Содержание
Физики открыли новый тип взаимодействий между светом и атомами — Наука
ТАСС, 19 ноября. Ученые обнаружили, что при охлаждении до сверхнизких температур атомы начинают слабее рассеивать свет, что связано с ранее неизвестными проявлениями квантовой физики во взаимодействиях атомов и частиц света. Результаты исследования опубликовал научный журнал Science.
«Мы обнаружили ранее неизвестное проявление принципа запрета Паули, которое в данном случае мешает атомам нормально рассеивать свет. Ранее мы не могли зафиксировать это явление, поскольку мы не могли создать столь холодное и плотное облако атомов», – рассказал один из авторов исследования, профессор Массачусетского технологического института (MIT) Вольфганг Кеттерле.
Принцип запрета Паули – это один из краеугольных принципов квантовой механики. Он гласит, что электроны и другие фермионы не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это свойство фермионов объясняет существование нейтронных звезд и массы других объектов и физических явлений.
Кеттерле и его коллеги выяснили, что запрет Паули действует не только на электроны, но и более крупные структуры, в том числе и атомы. Они пришли к такому выводу в ходе экспериментов с новой холодильной установкой, которая была недавно разработана в MIT для охлаждения молекул и атомов до рекордно малых температур.
Создание этой установки, как отмечает Кеттерле, натолкнуло его на мысль, что она позволит охладить атомы до такой температуры, при которой они полностью прекратят случайные движения. В теории, это позволит настолько плотно разместить их рядом друг с другом, что на взаимодействия атомов начнут влиять квантовые эффекты.
Руководствуясь подобными соображениями, физики сжали облако из атомов стронция-87 и охладили его до температуры, превышающей абсолютный ноль лишь на 20 микрокельвинов. В результате этого скопление атомов перешло в состояние, подобное тому, как в таких условиях вело бы себя облако, состоящее из электронов или других фермионов.
Кеттерле и его коллеги воспользовались этим для изучения того, какими уникальными физическими свойствами обладают подобные сверхплотные облака из атомов.
Измерения показали, что атомы стронция-87 перестали нормально рассеивать свет, в результате чего они стали почти полностью прозрачными для фотонов.
Это аномальное поведение, по словам физиков, полностью соответствует тому, как вели бы себя электроны в подобной ситуации в соответствии с принципом запрета Паули. Соответственно, подобные результаты опытов свидетельствуют о том, что данное правило квантовой механики действует не только на электроны, но и атомы. Подобное открытие, по словам физиков, имеет массу практических применений.
«Рассеивание света является большой проблемой при разработке квантовых компьютеров, так как подобным образом информация буквально «сбегает» от нас. Мы открыли возможный способ предотвращения подобных утечек, что значительно расширило наш инструментарий для управления поведением объектов микромира», — подытожил Кеттерле.
В центре головы человека ученые открыли неизвестный науке орган
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Автор фото, Radiotherapy and Oncology
Ученые из Нидерландов сделали удивительное открытие: они обнаружили скрытый внутри головы человека орган, напоминающий набор слюнных желез.
Казалось бы, строение организма человека изучено вдоль и поперек столетия назад, но ученые до сих пор не догадывались о существовании этого органа.
Открытие произошло случайно, в ходе обследования пациентов с раком простаты при помощи новейшего сканера PSMA PET/CT. При контрастной томографии с введением в кровь радиоактивной глюкозы этот диагностический инструмент находит в теле опухоли.
В данном случае он обнаружил позади носоглотки нечто другое.
- Антибиотик в носу и другие случайные открытия в медицине
Автор фото, Radiotherapy and Oncology
Подпись к фото,
Трубчатые железы, показанные голубыми стрелками, рядом с другими слюнными железами, выделенными оранжевым цветом
«У человека есть три набора больших слюнных желез, но не в этом месте», — говорит радиолог-онколог Ваутер Вогель из Нидерландского института рака.
«Насколько было известно ранее, слюнные железы в носоглотке микроскопически малы. Около тысячи их равномерно распределены по слизистой оболочке. Поэтому представьте себе наше удивление, когда мы обнаружили ЭТО!»
- Медицина будущего: чем и как нас будут лечить. А главное — кто
Слюнные железы производят слюну, необходимую для работы пищеварительной системы. Большую часть ее выделяют три основных набора желез, известных как околоушные, подчелюстные и подъязычные.
В человеческом организме есть еще около тысячи мелких слюнных желез. Они размещаются по всей полости рта и в дыхательном тракте, но так малы, что их можно обнаружить только в микроскоп.
Не замеченный ранее четвертый набор слюнных желез, открытый командой Фогеля, гораздо крупнее и находится позади носа и над нёбом, в самой середине головы.
Автор фото, Radiotherapy and Oncology
Подпись к фото,
Вот как выглядят новооткрытые железы в разных проекциях
«Два органа, высветившихся при исследовании, имеют все признаки слюнных желез, — говорит ведущий автор исследования, хирург полости рта Маттейс Вальстар из Амстердамского университета.
«Мы назвали их трубчатыми железами, поскольку они расположены над трубчатым валиком [возвышение в носовой части глотки, в котором находится хрящ евстахиевой трубы].
Трубчатые железы были обнаружены у всех 100 пациентов, обследованных с помощью аппарата PSMA PET/CT. Вскрытие двух тел, мужского и женского, также подтвердило существование заметной невооруженным глазом парной структуры в виде дренажных капилляров в задней стенке носоглотки.
На видео (на английском языке) хорошо видно расположение трубчатых желез, как и их устройство.
«Насколько нам известно, эта структура не была прежде описана ни в одном источнике», — говорится в отчете об исследовании, опубликованном в журнале Radiotherapy and Oncology.
Эффект, обнаруженный Эйнштейном 100 лет назад, позволяет по-новому взглянуть на загадочное магнитное явление
14 января 2019 г. миллиардная доля секунды.
Али Сандермайер
Более 100 лет назад Альберт Эйнштейн и Вандер Йоханнес де Хаас обнаружили, что когда они использовали магнитное поле для изменения магнитного состояния железного стержня, свисающего с нити, стержень начинал вращаться.
Теперь эксперименты в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики впервые показали, что происходит, когда магнитные материалы размагничиваются со сверхвысокой скоростью в миллионные миллиардные доли секунды: атомы на поверхности материала движутся, как железный стержень сделал. Работа, выполненная на рентгеновском лазере Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC, была опубликована в Nature в начале этого месяца.
Кристиан Дорнес, ученый из ETH Zurich в Швейцарии и один из ведущих авторов отчета, говорит, что этот эксперимент показывает, как сверхбыстрое размагничивание идет рука об руку с тем, что известно как эффект Эйнштейна-де Хааза, разрешая давнюю загадку в поле.
«Я узнал об этих явлениях на своих занятиях, но на самом деле увидеть воочию, что передача углового момента на самом деле заставляет что-то двигаться механически, — это действительно круто», — говорит Дорнс. «Возможность работать в атомном масштабе таким образом и относительно непосредственно видеть, что происходит, была бы полной мечтой для великих физиков сто лет назад».
Вращающееся море конькобежцев
В атомном масштабе материал обязан своим магнетизмом своим электронам. В сильных магнитах магнетизм возникает из-за квантового свойства электронов, называемого спином. Хотя вращение электрона не включает в себя буквальное вращение электрона, электрон действует в некотором роде как крошечный вращающийся заряженный шарик. Когда большинство вращений направлены в одном направлении, как море конькобежцев, танцующих в унисон, материал становится магнитным.
Когда намагничивание материала меняется на обратное с помощью внешнего магнитного поля, синхронный танец фигуристов превращается в лихорадочное безумие, когда танцоры кружатся во всех направлениях. Их суммарный угловой момент, который является мерой их вращательного движения, падает до нуля, поскольку их спины компенсируют друг друга. Поскольку угловой момент материала должен сохраняться, он преобразуется в механическое вращение, как показал эксперимент Эйнштейна-де Гааза.
Кричи и кричи
В 1996 году исследователи обнаружили, что воздействие на магнитный материал интенсивным сверхбыстрым лазерным импульсом почти мгновенно размагничивает его в фемтосекундном масштабе.
Было непросто понять, что происходит с угловым моментом, когда это происходит.
В этой статье исследователи использовали новую технику LCLS в сочетании с измерениями, проведенными в ETH Zurich, чтобы связать эти два явления. Они продемонстрировали, что когда лазерный импульс инициирует сверхбыстрое размагничивание тонкой пленки железа, изменение углового момента быстро преобразуется в начальный толчок, который приводит к механическому вращению атомов на поверхности образца.
В источнике когерентного света Linac SLAC исследователи подвергли образец железа лазерным импульсам, чтобы размагнитить его, а затем задели образец рентгеновскими лучами, используя узоры, сформированные при рассеянии рентгеновских лучей, чтобы раскрыть детали процесса. (Национальная ускорительная лаборатория Грегори Стюарта/SLAC)
По словам Дорнеса, один важный вывод из этого эксперимента заключается в том, что хотя эффект проявляется только на поверхности, он проявляется во всем образце.
По мере того, как угловой момент передается через материал, атомы в объеме материала пытаются скручиваться, но компенсируют друг друга. Это как если бы толпа людей, набитых на поезд, одновременно попыталась повернуться. Точно так же, как только люди на краю имеют свободу передвижения, только атомы на поверхности материала могут вращаться.
Соскабливание поверхности
В своем эксперименте исследователи подвергли пленку железа лазерным импульсам, чтобы инициировать сверхбыстрое размагничивание, а затем коснулись ее интенсивным рентгеновским излучением под таким малым углом, что она была почти параллельна поверхности. Они использовали узоры, образующиеся при рассеянии рентгеновских лучей на пленке, чтобы узнать больше о том, куда уходит угловой момент во время этого процесса.
«Из-за малого угла рентгеновских лучей наш эксперимент был невероятно чувствителен к движениям вдоль поверхности материала», — говорит Сангхун Сонг, один из трех ученых SLAC, участвовавших в исследовании.
«Это было ключом к тому, чтобы увидеть механическое движение».
Чтобы развить эти результаты, исследователи проведут дальнейшие эксперименты в LCLS с более сложными образцами, чтобы более точно выяснить, насколько быстро и непосредственно угловой момент уходит в структуру. То, что они узнают, приведет к созданию более совершенных моделей сверхбыстрого размагничивания, что может помочь в разработке оптически управляемых устройств для хранения данных.
Стивен Джонсон, ученый и профессор Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Института Пауля Шеррера в Швейцарии, который руководил исследованием, говорит, что опыт группы в областях, не связанных с магнетизмом, позволил им подойти к проблеме под другим углом, лучше ориентируясь на нее. успех.
«Другие группы предпринимали многочисленные предыдущие попытки понять это, но они потерпели неудачу, потому что они не оптимизировали свои эксперименты для поиска этих крошечных эффектов», — говорит Джонсон. «Их захлестнули другие, гораздо более серьезные эффекты, такие как движение атомов из-за лазерного тепла.
Наш эксперимент был гораздо более чувствителен к типу движения, возникающему в результате передачи углового момента».
LCLS — это средство пользователя Управления науки Министерства энергетики США. Эта работа была поддержана NCCR Molecular Ultrafast Science and Technology, исследовательским инструментом Швейцарского национального научного фонда.
Ссылка: Dornes et al., Nature 2 января 2018 г. (10.1038_s41586-018-0822-7)
С вопросами или комментариями обращайтесь в отдел коммуникаций SLAC по адресу [email protected].
SLAC — многопрофильная лаборатория, изучающая передовые вопросы фотонной науки, астрофизики, физики элементарных частиц и исследований ускорителей. Расположенный в Менло-Парке, штат Калифорния, SLAC управляется Стэнфордским университетом для Управления науки Министерства энергетики США.
Национальная ускорительная лаборатория SLAC поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США.
Управление науки является единственным крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт science.energy.gov.
В источнике когерентного света Linac SLAC исследователи подвергли образец железа лазерным импульсам, чтобы размагнитить его, а затем задели образец рентгеновскими лучами, используя узоры, сформированные при рассеянии рентгеновских лучей, чтобы раскрыть детали процесса.
(Грег Стюарт/Национальная ускорительная лаборатория SLAC)
Исследователи из ETH Zurich в Швейцарии использовали LCLS, чтобы показать связь между сверхбыстрым размагничиванием и эффектом, который Эйнштейн помог открыть 100 лет назад. (Dawn Harmer/Национальная ускорительная лаборатория SLAC)
Похожие темы
- Новости науки
- Сверхбыстрая наука
- Рентгеновское рассеяние и дифракция
- рентгенология
- Рентгеновские источники света и электронная визуализация
- Насосный рентгеновский зонд LCLS (XPP)
- Когерентный источник света линейного ускорителя (LCLS)
Копать глубже
Новостная статья
Десятилетиями ученые-материаловеды концентрировались на материалах, которые относительно сбалансированы и неизменны, но не Ицзин Хуанг, научный сотрудник с докторской степенью в.
..
Пресс-релиз
Новое исследование показало, что «алмазный дождь», давно предполагаемый экзотический тип осадков на ледяных планетах-гигантах, может быть более распространенным, чем раньше…
Новостная статья
Преодолев рентгеновские лучи, криогенная команда SLAC построила гелиевую холодильную установку, которая снижает температуру ускорителя LCLS-II до температуры сверхпроводимости.
News Feature
Десятилетиями ученые-материаловеды концентрировались на материалах, которые относительно сбалансированы и неизменны, но не Ицзин Хуанг, научный сотрудник с докторской степенью в…
Пресс-релиз
Новое исследование показало, что «алмазный дождь», давно предполагаемый экзотический тип осадков на ледяных планетах-гигантах, может быть более распространенным, чем раньше…
Новостная статья
Преодолев рентгеновские лучи, криогенная команда SLAC построила гелиевую холодильную установку, которая снижает температуру ускорителя LCLS-II до температуры сверхпроводимости.
News Feature
Спиралевидный лазерный луч показывает, как топологические изоляторы теряют способность проводить электрический ток по своей поверхности.
Новостная статья
Расширение Стэнфордского исследовательского вычислительного центра разместит несколько центров обработки данных для обработки беспрецедентных потоков данных, которые будут производиться… представление о том, как природа работает в сверхмалых и сверхбыстрых масштабах, влияя на все, от квантовых устройств до чистой энергии.
ученых открыли новые свойства магнетизма, которые могут изменить наши компьютеры — ScienceDaily
Наша электроника больше не может сжиматься и находится на грани перегрева. Но в новом открытии Копенгагенского университета исследователи обнаружили фундаментальное свойство магнетизма, которое может иметь значение для разработки нового поколения более мощных и менее горячих компьютеров.
Продолжающаяся миниатюризация компонентов для компьютеров, использующих электроны в качестве средств передачи информации, стала проблемой.
Вместо этого можно было бы использовать магнетизм и тем самым поддерживать разработку как более дешевых, так и более мощных компьютеров. Это одна из перспектив, поскольку ученые из Института Нильса Бора (NBI) Копенгагенского университета сегодня публикуют новое открытие в журнале 9.0011 Связь с природой.
«Функция компьютера состоит в том, чтобы пропускать электрический ток через микрочип. Несмотря на то, что его величина незначительна, ток будет не только передавать информацию, но и способствовать нагреву чипа. Когда у вас есть огромное количество плотно упакованных компонентов, тепло становится проблемой. Это одна из причин, почему мы достигли предела того, насколько вы можете уменьшить компоненты. Компьютер, основанный на магнетизме, позволит избежать проблемы перегрева», — говорит профессор Ким Лефманн, физика конденсированных сред, NBI. .
«Наше открытие не является прямым рецептом создания компьютера на основе магнетизма. Скорее, мы раскрыли фундаментальное магнитное свойство, которым вам необходимо управлять, если вы хотите создать такой компьютер.
»
Квантовая механика останавливает ускорение
Чтобы понять открытие, нужно знать, что магнитные материалы не обязательно однородно ориентированы. Другими словами, области с северным и южным магнитными полюсами могут существовать рядом. Эти области называются доменами, а граница между доменами северного и южного полюсов называется доменной стенкой. Хотя доменная стенка не является физическим объектом, она, тем не менее, обладает рядом свойств частиц. Таким образом, это пример того, что физики называют квазичастицами, имея в виду виртуальные явления, напоминающие частицы.
реклама
«Хорошо известно, что положение доменной стенки можно изменить, применив магнитное поле. Сначала стенка будет реагировать аналогичным образом на физический объект, который подвергается гравитации и ускоряется, пока не ударится о поверхность. ниже. Однако в квантовом мире действуют другие законы», — объясняет Ким Лефманн.
«На квантовом уровне частицы — это не только объекты, но и волны.
Это относится и к квазичастицам, таким как доменная стенка. Свойства волны подразумевают, что ускорение замедляется, когда стенка взаимодействует с атомами в вокруг. Вскоре ускорение полностью прекратится, и положение стены начнет колебаться».
Гипотеза Swizz вдохновила
Аналогичное явление наблюдается для электронов. Здесь они известны как блоховские осцилляции, названные в честь американо-швейцарского физика и лауреата Нобелевской премии Феликса Блоха, открывшего их в 1929 году. В 1996 году швейцарские физики-теоретики предположили, что параллель с блоховскими осцилляциями может существовать в магнетизме. Теперь — немногим более четверти века спустя — Киму Лефманну и его коллегам удалось подтвердить эту гипотезу. Группа исследователей изучила движение доменных стенок в магнитном материале CoCl2 ∙ 2D2O.
«Мы давно знали, что гипотезу можно проверить, но мы также понимали, что для этого потребуется доступ к источникам нейтронов. Уникально то, что нейтроны реагируют на магнитные поля, несмотря на отсутствие электрического заряда.