Раскрыта тайна шаровой молнии

Ученые сумели остановить поток света (Известия науки)
Группе физиков из Гарвардского университета удалось полностью остановить на долю секунды, а затем позволить продолжиться распространению
светового пучка. Как сообщает журнал Nature, ученым из лаборатории квантовой оптики удалось остановить лучевой импульс без лишения его энергетической составляющей.
Скорость света составляет 299 тыс. км/с, однако она замедляется в случае, если свет проходит через некоторые материалы – например, через стекло. Группа ученых направила лучевой поток – сигнальный импульс – через герметичный стеклянный цилиндр, содержащий нагретый газ, содержащий атомы рубидия. Цилиндр при
этом освещался сильным лучом света – так называемым управляющим лучом.
В то время когда импульс света двигался сквозь поле рубидиевого газа, исследователи отключили управляющий луч, оставив, таким образом, голографический
след сигнального импульса на атомах рубидия. Затем единый контрольный луч был Рис.1. a – задействованные энергетические уровни атома рубидия (два уровня
снова запущен для того, чтобы воссоздать сигнальный импульс, который затем про- сверхтонкого расщепления и возбужденный уровень), синим обозначены распространяющиеся в двух направлениях управляющие лазерные лучи, красным – сигдолжил движение.
нальный импульс; b – схематическое изображение пространственной модуляции
В ходе предыдущего эксперимента исследователи запустили один контроли- поглощения в среде (черным) и распределения электрического поля сигнального
руемый поток частиц, чтобы воссоздать сигнальный импульс, который затем про- импульса (красным) в присутствии стоячей волны, образованной двумя распрострадолжил движение. Однако в ходе последнего эксперимента исследователи привели няющимися в противоположном направлении лазерными лучами (синим показано
в действие сразу два контролируемых потока частиц, которые создали модель ин- положение чисто спинового возбуждения среды в отсутствии управляющих лазерных
полей).
терференции – подобие пространства, заполненного зеркалами.
В то время, когда регенерированный сигнальный импульс вновь продолжил движение внутри стеклянного цилиндра, фотоны замедлили передачу
энергии атомам вещества, однако сигнальный импульс остался неподвижным. Ученым удалось полностью остановить движение фотонов на 10-20 микро-
Рис.2. Схема эксперимента. Распространяющиеся в противоположных направлениях управляющие лазерные лучи создаются за счет разделения луча титансапфирового лазера; кювета с парами рубидия заэкранирована, чтобы избежать
вдействия посторонних магнитных полей.
Рис.3. Вверху – сигнал на выходе из кюветы
с рубидием; внизу – изменение интенсивностей распространяющихся "вперед " (FD) и
"назад"(BD) управляющих лазерных лучей
(синей стрелкой показан момент "включения" этих двух лучей, зеленой – момент
выключения одного из лучей). Левый пик на
верхнем графике обусловлен частью сигнального импульса , которая покинула кювету до преобразования импульса в спиновое
возбуждение ("остановки"), кривая i соответствует случаю, когда у включается только один управляющий лазерный луч. Кривые ii и iii – сигналы на выходе из кюветы в
направлении "вперед" и "назад", соответственно.
секунд. В исследовании принимали участие Михаил Лукин, Михал Байши и Александр Зибров из физического факультета Гарвардского университета.
Михал Байши заявил, что достижение ученых может быть применено в разрабатываемых сверхмощных квантовых компьютерах. "В (квантовых компьютерах) вы сможете передавать информацию от фотона к фотону. И чтобы добиться этого, вам необходимо заставить фотоны передавать энергию друг
другу", сказал физик.
Профессор Зухаил Зубайри, физик из техасского университета A&M уверен, что достижение команды ученых из Гарвардского университета является
значительным шагом на пути создания квантовых компьютеров и квантовой криптографии. При передаче данных при помощи квантовой криптографии будет невозможно, даже теоретически, получить доступ к конфиденциальной информации.
Раскрыта тайна шаровой молнии (Татьяна Александрова, РТР)
Шаровая молния – одно из самых таинственных и малоизученных физических явлений. Двое российских
ученых из Петербургского института ядерной физики утверждают, что им удалось разгадать природу шаровой
молнии и получить ее в лабораторных условиях.
Что такое шаровая молния? Ответ на этот вопрос не дает покоя науке. Есть 300 гипотез и одна сенсация.
Мыльный пузырь – самая простая модель самого загадочного явления природы. Такого же безобидного и непрочного, как детская забава. Во всяком случае, так утверждают ученые, которым удалось не только ответить на вопрос, что же такое шаровая молния, но и создать ее.
Стены Петербургского института ядерной физики не сотрясаются от грома и молний как в фильме "Чародеи".
Непрерывный процесс производства огненных шариков идет незаметно. Это хобби двух ученых. Они построили
схему для получения электрического разряда. Примитивность конструкции разочаровывает – равно как и первая
шаровая молния.
Явление длится меньше секунды. Для глаза – это просто вспышка. Увидеть шарик можно только при замедленном повторе. Шесть кадров: подали
разряд, затем – плазменная струя и отделившийся от него круглый объект – все. "Это нормальная шаровая молния, короткоживущая, – объясняет мастер
литейного, термического и гальванического участков Петербургского института ядерной физики Геннадий Шабанов. – Мы пытаемся "конкурировать" с Зевсом. А у Зевса – там больше заряда, на облаке – десятки миллионов киловольт. А у нас – пять".
Ни один ученый до сих пор не видел настоящей шаровой молнии. И все представления о ней – только по свидетельствам очевидцев. Со слов выяснили, что появляется она только во влажном воздухе. Ее диаметр – 13 сантиметров. Летит, куда вздумается и исчезает бесследно. Известно, что в начале
образуется струя плазмы, а потом от нее отделяется светящийся шар – плазмоид. Как в мыльном пузыре, где за счет молекул воды создается поверхностное натяжение, у молнии есть заряженная оболочка. А вот, из чего она состоит, спорят даже наши герои.
Ведущий научный сотрудник, заведующий группой физики изотопов Петербургского института ядерной физики, Антон Егоров убежден, что "это клубок
ионов". В свою очередь Геннадий Шабанов считает, что "это оболочка из электронов".
Изучив лабораторную копию, ученые сделали вывод, что шарик не опасен. Опасна плазменная струя. А летучая сфера может, разве что, растворить
на пальце обручальное кольцо – молекулы молнии вступят во взаимодействие с молекулами золота. Температура шарика – не больше 60 градусов по
Цельсию. Впрочем, проверить это на себе желающих не нашлось. "Никто не рискнул сунуть палец, хотя я многим предлагал", – смеется Антон Егоров.
Авторы новой сенсации не сомневаются в том, что создали точный аналог природного явления, и рассчитывают на международное признание.
Изучение структуры протона привело к неожиданным результатам (Известия науки)
Структура протона оказалась в центре пристального внимания сотрудников Лаборатории Джефферсона американского Департамента энергетики. Серия экспериментов по выяснению строения этой элементарной частицы привела к неожиданным результатам. Оказывается, протон может иметь отнюдь не простую шарообразную форму, как это привыкли себе представлять физики. Основанием для такого
вывода стали измерения распределения электрического заряда и намагничивания в протонах.
Основная цель ядерной физики заключается в изучении структуры и поведения вещества, участвующего в сильных взаимодействиях, а именно составляющих его частиц (кварков и глюонов). Важным шагом к этой цели является расшифровка внутренней структуры протонов и нейтронов. Это одна из основных задач, для решения которых и была построена лаборатория Джефферсона.
Протон состоит из трех заряженных кварков и соединяющего их глюона. Кварки движутся, поэтому заряд протона распределяется по его объему.
Движение заряженных кварков приводит к возникновению электрического тока, который, в свою очередь, создает магнитное поле. Помимо этого и кварки и
глюоны имеют спины, что приводит к возникновению магнитного момента. Сочетание общего магнитного поля и магнитного момента называется намагничиванием. Лаборатория Джефферсона занимается измерением электрического заряда и распределения намагничивания, описывающими внутреннюю
структуру протона.
В двух недавних экспериментах исследователи направили поляризованный луч электронов на жидкий водород, охлажденный до 17 градусов по
Кельвину. При столкновении таких электронов с протоном в атоме водорода протон отскакивал, становясь во время взаимодействия поляризованным. Отброшенные электрон и протон потом регистрировались двумя высокоточными спектрометрами, а поляризация протона измерялась особым прибором. В
результате исследователи смогли установить соотношение распределения магнитного заряда к распределению намагничивания внутри протона. Эксперименты показали неожиданные и значительно расходящиеся энергозависимости для форм-факторов: распределение заряда отличается от распределения
намагничивания – заряд более равномерно распределен. Между тем по устоявшимся в науке представлениям, распределение и электрического заряда, и
намагничивания должно быть в протоне одинаковым.
Эти результаты заинтересовали как теоретиков, так и экспериментаторов, отмечает NTR.Ru. Они помогли вывести из рассмотрения некоторые несостоятельные модели, направив ученых к более точному описанию внутренней структуры протона. В частности, они подтвердили выдвинутую в 1996 году
Г.Миллером и М.Франком из университета Вашингтона теорию, согласно которой, в частности, протон не обязательно шарообразен. В зависимости от углового момента кварков, протон может быть либо шарообразным, либо тором, либо кренделем в форме арахиса.
Наблюдение интерференции горячих электронов в полупроводниках (Е.Онищенко, scientific.ru)
Сформировав две "щели" внутри сложной полупроводниковой гетероструктуры, японские ученые смогли наблюдать интерференцию электронных
волн в твердом теле.
Волновые свойства материи – кого в настоящее время можно этим удивить? Особенно, если речь идет о столь тривиальном объекте, как электроны.
В последние годы научились наблюдать волновые свойства сложных молекул, в частности, биомолекул, появились новые исследовательские методики,
использующие волновые свойства частиц (такова, например, нейтронная голография), а электроны уже десятки лет исправно работают на ученых (электронная микроскопия, электронная голография ...). Все это так, если бы не одно "но" – японские ученые провели эксперимент по наблюдению интерференции не для свободных электронов, а электронов в твердом теле [1].
Исследователи из Токийского технологического института наблюдали интерференцию электронов в
опыте с двумя щелями, когда и щели, и электроны находились внутри исследуемой твердотельной структуры. Причем в отличие от проведенных ранее экспериментов с двумерным электронным газом, японские ученые использовали трехмерную геометрию и наблюдали интерференцию "горячих электронов" (электронов,
энергетическое распределение которых существенно отличается от равновесного при данной температуре).
Горячие электроны – весьма капризный объект для такой цели: для наблюдения интерференционной картины, очевидно, требуется иметь дело с когерентными электронными волнами, тогда как горячие электроны
"так и норовят" изменить свою дебройлевскую длину волны, передавая энергию кристаллической решетке
(испуская фононы). Поскольку характерный масштаб времен тут – сотни фемтосекунд (и для экспериментов,
о которых речь пойдет ниже, определяемая рассеянием на оптических фононах длина фазовой когерентности в области за щелями (рис.1) оценивалась примерно в 130 нм), имеются достаточно жесткие требования к
структурам, в которых можно пытаться наблюдать интерференцию. Однако японским ученым удалось создать требуемую гетероструктуру.
Многослойная полупроводниковая структура (рис. 1, внизу)
была выращена с помощью метода газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений. Пользуясь тем, что положение дна
зоны проводимости для различных полупроводников отличается
(рис. 1, вверху), исследователи совместили в одной структуре и
"источник" горячих электронов, и две щели (ширина каждой из них
Рис.1. Вверху – положение дна зоны проводимости в
– 12 нм, расстояние между их центрами составляло 25 нм, а длина гетероструктуре структуры, внизу (не в масштабе) –
– 2 мкм). Щели были "прорезаны" в слое InP (толщиной 10 нм) с сечение гетероструктуры (толщины слоев указаны в
помощью электронной литографии (место стравленного InP при нанометрах) и изображение измерительной схемы.
последующем росте занял GaInAs и, таким образом, в потенциальном барьере для электронов образовалось два "провала"). Эксперименты проводились при температуре 4.2 K.
Электроны из эмиттера (рис.1, внизу) через туннельно-прозрачный барьер поступали в слой твердого раствора
GaInAs толщиной 50 нм, формируя плоскую электронную волну, которая падала на щели, "прорезанные" в достаРис.2. Зависимость тока коллектора от магнитно- точно толстом барьере InP. После прохождения щелей электроны (c дебройлевской длиной волны порядка 20
го поля. Пустыми кружками показаны результаты нм) оказывались в слое GaInAsP (толщиной 190 нм) и результирующая интерференционная картина регистрироизмерений, сплошная кривая – расчет.
валась с помощью массива металлических электродов, нанесенных на поверхность структуры (ширина отдельного электрода была менее 80 нм).
Сигнал снимался только с центрального электрода, а для "развертки" интерференционной картины использовалось магнитное поле. На рис.2 показаны результаты измерений – изменение тока коллектора в зависимости от магнитного поля, являющееся результатом интерференции электронных волн. В
идеальном случае следовало бы ожидать, что максимум тока должен наблюдаться при нулевом поле, но никакой интересной физики в наблюдающемся
смещении максимума нет: оно обусловлено банальным смещением положения электрода относительно щелей (центра электрода находится не точно над
щелями, как изображено на схеме структуры в нижней части рис.1.).
1. Kazuhito Furuya, Yasunori Ninomiya, Nobuya Machida, and Yasuyuki Miyamoto. Phys.Rev.Lett. 91, 216803 (2003).