СМИ о нас

Международная группа ученых получила новые указания на существование двойной сверхмассивной черной дыры в далекой галактике OJ 287 с помощью «Радиоастрона». От России в исследовании принимали участие ученые из Астрокосмического центра Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, Московского физико-технического института и Крымской астрофизической обсерватории.

Рисунок, иллюстрирующий прохождение малой черной дыры через аккреционный диск большой в двойной системе сверхмассивных черных дыр / ©R. Hurt (NASA/JPL) & Abhimanyu Susobhanan (Tata Institute of Fundamental Research)

Статья об открытии опубликована в The Astrophysical Journal. Галактика OJ287 находится на расстоянии пяти миллиардов световых лет от Земли. Она принадлежит к особой категории галактик, называемых блазарами. Главная характеристика блазара – наличие сверхмассивной черной дыры центре, аккрецирующей вещество, газ и пыль. Когда вещество падает на черную дыру, оно сталкивается с другим веществом и нагревается, в результате этого процесса вокруг дыры образуется светящийся аккреционный диск.

Кроме того, пара осесимметричных плазменных струй, называемых джетами, выбрасывается из центральной области блазара, и одна из них направлена в сторону Земли. Точный механизм формирования этих струй до сих пор неизвестен. OJ 287 замечательна еще по одной причине. В ее центре находится не одна, а две сверхмассивные черные дыры, причем вторая (менее массивная) вращается вокруг первой, дважды пронзая ее аккреционный диск каждые 12 лет. Эта система на сегодняшний день – единственный известный представитель тесной двойной сверхмассивной черной дыры.

Один из главных вопросов, связанных с двойными системами и интересующих ученых: как пара таких черных дыр сливается в конечном итоге, — так называемая проблема финального парсека. Теория предполагает, что все двойные черные дыры будут оставаться на расстоянии около одного парсека бесконечно долго из-за замедления времени вблизи релятивистского объекта. Излучаемые такой системой гравитационные волны могут подтвердить или опровергнуть эту теорию.

Две черные дыры в OJ287 находятся настолько близко друг к другу, что должны излучать гравитационные волны, а это, в свою очередь, приводит к сжатию их орбит.

«Это гравитационное излучение, как мы ожидаем, вскоре может быть обнаружено с помощью интерферометров космических гравитационных волн, таких как космическая система LISA, что окончательно подтвердит существование двойной системы в OJ 287», — говорит участник исследования, член-корреспондент РАН Юрий Ковалев, руководитель лабораторий в МФТИ и ФИАН.

Коллаж, показывающий системы наблюдений и изображения искривленного джета в активной галактике OJ 287. Сверху вниз: глобальная группа радиотелескопов, включая  космическую обсерваторию «Спектр-Р» (диаметр 10 метров, не в масштабе) проекта «Радиоастрон», обеспечивает наблюдения с рекордным разрешением 12 микросекунд дуги, или около двух световых месяцев; изображения, полученные в диапазоне миллиметровых и сантиметровых волн на наземных радиоинтерферометрах.
/ ©Эдуардо Рос (MPIfR); радиоизображения от Gómez и др. (The Astrophysical Journal, 2022 г.); Земной шар от worldmapgenerator.com; схематическое изображение «Радиоастрон» от НПО имени С. А. Лавочкина

Открытие было сделано благодаря методу наблюдений, известному как радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ). Принцип РСДБ, предложенный советскими учеными Леонидом Матвеенко, Николаем Кардашевым и Геннадием Шоломицким в середине 1960-х годов, заключается в одновременном наблюдении объекта на небе разными телескопами.

Синхронизация сигнала с каждой антенны и последующая корреляция позволяют восстанавливать изображения удаленных астрофизических объектов с высочайшим угловым разрешением, эквивалентным тому, которое достигалось бы телескопом размером с Землю. При этом чем больше собирательная поверхность и чем короче длина волны наблюдения, тем выше угловое разрешение.

Ученым удалось восстановить изображение OJ 287 с самым высоким разрешением (уровнем четкости), достигнутым на сегодня, используя наземно-космические РСДБ-наблюдения. Участие 10-метровой орбитальной антенны «Спектр-Р» (космическая миссия «Радиоастрон», возглавляемая Астрокосмическим центром при поддержке Роскосмоса), помогло сформировать виртуальный радиотелескоп размером в 15 раз больше Земли.

При этом было достигнуто разрешение около 12 угловых микросекунд, или около двух световых месяцев. Другими словами, полученное изображение настолько детализировано, что, обладая таким разрешением, можно с Земли увидеть монету в один рубль на поверхности Луны.

«Мы еще никогда не наблюдали внутреннюю структуру кандидата на сверхмассивную двойную черную дыру OJ287 с такой четкостью», — рассказывает Юрий Ковалев.

Анализ полученных изображений показал, что плазменная струя объекта сильно изогнута, и это подтверждает, что перед нами двойная черная дыра. Наблюдения в поляризованном свете показали топологию магнитного поля самой внутренней части струи и подтвердили его тороидальную конфигурацию. Оказалось, что начало джета пронизано спиральным магнитным полем.

«Эти результаты помогли нам продвинуться еще на один шаг в расширении наших знаний о морфологии релятивистских джетов вблизи центральной машины, подтвердить роль магнитных полей в запуске джетов. Мы получили новые указания на двойную систему сверхмассивных черных дыр в сердце OJ287», — заключает участник исследования профессор РАН Александр Пушкарев, ведущий научный сотрудник КрАО и ФИАН.

Международная группа ученых получила новые указания на существование двойной сверхмассивной черной дыры в далекой галактике OJ 287 с помощью «Радиоастрона». Статья об открытии опубликована в The Astrophysical Journal. От России в исследовании принимали участие ученые из Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Московского физико-технического института и Крымской астрофизической обсерватории.

Рисунок, иллюстрирующий прохождение малой черной дыры через аккреционный диск большой в двойной системе сверхмассивных черных дыр. Источник: R. Hurt (NASA/JPL) & Abhimanyu Susobhanan (Tata Institute of Fundamental Research)

Галактика OJ287 находится на расстоянии 5 миллиардов световых лет от Земли. Она принадлежит к особой категории галактик, называемых блазарами. Главной характеристикой блазара является сверхмассивная черная дыра в его центре, аккрецирующая вещество, газ и пыль. Когда вещество падает на черную дыру, оно сталкивается с другим веществом и нагревается, в результате этого процесса вокруг дыры образуется светящийся аккреционный диск. Кроме того, пара осесимметричных плазменных струй, называемых джетами, выбрасывается из центральной области блазара, и одна из них направлена в сторону Земли. Точный механизм формирования этих струй до сих пор неизвестен. OJ 287 замечательна еще по одной причине. В ее центре находится не одна, а две сверхмассивные черные дыры, причем вторая (менее массивная) вращается вокруг первой, дважды пронзая ее аккреционный диск каждые 12 лет. Эта система является сегодня единственным известным представителем тесной двойной сверхмассивной черной дыры.

Один из главных вопросов, связанных с двойными системами и интересующих ученых: как пара таких черных дыр сливается в конечном итоге, — так называемая проблема финального парсека. Теория предполагает, что все двойные черные дыры будут оставаться на расстоянии около одного парсека бесконечно долго из-за замедления времени вблизи релятивистского объекта. Излучаемые такой системой гравитационные волны могут подтвердить или опровергнуть эту теорию.

Две черные дыры в OJ287 находятся настолько близко друг к другу, что должны излучать гравитационные волны, а это, в свою очередь, приводит к сжатию их орбит. «Это гравитационное излучение, как мы ожидаем, вскоре может быть обнаружено с помощью интерферометров космических гравитационных волн, таких как космическая система LISA, что окончательно подтвердит существование двойной системы в OJ 287», — говорит участник исследования, член-корреспондент РАН Юрий Ковалев, руководитель лабораторий в МФТИ и ФИАН.

Открытие было сделано благодаря методу наблюдений, известному как радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ). Принцип РСДБ, предложенный советскими учеными Леонидом Матвеенко, Николаем Кардашевым и Геннадием Шоломицким в середине 1960-х годов, заключается в одновременном наблюдении объекта на небе разными телескопами. Синхронизация сигнала с каждой антенны и последующая корреляция позволяют восстанавливать изображения удаленных астрофизических объектов с высочайшим угловым разрешением, эквивалентным тому, которое достигалось бы телескопом размером с Землю. При этом чем больше собирательная поверхность и чем короче длина волны наблюдения, тем выше угловое разрешение.

Коллаж, показывающий системы наблюдений и изображения искривленного джета в активной галактике OJ 287. Сверху вниз: глобальная группа радиотелескопов, включая  космическую обсерваторию «Спектр-Р» (диаметр 10 м, не в масштабе) проекта «Радиоастрон», обеспечивает наблюдения с рекордным разрешением 12 микросекунд дуги, или около двух световых месяцев; изображения, полученные в диапазоне миллиметровых и сантиметровых волн на наземных радиоинтерферометрах. © Эдуардо Рос (MPIfR); радиоизображения от Gómez и др. (The Astrophysical Journal, 2022 г.); Земной шар от worldmapgenerator.com; схематическое изображение «Радиоастрон» от НПО им. С. А. Лавочкина

Ученым удалось восстановить изображение OJ 287 с самым высоким разрешением (уровнем четкости), достигнутым на сегодня, используя наземно-космические РСДБ-наблюдения. Участие 10-метровой орбитальной антенны «Спектр-Р» (космическая миссия «Радиоастрон», возглавляемая Астрокосмическим центром при поддержке Роскосмоса) помогло сформировать виртуальный радиотелескоп размером в 15 раз больше Земли. При этом было достигнуто разрешение около 12 угловых микросекунд, или около 2 световых месяцев. Другими словами, полученное изображение настолько детализировано, что, обладая таким разрешением, можно с Земли увидеть монету в 1 рубль на поверхности Луны. «Мы еще никогда не наблюдали внутреннюю структуру кандидата на сверхмассивную двойную черную дыру OJ287 с такой четкостью», — рассказывает Юрий Ковалев.

Анализ полученных изображений показал, что плазменная струя объекта сильно изогнута, и это подтверждает, что перед нами двойная черная дыра.

Наблюдения в поляризованном свете показали топологию магнитного поля самой внутренней части струи и подтвердили его тороидальную конфигурацию. Оказалось, что начало джета пронизано спиральным магнитным полем.

«Эти результаты помогли нам продвинуться еще на один шаг в расширении наших знаний о морфологии релятивистских джетов вблизи центральной машины, подтвердить роль магнитных полей в запуске джетов. Мы получили новые указания на двойную систему сверхмассивных черных дыр в сердце OJ287», — заключает участник исследования профессор РАН Александр Пушкарев, ведущий научный сотрудник КрАО и ФИАН.

Публикация:

L. Gómez и др. “Probing the innermost regions of AGN jets and their magnetic fields with RadioAstron. V. Space and ground millimeter-VLBI imaging of OJ 287”. The Astrophysical Journal, 924, 122 (2022): https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac3bcc

Информация и фото предоставлены пресс-службой МФТИ

https://scientificrussia.ru/articles/radioastron-pomog-obnaruzit-dvojnuu-sistemu-sverhmassivnyh-cernyh-dyr

В Большом адронном коллайдере родилась новая частица. Ее имя – X(3872). Условия получения этой частицы почти повторили момент Большого взрыва, в ходе которого образовалась наша вселенная. О значении этого события обозревателю "Вестей FM" Сергею Артемову рассказали российские исследователи, которые участвовали в экспериментах.

Вся эта замечательная история научного открытия началась в 2003 году, когда незнакомая частица впервые была обнаружена на японском ускорителе с романтическим названием «Фабрика прелести». Российские ученые тоже тогда трудились в интернациональном коллективе, рассказал главный научный сотрудник лаборатории тяжелых кварков и лептонов Физического института им. Лебедева Академии наук, академик РАН Михаил Данилов. Частица оказалась интересной тем, что не вписывалась в привычную картину строения материи. Если посмотреть на любое вещество, оно состоит из атомов. А уже атомы, соединяясь, образуют молекулы. Курс химии из школы помнят все. Но это, по словам академика, – как бы «высокий уровень возникновения материи».

ДАНИЛОВ: А если мы копнем немножко глубже, то выяснится, что атомы состоят из электронов и ядер, ядра состоят из протонов и нейтронов и, наконец, протоны и нейтроны состоят из кварков. Так вот, долгое время то, как кварки образуют нейтроны и протоны (эти частицы называются «адронами»), выглядело как образование атомов, а не молекул. Каждый адрон состоял либо из 3 кварков, либо – из кварка и антикварка. А вот частица Х(3872) в такую картину кварковой материи не вписывается. Для нее, похоже, нужно уже делать «кварковые молекулы» – как из атомов мы делаем молекулы, так из кварков мы можем делать кварковое молекулярное состояние.

Но эта понятная, на первый взгляд, аналогия, которая удовлетворит несведущих, ставит перед учеными очередные загадки, отмечает Михаил Данилов.

ДАНИЛОВ: Кварк и антикварк – это «кварковые атомы», а вот кварк-антикварк и еще кварк-антикварк – это уже молекула. Так же, как из двух атомов водорода можно сделать одну молекулу водорода. Но как устроена эта «молекула» – очень большой вопрос. Она может быть устроена так, что кварки находятся очень близко, тогда это называется просто тетракварком. А может быть – очень рыхлой, состоящей из двух обособленных кварк-антикварковых пар. То, как это состояние устроено, нужно изучать в разных условиях, в том числе – в рождении, в кварк-глюонной плазме.

Есть молекулы, атомы, электроны, протоны и нейтроны. В эдакой «матрешке» структуры вещества “частицы Х” не продолжение ряда, не еще меньшее деление тех протонов и нейтронов: они – отдельно. Но они практически неуловимы, и потому пока говорить, что они есть частицы окружающей нас материи, все же некорректно, говорит доктор физико-математических наук, начальник сектора Лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований Сергей Шматов.

ШМАТОВ: Вся наша материя, из которой мы состоим, состоит только из кварков двух типов. Всего кварков – шесть, но вообще, вся материя в основном, на 99,9%, состоит из кварков двух типов: u- и d-кварков. Все остальные элементарные частицы, в общем-то, не формируют окружающую нас материю. Они могут быть искусственно созданы нами – при столкновении, допустим, или в космических лучах они могут прилететь. Просто эти частицы могут нами быть получены либо наблюдаемы в каких-то там пассивных экспериментах.

То, что некие неизвестные элементарные частицы могут существовать, теоретики осторожно предсказывали еще 45 лет назад. И “героиня” сегодняшней истории на самом деле впервые заявила о себе давно, рассказывает Михаил Данилов.

ДАНИЛОВ: Вот эту частицу нашли в каком-то смысле случайно. Но ее свойства как раз в целом хорошо согласуются с теоретическими ожиданиями. Российские ученые здесь играют очень большую роль, например сотрудник ФИАНа и МИФИ Сергей Поликарпов обнаружил распад «прелестного» странного мезона на эту частицу – Х(3872) и фи-мезон. И вероятность этого распада говорит о том, что Х(3872), скорее, в основном в компактном состоянии, состоит из тетракварка, но какая-то часть молекулярного состояния, то есть – “рыхлого”, тоже возможна.

Но тогда ее отметили лишь. Эксперимент был на другую тему. А теперь о частице говорят во всем мире экспериментальной физики, ведь в установке Большого адронного коллайдера ЦЕРН (Европейского совета по ядерным исследованиям) их удалось получить сразу несколько десятков. Помогло создание в эксперименте состояния кварк-глюонной плазмы – высокотемпературных условий, которые очень похожи на момент так называемого Большого взрыва – точки зарождения нашей вселенной. Ученые словно вернулись более чем на 13,5 миллиардов лет назад. Частица – не просто обнаружена, но и подтверждена. Хотя, по словам Сергея Шматова, ее окончательную структуру еще предстоит установить.

ШМАТОВ: Так как она включает в себя всякие кварковые конфигурации, которые как-то взаимодействуют, то изучение этих частиц помогает понять – правильно ли мы понимаем природу вот этих взаимодействий, которая и связывает все наблюдаемые нами частицы, то, что формирует вселенную.

“Физический портрет” этой частицы еще ждет завершения. Наверное, у нее тоже нет вкуса, цвета и запаха – что мы помним, например, про воду из школьных учебников. Точно известны лишь 2 ее измерения: вес, который исчисляется в специальных единицах – 3872 МэВ, мегаэлектронвольт (иначе выговорить “стомиллиардные доли стомиллиардной доли микрограмма” было бы непросто), и “срок жизни” – миллионные доли секунды. Все это рассчитано в мощнейших компьютерах, говорит Сергей Шматов.

ШМАТОВ: Вообще, аналогичные частицы – они все рождаются и сразу же исчезают. То есть они распадаются на какие-то более стабильные частицы.

У встревоженных обывателей, быть может, уже закралась мысль: а что это там, в Большом адронном коллайдере, все-таки возникло? Не вылетит ли эта частица из подземной лаборатории в Швейцарии и не вывернет ли нашу Землю наизнанку в бублик черной дыры? Сергей Шматов полагает, что паниковать не нужно.

ШМАТОВ: Если учесть, что все эти частицы – крайне нестабильны и моментально распадаются, опасения – совсем беспочвенны. Еще один из аргументов – я все время его привожу – то, что мы создаём на ускорителях, все эти частицы рождаются и без нас. Есть потоки космических частиц, они падают на земную атмосферу, и там эти частицы рождаются и без нашего участия. Это происходит уже миллиарды лет – столько, сколько существует Земля, и до сих пор ничего не случилось.

И тогда сразу второй дилетантский вопрос ученому: а можно ли эту частицу как-то полезно приспособить в народном хозяйстве? И тут ответ – тоже, скорее, нет.

ШМАТОВ: Для изучения, исследования этих частиц строятся и создаются громадные экспериментальные установки с привлечением новых технологий. Эти технологии впоследствии, конечно же, применяются в различных аспектах, скажем так, народного хозяйства и знакомы обывателю. Классический пример: в ходе тех же экспериментов в ЦЕРН был создан протокол «www», который сейчас активно используется любым пользователем Интернета.

Новые знания, обретенные буквально вчера в ходе кажущихся фантастикой экспериментов, разумеется, в быту сегодня использовать нельзя, добавляет академик Данилов.

ДАНИЛОВ: Ну, как и в случае с большей частью фундаментальных знаний о природе, сразу нельзя сказать, где они будут использованы. На эту тему есть замечательная история: когда к Фарадею в лабораторию пришел лорд-казначей, тот ему показал магнитные, электрические явления. Лорд-казначей посмотрел и говорит: “Ну, это все замечательно, только зачем все это нужно?” На что Фарадей ответил: “Я не знаю, но я уверен, что лет через 50 вы будете облагать это налогом”.

Фарадей тогда показал гостю первый прибор для получения электричества. И это было революционным шагом для всего человечества, резюмирует Михаил Данилов.

ДАНИЛОВ: Фундаментальные знания позволяют скачком перейти к совершенно новым технологиям, которых не было раньше. Не к улучшению технологий, а созданию принципиально новых, о которых нельзя было и мечтать некоторое время тому назад. На вопрос о соотношении фундаментальной и прикладной наук очень хорошо ответил бывший президент Франции Николя Саркози. Он сделал такое сравнение: свечу можно сколько угодно улучшать и модернизировать, но все эти усилия никогда не приведут к появлению электрической лампочки. Для электрической лампочки нужны фундаментальные исследования, и поэтому государство их должно поддерживать.

“Наука не стоит на месте” – фраза стандартная. А в жизни это означает, что ученые разрабатывают новые теории. И касаются они в том числе других элементарных частиц, которые еще предстоит открыть и точно описать на том же Большом адронном коллайдере, в лабораториях которого вместе с коллегами из десятков стран работают и российские специалисты.

https://radiovesti.ru/brand/61178/episode/2648377/

Звезды

Мы до сих пор не понимаем, как образовались звезды и первые квазары во Вселенной, заявил член-корреспондент РАН, директор Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), доктор физико-математических наук Николай Колачевский в интервью изданию «Научная Россия», опубликованном 17 февраля.

«Квазары, или сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, с массой 109 масс Солнца и больше, то есть миллиарды масс Солнца, крайне интересны. Их загадка заключается в том, что эти объекты образовались слишком рано по отношению к моменту Большого взрыва», — отметил Колачевский.

По его словам, последние наблюдения показывают, что самые молодые квазары имеют возраст от десяти до ста тысяч лет. Физик отмечает, что это удивительно мало, и астрономам «не очень понятно, как они образовались».

«Вопрос звездообразования довольно сложный и полностью не изучен. Мы не знаем до конца, как образовывались первые звезды, и как они образуются сейчас, какую роль в этом процессе играют магнитные поля, джеты и т. д.», — подчеркнул Колачевский.

Он также указал, что черные дыры согласно исследованиям иногда стимулируют рождение звезд.

«Парадоксально ведь, казалось бы, они разрывать их должны или поглощать, но мы видим процессы, которые, напротив, приводят к звездообразованию. Так рентгеновское излучение, возникающее в результате аккреции вещества на черную дыру, способствует образованию молекулярного водорода, что в свою очередь способствует образованию звезд», — заключил ученый.

https://rossaprimavera.ru/news/78c7f127

Помните сцену из «Терминатора-2», где металлическая капля, двигаясь по асфальту как живая, подтекает к ногам робота-убийцы Т-1000 и сливается с ним? Ученые из Физического института имени Лебедева (ФИАН) увидели похожую картину в своей лаборатории: в их эксперименте капли жидкости самопроизвольно перетекали с места на место по поверхности с микроструктурами, «вырезанными» на них с помощью лазера. Такие поверхности могут использоваться в микрофлюидных биочипах и медицинских экспресс-тестах, которые легко умещаются в кармане.

Фото: Валерий Мельников, Коммерсантъ

«Обычно капля, упавшая на ровную поверхность, остается на месте. Мы заставили ее двигаться — за счет градиента сил поверхностного натяжения. С помощью лазера мы создали на поверхности микроструктуры с нарастанием ее гидрофильности (смачиваемости), и капли двигаются по ним в сторону, где гидрофильность максимальна. Такой “горизонтальный насос”, например, позволит разделять жидкости с разным коэффициентом поверхностного натяжения, упростить биочипы и микрофлюидные устройства»,— говорит соавтор исследования Сергей Кудряшов, ведущий научный сотрудник и заведующий лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН.

Технология перекачки воды с помощью энергии поверхностного натяжения давно изобретена в живой природе. Техасская рогатая ящерица (Phrynosoma cornutum), живущая в пустынях Северной Америки, научилась собирать и перемещать воду, которая конденсируется по ночам на ее теле. Сеть открытых капиллярных каналов, образованных чешуйками, заставляет воду перетекать прямо к ее рту, и этот эффект описывали германские и австрийские ученые.

Чтобы воспроизвести его эффект в лаборатории, Кудряшов и его коллеги решили попробовать создать на поверхности градиент поверхностной энергии (натяжения), то есть сделать так, чтобы степень гидрофобности постепенно снижалась вдоль поверхности от точки к точке в заданном направлении. К сожалению, это нельзя сделать, просто уменьшая толщину слоя гидрофобного покрытия на гидрофильном. Сила поверхностного натяжения очень короткодействующая, чтобы «выключить» гидрофильность металла, на него достаточно нанести слой пластика толщиной в одну-две молекулы.

«Можно попробовать сделать это химическим способом, то есть создав участки с химически разным покрытием с разной гидрофобностью, но эта поверхность будет очень капризной, потому что любая пыль, любое органическое загрязнение сразу меняет показатель гидрофобности, и такую поверхность трудно отмыть, чтобы восстановить ее нужный уровень»,— объясняет Кудряшов.

Поэтому ученые ФИАН решили воспользоваться тем, что у капли жидкости довольно большая площадь и она «усредняет» показатель гидрофобности на участках с гидрофобным пластиком и с гидрофильным металлом, где пластик удален лазером. Иначе говоря, капля не сможет отличить поверхность с одним показателем гидрофобности в каждой точке от «шахматной доски» той же площади с разными показателями в каждой клеточке, если среднее значение будет одинаковым.

Для эксперимента ученые покрыли стальные пластины размером 5 х 5 см миллиметровым гидрофобным полимерным покрытием на основе силоксана. Затем при помощи лазера наносекундными импульсами они прорезали слой покрытия до металла, создавая ряды канавок длиной 5 мм и шириной около 100 микрон.

Затем повторной обработкой лазером ученые модифицировали их, расширив их в разной степени. Так на стальной пластинке появились четыре участка с разными показателями гидрофобности — углом контакта смачивания, то есть углом между поверхностью и условно касательной к поверхности капли воды на ней. На гидрофобной поверхности капля воды растекается меньше, поэтому угол смачивания будет больше. На гидрофильной, наоборот, угол будет меньше, так как капля растекается больше. Угол смачивания на четырех участках варьировался от 46 до 13 градусов.

Затем ученые капали водой на разные участки и наблюдали за ее движением.

Капля воды объемом 5 мкл в эксперименте самопроизвольно перемещалась от гидрофобных участков к гидрофильным. Быстрее всего капля двигалась между первым и вторым участками — в этом месте ее скорость достигала 92 мм/сек.

«Мы сделали такой “горизонтальный водопад”, где жидкость двигается не за счет силы тяжести, а за счет энергии поверхностного натяжения. На гидрофобных участках энергия поверхностного натяжения выше, на гидрофильных меньше, и эта разность потенциалов превращается в кинетическую энергию движения»,— говорит Кудряшов.

По его словам, такой «водопад» может быть достаточно длинным — несколько десятков сантиметров. «Главное, чтобы граница между участками с разными углами смачивания была не слишком заметной, чтобы вязкое трение не остановило каплю»,— объясняет он.

Ученые отмечают, что такие микроструктурированные поверхности могут найти широкое применение в разработке микрофлюидных устройств — бурно развивающейся области, которая уже дала десятки компактных устройств для исследования химического состава воздуха и воды, диагностических медицинских тестов.

Кудряшов подчеркивает, что в эксперименте использовались широко распространенные лазеры. «Это очень доступная технология. Лазер очень простой, с помощью таких делается маркировка, подписываются металлические таблички. Это очень простые и доступные системы, не требуют особых знаний для обслуживания. Поэтому, если при их помощи получится делать микрофлюидные чипы, это будет очень выгодно».

Использованы материалы статьи «Microfluidic Water Flow on Laser-patterned MicroCoat® - Coated Steel Surface»; I. V. Krylach, M. I. Fokin, S. I. Kudryashov, A. V. Veniaminov, R. O. Olekhnovich, V. E. Sitnikova, M. K. Moskvin, L. N. Borodina, N. N. Shchedrina, S. N. Shelygina, A. A. Rudenko, M. V. Uspenskaya; журнал Applied Surface Science, номер выйдет в апреле 2022 г.

https://www.kommersant.ru/doc/5237728

Российские ученые получили первые значимые результаты на пути создания квантового процессора на базе ионов. Это одно из направлений, которое курирует «Росатом» в рамках дорожной карты «Квантовые технологии».

«Примерно за полтора года интенсивной работы нам удалось собрать систему на ионах иттербия, продемонстрировать двухкубитные операции с достоверностью 66 % и показать полный набор кудитных операций с достоверностью порядка 85 %», — ​заявил директор Физического института Академии наук (ФИАН) Николай Колачевский на заседании научного совета РАН «Квантовые технологии» в декабре прошлого года. Разберемся, что сказал ученый.

Кубит — ​это минимальная единица информации квантового процессора. Если бит (единица информации обычного компьютера) может принимать только два значения — ​0 или 1, то кубит может находиться еще и в суперпозиции: быть одновременно и в значении 0, и в значении 1.

Физически кубит — ​это система с двумя энергетическими уровнями, под одним из которых понимается логический 0, под другим — ​1. Создать такую систему можно на разных основах. В рамках дорожной карты «Квантовые технологии» разрабатывают кубиты на базе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов и ионов. В совместной лаборатории ФИАНа и Российского квантового центра (РКЦ) экспериментируют с ионами иттербия, они считаются наиболее подходящими для создания квантового компьютера.

Кудит — ​это кубит с тремя и более энергетическими уровнями. Его можно представить как дом с несколькими этажами.

«Переход с одного энергетического уровня на другой — ​это изменение состояния электронной оболочки иона. При этом изменяется волновая функция электронной оболочки иона», — ​комментирует научный сотрудник ФИАНа Илья Семериков.

Именно в операциях с кудитами и заключается главное достижение лаборатории. Ученые работали с двумя куквартами. Кукварт — ​это кудит, способный одновременно находиться в четырех электронных состояниях. В итоге был создан процессор, эквивалентный четырехкубитному квантовому компьютеру — ​системе из четырех ионов с двумя энергетическими состояниями в каждом.

Чтобы создать из атома иттербия ион, металл испаряют, из паров выбирают изотопы иттербий‑171 и воздействуют на них лазером, чтобы удалить с внешней орбитали один электрон. Ионы помещают в ионную ловушку — ​систему электродов, которая создает быстро колеблющееся электромагнитное поле. Вся система находится в вакууме.

Управляют ионами с помощью лазеров. Сначала лазерные импульсы охлаждают ионы практически до абсолютного нуля (–273,15 °C). Для выполнения квантовых алгоритмов используется другой лазер, с очень узким спектром — ​порядка 1 Гц. Ученые предельно точно контролируют, куда светит лазер, его частоту, интенсивность и фазу. Изменяя эти параметры, можно управлять квантовыми состояниями иона.

Каждый энергетический уровень кукварта можно представить как состояние пары кубитов: первый — ​00, второй — ​01, третий — ​10, четвертый — ​11. «Если взять пару ионов с энергетическими состояниями 1 и 4, то состояние эквивалентного квантового регистра из четырех кубитов будет 0011, а у пары с состояниями 2 и 3 состояние регистра будет 0110», — ​комментирует Илья Семериков. На этом компьютере уже можно реализовывать простейшие алгоритмы, в частности Дойча — ​Йожи и Гровера. Первый применяется для определения типа функции (константная или сбалансированная), второй — ​для быстрого поиска в неупорядоченной базе данных.

На заседании научного совета РАН Николай Колачевский обозначил важную проблему, которую предстоит решить, — ​перепутывание кубитов. Это процесс, в ходе которого состояние одного из ионов изменяется в зависимости от состояния другого.

«Сам по себе факт, что мы можем загрузить 5, 10 или 20 ионов в ловушку, не значит, что мы сделали 5-, 10- или 20‑кубитный компьютер. Вопрос, можем ли мы делать с ними совместные операции», — ​сказал Николай Колачевский.

Российским ученым удалось перепутать два кукварта по методу Мельмера — ​Серенсена, предложенному в начале 2000‑х. Он основан на возбуждении колебаний ионов в ловушке под действием лазера. Совместные колебания ионов в ловушке — ​это шина данных квантовой информации между частицами.

Еще одна проблема — ​индивидуальная адресация к каждому иону. Расстояние между ионами в ловушке — ​всего 4–5 мкм, поэтому сложно посветить лазером на один, не задев другой. Сотрудникам лаборатории это удалось с двумя и четырьмя ионами.

Третья проблема — ​создание облачной платформы и организация доступа с ее помощью к прототипу квантового процессора. Первые дистанционные эксперименты уже проводятся, но для полноценной интеграции требуется окончательное согласование интерфейсов. Работы запланированы на этот год, в них будут участвовать специалисты «Росатома» и РКЦ.

Четвертая проблема — ​повышение достоверности операций. Процент достоверности, или фиделити, — ​это показатель вероятности корректного вычисления. Он определяется после серии экспериментов. Данные обрабатываются, усредняются, и вычисляется достоверность.

«Пока хвалиться особенно нечем, потому что все это уже сделано зарубежными коллегами, правда, на другой физической системе — ​на кальции, но довольно давно, — ​признал Николай Колачевский. — ​Впрочем, учитывая наши возможности и то, что это первый подход к снаряду, получен, на мой взгляд, обнадеживающий результат, который позволяет взяться за оптимизацию качества операций».

Для сравнения, команды компаний IonQ и Quantinuum — ​лидеров в создании квантовых компьютеров на ионах — ​уже работают с 10- и 20‑ионными кубитами в каждом процессоре, и достоверность двухкубитных операций у них превысила 98 %.

«Платформа на ионах демонстрирует одни из самых интересных результатов, что особенно примечательно, так как пять лет назад ионы не считались приоритетным направлением развития. Для нас это первый значимый результат в работе над дорожной картой по квантовым вычислениям», — ​отмечает руководитель проектного офиса по квантовым технологиям «Росатома» Руслан Юнусов.

Источник: Страна Росатом

https://www.atomic-energy.ru/news/2022/02/28/122348

В лаборатории Физического института имени Лебедева (ФИАН) ученым удалось воссоздать картину, очень похожую на одну из сцен боевика «Терминатор 2». Так, ученые заставили капли воды самопроизвольно «ползти» по горизонтальной плоскости. Для этого они создали на твердой поверхности при помощи лазера специальные вырезанные микроструктуры.

«В обычных условиях капля воды, которая упала на ровную поверхность, остается неподвижной. Нам удалось ее заставить двигаться, используя эффект градиента сил поверхностного натяжения. Воспользовавшись лазером, на твердой поверхности мы нанесли микроструктуру таким образом, чтобы она нарастала по показателю смачиваемости – так называемой гидрофильности. После этого капли двигаются в сторону структуры с максимальной гидрофильностью от “гидрофобных” участков. Этот “горизонтальный насос”, к примеру, поможет разделить жидкости, обладающие разными коэффициентами поверхностного натяжения. Используя данный эффект, мы сможем упростить микрофлюидные устройства и биочипы для медицинских целей», – рассказал Сергей Кудряшов, заведующий лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН, соавтор исследования.

Природа уже много веков назад изобрела «горизонтальный насос». Например, техасские рогатые ящерицы, обитающие в пустынных местностях Северной Америки, могут собирать, а затем и перемещать воду ко рту, которая конденсируется на поверхности их тела в ночное время. В данном случае, в роли «вырезанной микроструктуры» выступают сети капиллярных каналов, которые образуют чешуйки ящериц. Через эти капиллярные микроканалы с поверхности тела вода сама перетекает в рот пресмыкающихся. 

По словам ученых, эффект «горизонтального насоса» можно широко использовать при изготовлении микрофлюидных чипов для детального исследования состава воды и воздуха, а также в производстве диагностических медицинских тестов.

Источник фото: news.mail.ru

https://teznet.ru/novosti/neobichnoe/rossijskie-fiziki-zastavili-vodu-polzti-po-gorizontalnoj-ploskosti-8224.html

Сотрудники Физического института имени Лебедева провели интересный эксперимент с каплями жидкости и специальной поверхностью с микроструктурами. Он напоминает знаменитую сцену из фильма «Терминатор-2». Об этом сообщает «Хайтек» со ссылкой на пресс-службу вуза.

Одна из самых известных сцен «Терминатора-2» это та, где металлическая капля, двигаясь по асфальту как живая, подтекает к ногам робота-убийцы Т-1000 и сливается с ним. Ученые из Физического института имени Лебедева (ФИАН) увидели похожую картину в своей лаборатории и воссоздали способности робота из «Терминатора-2».

В их эксперименте капли жидкости самопроизвольно перетекали с места на место по поверхности с микроструктурами, «вырезанными» на них с помощью лазера. Такие поверхности могут использоваться в микрофлюидных биочипах и медицинских экспресс-тестах, которые легко умещаются в кармане. Статья о результатах эксперимента опубликована в журнале Applied Surface Science.

«Обычно капля, упавшая на ровную поверхность, остается на месте. Мы заставили ее двигаться — за счет градиента сил поверхностного натяжения. С помощью лазера мы создали на поверхности микроструктуры с нарастанием ее гидрофильности (смачиваемости), и капли двигаются по ним в сторону, где гидрофильность максимальна. Такой „горизонтальный насос“, например, позволит разделять жидкости с разным коэффициентом поверхностного натяжения, упростить биочипы и микрофлюидные устройства», — объясняет соавтор исследования Сергей Кудряшов, ведущий научный сотрудник и заведующий лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН.

Технология перекачки воды с помощью энергии поверхностного натяжения давно изобретена в живой природе. Техасская рогатая ящерица (Phrynosoma cornutum), живущая в пустынях Северной Америки, научилась собирать и перемещать воду, которая конденсируется по ночам на ее теле. Сеть открытых капиллярных каналов, образованных чешуйками, заставляет воду перетекать прямо к ее рту, и этот эффект описывали германские и австрийские ученые.

Чтобы воспроизвести его в лаборатории, Кудряшов и его коллеги попробовали создать на поверхности градиент поверхностной энергии (натяжения) — то есть сделать так, чтобы степень гидрофобности постепенно снижалась вдоль поверхности от точки к точке в заданном направлении. К сожалению, это нельзя сделать просто уменьшая толщину слоя гидрофобного покрытия на гидрофильном. Сила поверхностного натяжения очень короткодействующая, чтобы «выключить» гидрофильность металла, на него достаточно нанести слой пластика толщиной в одну-две молекулы

«Можно попробовать сделать это химическим способом, то есть создав участки с химически разным покрытием с разной гидрофобностью, но эта поверхность будет очень капризной, потому что любая пыль, любое органическое загрязнение сразу меняет показатель гидрофобности, и такую поверхность трудно отмыть, чтобы восстановить ее нужный уровень», — объясняет Кудряшов.

Поэтому ученые ФИАНа решили воспользоваться тем, что у капли жидкости довольно большая площадь и она «усредняет» показатель гидрофобности на участках с гидрофобным пластиком и с гидрофильным металлом, где пластик удален лазером. Иначе говоря, капля не сможет отличить поверхность с одним показателем гидрофобности в каждой точке от «шахматной доски» той же площади с разными показателями в каждой клеточке, если среднее значение будет одинаковым.

Для эксперимента ученые покрыли стальные пластины размером 5×5 см с миллиметровым гидрофобным полимерным покрытием на основе силоксана. Затем при помощи лазера наносекундными импульсами они прорезали слой покрытия до металла, создавая ряды канавок длиной 5 мм и шириной около 100 микрон.

Затем повторной обработкой лазером ученые модифицировали их, расширив их в разной степени. Так на стальной пластинке появились четыре участка с разными показателями гидрофобности — углом контакта смачивания, то есть углом между поверхностью и условно касательной к поверхности капли воды на ней. На гидрофобной поверхности капля воды растекается меньше, поэтому угол смачивания будет больше. На гидрофильной, наоборот, угол будет меньше, так как капля растекается больше. Угол смачивания на четырех участках варьировался от 46 до 13 градусов.

Движение капли воды в эксперименте — сразу после падения она перемещается вправо. Предоставлено: ФИАН

Затем ученые капали водой на разные участки и наблюдали за ее движением. Капля воды объемом пять микролитров в эксперименте самопроизвольно перемещалась от гидрофобных участков к гидрофильным. Быстрее всего капля двигалась между первым и вторым участками — в этом месте ее скорость достигала 92 мм в секунду.

Ученые отмечают, что такие микроструктурированные поверхности могут найти широкое применение в разработке микрофлюидных устройств — бурно развивающейся области, которая уже дала десятки компактных устройств для исследования химического состава воздуха и воды, диагностических медицинских тестов.

https://hightech.fm/2022/02/25/the-terminator

Российские и итальянские исследователи синтезировали комплексы химического элемента диспрозия, которые при облучении способны светиться. Также химики выяснили, что эти люминесцентные характеристики можно улучшить путём замены молекул обычной воды в их составе на молекулы «тяжёлой», а также замены атомов диспрозия на их люминесцирующий аналог. Исследование осуществлялось при поддержке Российского научного фонда (РНФ).

Фото: Дмитрий Христолюбов

Комплексы диспрозия, изученные учёными, имеют лиганд из класса гетероциклических дикетонов. Такой лиганд функционирует как своего рода антенна: поглощает внешнее излучение, передавая его на лантаноид. Последний же, в свою очередь, излучает собственный свет. Поэтому изученные комплексы диспрозия могут преобразовывать излучение в собственное, но с другой длиной волны.

Однако в этом процессе происходит частичное тушение люминесценции. Чтобы исправить этот недостаток, учёные при синтезе добавили в комплексы диспрозия гадолиний. Светиться этот элемент не способен. Также химики предположили, что если заменить обычную воду в составе диспрозия на «тяжёлую» (в которой место водорода занимает дейтерий), то свойства комплексов улучшатся .

И действительно — после замены люминесценция комплексов была вдвое ярче и затухала в три раза медленнее. У соединений, в которых часть диспрозия была заменена на гадолиний, скорость затухания также уменьшилась, однако эффективность свечения при этом снизилась.

«Предложенные нами подходы помогут при разработке новых источников белого света, в частности органических светоизлучающих светодиодов. В дальнейшем мы планируем провести подобные эксперименты и с другими лантаноидами», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Илья Тайдаков, доктор химических наук, руководитель группы «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» ФИАН.

https://21mm.ru/news/nauka/tyazhyelaya-voda-uluchshila-svetimost-khimicheskogo-kompleksa/

Российские ученые получили первые значимые результаты на пути создания квантового процессора на базе ионов. Это одно из направлений, которое курирует «Росатом» в рамках дорожной карты «Квантовые технологии».

«Примерно за полтора года интенсивной работы нам удалось собрать систему на ионах иттербия, продемонстрировать двухкубитные операции с достоверностью 66 % и показать полный набор кудитных операций с достоверностью порядка 85 %», — ​заявил директор Физического института Академии наук (ФИАН) Николай Колачевский на заседании научного совета РАН «Квантовые технологии» в декабре прошлого года. Разберемся, что сказал ученый.

Кубит, кудит

Кубит — ​это минимальная единица информации квантового процессора. Если бит (единица информации обычного компьютера) может принимать только два значения — ​0 или 1, то кубит может находиться еще и в суперпозиции: быть одновременно и в значении 0, и в значении 1.

Физически кубит — ​это система с двумя энергетическими уровнями, под одним из которых понимается логический 0, под другим — ​1. Создать такую систему можно на разных основах. В рамках дорожной карты «Квантовые технологии» разрабатывают кубиты на базе сверхпроводников, холодных атомов, фотонов и ионов. В совместной лаборатории ФИАНа и Российского квантового центра (РКЦ) экспериментируют с ионами иттербия, они считаются наиболее подходящими для создания квантового компьютера.

Кудит — ​это кубит с тремя и более энергетическими уровнями. Его можно представить как дом с несколькими этажами. «Переход с одного энергетического уровня на другой — ​это изменение состояния электронной оболочки иона. При этом изменяется волновая функция электронной оболочки иона», — ​комментирует научный сотрудник ФИАНа Илья Семериков.

Именно в операциях с кудитами и заключается главное достижение лаборатории. Ученые работали с двумя куквартами. Кукварт — ​это кудит, способный одновременно находиться в четырех электронных состояниях. В итоге был создан процессор, эквивалентный четырехкубитному квантовому компьютеру — ​системе из четырех ионов с двумя энергетическими состояниями в каждом.

Как это работает

Чтобы создать из атома иттербия ион, металл испаряют, из паров выбирают изотопы иттербий‑171 и воздействуют на них лазером, чтобы удалить с внешней орбитали один электрон. Ионы помещают в ионную ловушку — ​систему электродов, которая создает быстро колеблющееся электромагнитное поле. Вся система находится в вакууме.

Управляют ионами с помощью лазеров. Сначала лазерные импульсы охлаждают ионы практически до абсолютного нуля (–273,15 °C). Для выполнения квантовых алгоритмов используется другой лазер, с очень узким спектром — ​порядка 1 Гц. Ученые предельно точно контролируют, куда светит лазер, его частоту, интенсивность и фазу. Изменяя эти параметры, можно управлять квантовыми состояниями иона.

Каждый энергетический уровень кукварта можно представить как состояние пары кубитов: первый — ​00, второй — ​01, третий — ​10, четвертый — ​11. «Если взять пару ионов с энергетическими состояниями 1 и 4, то состояние эквивалентного квантового регистра из четырех кубитов будет 0011, а у пары с состояниями 2 и 3 состояние регистра будет 0110», — ​комментирует Илья Семериков. На этом компьютере уже можно реализовывать простейшие алгоритмы, в частности Дойча — ​Йожи и Гровера. Первый применяется для определения типа функции (константная или сбалансированная), второй — ​для быстрого поиска в неупорядоченной базе данных.

Есть проблемы

На заседании научного совета РАН Николай Колачевский обозначил важную проблему, которую предстоит решить, — ​перепутывание кубитов. Это процесс, в ходе которого состояние одного из ионов изменяется в зависимости от состояния другого. «Сам по себе факт, что мы можем загрузить 5, 10 или 20 ионов в ловушку, не значит, что мы сделали 5-, 10- или 20‑кубитный компьютер. Вопрос, можем ли мы делать с ними совместные операции», — ​сказал Николай Колачевский. Российским ученым удалось перепутать два кукварта по методу Мельмера — ​Серенсена, предложенному в начале 2000‑х. Он основан на возбуждении колебаний ионов в ловушке под действием лазера. Совместные колебания ионов в ловушке — ​это шина данных квантовой информации между частицами.

Еще одна проблема — ​индивидуальная адресация к каждому иону. Расстояние между ионами в ловушке — ​всего 4–5 мкм, поэтому сложно посветить лазером на один, не задев другой. Сотрудникам лаборатории это удалось с двумя и четырьмя ионами.

Третья проблема — ​создание облачной платформы и организация доступа с ее помощью к прототипу квантового процессора. Первые дистанционные эксперименты уже проводятся, но для полноценной интеграции требуется окончательное согласование интерфейсов. Работы запланированы на этот год, в них будут участвовать специалисты «Росатома» и РКЦ.

Четвертая проблема — ​повышение достоверности операций. Процент достоверности, или фиделити, — ​это показатель вероятности корректного вычисления. Он определяется после серии экспериментов. Данные обрабатываются, усредняются, и вычисляется достоверность. «Пока хвалиться особенно нечем, потому что все это уже сделано зарубежными коллегами, правда, на другой физической системе — ​на кальции, но довольно давно, — ​признал Николай Колачевский. — ​Впрочем, учитывая наши возможности и то, что это первый подход к снаряду, получен, на мой взгляд, обнадеживающий результат, который позволяет взяться за оптимизацию качества операций». Для сравнения, команды компаний IonQ и Quantinuum — ​лидеров в создании квантовых компьютеров на ионах — ​уже работают с 10- и 20‑ионными кубитами в каждом процессоре, и достоверность двухкубитных операций у них превысила 98 %.

«Платформа на ионах демонстрирует одни из самых интересных результатов, что особенно примечательно, так как пять лет назад ионы не считались приоритетным направлением развития. Для нас это первый значимый результат в работе над дорожной картой по квантовым вычислениям», — ​отмечает руководитель проектного офиса по квантовым технологиям «Росатома» Руслан Юнусов.

СПРАВКА

В 2021 году «Росатом» выделил на развитие квантовых технологий и создание исследовательской инфраструктуры более 6 млрд руб­лей. На эти деньги купили оборудование и другие компоненты для оснащения лабораторий. В общей сложности до 2024 года в направление будет вложено более 23 млрд руб­лей из бюджетных и внебюджетных источников. К концу 2024 года должен быть построен универсальный квантовый компьютер с облачным доступом.

https://strana-rosatom.ru/2022/02/25/sozdan-prototip-kvantovogo-kompjute/