Науки о Земле

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Как выяснили химики, секрет кроется в количестве энергии, запасенной в водородных связях между молекулами воды.

Рассеянное скопление обычно имеет два хвоста из звезд, движущихся впереди и позади него по орбите вокруг центра галактики. Немецкие астрономы изучили пять скоплений из близких галактик и нашли, что в каждом из них в отстающем хвосте звезд меньше. Кроме этого ученые обнаружили, что эти скопления живут меньше, чем предсказывает теория Ньютона. Компьютерные расчеты показали, что малые времена жизни и данные о распределении звезд хорошо описывает не закон всемирного тяготения Ньютона, а теория MOND, предложенная в 1983 году физиком М. Мильгромом.

На основе спутанных квантовых состояний человек создал защищенную от злоумышленников связь и надеется заполучить квантовый компьютер, возможности которого сопоставимы, а то и превосходят возможности человеческого мозга. А что, если само человеческое сознание есть результат работы квантового компьютера, спрятанного в мозгу?

Нобелевскую премию по физике за 2022 год дали Алену Аспе, Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру за эксперименты со спутанными фотонами, установление факта нарушения неравенства Белла и пионерские работы по квантовой информатике. Главным применением изученных ими явлений стала квантовая связь, тот самый защищенный от прослушивания квантовый телефон, который год назад связал корпуса МГУ имени М.В. Ломоносова. Поскольку это явление уже не раз обсуждалось на страницах журнала, имеет смысл остановиться на деталях той работы, которую провели будущие лауреаты.

Команда физиков из нескольких европейских университетов продемонстрировала возможность недорогой миниатюризации инфракрасного детектора. Ученые впервые представили работающий прототип ИК Фурье-спектрометра с квантовыми точками в качестве приемной головки. Если технологию удастся запустить в массовое производство, то прибор станет карманной химической лабораторией. Она сможет вести экспресс-контроль качества пищи, определять вредные химические загрязнения, мониторить чистоту воздуха, выявлять газы на производствах и даже обнаруживать поддельные лекарства. Подходы авторов работы можно будет применить и для миниатюризации рамановских спектрометров, биодатчиков, а также для создания высокоразрешающих видео- и фотокамер, в каждый элемент изображения которых встроен свой спектрометр.

Физики предложили математическую теорию, лежащую в основе прокола биологических тканей. Механика прокола пока далека от полного понимания, а зубы, жала, иглы и колючки широко распространены в животном и растительном мире как средство охоты, питания и защиты от врагов. Ученые вывели безразмерные соотношения между энергией, затраченной на прокол, геометрией острия, а также свойствами прокалываемого материала. В качестве меры эффективности прокола предложено использовать отношение энергии, выделившейся при его создании, к энергии деформации материала. Авторы теории проверили свои предсказания конечно-разностным расчетом на компьютере и простыми экспериментами.

С помощью сверхскоростного сканирующего электронного микроскопа группа физиков экспериментально изучила свойства носителей тока в совершенных кубических кристаллах арсенида бора, выращенных в лаборатории Хьюстонского университета. Исследователи смогли детально по времени и пространству измерить диффузию носителей, возбужденных фемтосекундным лазером в кристаллической мишени. Ученые обнаружили, что электроны кристалла остаются в возбужденном состоянии гораздо дольше, чем в обычных полупроводниках, что хорошо согласуется с высокой теплопроводностью арсенида бора. Результаты работы дают надежду на создание на нем солнечных батарей с высоким КПД.

Физики университета штата Пенсильвания внесли изменения в конструкцию серийной литий-ионной батареи, вставив внутрь ультратонкую никелевую фольгу. Это позволило автоматически в режиме реального времени регулировать температурный режим заряда. Эта оптимизации электрохимических реакций сильно сокращает его время. Инженеры за 12 минут заряжали батарею до 75% емкости и смогли сделать это более 900 раз, что эквивалентно пробегу в 800 тыс. км. Быстрая зарядка в пути позволит втрое понизить емкость средней автомобильной батареи.

Шведские ученые разработали и построили чип, который преобразует монохромное лазерное излучение в так называемую частотную гребенку, то есть набор излучений сотен длин волн. Это позволит заменить тысячи инфракрасных лазерных диодов в оптоволоконных линиях одним диодом с электронно-оптическим чипом для введения полезных сигналов. Прорывная технология резко увеличивает скорость передачи и объем передаваемых через интернет данных. Исследователи экспериментально продемонстрировали трансляцию информации на расстояние в 7,9 км с помощью 223 частот одного лазера через волновод с 37 каналами. Ее скорость в тысячу раз превысила скорость лучших современных технологий.

В мире технология облучения еды приобретает все большую популярность, хотя и крайне неравномерно и с разными целями. Кого-то беспокоит фитосанитарный контроль, кто-то сохраняет свежесть фруктов, обеспечивает их доставку в стадии спелости. Другие защищают урожай от потерь, от повреждения продукции вредителями, плесенью. Интенсивность же применения зависит не только от желания и информированности аграриев, но и от доброй воли чиновников и законодателей, от понимания ими всей важности и перспективности такого использования мирного атома.

Еда, подвергнутая ионизирующему излучению, — это не последствие ядерной аварии. Наоборот, такая еда представляет собой продукт высокой технологии, которая сохраняет свежесть продуктов, а поварам расширяет границы фантазий. Пока что облученной пищи в мире немного, однако рынок растет со скоростью 4% в год. Что же это за пища, зачем облучают продукты и как контролировать процесс?

Кремний естественного состава содержит смесь трех изотопов: Si-28 – 92%, Si-29 – 5% и Si-30 – 3%. Ученые, которые изучали проволоки моноизотопного кремния-28 диаметром 90 нм, выяснили, что теплопроводность в них в два с половиной раза выше, чем у естественного кремния. Причина в том, что нанопроволоки покрываются слоем прозрачного диоксида кремния, а такая конструкция работает волноводом для фононов, которые теперь почти не рассеиваются на поверхности и других изотопах. Эффект существует при комнатных температурах, что очень важно для большинства приложений в микроэлектронике.

Крупнейшие города мира отличаются высокой магнитной активностью. Физики из США и Германии, которые представили сравнительный анализ магнитных полей в Беркли рядом с Сан-Франциско и в Бруклине районе Нью-Йорка. Исследователи хотели понять, какие данные о жизни городов удастся извлечь и использовать на благо их жителей. Антропогенная магнитная активность явно проявляла себя в корреляциях сигналов сети магнетометров. Физикам удалось выделить доминирующие источники магнитных полей. Авторы назвали два главных приложения магнитного мониторинга: работа систем раннего предупреждения об экологическом загрязнении и оптимизации распределения электроэнергии.

Нанооптики Гарвардского университета построили зеркало из алмаза, одного из самых твердых земных кристаллов. Для этого на поверхность его тонкой пластины нанесли наноструктуры специфической формы. Сегодня большинство лазерных зеркал, служащих для отражения и перенаправления излучения мощных непрерывных лазеров представляют собой многослойные диэлектрические покрытия из пленок с разными показателями преломления. Эксперимент показал, что алмазное зеркало может без разрушения выдержать многократное облучение армейского лазера, способного прожигать сталь. Этот непрерывный инфракрасный лазер мощностью 10 киловатт оптики фокусировали в пятно диаметром 750 микрон. Многослойное зеркало в таких условиях быстро разрушалось.

До сих пор физики изучали эффекты нелинейного смешения частот в основном у волн видимого и близких к нему диапазонов электромагнитных излучений. Группа германских исследователей впервые получила новый вид четырехволнового взаимодействия с участием ультракоротких импульсов мягкого рентгеновского и инфракрасного излучений, которое происходило в монокристаллах LiF. При этом энергия двух ик-фотонов перекачивалась в один рентгеновский фотон и наоборот. Оказалось, что во взаимодействии участвуют внутренние электронные оболочки атома лития. Результаты работы представляют как фундаментальный, так и прикладной интерес.

Команда специалистов по неорганической химии и квантовой физике синтезировала новый трехъядерный кобальтовый комплекс и на ядерном магниторезонансном спектрометре выяснила его температурную чувствительность, которая оказалось на порядок выше средней. МРТ-сигнал от внедренных в тело комплексов может сообщать о мизерных сдвигах температуры, то есть новая молекула будет высокочувствительным неинвазивным термометром. Это, например, поможет врачам определить границы злокачественной опухоли, чтобы затем с молекулярной точностью удалить лазерным испарением окружающие ее ткани. Ученые полагают, что новое магнитное вещество можно использовать не только в медицине, но и при разработке квантовых компьютеров.