Физики создали мультиинструмент для изучения квантовых материалов
Американские физики создали прибор для изучения свойств квантовых материалов, в котором объединили сразу несколько научных инструментов. Он позволяет изучать поверхность материалов с помощью атомно-силового и сканирующего туннельного микроскопов, а также исследовать явления, возникающие при протекании тока через материал в присутствии магнитного поля при сверхнизких температурах до 10 милликельвин. Новый инструмент превосходит в точности предыдущие известные разработки в десять раз, говорится в статье, опубликованной в журнале Review of Scientific Instruments.
Несмотря на то, что макроскопические свойства вещества берут свое начало на микроуровне, они обычно описываются законами классической физики, так как квантовые эффекты незначительны на больших масштабах и потому игнорируются. Однако существует класс материалов, в которых квантовые эффекты играют заметную роль и на макроуровне. Эти материалы называют квантовыми, а их типичные представители, например графен, состоят из одного или нескольких тонких слоев толщиной от одного атома. При исследовании подобных структур часто бывает важно соотносить измерения макроскопических свойств с микроскопическими характеристиками, что гораздо легче сделать, если измерения проводятся в одних и тех же условиях внутри одного прибора.
Физики под руководством Джозефа Стросцио (Joseph A. Stroscio) и Йоханеса Швенка (Johannes Schwenk) из американского Национального института стандартов и технологий создали экспериментальный прибор для исследования квантовых материалов, способный выполнять измерения такого рода. В нем объединены возможности сканирующей зондовой микроскопии: атомно-силового и сканирующего туннельного микроскопов, предназначенных для изучения поверхности материалов на масштабах вплоть до размеров отдельных атомов, с возможностью измерения эффектов магнитотранспорта — явлений, связанных с воздействием магнитного поля на протекание тока в веществе.
Атомно-силовой (АСМ) и сканирующий туннельный микроскопы (СТМ) исследуют свойства поверхности материала на наномасштабе с помощью зонда-иглы. При этом СТМ используется для изучения проводящих материалов, так как в основе принципа его работы лежит измерение туннельного тока между поверхностью и «парящей» над ней на высоте нескольких ангстрем иглой зонда. В то время как АСМ, в котором силы взаимодействия между зондом и поверхностью регистрируются по изгибам кантилевера — консоли на конце которой закреплена наноигла, может применяться и для непроводящих материалов. В новом устройстве оба режима реализованы с использованием одного универсального кварцевого сенсора, похожего внешне на камертон, один из зубцов которого жестко закреплен, а на втором находится измерительная игла.
Для исследования явлений, связанных с магнитотранспортом, образец устанавливается на специальные контактные площадки, после чего при включенном внешнем магнитном поле известной величины (до 15 тесла), к нему прикладывается ток и измеряются электрические характеристики в разных его точках.
Во время измерений вся система инструментов и исследуемый материал находятся в сверхвысоком вакууме при сверхнизкой температуре внутри рефрижератора растворения — криогенного устройства для охлаждения которого используется смесь изотопов гелия-3 и гелия-4. Значение рабочей температуры составляет 10 милликельвин. При такой температуре минимизируются случайные квантовые флуктуации частиц и тем самым снижается уровень шума.
Для снижения радиочастотных помех исследователи применили систему размещенных внутри криостата фильтров, состоящих из смеси порошка металлов и эпоксидной смолы, а также разработали новую систему усилителей сигналов, работающих при криогенных температурах. Все это позволило увеличить чувствительность почти в десять раз по сравнению с другими известными инструментами, приблизившись к максимально возможному пределу при рабочей температуре. Так во время калибровочных тестов ученые получили оценку для разрешающей способности в режиме туннельной спектроскопии менее восьми микроэлектронвольт при рабочей температуре 10 милликельвин.
По словам руководителя группы Джозефа Стросцио, другие ученые смогут использовать схему нового прибора для модификации имеющихся у них инструментов, что избавит их от необходимости покупать новое оборудование для исследований. Кроме того, в будущем исследователи планируют расширить список возможностей, например добавив модуль для наблюдения электронного парамагнитного резонанса.
Ранее мы рассказывали, как ученые сразу из двух научных групп создали криоэлектронные микроскопы, которые позволяют проводить измерения с разрешением 1,2 ангстрема, а также о создании устройства для будущих гравитационных детекторов, которое способно при комнатной температуре подавлять до 15 процентов квантового шума в световом луче
Андрей Фокин
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».