Американские физики количественно описали магнитное пересоединение плазмы
В последние дни всеобщее внимание привлекла серия мощных вспышек на Солнце и последовавшие за ней магнитные бури на Земле. За все эти события отвечает магнитное пересоединение плазмы — процесс перераспределения магнитных полей, приводящий к значительным выбросам энергии. В своей недавней работе американские физики смогли количественно промоделировать этот процесс и значительно расширить понимание этого процесса. Результаты исследования опубликованы в Physics of Plasmas.
Магнитное пересоединение плазмы — процесс перераспределения магнитных полей в плазме в результате взаимодействия двух плазменных фаз. Это приводит к преобразованию энергии магнитного поля в кинетическую энергию ускоренных частиц и последующим излучению, выбросам элементарных частиц и сильному повышению температуры. Магнитное пересоединение оказывает сильное влияния на многие процессы, которые происходят в плазме как в токамаках, так и на астрофизических объектах, в частности, при вспышках на Солнце, корональных выбросах массы и магнитных штормах в магнитном поле Земли. Для описания процессов, происходящих при магнитном пересоединении с ионами и элементарными частицами, обычно используются численные модели, основанные на двух различных подходах. В первом подходе описывается кинетика отдельных частиц — такой расчет является довольно затратным по времени и компьютерном ресурсам, поэтому приводит к достоверным данным, но с низкой скоростью получения. Второй подход использует различные магнитогидродинамические модели, которые рассматривают плазму как сплошную текучую среду. Такой подход позволяет быстрее получить точные данные, но из-за необходимости делать определенные допущения такие результаты вблизи критических точек могут не всегда быть правильными.
В своей работе американские ученые смогли предложить такой вариант замыкания системы магнитогидродинамических уравнений, который позволяет получить достоверные результаты. Использованный метод замыкания ученые назвали нелокальным, в отличие от локального, который использовался в предыдущих подходах. Модель описывает двухжидкостную плазменную систему с линейным смешиванием жидкостей. С помощью предложенной численной модели был рассчитан полный тензор давления в процессе слияния двух жидкостей как для ионов внутри плазмы, так и для электронов. В результате без использования свободных параметров удалось получить широкую область электронной диффузии, которая предсказывалась кинетическими моделями, но не могла быть получена с использованием магнитогидродинамических методов.
Полученные результаты для полей плотности тока и скоростей электронов и ионов в плазме сравнили с данными кинетической модели и двух магнитогидродинамических моделей, которые использовались раньше. Оказалось, что, в отличие от модели Холла и модели с локальным замыканием, результаты новой модели позволяют воспроизвести данные кинетического расчета, при этом точность данных и скорость их получения значительно превосходят результаты кинетической модели.
Таким образом, ученые убедились, что использование моделей, основанных на приближении сплошной среды при правильном замыкании системы уравнений, описывающих процессы в плазме, позволяет быстро и точно получить количественные оценки для магнитного пересоединения плазмы. Вероятно, предложенный подход поможет точнее предсказывать последствия, например, вспышек на Солнце. Напомним, что процессы, происходящие в солнечной плазме стали причиной образования крупной группы солнечных пятен и серии мощнейших за последние 12 лет вспышек на Солнце. А сопровождавшие их плазменные выбросы привели затем и к магнитным бурям на Земле.
Александр Дубов
В ловушку Пауля уместилось 105 ионов кальция
Австрийские физики смогли собрать в ловушке Пауля двумерный ионный кристалл, состоящий из 105 ионов кальция — это самый большой показатель на сегодняшний день. Кристалл был стабилен в течение нескольких секунд, также физикам удалось добиться охлаждения ионов в основное колебательное состояние и доступа к отдельным частицам. В перспективе это позволит существенно расширить квантовые вычисления и квантовые симуляции на ионных массивах. Исследование опубликовано в PRX QUANTUM. Массивы ионов, выстроенные в ловушках — это перспективная система для квантовых вычислений и квантовых симуляций. Ионы хороши тем, что взаимодействуют друг с другом сильно, а также позволяют удерживать себя электрическими и магнитными полями. За счет этого вычислители на ионах можно сделать компактнее. Одна из главный проблем этой технологии — масштабируемость. Рекордные 53 иона были собраны группой Монро еще в 2017 году, и дальнейший рост сталкивается с целым рядом технических трудностей. Их можно было бы преодолеть, собирая двумерные упорядоченные структуры. Такие эксперименты проводились, однако тогда физики не имели доступа к управлению отдельными ионами из-за особенностей удерживающих ловушек. Ситуация изменилась благодаря работе физиков из Инсбрукского университета. Ученые смогли собрать устойчивую двумерную структуру из 105 ионов кальция, удерживаемых монолитной радиочастотной ловушкой Пауля. Им также удалось перевести такой кулоновский кристалл в основное состояние по поперечным колебательным модам, что необходимо для реализации разнообразных протоколов запутывания. Большая трудность, которая встает на пути удержания двумерных массивов паулевой ловушкой — это высокая чувствительность ионов в неточности расположения ее элементов. Для борьбы с этой проблемой, физики использовали монолитный подход, в котором все элементы ловушки остаются частью одного твердого тела, а потому практически не смещаются относительно друг друга. Авторы изготавливали электроды таким образом, чтобы сформировать плоский анизотропный потенциал, из-за чего ионный кристалл принимал эллиптическую форму. Их установка давала лазерным лучам доступ к ионам в широком диапазоне углов, что позволило эффективно проводить манипуляции и визуализацию кристалла. В начале эксперимента физики подвергали лазерной абляции твердотельный кальциевый образец. Они облучали испущенные атомы ионизирующим лучом, после чего ионы попадали в область ловушечных потенциалов, где в течение минуты формировался кристалл. Ученые охлаждали его с помощью метода боковой полосы и метода электромагнитно-индуцированной прозрачности. В качестве кубитов авторы использовали несколько зеемановских подуровней. Для контроля отдельных ионов они фокусировали свет с помощью двухмерного акустооптического дефлектора. Оказалось, что время когерентности в таких кубитах может быть продлено до 370 миллисекунд при том, что сам кулоновский кристалл остается стабильным в течение нескольких секунд даже без лазерного охлаждения. Один из путей масштабирования квантовых вычислений на ионах — использовать кудиты вместо кубитов за счет нескольких уровней. Недавно мы рассказывали, как российские физики объединили два кукварта на основе ионов кальция и продемонстрировали на них универсальный набор квантовых операций.