Физики создали маленький световой парус из дифракционных решеток, который самостоятельно смещается к центру ускоряющего лазерного луча. Объект сантиметрового размера, отклоняющий свет в разные стороны, начинал колебаться при рассогласовании положения паруса и центра потока излучения. При этом удалось добиться затухания этого движения и достижения оптимальных параметров разгона, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
Солнечный или, в более общем случае, световой парус — это принцип ускорения космических аппаратов, который опирается на принципы давления света. Так как любой поток электромагнитных волн переносит не только энергию, но и импульс, используя излучение достаточно мощного источника (например, Солнца), можно разгонять космические аппараты до высоких скоростей — это позволит за относительно короткое время достичь ближайших планетных систем.
Свечение естественных объектов, в том числе звезд, однако, неидеально, так как его энергия распределена по широкому спектру частот, с которыми разгоняемый объект будет взаимодействовать по-разному. В связи с этим возникли идеи ускорения космических аппаратов посредством передачи импульса от системы наземных или орбитальных лазеров, хотя и она не лишена недостатков.
С первого взгляда может показаться, что лучшим вариантом может быть аппарат с зеркальной поверхностью: для него эффективность передачи импульса от излучения самая высокая. Но в этом случае, однако, необходимо следить за попаданием лазерного луча ограниченного размера на поверхность тела. Если использовать обычное зеркальное покрытие, то добиться попадания можно только активной корректировкой траектории или направления потока электромагнитных волн. А вот если вместо отражения использовать отклонение света, то возникает сила, действующая поперек луча: в таком случае можно обеспечить оптимальное положение и ускорение.
Физики под руководством Гровера Шварцландера (Grover Swartzlander) из Рочестерского технологического института впервые продемонстрировали возможность удержания отклоняющего свет аппарата под воздействием лазерного луча. Эксперименты проводились на созданном учеными сантиметровом зонде из двух дифракционных решеток: в качестве диспергирующего элемента использовали нематические жидкие кристаллы, организованные в периодические структуры с помощью полимерной пленки. Ось анизотропии вещества поворачивалась в плоскости паруса, делая полный оборот при прохождении определенного расстояния, благодаря чему свет круговой поляризации испытывал дифракцию при взаимодействии с поверхностью. При освещении такого тела лазерным лучом нужной длины волны не по центру возникала возвращающая сила величиной порядка наноньютонов, возвращающая зонд в положение, в котором лазер попадает в центр паруса.
Такая система, однако, начинает колебаться около положения равновесия, поэтому авторы также продемонстрировали возможность работы системы в режиме параметрических колебаний: они позволяют эффективно снижать амплитуду отклонения от положения равновесия с помощью изменения мощности лазера во времени.
На следующем шаге ученые хотят провести эксперименты с настоящим (но все еще небольшим) космическим аппаратом, который можно было бы запустить с борта Международной космической станции. В перспективе также можно протестировать технологию с помощью путешествия к Солнцу или астероиду.
Наибольших успехов в демонстрации возможностей солнечных парусов удалось добиться с помощью миссии LightSail-2. О том как первый в истории частный спутник на солнечном парусе вышел на орбиту мы писали в материале «На всех парусах». В более широком контексте о межзвездных перемещениях, не нарушающих законы физики, мы делали текст «Через пропасть».
Тимур Кешелава
Пока эти результаты вызывают сомнения
Физики из Южной Кореи обнаружили у апатита свинца, в котором часть атомов свинца замещена медью, сверхпроводящие свойства при комнатной температуре. Ученые утверждают, что полученный методом твердотельного синтеза материал — первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Температура перехода разрушения сверхпроводящего состояния достигает в нем 127 градусов Цельсия, пишут исследователи в препринтах (1, 2) на arXiv.org. Впрочем, некоторые физики уже выразили сомнения в обоснованности опубликованных результатов. Сверхпроводимость — эффект, при котором у некоторых материалов электрическое сопротивление становится нулевым, — обычно наблюдается при экстремально низких температурах. Лишь в конце XX века удалось получить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью. Первым материалом с критической температурой (Тс) выше точки кипения азота (-195,8 градуса Цельсия) был оксид итрия-бария-меди. Только в 2010-х годах были открыты новые типы сверхпроводников, способных сохранять свои свойства при температурах, более близких к комнатной. При сверхвысоких давлениях (более миллиона атмосфер) сверхпроводящие свойства возникают и у гидридов многих элементов, например, у сероводорода. Недавно физики подтвердили наличие сверхпроводимости гидрида лантана LaH10 при −23 градусах Цельсия. Уже в этом году американские ученые получили сверхпроводимость гидрида лютеция, легированного азотом, при комнатной температуре и умеренно экстремальном давлении. Впрочем, другие группы воспроизвести их результаты пока не смогли. Группа корейских физиков под руководством Ли Сукбэ (Sukbae Lee) из Центра исследований квантовой энергии обнаружила, что в материале на основе апатита свинца Pb10-xCux(PO4)6O (доля x составляет от 0,9 до 1,1) сверхпроводящие свойства наблюдаются при комнатной температуре и атмосферном давлении, то есть без необходимости сжимать образец до сотен миллионов атмосфер. Материал LK-99 получен с помощью твердотельного синтеза в герметичной трубке, вакуумированной до 1,3 × 10-6 атмосфер. Анализ полученного порошка LK-99 при помощи рентгеновской дифракции показал, что величина постоянной его кристаллической решетки на 0,48 процентов меньше, чем у апатита свинца. Ученые связали это изменение с частичным замещением атомов свинца на более компактные по размеру атомы меди. Авторы исследования полагают, что это привело к возникновению внутренних механических напряжений в кристалле, которые в конечном итоге и стали причиной сверхпроводимости. Наличие сверхпроводимости в материале ученые подтвердили, наблюдая левитацию образца в магнитном поле за счет эффекта Мейснера, а также исследуя зависимость удельного сопротивления вещества от температуры. Физики определили, что критическая температура (Тс), при которой образец LK-99 терял сверхпроводящие свойства, составляет от 104 до 127 градусов Цельсия. Ниже этой температуры ученые выделили несколько характерных участков. В диапазоне до примерно 60 градусов Цельсия удельное сопротивление практически равнялось нулю с незначительными шумовыми сигналами. При более высоких температурах наблюдался плавный рост удельного сопротивления. Авторы интерпретировали этот рост как локальные нарушения сверхпроводимости в отдельных областях поликристаллического образца. Если результаты корейских физиков подтвердятся, LK-99 может стать первым веществом со сверхпроводимостью при комнатной температуре и атмосферном давлении. Впрочем, исследования сверхпроводимости при комнатной температуре часто вызывают вопросы у научного сообщества, даже если добираются до публикации в рецензируемых журналах. Например, после проверок в 2022 году из Nature отозвали статью американских исследователей, которые нашли сверхпроводимость при 17 градусах Цельсия в смеси сероводорода, метана и водорода. Технические вопросы, из-за которых отозвали статью о сверхпроводимости углеродистого сероводорода, возникли и к этой работе. Так, сомнения в обоснованности выводов корейских ученых высказал профессор химического факультета МГУ Евгений Антипов, который вместе с Сергеем Путилиным открыл в 1993 году новое семейство ртутьсодержащих сверхпроводящих купратов. Один из них — HgBa2Ca2Cu3O8+x — на настоящий момент имеет рекордную подтвержденную на данный момент критическую температуру, −138 градусов Цельсия. В разговоре с N + 1 химик прокомментировал открытие коллег: «Я не думаю, что эта статья выйдет в каком-либо серьезном журнале, потому что она не отвечает принятым стандартам. У меня вызывает большие сомнения возможность реализации сверхпроводимости в соединении с такой формулой. Это оксофосфат двухвалентного свинца, а двухвалентный свинец отличается тем, что у него свободные электроны локализованы, они не могут переходить в зону проводимости — а значит они будут локализованы на катионах свинца». Вопросы у Антипова вызвала и возможность замещения двухвалентного свинца на двухвалентную медь в том синтезе, который проводили корейские ученые: «Представленные данные не убеждают в возможности такого замещения, так как в образце присутствует примесь сульфида меди Cu2S. С точки зрения кристаллохимии это выглядит не очень обоснованно, а с точки зрения эксперимента — они получили образец с примесями, при этом примеси там много. Поэтому говорить, что медь находится в позиции свинца, когда она присутствует в виде примесей — не обосновано». Физики продолжают изучать различные вещества и способы достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Например, ранее мы писали, как сверхпроводимость ищут даже в радиоактивных веществах. О том как механическое напряжение помогает получить состояние сверхпроводимости в графене читайте в нашем материале «Тонко закручено».