Создана сверхпроводящая структура, обладающая свойствами единичного атома

Ученые Физического института им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН) в сотрудничестве с японскими коллегами сумели не только создать сверхпроводящий чип, воспроизводящий "работу" единичного атома, но и продемонстрировать с его помощью целый ряд квантовых эффектов, один из которых - эффект лазерной генерации.

Действующий прототип прибора, созданного специалистами исследовательской лаборатории корпорации Nippon Electric Corporation (NEC), где по контракту работают и сотрудники ФИАНа, представляет собой металлическую пленочную структуру на обычном кремниевом чипе. Изготовлен он методом электронной литографии - напылением под различными углами алюминиевых пленок через германиевую маску, сформированную реактивным ионным травлением. Объект этот довольно сложный и состоит из различных элементов. Это волноводные линии, подводящиe и отводящие СВЧ-излучение, резонатор, а также островковая сверхпроводящая структура, содержащая нанометровые туннельные переходы.

Именно этот островок можно назвать искусственным атомом. Аналогия с атомом состоит в том, что для помещенного сюда заряда, куперовской пары или одиночного электрона, возникают дискретные уровни энергии. При этом состояния, которые способны занимать заряды, могут быть заранее сконструированы исследователем. "В отличие от обычных, искусственные атомы с заранее заданными свойствами можно изготавливать на чипе. Расстояние между уровнями энергии может задаваться в широком диапазоне, например, напряжением или магнитным полем. Из-за больших, по сравнению с обычными атомами, размеров искусственные атомы намного сильнее взаимодействуют с электромагнитным излучением. Эти свойства позволяют изучать на чипе квантовую оптику в предельном случае, когда оптическая среда сведена к одиночному атому", - отмечает научный сотрудник ФИАНа Юрий Пашкин, один из авторов пионерской работы.

Изменяя параметры искусственного атома и его связь с внешними элементами, ученые могут формировать "свои" уровни энергии, отличные от тех, что созданы природой в атомах, перечисленных в таблице Менделеева. Создав такой атом, его можно использовать как элемент технического устройства, например, квантового генератора. Для этого нужно обеспечить так называемую инверсную заселенность, то есть сделать так, чтобы заселенность верхнего энергетического уровня превышала заселенность нижележащего уровня. Такой эксперимент недавно закончен, и его результаты стали достоянием общественности. Вот что говорит об эксперименте по созданию лазера на одиночном "искусственном атоме" другой сотрудник корпорации NEC Олег Астафьев: "Активная оптическая среда в виде одиночного атома когерентно связана с СВЧ-резонатором. Инверсная заселенность в "атоме" создавалась путем пропускания постоянного тока (токовая накачка). Когда скорость генерации фотонов атомом превышала скорость их затухания в резонаторе, в нем происходило накопление и излучение фотонов, которое затем усиливалось и детектировалось. Сильная связь "атома" с резонатором здесь, в отличие от обычных лазеров и мазеров, приводит к беспороговому режиму лазерной генерации".

Излучение обычных лазерных устройств формируется в широком спектральном диапазоне, включая оптический. В искусственных атомах частота излучения лежит намного ниже частоты видимого света (в общем случае она зависит от размера энергетической щели сверхпроводника). Так, первое созданное устройство, где сверхпроводником служит пленка алюминия со сверхпроводящей щелью размером около 0,2 МэВ, работает на частоте около 0,01ТГц. Генераторы таких частот могут найти применение в компьютерах на основе сверхпроводящих элементов (в том числе и квантовых), так как легко сочетаются с ними. Если же использовать пленку из высокотемпературного сверхпроводника, то частота излучения может быть повышена на 1-2 порядка и попадет в терагерцовый диапазон. Этот диапазон представляет собой промежуточную область, труднодоступную как для классических способов генерации излучения, так и для квантово-оптических способов (лазеров). Вместе с тем с ее освоением связан целый класс крайне важных прикладных задач. Спектроскопия в ТГц-диапазоне может применяться в самых разных областях - от обнаружения взрывчатых, наркотических веществ и токсикантов до медицинской экспресс-диагностики по выдыхаемому человеком воздуху.

Комментирует руководитель отдела Высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН, доктор физико-математических наук Владимир Пудалов: "Терагерцовый диапазон освоен слабо. И вот найден путь, как подойти к нему очень изящным способом. Уже лет пятнадцать назад физики научились создавать искусственные атомы и смотреть, как в них живет отдельный электрон, два электрона, три, многоэлектронная система. Но то была игра, теперь же получился работающий прибор. Это исключительный успех".

По материалам АНИ " ФИАН-информ "

***

Исследования самарских физиков помогут в реализации "плазменной оболочки" сверхзвуковых самолетов

Ученые из Самарского филиала Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (СФ ФИАН) исследовали структуру ударных волн в неравновесной среде. Одним из практических приложений результатов этих исследований может стать снижение негативного воздействия ударных волн на сверхзвуковые летательные аппараты. Такие волны образуются около корпуса "железных птиц" во время их полета в атмосфере.

 

Ударная волна - это распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и температуры вещества. Такие волны возникают при взрывах, детонации, сверхзвуковых движениях тел, мощных электрических разрядах и т.п. При движении самолетов или ракет со сверхзвуковыми скоростями ударные волны образуются около их корпуса, оказывая при этом прямое воздействие, как на подъёмную силу летательных аппаратов, так и на силу их сопротивления. Также летательные аппараты при полете в атмосфере сильно нагреваются из-за трения о воздух. Но оказывается, что в неравновесных средах и действие ударных волн, и негативное воздействие трения уменьшаются. Группа ученых из Самарского филиала ФИАНа решила прояснить природу этого интересного явления.

"Мы далеко не первые, кто начал заниматься изучением структуры ударных волн в неравновесной среде. Первые экспериментальные работы в этой области проводились группой ученых под руководством доктора физ.-мат. наук Анатолия Климова (ИВТАН) еще в 80х годах. Они исследовали поведение ударной волны при прохождении её через область образования плазмы. Затем этим направлением заинтересовались многие научные группы в США и Европе, в том числе и наша группа", - рассказывает руководитель работы, зав. теоретическим сектором СФ ФИАН, доктор физ.-мат. наук Нонна Молевич.

В 2005 году к группе ученых под руководством Нонны Молевич присоединился студент Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королёва (в настоящее время аспирант первого года) - Ринат Галимов. В частности, Ринат сумел выявить и классифицировать все возможные профили ударных волн в зависимости от степени неравновесности среды и их скорости, а также показать, каким образом новые акустические свойства неравновесной среды меняют структуру возмущения в виде ударной волны. За проделанную работу молодой ученый в конце апреля этого года получил медаль Российской академии наук.

"Изучение акустики неравновесных сред является ключевым этапом в процессе исследования происходящих в них явлений. Дело в том, что акустика неравновесных сред существенно отличается от акустики равновесных. Так, например, течения, которые для равновесного газа были устойчивыми, для неравновесного газа могут оказаться неустойчивыми", - объясняет Ринат Галимов.

В своей работе самарские фиановцы рассматривали такой пример неравновесной среды, как колебательно-возбужденный газ. Исследовав поведение этого газа, ученые выявили, что структура ударных волн в неравновесной среде действительно существенно отличается от структуры аналогичных волн в равновесном газе. Также было обнаружено, что во время распада слабых ударных волн образуется последовательность импульсов, которые, например, в лазерной среде могут сильно влиять на качество лазерного излучения. Еще одним выявленным фактором, оказывающим влияние, например, на силу сопротивления при сверхзвуковом движении тел, стал тот факт, что давление за фронтом ударной волны в неравновесном газе значительно слабее, чем в равновесном (при одинаковых скоростях в обоих случаях).

"Очень важно разобраться во всех деталях изменений сопротивления и структуры ударной волны. Без этого невозможно перейти к практическому применению идеи создания "плазменной оболочки" гиперзвукового самолёта 5 поколения, то есть включения в систему управления самолетом технологии искусственно создаваемого потока неравновесной плазмы на крыле. Управляя этим потоком с помощью магнитного поля, можно будет управлять и самим самолетом, но для этого нужно создать поток плазмы в нужном месте и с нужными свойствами. Результаты нашей работы должны помочь практикам в воплощении идеи такой оболочки", - делится Ринат.

"Работы над созданием плазменной оболочки ведутся уже больше 20 лет. Одной из основополагающих работ в этой области является открытие в конце 80х годов аномального обтекания тел в слабоионизированной неравновесной плазме группой российских ученых с участием А.И. Климова. Это можно назвать стартом зарождения новой науки - плазменной аэродинамики. Сейчас эта наука активно развивается - ежегодно проходят конференции в России, в США и Европе, в работе которых наш коллектив принимает активное участие", - комментирует Нонна Молевич.

В настоящее время самарские физики занялись исследованием структуры ударной волны в химически активных смесях, параллельно развивая единый подход к описанию возмущений в неравновесных средах различного типа. Также у работы нашлись интересные астрофизические приложения. Оказалось, что такой подход применим и к исследованию неравновесного межзвездного газа, поэтому работа в этом направлении может пролить свет и на природу некоторых астрофизических явлений.

По материалам АНИ " ФИАН-информ "

***

Что показал рентгеновский микротомограф

Лаборатория рентгеновской оптики Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) совместно с институтами РАН и РАМН выполняет работы в области рентгеновской микротомографии. С помощью рентгеновского микротомографа ученые исследовали плацентарную ткань, природные алмазы, графитовые стержни и капсулированное топливо для атомных электростанций.

Все хорошо представляют, что такое рентгенография. Томограф - прибор менее известный, чем рентгеновский аппарат, но уже также вошедший в широкую практику. Томография - это способ получения трехмерного изображения из множества последовательных двухмерных изображений объекта, полученных под разными углами. Рентгеновская микротомография дает возможность получать изображение внутренней структуры непрозрачных объектов в трехмерном виде с высоким пространственным разрешением.

"Обычная рентгенография не позволяет оценить истинное расположение деталей объёмного объекта, в отличие от рентгеновской томографии, которая показывает трехмерную структуру, где ясно видно, как соотносятся между собой детали (расстояние между ними, положение и т.д.). Микротомография - это томография с высоким пространственным разрешением, порядка 1 мкм и лучше. При этом можно увидеть, что находится в любом сечении полученного трёхмерного изображения. Для медицины этот прибор просто необходим", - объясняет ведущий научный сотрудник ФИАН, кандидат физ.-мат.наук Игорь Артюков.

Исследования по рентгеновской микротомографии проводились в Лаборатории рентгеновской оптики ФИАН на установках SKYSCAN 1074 и 1172 (Бельгия). Начались они с того, что к ученым ФИАН обратились специалисты из Института морфологии человека РАМН для проведения совместных исследований плаценты человека. Плацентарная ткань выполняет роль проводника питательных веществ от материнского организма к плоду, и при любом нарушении кровообращения в плаценте плод начинает развиваться с патологией. Поэтому исследования в этой области очень важны.

"Часто процесс нарушения кровообращения похож на процесс отложения солей в сосудах. С помощью допплеровского УЗИ плаценты можно отличить патологическое кровообращение от непатологического. Тем не менее, надёжных моделей, позволяющих однозначно оценить возможную патологию развития плода на основе только допплеровских методов исследования, пока не существует. Именно поэтому мы прововили комплексное исследование - исследовали плацентарную ткань тремя различными методами с тремя институтами", - продолжает Артюков.

В НИИ морфологии человека РАМН исследования проводились с помощью методов гистологии (исследование ткани под микроскопом). Второй метод - допплеровское УЗИ - применяли ученые из Московского областного НИИ акушерства и гинекологии Минздрава РФ. В ФИАНе эти исследования были дополнены данными о трехмерной структуре объекта, полученными методом рентгеновской микротомографии.

"С помощью микротомогрофа были получены изображения котиледонной структуры плацентарной ткани. Котиледоны - это мелкие кровеносные сосуды, которыми пронизана плацента. В результате обработки изображений с микротомографа мы сделали выводы о связи внутренней структуры плаценты со скоростью кровообращения и обнаруженными в ней гистологическими изменениями", - подводит итог работы сотрудник ФИАН.

Этим же методом совместно с МИРГЭМ (Московский институт радиоэлектроники и горной электромеханики) в ФИАНе были изучены образцы природных алмазов.

"В природных алмазах могут содержаться различные примеси, например, оксиды металлов, присутствие которых существенно влияет на свойства алмаза. Увидеть их в необработанном алмазе очень сложно, а шлифовка алмаза - процесс дорогостоящий. С помощью рентгеновской микротомографии можно легко увидеть внутреннюю структуру алмаза. При этом из-за того, что рентгеновский контраст между соединениями металлов и алмазом очень высок, эти примеси хорошо видны даже через неотшлифованную поверхность без какой-либо дополнительной обработки", - объясняет Игорь Артюков.

Метод рентгеновской микротомографии оказался весьма полезен и для исследования графитовых стержней (элементов уран-графитового ядерного реактора). Такие стержни изготовлены из чистого графита и при механической нагрузке могут деформироваться с изменением внутренней структуры. Только рентгеновский микротомограф позволяет увидеть, насколько деформирована внутренняя структура, ведь графит непрозрачен. Ещё один пример использования рентгеновской микротомографии - исследование капсулированного топлива для АЭС, так называемых микротвэлов (очень маленькие - диаметром до 1 мм - сферические частицы уранового топлива, заключенные в многослойную, высокотемпературную прочную оболочку и способные удерживать продукты деления в любых авариях).

"Оболочка микротвэла обычно состоит из нескольких слоев различных материалов - углерод, оксид кремния и др. Контролировать точность толщин этих слоев, а также определять наличие дефектов (микротрещин) сегодня можно только с помощью рентгеновской микротомографии", - комментирует Артюков.

Возможности использования метода рентгеновской микротомографии далеко не ограничиваются описанными примерами. Применять его можно и в металловедении - для анализа прочностных характеристик различных конструкционных элементов, например, самолетов, мостов и т.п., и для неразрушающей дефектоскопии, в общем, практически всегда, когда возникает необходимость в наблюдении микроструктуры непрозрачного объекта.

По материалам АНИ " ФИАН-информ "