Візуалізація другого звуку в Массачусетському технологічному інституті відкриває нові шляхи для розуміння хвилеподібної поведінки тепла в надплинних рідинах і її наслідків для різних станів матерії, розширюючи розуміння вченими теплового потоку в надпровідниках і нейтронних зірках.

У більшості матеріалів тепло воліє розсіюватися. Якщо гарячу точку залишити в спокої, вона поступово згасне, нагріваючись навколо. Але в рідкісних станах матерії тепло може поводитися як хвиля, рухаючись туди-сюди, схоже на звукову хвилю, яка відбивається від одного кінця кімнати до іншого. Насправді це хвилеподібне тепло фізики називають «другим звуком».

Ознаки другого звуку спостерігалися лише в кількох матеріалах. Тепер фізики Массачусетського технологічного інституту вперше зробили прямі зображення другого звуку.

Нові зображення показують, як тепло може рухатися, як хвиля, і «шльопати» туди-сюди, навіть якщо фізична матерія матеріалу може рухатися зовсім іншим шляхом. Зображення фіксують чистий рух тепла, незалежно від частинок матеріалу.

«Це схоже на те, якби у вас був резервуар з водою, а одна половина майже закипіла», — пропонує аналогію доцент Річард Флетчер. «Якщо потім спостерігати, сама вода може виглядати абсолютно спокійною, але раптом інша сторона стає гарячою, а потім інша сторона стає гарячою, і тепло йде туди-сюди, тоді як вода виглядає абсолютно нерухомою».

На чолі з Мартіном Цвірлейном, професором фізики Томаса А. Франка, команда візуалізувала другий звук у надтекучій речовині — особливому стані матерії, який створюється, коли хмара атомів охолоджується до надзвичайно низьких температур, після чого атоми починають текти. як рідина без тертя. У цьому надтекучому стані теоретики передбачили, що тепло також має текти як хвиля, хоча вчені не могли безпосередньо спостерігати це явище досі.

Нові результати, нещодавно опубліковані в журналі Science, допоможуть фізикам отримати повніше уявлення про те, як тепло рухається через надплинні рідини та інші споріднені матеріали, включаючи надпровідники та нейтронні зірки.

«Існує сильний зв’язок між нашим газом, який у мільйон разів тонший за повітря, і поведінкою електронів у високотемпературних надпровідниках і навіть нейтронів у надщільних нейтронних зірках», — каже Цвірлейн. «Тепер ми можемо споконвічно перевірити реакцію нашої системи на температуру, яка вчить нас речам, які дуже важко зрозуміти або навіть досягти».

Співавторами Цвірляйна та Флетчера в дослідженні є перший автор і колишній аспірант фізики Женьцзе Янь і колишні аспіранти фізики Парт Патель і Бісваруп Мукерджі, а також Кріс Вейл з Технологічного університету Свінберна в Мельбурні, Австралія. Дослідники Массачусетського технологічного інституту є частиною Центру ультрахолодних атомів Массачусетського технологічного інституту та Гарварду (CUA).

Супер звук

Коли хмари атомів знижуються до температур, близьких до абсолютного нуля , вони можуть переходити в рідкісні стани речовини. Група Цвірлейна в Массачусетському технологічному інституті досліджує екзотичні явища, які виникають серед ультрахолодних атомів, зокрема ферміонів — частинок, таких як електрони, які зазвичай уникають один одного.

Однак за певних умов ферміони можуть сильно взаємодіяти та об’єднуватися в пари. У цьому пов’язаному стані ферміони можуть текти нетрадиційними шляхами. Для своїх останніх експериментів команда використовує ферміонні атоми літію-6, які захоплені та охолоджені до температур нанокельвінів.

У 1938 році фізик Ласло Тіса запропонував дворідинну модель надтекучості — що надплинна рідина насправді є сумішшю деякої нормальної в’язкої рідини та надплинної рідини без тертя. Ця суміш двох рідин повинна дозволяти два типи звуку, звичайні хвилі щільності та особливі температурні хвилі, які фізик Лев Ландау пізніше назвав «другим звуком».  

Оскільки рідина переходить у надтекучу при певній критичній ультрахолодній температурі, команда Массачусетського технологічного інституту прийшла до висновку, що два типи рідини також мають по-різному транспортувати тепло: у звичайних рідинах тепло має розсіюватися, як зазвичай, тоді як у надплинній рідині воно може рухатися як хвиля, подібно до звуку.

«Другий звук є відмітною ознакою надтекучості, але в ультрахолодних газах поки що ви могли побачити його лише в цьому слабкому відображенні брижів щільності, які супроводжуються цим», — каже Цвірляйн. «Характер хвилі тепла раніше не вдалося довести».

Налаштування

Цвірляйн і його команда намагалися виділити та спостерігати другий звук, хвилеподібний рух тепла, незалежно від фізичного руху ферміонів у їхній надплинній рідині. Вони зробили це, розробивши новий метод термографії — техніку теплового картографування. У звичайних матеріалах можна використовувати інфрачервоні датчики для зображення джерел тепла.

Але при ультранизких температурах гази не випромінюють інфрачервоне випромінювання. Натомість команда розробила метод використання радіочастот, щоб «побачити», як тепло рухається через надплинну рідину. Вони виявили, що ферміони літію-6 резонують на різних радіочастотах залежно від їх температури: коли хмара перебуває при більш високих температурах і несе більше звичайної рідини, вона резонує на вищій частоті. Холодніші області в хмарі резонують на нижчій частоті.

Дослідники застосували вищу резонансну радіочастоту, яка спонукала будь-які нормальні, «гарячі» ферміони в рідині дзвонити у відповідь. Потім дослідники змогли зосередитися на резонуючих ферміонах і відслідковувати їх з плином часу, щоб створити «фільми», які розкривають чистий рух тепла — плескання вперед і назад, подібне до звукових хвиль.

«Вперше ми можемо сфотографувати цю речовину, коли ми охолоджуємо її через критичну температуру надтекучості, і безпосередньо побачити, як вона переходить від нормальної рідини, де тепло врівноважується нудно, до надтекучого, де тепло хлюпає туди-сюди», — каже Цвірляйн.

Експерименти знаменують собою перший випадок, коли вченим вдалося безпосередньо відобразити другий звук і чистий рух тепла в надплинному квантовому газі. Дослідники планують розширити свою роботу, щоб більш точно скласти карту поведінки тепла в інших ультрахолодних газах. Потім вони кажуть, що їх відкриття можна розширити, щоб передбачити, як тепло тече в інших сильно взаємодіючих матеріалах, таких як високотемпературні надпровідники та нейтронні зірки.

«Тепер ми зможемо точно виміряти теплопровідність у цих системах і сподіваємося зрозуміти та спроектувати кращі системи», — підсумовує Цвірляйн.

Серед схованки блискучих золотих скарбів піренейської бронзової доби пара пошкоджених корозією предметів може бути найціннішою з усіх. Тупий браслет і іржава порожниста півсфера, прикрашена золотом, виявили дослідники, викувані не з підземного металу, а із заліза метеоритів, які впали з неба.

Відкриття, очолюване керівником відділу збереження Національного археологічного музею Іспанії Сальвадором Ровірою-Льоренсом, який нині вийшов на пенсію, свідчить про те, що технологія та методи обробки металу були набагато досконалішими, ніж ми думали, в Іберії більше 3000 років тому.

Скарб Віллени, як відомо, схованку з 66 предметів переважно золота, було виявлено понад 60 років тому, у 1963 році на території нинішнього Аліканте в Іспанії, і з того часу його вважають одним із найважливіших прикладів бронзового віку. золотарство на Піренейському півострові та в усій Європі.

Проте визначити вік колекції було дещо складно завдяки двом об’єктам: маленькій порожнистій напівкулі, яка, як вважають, є частиною скіпетра чи руків’я меча; і єдиний браслет, схожий на торк. Обидва мають те, що археологи описали як «залізистий» вигляд, тобто вони ніби зроблені із заліза.

На Піренейському півострові залізний вік, коли виплавлене земне залізо почало замінювати бронзу, розпочався лише приблизно у 850 р. до н. Проблема полягає в тому, що золоті матеріали були датовані між 1500 і 1200 роками до нашої ери. Тож виявити, де знаходяться залізисті артефакти в контексті скарбів Віллени, було чимось на зразок головоломки.

Але залізна руда із земної кори — не єдине джерело ковкого чавуну. По всьому світу є багато залізних артефактів дозалізного віку, які були викувані з метеоритних матеріалів. Мабуть, найвідомішим є метеоритний залізний кинджал фараона Тутанхамона, але є й інша зброя бронзового віку, виготовлена ​​з цього матеріалу, і вона дуже високо цінувалася.

Є спосіб визначити різницю: залізо з метеоритів має набагато більший вміст нікелю, ніж залізо, викопане з землі. Тож дослідники отримали дозвіл від Муніципального археологічного музею Віллени, де зберігається колекція, ретельно перевірити два артефакти та визначити, скільки нікелю вони містять.

Вони ретельно взяли зразки обох артефактів і піддали матеріал мас-спектрометрії, щоб визначити їх склад. Незважаючи на високий ступінь корозії, яка змінює елементний склад артефакту, результати переконливо свідчать про те, що і півсфера, і браслет були зроблені з метеоритного заліза.

Це акуратно вирішує дилему щодо того, як ці два артефакти узгоджуються з рештою колекції: вони були зроблені приблизно в той самий період, датований приблизно 1400-1200 роками до нашої ери.

«Наявні дані свідчать про те, що шапка та браслет зі скарбів Віллени наразі є першими двома предметами, які можна віднести до метеоритного заліза на Піренейському півострові, — пишуть дослідники у своїй статті, — що сумісно з пізньою бронзовою хронологією, до початку широкого виробництва земного заліза».

Тепер, оскільки об’єкти дуже пошкоджені корозією, результати не є переконливими. Але є новіші, неінвазивні методи, які можна застосувати до об’єктів для отримання більш детального набору даних, які допоможуть закріпити висновки, каже команда.

Дослідницький відділ фотовольтаїки Корейського інституту енергетичних досліджень у співпраці з KIER Energy AI and Computational Science Lab досяг прогресу в підвищенні довговічності та продуктивності напівпрозорих перовскітних сонячних батарей. Ці елементи є перспективними для застосування у будівництві вікон і в розробці тандемних сонячних елементів.

Напівпрозорі сонячні батареї досягли рекордного ККД 21,68%, що робить їх найефективнішими серед перовскітних сонячних елементів з прозорими електродами у світі. Крім того, вони продемонстрували надзвичайну довговічність: понад 99% початкової ефективності зберігалося після 240 годин роботи.

Прагнення до вуглецевої нейтральності та сонячних інновацій

Щоб досягти вуглецевої нейтральності до 2050 року, ключовим моментом є досягнення «надвисокої ефективності» та «диверсифікації областей застосування» технології сонячних елементів наступного покоління, подолання обмежень у місцях встановлення та площі національної території. Це вимагає ефективних і багатофункціональних технологій, таких як тандемні сонячні батареї та сонячні батареї для вікон. В обох технологіях потрібні високоефективні та стабільні напівпрозорі перовскітові сонячні елементи.

Для виготовлення напівпрозорих перовскітних сонячних елементів необхідно замінити металеві електроди звичайних непрозорих сонячних елементів на прозорі електроди, які пропускають світло. Під час цього процесу генеруються частинки високої енергії, що призводить до погіршення продуктивності шару транспортування дірок.

Щоб запобігти цьому, прийнято наносити шар оксиду металу, який діє як буфер між шаром транспортування дірок і шаром прозорого електрода. Однак порівняно з непрозорими сонячними елементами, виробленими за тих самих умов, властивості перенесення заряду та стабільність напівпрозорих пристроїв знижуються, а точні причини та рішення не з’ясовані.

Прорив у розумінні та покращенні стабільності сонячних елементів

Дослідники використовували електрооптичний аналіз і обчислювальну науку на атомному рівні, щоб визначити причини зниження властивостей транспортування заряду та стабільності, які виникають під час виготовлення напівпрозорих перовскітних сонячних елементів. Завдяки цьому вони виявили, що іони літію (Li), додані для підвищення електропровідності шару транспортування дірок, дифундують у шар оксиду металу, який служить буфером, в кінцевому підсумку змінюючи електронну структуру буферного шару оксиду металу на деградацію. його характеристики.

Крім того, крім виявлення причини, дослідники вирішили проблему, оптимізувавши час окислення діркового транспортного шару. Вони виявили, що перетворення іонів літію на стабільний оксид літію (LixOy) за допомогою оптимізованого окислення пом’якшує дифузію іонів літію, тим самим підвищуючи стабільність пристрою. Це відкриття показує, що оксид літію, який раніше вважався простим побічним продуктом реакції, може відігравати вирішальну роль у підвищенні ефективності та стабільності.

Результатом розробленого процесу стали перовскітові сонячні елементи з вражаючою ефективністю 21,68%, найвищою серед усіх перовскітових сонячних елементів з прозорим електродом. Крім того, це дослідження продемонструвало вражаюче збереження понад 99% його початкової ефективності протягом 400 годин у темному зберіганні та протягом понад 240 годин в умовах постійного освітлення, демонструючи його видатну ефективність і стабільність.

Впровадження у двосторонніх тандемних сонячних елементах

Дослідницька група пішла далі й застосувала розроблені сонячні батареї як верхню комірку тандемних сонячних елементів, створивши перші в країні двосторонні тандемні сонячні батареї, які використовують світло, відбите від задньої поверхні, а також те, що падає від передньої поверхні. У співпраці з Jusung Engineering Co., Ltd. і Німецьким дослідницьким центром Jülich двосторонні тандемні сонячні батареї досягли високої двосторонньої еквівалентної ефективності 31,5% для конфігурацій з чотирма полюсами та 26,4% для конфігурацій з двома полюсами за умов, коли відбите світло від позаду було 20% стандартного сонячного світла.

Доктор Ан Седжін з Дослідницького відділу фотовольтаїки, керівник дослідження, заявив: «Це дослідження є значним прогресом у цій галузі, вивчаючи процес деградації, що відбувається на межі розділу органічної сполуки та буферного шару оксиду металу, який унікальний для перовскітові сонячні батареї», і додав: «Наше рішення легко реалізувати, демонструючи великий потенціал для майбутнього використання розроблених нами технологій».

Згідно з останніми дослідженнями, один із значущих індикаторів розумових здібностей — це здатність особи вести бесіди з собою. За інформацією Business Insider, такі самопереговори сприяють кращій організації та структуруванню думок, що позитивно впливає на інтелектуальний розвиток.

Інший ключовий аспект — це вміння насолоджуватися самотністю та знаходити в ній щастя. Цей аспект розширює перший, підкреслюючи, що комфорт у самоті може бути свідченням здібності до глибоких рефлексій та самоконтролю.

Крім того, розвинене почуття гумору вказує на глибокий інтелект. Такий гумор відрізняється витонченістю та оригінальністю, викликаючи не лише сміх, а й замисленість.

Любов до навчання, небоязнь невідомого та неприпинна цікавість також є важливими ознаками високого інтелекту, адже вони стимулюють продовження освітнього процесу та інтелектуального розвитку.

Додаткові ознаки інтелектуальної обдарованості включають зосередженість на меті без зайвих відволікань, звичку до пізнього сну, швидкість адаптації до нових обставин, бажання дізнаватися нове, самокритичність, емпатію, здатність розбиратися в очевидних для інших зв’язках, а також роздуми про велике та вічне. Джерело