Рубрика: Наука

Як правило, не рекомендується порівнювати яблука з апельсинами. Однак у галузі топології, розділу математики, це порівняння є необхідним. Виявилося, що яблука та апельсини топологічно однакові, оскільки вони обидва не мають отвору – на відміну від пончиків чи чашок для кави, наприклад, у яких є один (ручка у випадку чашки) і, отже, топологічно рівні.

Якщо говорити більш абстрактно, то квантові системи у фізиці також можуть мати певну топологію яблука або пончика, яка проявляється в енергетичних станах і русі частинок. Дослідники дуже зацікавлені в таких системах, оскільки їх топологія робить їх стійкими до безладу та інших заважаючих впливів, які завжди присутні в природних фізичних системах.

Речі стають особливо цікавими, якщо, крім того, частинки в такій системі взаємодіють, тобто вони притягують або відштовхують одна одну, як електрони у твердих тілах. Проте вивчення топології та взаємодій у твердих тілах надзвичайно складне. Групі дослідників з ETH на чолі з Тілманом Есслінгером вдалося виявити топологічні ефекти в штучному твердому тілі, в якому взаємодії можна вмикати або вимикати за допомогою магнітних полів. Їхні результати, щойно опубліковані в науковому журналі Science, можуть бути використані в квантових технологіях у майбутньому.

Транспорт за топологією

Zijie Zhu, аспірант лабораторії Есслінгера та перший автор дослідження, та його колеги побудували штучне тверде тіло з використанням надзвичайно холодних атомів (ферміонних атомів калію), які були захоплені в просторово періодичних ґратках за допомогою лазерних променів. Додаткові лазерні промені змушували енергетичні рівні сусідніх вузлів решітки періодично рухатися вгору та вниз, не синхронізуючи один з одним. Через деякий час дослідники виміряли положення атомів у решітці, спочатку без взаємодії між атомами. У цьому експерименті вони помітили, що топологія пончиків енергетичних станів призвела до того, що частинки переносилися одним вузлом решітки, завжди в одному напрямку, при кожному повторенні циклу.

«Це можна уявити як дію гвинта», — каже Конрад Вібан, старший постдок в команді Есслінгера. Рух загвинчування — це обертання за годинниковою стрілкою навколо своєї осі, але в результаті сам гвинт рухається вперед. З кожним обертом гвинт просувається на певну відстань, яка не залежить від швидкості обертання гвинта. Така поведінка, також відома як топологічне накачування, типова для певних топологічних систем.

Але що, якщо гвинт натрапить на перешкоду? В експерименті дослідників ETH такою перешкодою був додатковий лазерний промінь, який обмежував свободу руху атомів у поздовжньому напрямку. Приблизно після 100 обертів гвинта атоми як би врізалися в стіну. У аналогії, використаній вище, стіна представляє топологію яблука, в якій топологічне накачування не може мати місце.

Дивовижне повернення

Дивно, але атоми не просто зупинилися біля стіни, а раптово розвернулися. Таким чином, гвинт рухався назад, хоча він постійно повертався за годинниковою стрілкою. Есслінгер і його команда пояснюють це повернення двома пончиковими топологіями, які існують у решітці – одна з пончиком, що обертається за годинниковою стрілкою, а інша – у протилежному напрямку. На стінці атоми можуть змінювати одну топологію на іншу, таким чином змінюючи свій напрямок руху.

Тепер дослідники увімкнули відштовхувальну взаємодію між атомами і спостерігали, що відбувається. І знову їх чекав сюрприз: тепер атоми розвернулися біля невидимого бар’єру, навіть не досягнувши лазерної стіни. «Використовуючи модельні розрахунки, ми змогли показати, що невидимий бар’єр був створений самими атомами через їхнє взаємне відштовхування», — пояснює докторант Енн-Софі Волтер.

Qubit highway для квантових комп’ютерів

«Завдяки цим спостереженням ми зробили великий крок до кращого розуміння взаємодіючих топологічних систем», — каже Есслінгер, який вивчає такі ефекти в рамках передового гранту Швейцарського національного наукового фонду (SNF). Наступним кроком він хоче провести подальші експерименти, щоб дослідити, чи є топологічний гвинт таким надійним, як очікувалося, щодо безладу, і як атоми поводяться у двох або трьох просторових вимірах.

Есслінгер також має на увазі деякі практичні застосування. Наприклад, транспортування атомів або іонів за допомогою топологічному накачуванню можна використовувати як кубітну магістраль, щоб доставити кубіти (квантові біти) у квантових комп’ютерах у потрібні місця, не нагріваючи їх і не порушуючи їхні квантові стани.

Вчені виявили сліди 5-метрового хижого динозавра, поставивши під сумнів те, що раніше було відомо про діапазон розмірів виду. Сліди були знайдені в провінції Фуцзянь у південно-східному Китаї міжнародною командою дослідників за участю палеонтолога доктора Ентоні Роміліо з Лабораторії динозаврів Університету Квінсленда, який провів детальний аналіз.

«Коли люди думають про хижих динозаврів, вони, швидше за все, думають про тих із фільмів «Парк Юрського періоду» — м’язистих, агресивних мисливців зростом з людину», — сказав доктор Роміліо.

«Але ці сліди були залишені набагато стрункішою та розумнішою групою з сімейства велоцирапторів, відомої як Троодонтиди, яка з’явилася в кінці юрського періоду приблизно 95 мільйонів років тому. «Цей хижак мав довжину близько 5 метрів і довжину ніг 1,8 метра, що значно перевищувало розміри хижаків, зображених у «Парку Юрського періоду».

— Уявіть собі, що щось подібне насувається на вас на повній швидкості!

Сліди були виявлені у 2020 році дослідницькою групою під керівництвом доцента Ліди Сін з Китайського університету наук про Землю, яка вирішила дослідити відомі сліди динозаврів у провінції Фуцзянь. Було виявлено сліди багатьох динозаврів, у тому числі двопалі сліди, характерні для хижих динозаврів. Доктор Роміліо сказав, що ці сліди порівнювали з іншими відомими слідами двопалих динозаврів з усієї Азії, Північної та Південної Америки та Європи.

«Ми виявили, що цей тип гусениці відрізняється формою, що робить її унікальною», — сказав він.

«Концепція великих троодонтів лише нещодавно з’явилася в палеонтологічному співтоваристві. «Кістки, виявлені на Алясці, вказують на тенденцію до гігантизму поблизу стародавнього полярного кола, території з потенційно меншою конкуренцією видів через тривалі періоди зимової темряви.

«Але наші висновки свідчать про те, що ці хижі гіганти кочували набагато південніше і були більш розсіяні. «Цікаво, що деякі з нашої дослідницької групи також працювали над найменшими у світі слідами динозаврів — слідами хижаків у Південній Кореї, довжина яких становить лише один сантиметр.

«Це просто демонструє неймовірний діапазон розмірів хижих динозаврів, підкреслюючи їх здатність до адаптації та екологічне різноманіття».

Тип сліду було названо Fujianipu на честь провінції, де були знайдені сліди.

У всьому світі блискавка щороку є причиною понад 4000 смертей і завдає збитків на мільярди доларів; Сама Швейцарія щорічно витримує до 150 000 страйків. Розуміння того, як саме утворюється блискавка, є ключовим для зниження ризику, але оскільки явища блискавки відбуваються на часових шкалах до мілісекунди, отримати прямі вимірювання надзвичайно важко.

Тепер дослідники з Лабораторії електромагнітної сумісності під керівництвом Фархада Рачіді в Інженерній школі EPFL вперше безпосередньо виміряли невловиме явище, яке багато пояснює про народження блискавки : рентгенівське випромінювання.

У спільному дослідженні з Університетом прикладних наук Західної Швейцарії та Упсальським університетом у Швеції вони зафіксували удари блискавки у вежі Сентіс на північному сході Швейцарії, визначивши рентгенівські промені, пов’язані з початком позитивних спалахів, спрямованих угору. Ці спалахи починаються з негативно заряджених вусиків (лідерів), які ступінчасто піднімаються від об’єкта на великій висоті, перш ніж з’єднатися з грозовою хмарою, передаючи позитивний заряд землі.

«На рівні моря спалахи, спрямовані вгору, трапляються рідко, але можуть стати домінуючим типом на великих висотах. Вони також можуть завдати більшої шкоди, тому що під час спалаху, спрямованого вгору, блискавка залишається в контакті з конструкцією довше, ніж під час спалаху. спалах вниз, даючи йому більше часу для передачі електричного заряду», – пояснює Ph.D. Electromagnetic Compatibility Lab. кандидат Тома Орегель-Шомон.

Хоча рентгенівське випромінювання раніше спостерігалося від інших типів блискавок, це перший випадок, коли вони були зафіксовані від спрямованих угору позитивних спалахів. Орегель-Шомон, перший автор статті Scientific Reports, яка описує спостереження, каже, що вони дають цінну інформацію про те, як утворюються блискавки — і зокрема блискавки, спрямовані вгору.грати

«Фактичний механізм, за допомогою якого блискавка ініціює та поширюється, досі залишається загадкою. Спостереження блискавки, що йде вгору, від високих споруд, таких як вежа Säntis, дає змогу співвідносити рентгенівські вимірювання з іншими одночасно виміряними величинами, такими як високошвидкісні відеоспостереження та електричні течії».

Унікальна можливість спостереження

Можливо, не дивно, що нові спостереження були зроблені у Швейцарії, оскільки вежа Säntis пропонує унікальні та ідеальні умови вимірювання. 124-метрова вежа розташована на високій вершині Аппенцелльських Альп, що робить її основною ціллю для блискавки. Є чітка лінія видимості з сусідніх вершин, а величезний дослідницький центр оснащений високошвидкісними камерами, рентгенівськими детекторами, датчиками електричного поля та приладами для вимірювання струму.

Важливо те, що швидкість і чутливість цього обладнання дозволили команді побачити різницю між негативними лідерними кроками, які випромінювали рентгенівське випромінювання, і тими, які не випромінювали рентгенівське випромінювання, підтверджуючи теорію утворення блискавки, відому як модель холодного біжачого електрона. У двох словах, асоціація рентгенівського випромінювання з дуже швидкими змінами електричного поля підтвердила теорію про те, що раптове посилення електричного поля повітря змушує навколишні електрони «втікати» і перетворюватися на плазму: блискавку.

«Як фізику мені подобається розуміти теорію, що лежить в основі спостережень, але ця інформація також важлива для розуміння блискавки з інженерної точки зору: все більше і більше висотних споруд, таких як вітрові турбіни та літаки, будуються з композиту. Вони менш електропровідні, ніж метали, як-от алюміній, тому вони нагріваються сильніше, що робить їх уразливими до пошкодження блискавкою, що йде вгору», — говорить Орегель-Шомон.

Спостереження в Сентісі, який щороку отримує понад 100 ударів блискавки, тривають. Далі вчені планують додати до арсеналу обладнання вежі мікрохвильовий датчик; це може допомогти визначити, чи модель холодного випромінювання також застосовується до блискавки, що йде вниз, оскільки, на відміну від рентгенівських променів, мікрохвилі можна виміряти з хмар.

Вчені відкрили метод надзарядки «двигуна» сталого виробництва палива – трохи видозмінивши матеріали. Дослідники під керівництвом Кембриджського університету розробляють недорогі світлозбираючі напівпровідники, які живлять пристрої для перетворення води на чисте водневе паливо, використовуючи лише енергію сонця. Ці напівпровідникові матеріали, відомі як оксиди міді, є дешевими, поширеними та нетоксичними, але за своїми характеристиками не наближаються до кремнію, який домінує на ринку напівпровідників.

Однак дослідники виявили, що, вирощуючи кристали оксиду міді в певній орієнтації, щоб електричні заряди рухалися через кристали по діагоналі, заряди рухалися набагато швидше та далі, що значно покращувало продуктивність. Випробування фотокатода з оксиду міді, заснованого на цій техніці виготовлення, показали покращення на 70% порівняно з існуючими найсучаснішими фотокатодами з оксиду міді, а також показали значно покращену стабільність.

Дослідники кажуть, що їхні результати, опубліковані в журналі Nature, показують, як недорогі матеріали можуть бути налаштовані для переходу від викопного палива до чистого, стійкого палива, яке можна зберігати та використовувати в існуючій енергетичній інфраструктурі.

Проблеми та потенціал оксиду міді

Оксид міді (I) або оксид міді протягом багатьох років рекламувався як дешева потенційна заміна кремнію, оскільки він достатньо ефективний для захоплення сонячного світла та перетворення його в електричний заряд. Однак велика частина цього заряду має тенденцію втрачатися, обмежуючи продуктивність матеріалу.

«Як і інші оксидні напівпровідники, оксид міді має свої внутрішні проблеми», — сказав один із авторів, д-р Linfeng Pan з кафедри хімічної інженерії та біотехнології Кембриджа. «Однією з цих проблем є невідповідність між тим, наскільки глибоко поглинається світло, і як далеко заряди переміщуються всередині матеріалу, тому більша частина оксиду під верхнім шаром матеріалу є фактично мертвим простором».

«Для більшості матеріалів для сонячних елементів саме дефекти на поверхні матеріалу спричиняють зниження продуктивності, але з цими оксидними матеріалами все навпаки: поверхня в основному хороша, але дещо в об’ємі призводить до втрат», сказав професор Сем Стренкс, який керував дослідженням. «Це означає, що спосіб вирощування кристалів є життєво важливим для їх продуктивності».

Щоб розробити оксиди міді до такої міри, щоб вони могли стати надійною конкуренцією з відомими фотоелектричними матеріалами, їх потрібно оптимізувати, щоб вони могли ефективно генерувати та переміщувати електричні заряди – що складаються з електрона та позитивно зарядженої електронної «дірки» – під сонячним світлом. б’є їх.

Вплив і майбутні напрямки

Одним з потенційних підходів до оптимізації є монокристалічні тонкі плівки – дуже тонкі шматочки матеріалу з високовпорядкованою кристалічною структурою, які часто використовуються в електроніці. Однак створення цих фільмів зазвичай є складним і тривалим процесом.

Використовуючи методи осадження тонких плівок, дослідники змогли виростити високоякісні плівки оксиду міді за тиску навколишнього середовища та кімнатної температури. Завдяки точному контролю росту та швидкості потоку в камері вони змогли «зрушити» кристали в певну орієнтацію. Потім, використовуючи спектроскопічні методи високої тимчасової роздільної здатності, вони змогли спостерігати, як орієнтація кристалів впливає на те, наскільки ефективно електричні заряди рухаються крізь матеріал.

«Ці кристали в основному є кубами, і ми виявили, що коли електрони рухаються крізь куб по діагоналі тіла, а не вздовж грані або краю куба, вони рухаються на порядок далі», — сказав Пан. «Чим далі рухаються електрони, тим краща продуктивність».

«Щось у цьому діагональному напрямку в цих матеріалах є магією», — сказав Стренкс. «Нам потрібно провести подальшу роботу, щоб повністю зрозуміти, чому, і оптимізувати її далі, але наразі це призвело до величезного стрибка продуктивності». Випробування фотокатода з оксиду міді, виготовленого за цією технологією, показали підвищення ефективності більш ніж на 70% порівняно з існуючими сучасними фотокатодами з електроосадженого оксиду.

«На додаток до покращеної продуктивності, ми виявили, що орієнтація робить плівки набагато стабільнішими, але можуть впливати фактори, окрім об’ємних властивостей», — сказав Пан.

Дослідники кажуть, що все ще потрібні ще багато досліджень і розробок, але це та споріднені сімейства матеріалів можуть зіграти життєво важливу роль у переході енергії.

«Попереду ще довгий шлях, але ми на захоплюючій траєкторії», — сказав Стренкс. «З цих матеріалів можна отримати багато цікавих наукових досліджень, і мені цікаво пов’язати фізику цих матеріалів з їхнім ростом, тим, як вони формуються, і, зрештою, як вони працюють».

Наслідки діяльності людини, такі як викиди парникових газів і вирубка лісів на поверхні Землі, добре задокументовані. Нещодавно дослідники-гідрологи з Університету Арізони досліджували вплив людини на глибокі глибини Землі, які простягаються від сотень метрів до кількох кілометрів під поверхнею.

«Ми подивилися, як швидкість видобутку рідини з нафти й газу порівнюється з природною фоновою циркуляцією води, і показали, як люди зробили великий вплив на циркуляцію рідин у надрах», — сказала Дженніфер Макінтош, професор Департаменту університету Аризони. гідрології та атмосферних наук і старший автор статті в журналі Earth’s Future, де детально описуються результати.

«Глибокі надра знаходяться поза полем зору та поза увагою більшості людей, і ми подумали, що важливо надати певний контекст цій запропонованій діяльності, особливо коли йдеться про наш вплив на навколишнє середовище», — сказав провідний автор дослідження Грант Фергюсон, ад’юнкт. професор Департаменту гідрології та атмосферних наук Університету Аризони та професор Школи навколишнього середовища та сталого розвитку Саскачеванського університету.

Прогнози майбутнього та спільні дослідження

Згідно з дослідженням, у майбутньому ці спричинені людиною потоки рідини збільшаться завдяки стратегіям, які пропонуються як рішення для боротьби зі зміною клімату. Такі стратегії включають: геологічне поглинання вуглецю, яке полягає у захопленні та зберіганні атмосферного вуглекислого газу в підземних пористих породах; виробництво геотермальної енергії, яке передбачає циркуляцію води через гарячі породи для виробництва електроенергії; і видобуток літію з підземного розсолу, багатого мінералами, для живлення електромобілів. Дослідження проводилося у співпраці з дослідниками з Університету Саскачевану в Канаді, Гарвардського університету, Північно-Західного університету, Корейського інституту наук про Землю та мінеральних ресурсів та Університету Ліннея у Швеції.

«Відповідальне управління надрами має центральне значення для будь-якої надії на зелений перехід, стійке майбутнє та утримання потепління нижче кількох градусів», — сказав Пітер Рейнерс, професор Департаменту геонаук Університету Аризони та співавтор дослідження.

Діяльність людини та кругообіг підземних вод

При видобутку нафти та природного газу завжди є певна кількість води, як правило, солоної, яка надходить із глибини землі, сказав Макінтош. Підземним водам часто мільйони років, і вони набувають солоності або через випаровування стародавньої морської води, або через реакцію з гірськими породами та мінералами. Для більш ефективного видобутку нафти до солоної води додається більше води з приповерхневих джерел, щоб компенсувати кількість видаленої нафти та підтримувати тиск у пласті. Змішана солона вода потім знову закачується в підповерхню. Це стає циклом видобутку рідини та її повторного закачування в глибину землі.

Той самий процес відбувається при видобутку літію, виробництві геотермальної енергії та геологічному поглинанні вуглецю, операції з яких включають залишки солоної води з підземелля, яка повторно закачується.

«Ми показуємо, що швидкість нагнітання рідини або швидкість поповнення внаслідок цієї нафтогазової діяльності є більшою, ніж те, що відбувається в природі», — сказав Макінтош.

Використовуючи наявні дані з різних джерел, включаючи вимірювання рухів рідин, пов’язаних з видобутком нафти та газу та закачуванням води для геотермальної енергії, команда виявила, що поточні швидкості руху рідин, спричинені діяльністю людини, вищі порівняно з тим, як рідини рухалися до втручання людини.

Оскільки людська діяльність, наприклад уловлювання та секвестрація вуглецю та видобуток літію, зростає, дослідники також передбачили, як ці дії можуть бути записані в геологічних літописах, які є історією Землі, записаною в породах, що складають її кору.

Вплив на життя мікробів і потреби майбутніх досліджень

За словами Макінтоша, діяльність людини потенційно може змінити не тільки глибинні підповерхневі рідини, але й мікроби, які там живуть. Коли рідини рухаються навколо, мікробне середовище може бути змінено змінами в хімічному складі води або перенесенням нових мікробних спільнот з поверхні Землі до підземних.

Наприклад, за допомогою гідравлічного розриву пласта, техніки, яка використовується для руйнування підземних порід рідинами під тиском для видобутку нафти та газу, глибока гірська формація, яка раніше не мала жодної помітної кількості мікробів, може мати раптовий розквіт мікробної активності.

Залишається багато невідомого про глибокі надра Землі та те, як на них впливає діяльність людини, і важливо продовжувати працювати над цими питаннями, сказав Макінтош.

«Нам потрібно використовувати глибокі надра як частину вирішення кліматичної кризи», — сказав Макінтош. «Проте ми знаємо більше про поверхню Марса, ніж про воду, каміння та життя глибоко під нашими ногами».

Вчені з Китаю та США дійшли висновку, що глобальне потепління знижує рівень пилу у повітрі багатьох регіонів планети. Цей пил досягає північних широт із тропічних пустель. Пил дуже впливає на якість повітря. Причому вона може генеруватися не лише місцевим ґрунтом чи викидами, а й навіть «прилітати» з далеких спекотних країн. Наприклад, щорічно до Центральної Європи потрапляє приблизно 60 тонн піску із Сахари. Днями середземноморський циклон північ від Африки підняв піщану бурю. З південно-західними потоками цей пил поширився на південний схід Європи.

Попередні дослідження, втім, показали, що рівень запиленості повітря в окремих регіонах планети знижується, наприклад, в Індії та на більшій частині Близького Сходу. Причина цього залишалася незрозумілою. Пролити світло це питання спробували вчені з університетів Гонконзького баптистського (Китай), Техаського, Каліфорнійського технологічного інституту (США) та інших наукових організацій. Їхні висновки представлені в журналі PNAS.

Аналізуючи супутникові знімки за останні десятки років, дослідники дійшли висновку, що кількість мікрочастинок пилу над Індією, Пакистаном та іншими азіатськими країнами за період спостережень істотно знизилася. За допомогою кліматичних моделей вчені встановили і причину цієї події: різке потепління Арктики, що випереджає темпи потепління в інших частинах планети. За рахунок цього різниця температур між високими та низькими широтами помітно скоротилася. А це порушило стандартні вітри, що дмуть у пустельних регіонах Східної Африки та Західної Азії. Швидкість вітру в країнах Аравійського півострова істотно зменшилася, що знизило об’єм мікрочастинок піску, що піднімаються вітром.

Крім того, автори роботи зазначили, що зволоженість ґрунту та площа листя у Західній Азії теж суттєво зросла — від Аравійського півострова до Індії. Це зробило ґрунти там твердішими, що також знизило обсяг пилу в атмосфері. Зростання зволоження ґрунтів та площі листя в регіонах дослідники пов’язують з антропогенними викидами вуглекислого газу (Naked Science неодноразово писав про цей процес, відомий як глобальне озеленення).

У новій роботі висунуто припущення, що у разі успіху у боротьбі з антропогенними викидами СО2 рівень пилу в атмосфері вивчених регіонів знову підвищиться, а це завдасть суттєвої шкоди здоров’ю місцевого населення.

Виходить, уповільнення глобального потепління — палиця з двома кінцями, тому що воно викличе збільшення кількості пилу в повітрі. Це не означає, що потрібно продовжувати забруднювати атмосферу, але в такому разі, на думку вчених, потрібно боротися з опустелюванням, займатися відновленням лісів та контролювати іригацію.