Физики научились измерять концентрацию углекислого газа в 25 раз точнее
Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST, США) обнаружили неучтенный источник погрешностей в экспериментах по измерению сечения поглощения углекислого газа: оказалось, что ошибки в основном обусловлены нелинейностью устройств для оцифровки аналогового сигнала. Откалибровав их, ученые уменьшили относительную погрешность в 25 раз и довели ее до ε ≈ 0,06 процента. Благодаря этому результату ученые смогут точнее измерять концентрацию углекислого газа — главной причины парникового эффекта в атмосфере Земли. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
Как правило, химический состав далеких объектов ученые определяют с помощью спектроскопии — измеряют характерную длину и интенсивность электромагнитного излучения, испускаемого объектом, а потом сравнивают их с эталонными значениями. В частности, с помощью этого способа астрономы измерили химический состав Солнца и далеких звезд, ограничили изотопный состав Солнечной системы и наблюдаемой Вселенной. Кроме того, с помощью спектроскопа ученые наблюдают, как атмосфера Земли насыщается парниковыми газами. Предполагается, что при достаточно высокой точности этого метода даже можно отследить перемещение газов по атмосфере.
К сожалению, на практике точность измерительных приборов не дотягивает до требуемого значения. Основным источником погрешности в данном случае являются не приборы сами по себе, а формула, по которой спутник рассчитывает концентрацию газа. В эту формулу входит четыре величины, которые можно измерить на практике — давление, температура, толщина и прозрачность газового слоя, — а также сечение поглощения газа, которое зависит только от строения его молекул. Грубо говоря, сечение поглощения описывает, как газ взаимодействует с излучением на разных длинах волн. К сожалению, рассчитать эту величину теоретически, равно как и измерить ее в прямом эксперименте, очень сложно. Поэтому для большинства парниковых газов сечение поглощения известно с погрешностью около одного процента. Чтобы следить за перемещением парниковых газов по атмосфере, нужно понизить эту погрешность как минимум в десять раз.
Группа физиков под руководством Джозефа Ходжеса (Joseph Hodges) придумала, как уточнить сечение поглощения углекислого газа, и снизила его погрешность до приемлемых 0,06 процента. Для этого ученые измерили состав эталонного образца «южноокеанического воздуха» (Southern Oceanic Air) — смеси O2 и CO2, в одном моле которой содержится 3,88×10−4 молей углекислого газа. Состав смеси ученые измеряли с помощью трех CRDS-спектрометров (Cavity ring-down spectroscopy). В сумме эксперименты продлились более одного года.
Довольно быстро ученые обнаружили, что основную погрешность в измерения приборов вносят дискретизаторы — приборы, которые оцифровывают аналоговый сигнал от оптического резонатора. В идеале отклик такого прибора должен быть линейным, однако на практике он отклонялся по неизвестному степенному закону, уникальному для каждого прибора. Поэтому ученые откалибровали приборы с помощью эталонного дискретизатора, в линейности которого сомнений не было, и повторили измерения, устанавливая на каждый спектрометр различные комбинации приборов. Отклонения от линейности приборов при этом компенсировались программно.
Затем исследователи измерили концентрацию молекул CO2 при шести различных комбинациях спектрометров и дискретизаторов и усреднили результат. Считая, что систематические погрешности каждого из экспериментов не были скоррелированы между собой, ученые рассчитали относительную статистическую погрешность этого значения, которая составила εA ≈ 0,059 процента. Кроме того, физики учли, что концентрация углекислого газа в эталонном образце может отклоняться от заявленной (εB1 ≈ 0,013 процента), а скорректированный отклик дискретизаторов все еще может отклоняться от линейного (εB2 ≈ 0,002 процента). Итоговая относительная погрешность составила примерно ε ≈ 0,06 процента. Это в шесть раз меньше, чем погрешность значения, рассчитанного с нескорректированными дискретизаторами (ε ≈ 0,4 процента), и в 25 раз меньше, чем погрешность табличного значения (ε ≈ 2 процента). Средние значения величин, разумеется, во всех случаях совпадали.
Авторы статьи отмечают, что учет обнаруженной систематической ошибки позволит уточнить сечение поглощения остальных парниковых газов — а следовательно, почти так же заметно увеличит точность измерения их концентрации. Это позволит не только следить за производством, миграцией и утилизацией парниковых газов в атмосфере Земли, но и искать биомаркеры в атмосферах экзопланет. Более того, ученые считают, что надежные линейные дискретизаторы пригодятся при разработке новой международной системы единиц.
Несмотря на соглашения, призванные уменьшить выброс парниковых газов в атмосферу, концентрация углекислого газа продолжает неуклонно расти. В частности, в мае этого года концентрация впервые в истории человечества превысила 415 миллионных долей по объему. Проверить, что вы знаете о парниковых газах, можно в тесте «Максимальная концентрация». А узнать об исследованиях климатического прошлого Земли можно в материале «Возможны осадки в виде изотопов».
Дмитрий Трунин
Роль магнитного поля сыграло туннелирование в оптической решетке
Физики впервые экспериментально сгенерировали дробные квантовые состояния Холла в двумерной системе ультрахолодных атомов. Как сообщается в Nature, в созданных состояниях удалось пронаблюдать основные свойства дробных холловских: подавление двухчастичного взаимодействия, сильные (анти)корреляции плотности и дробную величину аналога холловской проводимости. Дробный квантовый эффект Холла возникает в двумерном электронном газе в сильных магнитных полях. Одноименно заряженные электроны отталкиваются друг от друга, однако не могут разлетаться прямолинейно из-за сильного магнитного поля, которое резко закручивает импульс частиц и порождает сложное коллективное движение в системе: поведение отдельных частиц не независимо, а наоборот сильно скоррелировано. В таких ситуациях вместо рассмотрения каждого электрона в отдельности изучают коллективную волновую функцию системы, выделяя основное состояние системы (низшее по энергии) и возбужденные состояния (с энергией выше основного) — квазичастицы. При этом эффективная масса или заряд последних не обязаны совпадать с характеристиками исходных частиц. Так, еще в восьмидесятых годах прошлого века было установлено, что в дробном квантовом эффекте Холла заряд собравшихся из коллективных электронных возбуждений квазичастиц оказывается дробным по отношению к заряду самих электронов. Этим можно объяснить наблюдаемую дробную холловскую проводимость: в обычной ситуации эта величина в единицах отношения квадрата заряда электрона к постоянной планка (обратный квант электрического сопротивления) равна целому числу, а в дробном эффекте Холла принимает нецелые значения. Более того, даже статистика таких квазичастиц может быть промежуточной по отношению к стандартной классификации элементарных частиц на бозоны и фермионы: состояния не обязаны быть строго симметричными или антисимметричными по отношению к перестановкам. Такие экзотические свойства делают дробные холловские состояния перспективным инструментом для квантовых вычислений. При этом вместо того чтобы создавать и контролировать сильные магнитные поля во многоэлектронных системах, физики стремятся создать аналогичные по свойствам, но легко контролируемые квантовые системы — например, из ультрахолодных атомов в оптической решетке. Тем не менее, до недавнего времени об экспериментальной реализации дробных холловских состояний в системах ультрахолодных атомов не сообщалось. Теперь физики из Австрии, Бельгии, Германии, США и Франции под руководством Маркуса Грейнера (Markus Greiner) из Гарвардского университета смогли создать дробные холловские состояния в системе двух ультрахолодных атомов рубидия-87. Для этого исследователи размещали атомы в квадратной оптической решетке (на пересечении двух лазерных лучей) размером в четыре ячейки с каждой стороны, и на протяжении эксперимента контролировали их положение (с разрешением в одну ячейку) с помощью флуоресцентных изображений. Первоначально атомы находились соседних краевых ячейках решетки. Затем авторы, контролируя параметры ячейки, по очереди адиабатически медленно создавали туннелирование по каждой из осей решетки, симулируя тем самым поведение заряженных частиц в сильном магнитном поле. В результате пара атомов рубидия переходила в коллективное состояние, которое физики фиксировали и после анализировали сходство с состояниями дробного холловского типа по свойствам получившегося пространственного распределения плотности и зависимости этих свойств от величины эффективного магнитного поля. В результате авторы обнаружили в итоговых состояниях все ключевые характеристики дробных холловских состояний. Во-первых, удалось зарегистрировать подавление двухчастичного взаимодействия: начиная с критических значений магнитного потока (при переходе к коллективному состоянию) в несколько раз (по сравнению с обычным состоянием) снижалась вероятность наблюдать оба атома в одной и той же ячейке решетки. Во-вторых, эффективная холловская проводимость приняла дробное значение — этот параметр исследователи оценивали через производную средней плотности атомов в центральных четырех ячейках по величине эффективного магнитного потока. Наконец, в-третьих, при надкритической величине эффективного поля кратно возрастали значения (анти)корреляции плотности по всей оптической решетке, что свидетельствует о переходе к зависимому, коллективному поведению системы. При этом сходство оказалось не только качественным, но и количественным: измеренные величины совпали с теоретическим прогнозом для дробного холловского состояния в пределах погрешности, что позволяет заявить о надежной регистрации этого состояния в системе ультрахолодных атомов. Кроме того, чтобы оценить качество адиабатической подготовки коллективного состояния из исходного, в части опытов физики вместо фиксации результата проделывали подготовку в обратной последовательности, от конечного состояния к начальному. Вероятность обнаружить в этом «новым начальном» состоянии исходное начальное исследователи использовали как количественную оценку адиабатичности своих манипуляций: эта величина составила около 43 процентов. По словам авторов, экспериментальный результат является первым шагом в освоении контролируемых манипуляций с сильно скоррелированными состояниями ультрахолодных атомов и в будущем может оказаться практически полезным для квантовых технологий. Ранее мы рассказывали о том, как орбитальное движение атомов повлияло на формирование ультрахолодных димеров в оптических решетках и о том, как свет помог собрать ультрахолодную молекулу из двух атомов.