Механический метаматериал посчитал до десяти
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters.
Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются).
Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу.
Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру.
Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке.
Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую.
То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета.
По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел.
Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции
Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.
Лауреатами стали Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л’Юилье
Нобелиатами по физике в 2023 году стали Пьер Агостини (Pierre Agostini), Ференц Краус (Ferenc Krausz) и Анн Л’Юилье (Anne L’Huillier) — за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов для изучения динамики электронов в веществе. За церемонией объявления победителей можно следить в прямом эфире на сайте Нобелевского комитета. Подробнее об исследованиях ученых и их заслугах можно прочитать в официальном пресс-релизе. Вручение премий состоится 10 декабря в Стокгольме. Для атомов внутри молекул время течет очень быстро: они перемещаются и поворачиваются за считанные фемтосекунды — это 10-15 секунды. Отдельные электроны внутри атомов двигаются еще быстрее: они меняют свою энергию и положение в пространстве за десятки и сотни аттосекунд, это еще на три порядка короче, чем фемтосекунда. Поэтому, чтобы за ними наблюдать — или хотя бы фиксировать изменение их энергии, — нужно уметь действовать на них точечно, и воздействие должно быть таким же быстрым, как и движение самих электронов. Обычно для того, чтобы возбудить электрон, физики используют лазерный импульс. Но самой короткой вспышкой, которую можно было создать, долгое время были фемтосекундные импульсы. Чтобы сделать их быстрее, нужно было получить вспышку с более короткой длиной волны — потому что импульс не может быть короче одного периода электромагнитного колебания. Эту задачу решила группа Анн Л’Юилье в 1987 году. Она вместе с коллегами пропускала инфракрасный свет через аргон. И обнаружила, что облучение даже длинноволновым светом может приводить к генерации очень коротких импульсов. Выбитый электрон, накачанный облучающим инфракрасным светом, после рекомбинации возбуждает гармоники более высоких порядков. В результате получаются волны более короткой длины — в ультрафиолетовом диапазоне — которые дают короткую вспышку, продолжительностью как раз в несколько сотен аттосекунд. За 1990-е физики разобрались в том, почему так происходит. Но только в начале 2000-х Пьер Агостини и его группа построили установку, которая могла генерировать серию из нескольких последовательных аттосекундных импульсов. Эти короткие импульсы складывались с облучающим импульсом, в результате чего можно было управлять параметрами старших гармоник. Тогда же они измерили длину получившегося импульса — 250 аттосекунд. И одновременно с ними импульсами занималась группа Ференца Крауса — они научились получать изолированные одиночные вспышки и сразу применили их, чтобы измерить, за какое время электрон отрывается от атома. С тех пор физики нашли аттосекундным импульсам и другие применения. Так, они позволяют точнее контролировать квантовое состояние электронов, например, при фотоионизации. С помощью них можно генерировать запутанные состояния (между электроном и катионом). Ни одного из лауреатов не было в этом году в традиционном списке компании Clarivate, которая предполагает, кто мог бы получить премию, на основе данных о цитируемости. На этот раз компания выделила трех физиков из разных областей: Шэрон Глотцер — за исследование упаковки тетраэдрических элементов кристаллических структур и энтропийного вклада в образование макропорядка, Стюарта Паркина — за работы по спинтронике и разработку беговой памяти, и одного из создателей квантово-каскадного лазера Федерико Капассо. Прогнозы Clarivate часто бывают точны, но лишь в исключительных случаях сбываются год в год. Из лауреатов этого года аналитики угадали только с Ференцем Краусом — в 2015 году. Нобелиаты 2022 года Джон Клаузер, Ален Аспе и Антон Цайлингер были в списке «лауреатов по цитируемости» за 2011 год, когда его составляла еще компания Thomson Reuters. Подробнее об их премии, которую присудили за исследование квантовой запутанности и нарушений неравенств Белла, — в материале «Бог играет в эти игры». А первый успешный прогноз год в год наукометристы Clarivate сделали в 2021 году, предсказав лауреата премии именно по физике — Джорджо Паризи. Итальянский ученый исследовал закономерности, которым подчиняются сложные физические системы с флуктуациями и беспорядком на разных масштабах. Подробнее о работах самого Паризи и двух его солауреатов, климатологов Сюкуро Манабе и Клауса Хассельмана, — в нашем материале «Порядок на плечах хаоса».
