля Земли.

Изображение Урана, полученное «Джеймсом Уэббом». Источник изображения: NASA, ESA, CSA, STScI

Магнитные поля Земли, Сатурна и Юпитера порождаются электропроводящими слоями в недрах планет. В случае Земли это циркуляция железоникелевого сплава, а у газовых гигантов — циркуляция металлического водорода на больших глубинах. Во всех трёх случаях присутствует электронная проводимость, порождающая магнетизм. Что касается магнитных полей Урана и Нептуна, то в их случае, подозревают учёные, работает ионная проводимость или, проще говоря, электрический заряд переносят атомы или даже молекулы. Всё это может быть частью ответа на загадку, почему магнитные поля у ледяных гигантов сильно отклонены от их осей вращения и исходят не из их центров.

Один из авторов исследования, профессор Сколтеха Артём Оганов, пояснил различие между двумя типами проводимости и вовлечение в процесс нового иона: «В условиях, которые существуют в недрах Юпитера, водород становится жидким металлом, его электропроводность обусловлена наличием свободных электронов, которые все атомы водорода сбрасывают „в общий котёл“ при столь сильном сжатии. А в Уране, как мы предполагаем, сами ионы водорода, то есть протоны, переносят заряд. При этом совершенно не обязательно в форме свободных ионов H⁺, а, например, в виде гидроксония H₃O⁺, аммония NH₄⁺ и ряда других ионов. Наше исследование дополняет этот ряд ионом H₄O²⁺, химия которого представляет большой интерес».

Вода в обычных условиях — это атом кислорода, у которого на внешней электронной оболочке есть две укомплектованные электронные пары в добавок к двум одиночным валентным электронам, к которым присоединены по одному атому водорода (H₂O). Когда к одной из электронных пар присоединяется протон водорода (атом водорода без собственного электрона), возникает ион гидроксония (H₃O⁺). В самых экстремальных условиях, когда температура и давление запредельные, вторая электронная пара кислорода также может присоединить протон, что даёт экзотический ион акводий (H₄O²⁺).

Авторы исследования использовали самые современные методы моделирования, чтобы понять, как вода и плавиковая кислота поведут себя в экстремальных условиях. При давлении порядка 1,5 млн атмосфер и температуре 3 тыс. градусов Цельсия в симуляции стали чётко различимы ионы акводия H₄O²⁺.

Молекула воды и её ионы

Открытый таким образом новый ион способен влиять на поведение и свойства водных сред, а именно кислых сред под большим давлением. Это примерно те условия, которых можно было бы ожидать от Урана и Нептуна, где немыслимая толща водного океана оказывает колоссальное давление на глубинные слои вещества в присутствии кислот. А значит, там должен образовываться акводий, который будет циркулировать вместе с другими ионами и делать свой вклад в магнитные поля этих планет. Более того, в присутствии этого иона там могут формироваться неизвестные на Земле минералы с невообразимыми свойствами.

Как ни печально, даже создание субсветовых звездолётов не приблизит человечество к звёздам. Скорость света в вакууме ограничена, а наличие массы у корабля не позволит подойти к её границе вплотную. В мечтах остаются кротовые норы или червоточины — проколы в пространстве-времени, через которые гипотетические звездолёты смогут мгновенно проникать в далёкие уголки Вселенной. А ещё варп-двигатели, которые сами искривляют пространство-время.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

На основе гипотез Эйнштейна-Розена о возможности подобных проколов в пространстве-времени, мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре в 1994 году предложил идею варп-двигателя для межзвёздного корабля, которая также получила название метрика Алькубьерре. Вместо того, чтобы искать неизвестно где расположенные червоточины, учёный обосновал теоретическую возможность построить двигатель, который бы создавал вокруг корабля пузырь с особыми свойствами. Пространство-время по курсу корабля должно было бы сжиматься, а за кормой — расширяться, что позволило бы ему двигаться быстрее скорости света.

Вариант пузыря или метрика Алькубьерре обладал одним существенным недостатком, если так можно сказать. Для реализации предложенного варп-двигателя необходима была новая физика — частица или тёмная энергия. Подобное требование отодвигало разработку двигателя для межзвёздных путешествий в очень и очень отдалённое будущее, если такое вообще было бы возможно.

Группа учёных из объединения Applied Physics взялась создать теорию варп-двигателя, изготовить который можно было бы в пределах известной физики без экзотических веществ или явлений. В свежей статье в рецензируемом журнале Classical and Quantum Gravity они поделились первыми обнадёживающими результатами. Новое решение физики назвали варп–двигателем с постоянной скоростью (constant velocity warp drive).

«Это исследование меняет разговор о варп-двигателях, — заявил физик Джаред Фукс (Jared Fuchs) из Applied Physics, защитивший докторскую диссертацию в Университете Алабамы в Хантсвилле. — Продемонстрировав первую в своем роде модель, мы показали, что варп-двигатели больше не научная фантастика».

Предложенный физиками двигатель состоит из стабильной оболочки вещества с «изменённым вектором сдвига внутри». Такое решение не сможет разогнать корабль до световой скорости, но обеспечит ему значительное приближение к этой заветной отметке без экзотических источников энергии. В теории варп-двигатель Applied Physics полностью соответствует метрике Алькубьерре и обещает работать с существенно меньшим потреблением энергии, чем предполагал автор оригинальной гипотезы. Это ещё не решение проблемы, но существенный шаг в правильном направлении, резюмируют исследователи.

Великобритания первой в мире провела серию испытательных полётов, в которых протестировали основу для технологий перспективной квантовой навигационной системы. Она поможет предотвратить одну из наиболее потенциально опасных, но недостаточно широко освещаемых угроз — глушение и подмену сигнала GPS.

Источник изображения: twitter.com/QinetiQ

Система глобального позиционирования (GPS) настолько глубоко проникла в жизнь современного человека, что стала восприниматься как нечто само собой разумеющееся, но лишь до тех пор, пока спутниковый сигнал по какой-то причине не теряется или «перепрыгивает» в другую точку. Для обычного человека это неприятно, но с кораблями и самолётами дело обстоит куда более критично, особенно если речь идёт о подмене сигнала. Только в 2022 году зафиксированы 49 605 случаев, когда гражданские самолёты стали жертвами подмены сигнала GPS, гласит статистика Европейской ассоциации бизнес-авиации. Часто это происходит вблизи зон конфликта для неверной навигации вражеских самолётов или БПЛА. Но результат таких действий также может повлиять на работу авиадиспетчеров, которые полагаются на данные, поступающие напрямую от приборов на самолётах.

Один из способов борьбы с этим — подключение резервных систем навигации, например, инерциальных. Это электронный просчёт пути по данным гироскопов и акселерометров, который является вполне рабочим методом. Но со временем в таких системах накапливаются ошибки, которые в случае с подводными лодками могут исчисляться милями — поэтому им приходится всплывать и сверяться с координатами по GPS. Самолёты движутся намного быстрее, и ошибки в их системах также накапливаются быстрее. Для решения этой проблемы британские компании Infleqtion, BAE Systems и QinetiQ, а также агентство по науке и инновациям UKRI решили создать собственную навигационную систему на основе квантовой механики.

Квантовые навигационные системы получают данные, используя такие явления как квантовая запутанность, квантовая интерференция и сжатие квантового состояния. В сочетании с высокоточными атомными часами и специальным программным анализом для фильтрации помех они способны заменять GPS в течение длительного времени. Недавно на объекте британского Министерства обороны в графстве Уилтшир прошли испытания квантовой системы позиционирования, навигации и синхронизации (PNT) на основе компактных оптических атомных часов Tiqker и установкой на основе ультрахолодных атомов — они работали на самолёте QinetiQ RJ100. Как ожидается, PNT впоследствии будет интегрирована в полномасштабную квантовую инерциальную навигационную систему (Q-INS).

Это может прозвучать странно, но учёные до сих пор не имеют стройной теории, описывающей физические процессы в молниях. Представление древних греков о молниях в некотором смысле было полным — это орудие Зевса. Выглядит известно как, действует тоже понятным образом. Но физиков молнии всё ещё ставят в тупик. Сделанное астрофизиками открытие — обнаружение рентгеновских вспышек в особо опасных восходящих молниях — поможет лучше понять физику явления.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Да, молнии могут бить не только сверху вниз, но также снизу вверх. Происходит это обычно на высотных и высоких объектах. На уровне моря восходящие молнии обычно не наблюдаются. Например, около 90 % бьющих в Останкинскую телебашню молний восходящие. Таких случается не менее 30 в год. И если нисходящая молния ударила и рассеялась, то восходящая ощутимо дольше держится на верху конструкции, что ведёт к повышению нагрузки на сооружение и молниеотводы. Массовая установка ветряных турбин с высоким содержанием композитных материалов ведёт к повышению риска разрушения восходящими молниями. И это проблема.

Группа астрофизиков под руководством Тома Орегель-Шомона (Toma Oregel-Chaumont) из Швейцарского федерального технологического института (EPFL) провела серию наблюдений за восходящими молниями, возникающими на вышке Санти (Säntis Tower) в Швейцарии. Башня высотой 124 м расположена на вершине горы Санти высотой 2502 м в Аппенцелльских Альпах — идеальное место для возникновения и наблюдения восходящих молний.

Башня Санти. Источник изображения: EPFL

Традиционно молнии наблюдались и оценивались по двум измеряемым параметрам. Во-первых, по внешнему виду, что благодаря скоростной съёмке открыло новый уровень оценки этого явления. Во-вторых, с помощью измерения токов разряда. Наблюдения в рентгеновском диапазоне добавляют новые ценные данные, по которым можно судить о физических процессах на разных отрезках прохождения заряда (энергия, направление, ионизация каналов и так далее). Для нисходящих молний вспышки в рентгене не новость, однако для восходящих молний ещё ни разу не удавалось их обнаружить.

«Фактический механизм, с помощью которого возникает и распространяется молния, всё ещё остается загадкой, — пояснили исследователи. — Наблюдение восходящих молний с высотных сооружений, таких как башня Санти, позволяет соотнести измерения рентгеновского излучения с другими одновременно измеряемыми величинами, такими как высокоскоростные видеозаписи и электрические токи».

Впервые увидеть рентгеновские лучи во вспышках восходящих молний смогла группа Орегель-Шомона. Скоростные камеры засняли четыре восходящих разряда со скоростью съёмки до 24 тыс. кадров в секунду. Некоторые из разрядов сопровождались вспышками в рентгене, а некоторые нет. Это позволило выявить разницу между одними и другими, что важно для понимания физики молний. Рентгеновское излучение очень короткое — оно исчезало в течение первой миллисекунды после формирования лидера и, как оказалось, оно коррелирует с очень быстрыми изменениями электрического поля, а также скоростью изменения тока.

«Как физику, мне нравится иметь возможность понимать теорию, лежащую в основе наблюдений, но эта информация также важна для понимания молнии с инженерной точки зрения, — сказал Орегель-Шомон. — Всё больше и больше высотных конструкций, таких как ветряные турбины и самолёты, строятся из композитных материалов. Они менее электропроводны, чем металлы, такие как алюминий, поэтому они сильнее нагреваются, что делает их уязвимыми для повреждений от восходящих молний».

Чипы из алмазов станут следующим поколением решений для датчиков и силовых элементов, которые не боятся перегрева. Но для массового внедрения необходим малозатратный и эффективный техпроцесс получения алмазных плёнок и подложек. Похоже, учёные из Южной Кореи нашли решение. Сообщается, что они научились синтезировать искусственные алмазы при обычном атмосферном давлении и на достаточно простом оборудовании, причём за считанные минуты.

Виды синтезированных учёными из Южной Кореи алмазов. Источник изображения: UNIST

Впервые искусственные алмазы почти 50 лет назад вырастили в лаборатории компании General Electric. Для этого потребовалось имитировать условия в мантии Земли, где алмазы образуются естественным образом. Учёные поместили в искусственную среду с давлением 10 тыс. атмосфер и температурой 1400 °C сульфид железа, который в таких условиях в присутствии углерода синтезировал алмаз из затравки. Также синтетические алмазы можно изготавливать методом химического осаждения из паровой фазы. Тоже в присутствии затравки и с использованием сложного оборудования.

Учёные из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) предложили нечто совершенно иное и простое. Ещё раньше один из авторов новой работы заметил, что атомы углерода можно связывать в присутствии жидкого галлия. Его температура плавления составляет всего лишь 29,76 °C. В среде газообразного метана в присутствии галлия углерод превращался в графен. Следовательно, данный метод можно было попытаться использовать для синтеза алмазов.

К открытию привела случайность: капля жидкого галлия попала на кремниевую пластинку и растворила его. В этом месте учёные обнаружили вкрапления крошечных алмазов. Дальнейший поиск привёл к разработке процесса, в котором смесь жидкого галлия, кремния, железа и никеля нагревалась в небольшом тигле до температуры 1025 °C и подвергалась воздействию газов метана и водорода. В небольшой по объёму рабочей камере алмазы возникали уже через 15 минут без необходимости в затравке.

Учёные уверены, что благодаря их открытию можно будет запустить синтез алмазных подложек и плёнок для нужд полупроводниковой промышленности и не только.

В конце 2023 года учёные из Массачусетского технологического института (MIT) буквально огорошили научный мир, открыв явление испарения воды без нагрева. Бесчисленные века человечество видело туманы, облака, дымку и прочее, что позже учёные связали с процессами испарения при нагреве воды. Но оказалось, что при испарении важна не только температура, но и сам свет (фотоны), который способен испарять воду и даже эффективнее, чем нагрев. И это оказалось важным.

Источник изображения: Bryce Vickmark/MIT

На днях в журнале PNAS вышла статья исследователей из MIT, которые продолжили эксперименты с «фотомолекулярным эффектом», как они назвали открытое явление. Учёные провели 14 опытов, доказывающих и проясняющих ряд моментов воздействия света на воду, в ходе которого молекулы воды отрывались от её поверхности и превращались в пар. Например, ещё в прошлом году было замечено, что наиболее сильное воздействие на эти процессы — на отрыв кластеров молекул воды от её жидкой поверхности — оказывал зелёный свет. В новых опытах учёные изменяли наклон освещения и поляризацию света.

Исследования показали, что сильнее всего испарение шло при освещении под углом 45°. Поляризация также оказывала влияние на интенсивность испарения, но этот момент ещё предстоит уточнить. Самое забавное, что учёные пока не понимают до конца, как объяснить данное явление, при котором зелёный свет под углом 45° начинает интенсивно поглощаться водой в состоянии пара и приводить к ощутимому эффекту испарения жидкой воды.

Лабораторные установки исключали всякую передачу тепла пару или воде, обеспечивая освещение светодиодами. Тем не менее, испарение при освещении воды светом начиналось и продолжалось, пока был свет. В темноте явление отсутствовало.

Собственно говоря, климатологи давно ломали копья в спорах о степени поглощения света облачной массой Земли и о влиянии всего этого на климат планеты. Данные были противоречивы и демонстрировали заметные расхождения между наблюдениями и моделями. С открытием фотомолекулярного эффекта всё может встать на свои места. Модели обретут недостающие контуры и будут соответствовать наблюдениям, а понимать эти процессы не просто важно, а принципиально необходимо, ведь на этом строится климатическая повестка со всеми вытекающими.

Наконец, открытие испарения без нагрева — это путь к новым и эффективным опреснителям и технологическим процессам сушки при производстве всего: от продуктов до древесины, бумаги и даже электродов литиевых аккумуляторов. Учёные, кстати, уже начали получать запросы на разработку фотомолекулярных сушилок от тех или иных представителей промышленности. Так что дело может быстро набрать ход.

На деньги Министерства энергетики США учёные из Лехайского университета (штат Пенсильвания) создали материал для солнечных панелей с невообразимой эффективностью. Благодаря разработке новые панели смогут вырабатывать до двух электронов на каждый поглощённый высокоэнергетический фотон, что намного выше теоретически предсказанного значения.

Источник изображения: Ekuma Lab/ Lehigh University

Следует подчеркнуть, что привычное значение КПД панелей и внешняя квантовая эффективность фотоэлектрического материала — это не одно и то же. При падении на панель часть фотонов отражается, а другая часть нагревает панель вместо возбуждения электронов. Тем самым теоретическое значение внешней квантовой эффективности (EQE) не может быть больше 100 %, на что указывает предел Шокли-Квиссера, а КПД панелей ещё меньше. Но что это за наука, если она не может шагнуть за пределы известного?

«Эта работа представляет собой значительный скачок вперёд в нашем понимании и разработке решений в области устойчивой энергетики, подчеркивая инновационные подходы, которые могут переопределить эффективность и доступность солнечной энергии в ближайшем будущем», — сказал Чинеду Экума (Chinedu Ekuma), профессор физики, который является ведущим автором статьи в журнале Science Advances.

Поиск нужной комбинации материалов сначала был проведён с помощью моделирования на компьютере. Затем, на основе полученных данных, был создан прототип, подтвердивший удивительные свойства материала. Образец в качестве активного слоя в кремниевой фотоэлектрической ячейки продемонстрировал среднее фотоэлектрическое поглощение в 80 %, высокую скорость генерации фотовозбуждённых носителей и внешнюю квантовую эффективность (EQE) на беспрецедентном уровне 190 %.

Скачок эффективности материала во многом объясняется его отличительными «состояниями промежуточной зоны», специфическими уровнями энергии, которые расположены в электронной структуре материала таким образом, что делают их идеальными для преобразования солнечной энергии. Эти состояния имеют уровни энергии в пределах оптимальных энергетических диапазонов, в которых материал может эффективно поглощать солнечный свет и производить носители заряда — около 0,78 и 1,26 эВ (электрон-вольт). Кроме того, материал особенно хорошо проявил себя при высоких уровнях поглощения в инфракрасной и видимой областях электромагнитного спектра.

В традиционных солнечных элементах максимальное значение EQE составляет 100 %, что соответствует генерации и сбору одного электрона на каждый поглощенный фотон солнечного света. Новый материал, как и ряд других перспективных материалов, продемонстрировал способность генерировать и собирать более одного электрона из фотонов высокой энергии, что обеспечивает увеличение теоретически возможного КПД панелей до двух и более раз.

Хотя такие материалы с многократным генерированием экситонов еще не получили широкого коммерческого распространения, они обладают потенциалом для значительного повышения эффективности систем солнечной энергетики. В материале, разработанном исследователями Лехайского университета, состояния промежуточной зоны позволяют улавливать энергию фотонов, которая теряется традиционными солнечными элементами, в том числе за счет отражения и выработки тепла.

Исследователи разработали новый материал с использованием «ван-дер-ваальсовых зазоров», атомарно малых промежутков между слоистыми двумерными материалами. Эти промежутки могут удерживать молекулы или ионы, и материаловеды обычно используют их для вставки или «интеркалирования» других элементов для настройки свойств материала. По сути в этих зазорах различные межмолекулярные силы, определяемые как силы Ван-дер-Ваальса, крепко удерживают нужные молекулы или атомы, как в случае нового материала. В частности, учёные поместили между селенидом германия (GeSe) и сульфидом олова (SnS) атомы меди нулевой валентности.

«Его быстрый отклик и повышенная эффективность убедительно указывают на потенциал Cu-интеркалированного GeSe/SnS в качестве квантового материала для использования в передовых фотоэлектрических решениях, предлагая возможности для повышения эффективности преобразования солнечной энергии, — говорят разработчики. — Это многообещающий кандидат для разработки высокоэффективных солнечных элементов следующего поколения, которые сыграют решающую роль в удовлетворении глобальных потребностей в энергии».

Мы слышим о разработке метаматериалов, свойства которых так причудливы, что они сочетают несочетаемые в природе характеристики от твёрдости и упругости до невидимости, звукоизоляции и других. Учёные из США проделали нечто подобное в области жидких веществ. Созданную в Гарварде метажидкость можно программировать на те или иные качества: менять вязкость, прозрачность, силу сжатия или даже превращать из ньютоновской в неньютоновскую и обратно.

Источник изображения: Adel Djellouli/Harvard SEAS

С метаматериалами всё просто, если так можно сказать. Их характеристики определяет продуманная структура из более мелких компонентов. Форма, размер и расположение этих компонентов позволяют манипулировать распространением электромагнитных или звуковых волн, создавать усилие в определённых точках и расслаблять в других. Если учесть тот факт, что жидкости текут и принимают форму ёмкости, то метажидкости могут проявить себя там, где твёрдые метаматериалы себя ещё не проявили или в принципе не могут проявить.

«В отличие от твёрдых метаматериалов, метажидкости обладают уникальной способностью течь и приспосабливаться к форме своего контейнера, — говорит Катя Бертольди (Katia Bertoldi), первый автор исследования, учёный из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS). — Нашей целью было создать метажидкость, которая не только обладает этими замечательными свойствами, но и обеспечивает платформу для программируемой вязкости, сжимаемости и оптических свойств».

Предложенная учёными метажидкость представляет собой взвесь наполненных воздухом шариков из эластомера диаметром от 50 до 500 мкм. Крошечные шарики помещены в раствор силиконового масла. Если к контейнеру с шариками приложить давление, то они будут сжиматься и снова принимать круглую форму, когда давление спадёт. Каждое из этих двух состояний придаёт метажидкости свои уникальные свойства.

Например, когда давления нет, шарики остаются круглыми и рассеивают падающий на них свет. С подачей давления шарики принимают плоскую линзоподобную форму и начинают пропускать фоновое изображение. На данном эффекте можно представить работу цветных электронных чернил. Или другой пример — это кисть робота с обратной связью для мягкого захвата хрупких предметов. Метажидкость автоматически без датчиков давления только за счёт своей способности реагировать на внешнее давление регулирует силу сжатия: одну при съёме ягод, другую при сборе яиц и третью при подъёме тяжестей.

Также предложенная учёными метажидкость может переключаться между ньютоновскими и неньютоновскими жидкостями. Когда капсулы имеют сферическую форму — это ньютоновская система, то есть её вязкость меняется только с температурой, подобно воде, но когда они сжимаются, жидкость становится неньютоновской, что заставляет её вязкости действовать по другим законам.

Кроме представленных выше примеров метажидкость может использоваться в амортизаторах, которые получат способность рассеивать энергию удара и даже в водяных компьютерах, играя роль логики. Наконец, даже свойства придуманной метажидкости можно будет менять в широких пределах, меняя лишь размер шариков в ней, о чём учёные рассказали в работе, опубликованной в журнале Nature.

Учёные впервые испытали новую установку по поиску тёмной материи — гипотетической частицы, которая как бы цементирует обычное вещество, не даёт ему разлетаться. Согласно теории, только благодаря ей во Вселенной появились звёзды, галактики и мы с вами. Первый запуск установки BREAD принёс результат. Это не привело к открытию новой частицы, но ограничения на её характеристики удалось сделать строже на два порядка, а это уже шаг вперёд.

Источник изображений: BREAD Collaboration /Ralf Kaehler/SLAC National Accelerator Laboratory

Установка BREAD (Broadband Reflector Experiment for Axion Detection) или, по-русски, эксперимент с широкополосным отражателем для обнаружения аксионов, создана совместно учёными Чикагского университета и Лаборатории Fermilab Министерства энергетики США. Устройство компактное, помещается на столе и работает при комнатной температуре и в этом его прелесть. Стоит недорого, а работать можно в комфортных условиях. По крайней мере, пока.

Дело в том, что BREAD разработан для поиска двух кандидатов в тёмную материю: тёмных фотонов и аксионов. Обе эти частицы гипотетические, но достаточно широко используются для разработки альтернативных теорий. Первый эксперимент был направлен на поиск тёмных фотонов. Для обнаружения аксионов установка будет помещена в сильнейшее магнитное поле (предполагается, что аксионы в сильном поле распадаются на обычные фотоны). Для такого эксперимента BREAD поедет в Аргоннскую национальную лабораторию, где есть необходимые источники электромагнитного поля.

Экспериментальная установка BREAD — это малошумящая приёмная система в виде коаксиальной рупорной антенны. На антенну фокусируется сигнал в виде обычного фотона, который образуется перпендикулярно стенке цилиндра при попадании на его внешнюю сторону тёмного фотона. Антенна передаёт сигнал в приёмник, где происходит усиление, понижение частоты и регистрация. Фактически это «радио для тёмной материи», в поисках которой одновременно сканируется 100 тыс. «радиостанций».

Источник изображения: Physical Review Letters

Первый запуск BREAD не позволил обнаружить тёмные фотоны в диапазоне отслеживаемых масс от 44 до 52 мкэВ (10,7–12,5 ГГц). Однако на основании собранных за 24 дня наблюдения данных учёные смогли превзойти существующие ограничения на их характеристики примерно на 2 порядка, обосновав фактами самое строгое ограничение для тёмных фотонов в диапазоне ниже 49 мкэВ, о чём была опубликована работа в журнале Physical Review Letters.

Зонд NASA Parker («Паркер») через год с небольшим сгорит в атмосфере Солнца. А пока он выходит из 19-го сближения с нашей звездой и в течение года совершит ещё 3 погружения в её атмосферу. При таком сближении приборы зонда позволяют изучать тонкие процессы вблизи звезды вплоть до турбулентностей выбросов плазмы, что приближает учёных к пониманию физики Солнца. Им впервые удалось увидеть вихревое поведение плазмы при взаимодействии с солнечным ветром.

Художественное представление зонда «Паркер». Источник изображения: NASA

В одно из предыдущих сближений с Солнцем «Паркер» неожиданно прошёл рядом с мощным коронарным выбросом массы (КВМ). Это поток вещества (плазмы), который время от времени выбрасывается в космос мощными магнитными полями звезды. Иногда такие потоки направляются в сторону Земли, и тогда возникают особенно сильные полярные сияния и сбоит высокочастотная радиосвязь, а также подвергаются риску спутники и наземная энергетическая инфраструктура.

Для учёных было интересно оценить динамику взаимодействия КВМ с солнечным ветром. На Земле подобная динамика проявляется при наблюдении за облачностью, когда две контактирующие среды движутся с разными скоростями. Такие явления получили название неустойчивость Кельвина–Гельмгольца. Прослеживая похожие турбулентности в поведении КВМ на границе раздела сред с солнечным ветром, исследователи начинают лучше понимать физику коронарных выбросов массы и самого солнечного ветра. Увидеть такие процессы можно только с близкого расстояния и без «Паркера» это было бы невозможно.

Зонд NASA «Паркер» был запущен в космос в 2018 году. Его научная программа предусматривает 24 сближения с Солнцем. Для ускорения и снижения высоты зонд совершает гравитационный манёвр у Венеры. 2 ноября 2024 года зонд в седьмой раз пройдёт мимо этой планеты, ещё немного увеличив свою скорость для ещё большего сближения с Солнцем.

Зонд Parker Solar Probe стал самым быстрым рукотворным объектом человечества. Он проносится мимо звезды со скоростью до 640 тыс. км/ч, приближаясь к Солнцу на расстояние менее 7 млн км. Ожидается, что зонд закончит своё существование в конце 2025 года или в 2026 году, сгорев в атмосфере светила.