Нанотрубку охладили постоянным током
Физики реализовали эффективное подавление механических колебаний отдельной нанотрубки при помощи электронов — ранее подобного удавалось достичь только посредством фотонов. В подвешенной нанотрубке осталось лишь несколько квантов колебаний, то есть ее удалось охладить до квантового режима, пишут авторы в журнале Nature Physics.
Нанотрубки — это химические соединения цилиндрической формы, обладающие рядом необычных свойств. Обычно говорят про углеродные нанотрубки, состоящие из шестиугольных ячеек, напоминая свернутый лист графена. Помимо углерода нанотрубки также могут состоять из нитрида бора и некоторых других элементов.
Одним из научных применений нанотрубок является наномеханический резонатор — закрепленная на подложке нанотрубка, способная колебаться на определенных частотах. В таких системах можно реализовать сильную связь между механическими и электронными свойствами, так как они очень чувствительны к приложенным силам. В результате можно исследовать многие физические процессы на наномасштабе, например, электронный транспорт, эффект Кондо, квантовый эффект Холла и многие другие эффекты, большинство из которых имеет квантовую природу.
Ключевым требованием для изучения явлений в квантовом режиме является подавление шумов, в том числе тепловых. Согласно теореме о равнораспределении кинетической энергии по степеням свободы, охлаждение эквивалентно уменьшению механических флуктуаций системы. В случае отсутствия контроля таких флуктуаций производимый ими эффект не позволит фиксировать квантовое поведение системы.
Сегодня такое подавление достигается за счет воздействия света определенной частоты, но теоретики предложили множество альтернативных схем, позволяющих получить тот же эффект при помощи электронов. Однако применение ни одной из них ранее не позволяло достичь квантового режима, основным достижением оставалось охлаждение до примерно 200 квантов колебаний, что далеко от настоящего квантового режима.
Физики из Испании и Франции под руководством Адриана Бахтольда (Adrian Bachtold) из Института фотоники в Барселоне впервые продемонстрировали охлаждение наномеханического резонатора до 4,6 ± 2,0 квантов колебаний при помощи электронов. Для этого авторы воспользовались взаимосвязью колебаний нанотрубки и электронов постоянного тока, протекающего по ней.
Авторы выращивали нанотрубки методом осаждения из газовой фазы между двумя электродами, а готовую систему помещали в рефрижератор растворения — холодильную машину, которая понижает температуру за счет совершения работы атомами изотопов гелия-3 при смешивании с гелием-4. Это позволило достичь температуры в 70 милликельвин.
В отличие от предыдущих работ, физики пропускали по трубке постоянный электрический ток. Авторам удалось найти значения параметров, при которых колебания нанотрубки эффективно усиливались или, наоборот, подавлялись, то есть происходило охлаждение. Ученые связывают это с термоэлектрическим эффектом, выражающимся в необычном действии закона Джоуля — Ленца.
Этот закон определяет степень нагрева тела при протекании тока, но в случае столь тонкого и чувствительного тела этот нагрев приводит к расширению, деформации и изменению механического натяжения. Однако такое искривление заметно меняет проводимость нанотрубки и, следовательно, эффективность выделения тепла по закону Джоуля — Ленца. В результате в системе возникает обратная связь с задержкой по времени. В итоге физики смогли перевести одномерное наноразмерное тело рекордно близко к основному квантовому состоянию.
Ранее ученые Читать дальше сети из углеродных нанотрубок свободно проводить ток.
Тимур Кешелава
Для этого физики косо сталкивали восемь плазменных струй
Британские и американские физики создали лабораторный аналог аккреционного диска, который возникает в космосе при падении газа на массивные объекты, например, черные дыры. В новом опыте, в отличие от предыдущих исследований, отсутствовали какие-либо стенки или ограничения для потоков — их закручивание происходило за счет нецентрального столкновения восьми плазменных струй. Плазменное кольцо продемонстрировало стабильность, что позволит в будущем исследовать роль магнитного поля в аккреции вещества. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Аккреционные потоки газа вокруг массивных тел встречаются во Вселенной довольно часто. Свет, испускаемый аккреционным диском, может свидетельствовать в том числе и о существовании черной дыры. Поведение газа, падающего на черную дыру, вызывает у исследователей множество вопросов, ответы на которые они добывают преимущественно теоретически. Лабораторные попытки понять физику аккреционного диска тоже существуют. Для этого физики создают потоки водно-глицериновых растворов или металлических расплавов в магнитном поле. Другой способ основан на подаче электрического тока на края холловской плазмы, удерживаемой постоянными магнитами. Недостатком всех этих методов остается наличие жестких границ, которые отсутствуют в космических процессах и искажают моделирование. Группа физиков под руководством Сергея Лебедева (Sergei Lebedev) из Имперского колледжа Лондона вместе с коллегами из США провели эксперимент, лишенный этого недостатка. Он заключался в косом сталкивании восьми плазменных струй, которые закручивались в кольцо. Их движение при этом напоминало движение вещества в аккреционном диске массивного тела. В эксперименте также образовывались характерные плазменные струи, перпендикулярные плоскости вращения. Установка физиков состояла из алюминиевых проволок толщиной 40 микрометров, расположенных в серединах ребер правильного восьмиугольника. Ученые пропускали через них импульсы большого тока (до 1,4 мегаампера на пике), что приводило к нагреву и абляции вещества. Магнитные поля формировали абляционные потоки и направляли их в середину установки, слегка отклоняя от центра. Столкновение потоков вещества формировало его в кольцо диаметром шесть миллиметров. Оно существовало не более 210 наносекунд, за время которого плазма делала от половины до двух оборотов. Физики следили за ее образованием и развитием в оптическом и экстремально-ультрафиолетовом диапазоне, что позволило исследовать распределение скоростей. Изображения показали, что плазменное кольцо стабильно в течение срока жизни, а само вращение происходит в квазикеплеровском режиме. Авторы также наблюдали плазменную струю, порожденную из вращающегося плазменного столба осевыми градиентами теплового и магнитного давления. Скорость вещества в ней составила 100±20 километров в секунду. Малый угол расходимости — 3±1 градус — свидетельствовал об отсутствии эффектов нестабильности. Струю также окружал плазменный ореол. В будущем авторы планируют продлить время жизни кольца за счет более долгих абляционных импульсов, для чего им потребуется использовать более толстые проволоки. Они убеждены, что замена алюминия на другие материалы позволит контролировать различные параметры магнитнодинамического потока. В будущем это позволит в лаборатории приблизиться к условиям, возникающим в астрофизических процессах, и понять роль нестабильности магнитных полей в аккреции вещества. Аккреционный диск — это не единственное явление, связанное с черными дырами, которое физики пытаются воспроизвести в лабораторных экспериментах. Ранее мы рассказывали, как течение воды в сливе раковины помогает изучать квазисвязанные состояния черных дыр, и как в конденсате Бозе — Эйнштейна подтвердили тепловой спектр излучения Хокинга.