Физики наблюдали квантовый эффект Холла при комнатной

Физики наблюдали квантовый эффект Холла при комнатной температуре
(Известия науки)
gazeta59@bk.ru
Выпуск № 94
Ранее считалось, что квантовый эффект Холла может наблюдаться только при температурах близких к
абсолютному нулю. Но физикам из Соединенных Штатов и Нидерландов удалось наблюдать это явление при комнатной температуре, поместив
недавно созданный углеродный наноматериал – графен – в сильное магнитное поле.
Квантовый эффект Холла при комнатной температуре был открыт независимо в американской Национальной лаборатории сильных магнитных полей (NHMFL) с помощью гибридного магнита, создающего поле напряженностью 45 Тл, и в лаборатории сильных магнитов в Нидерландах, где использовался резистивный магнит, с помощью которого создавалось магнитное поле напряженностью 33 Тл.
В настоящее время квантовый эффект Холла используется в качестве стандарта сопротивления. По мнению ученых, полученные ими результаты могут привести к упрощению процедуры калибровки сопротивлений. С этой целью физики исследуют возможность обнаружения квантового эффекта Холла в магнитных полях меньшей напряженности. Об этом сообщает CNews.ru со ссылкой на EurekAlert.
Квантовый компьютер: революция в электронике (Сергей ЛЕСКОВ, Известия науки)
Канадская компания D-Wave провела в Калифорнии презентацию первого в мире квантового компьютера на
совершенно ином принципе, чем вся современная техника. Разница между квантовыми компьютерами и кремниевыми, как между кремниевыми и деревянными счетами. По прогнозам, уже в ближайшее время квантовый компьютер сможет обрабатывать больше потоков данных, чем существует частиц во Вселенной. Однако новая техника
грозит и новыми неприятностями.
Если кремниевые компьютеры построены на принципе "ноль-один", то квантовый компьютер - это не "или или", а в один и тот же момент оба состояния - "и-и". Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом фотона,
носителя информации в квантовом компьютере, который оперирует квантовыми битами, или кубитами, которые
могут принимать одновременно два значения. Компьютер "Орион" D-Wave обладает 16-кубитным процессором,
способным обслуживать 65 536 вычислительных потоков в своих квантовых пространствах.
Квантовый компьютер пытались построить многие компании во главе с IBM. По оценкам, квантовый компьютер должен был родиться лишь к 2030 году. По мнению профессора Центра квантовых вычислений Оксфордского университета Эндрю Штайна,
построить работающий квантовый компьютер все равно что овладеть холодным термоядерным синтезом. Уже в 2008 году D-Wave собирается
создать систему в 1 тысячу кубит, что позволит обрабатывать больше потоков данных, чем существует частиц во Вселенной. Доступ программистов для работы с "Орионом" будет открыт уже в 2007 году.
Среди первых задач квантовых компьютеров - предсказание погоды и расчет климатических изменений, создание онкологических препаратов, обработка сигналов из Вселенной для поиска внеземных цивилизаций. Вместе с тем квантовый компьютер, который никто не собирается
засекречивать, моментально сделает легковесной всю современную криптографию, все кодовые системы, что вызовет хаос в областях, связанных с безопасностью и конфиденциальностью.
Земля станет Солнцем, а Солнце – Землей (Сергей ЛЕСКОВ, Известия науки)
Земля - живое тело. Но ничто живое не вечно. Есть множество теорий о происхождении Земли. Но
ученые задаются и другим вопросом: долго ли еще наша планета будет оставаться пригодной для жизни?
Наука приходит к убеждению, что даже если все население поголовно запишется в "зеленое" движение,
судьба Земли предопределена и жизнь на ней будет выжжена и уничтожена.
Недавно наука порадовала российскую общественность. Специалисты по геодинамике неопровержимо доказали, что полуостров Крым дрейфует и неотвратимо приближается к России, соответственно удаляясь от Украины, со скоростью 2-3 сантиметра в год. Ликование сродни торжествам в падающем самолете.
Потому что тектонические и геологические процессы на Земле предрекают ей потерю статуса планеты и обретение более высокого статуса звезды, что вряд ли обрадует человечество, даже если Крым станет неотделим от России.
Нет заблуждения более глубокого, чем считать Землю сонной, как дачник в гамаке. Радиус Земли увеличивается на 1 миллиметр в год, поднимается уровень воды в Мировом океане. Озеро Байкал раздвигает
берега на 2 сантиметра. Объем Земли с каждым годом возрастает на 515 кубических километров. Это вообразить трудно. Столь громадный объем имел бы шар, построенный вокруг диаметра третьего транспортного кольца в Москве. Земля пухнет с
такой скоростью, что впору гербалайф принимать. Этой толстушке все труднее кружиться вокруг Солнца. С каждым веком сутки, по расчетам
доктора физико-математических наук Сергея Новикова, удлиняются на 0,0023 секунды. В результате Земля - как, кстати, и Луна от Земли - удаляется от Солнца на 22,6 метра в год. Расчеты подтверждены данными сверхточных лазеров, которые отслеживают спутники на орбите.
Реконструкция показывает, что 3 миллиарда лет назад Земля вращалась как ошпаренная. Сутки тогда длились 19 часов, а через 100 миллионов лет докатятся до 25. Это, без сомнения, приятное открытие: наши потомки получат возможность спать без задних ног. Кстати, проблема
изменения формы Земли и скорости ее вращения имеет важный прикладной характер. От этих параметров зависят траектории спутниковых
орбит и точность телекоммуникационных сигналов.
Причин, по которым Земля пухнет, как лягушка в басне, две. Первая - бурные тектонические процессы. Извержение вулкана Пинатубо на
Филиппинах в 1990-х годах оказало большее воздействие на климатические процессы, чем все промышленные выбросы. Второй фактор огромное количество межзвездной пыли, которое опускается на планету. По оценкам, не менее 1 миллиарда тонн ежегодно. Есть убедительная
гипотеза, что тектонические процессы и увеличение размеров планеты вызвали 65 миллионов лет назад раскол континентов и пропорциональное увеличение сил тяготения, что под корень извело неповоротливых динозавров.
В басне лягушке не удалось превратиться в корову. Но Земля способна изменить свой статус. Количество перейдет в качество. Через
миллиарды лет в недрах потяжелевшей Земли начнутся термоядерные процессы, подобные тем, что идут на звездах. Как только масса превысит некий критический показатель, в недрах начнется цепная реакция. Под действием колоссального давления Земля уподобится водородной
бомбе и разогреется до температур, которые наблюдаются на Солнце. Почти по Кормильцеву-Бутусову, появится новая звезда по имени Земля.
Появится ли в результате жизнь на Луне или, предположим, на Венере, науке неизвестно.
Кстати, у человечества, если его земная судьба сложится благополучно, будет возможность еще до перевоплощения родной планеты
стать свидетелем аналогичного процесса. Потому что еще раньше в звезду неминуемо превратится самая крупная планета в Солнечной системе - Юпитер. Уже сейчас температура на поверхности Юпитера достигает 1000 градусов. Астрономы считают, что будущее Юпитера предрешено: он со своими 12 спутниками удалится от Солнца и станет новой планетной системой. Один из этих спутников, по имени Европа, наряду с
Марсом считается наиболее пригодным для жизни в наших окрестностях. Это полезно иметь в виду, если человечеству из-за того, что Земля
раскалится как печка, потребуется куда-нибудь переселиться.
Американцы придумали флэшку, которой не страшен ядерный взрыв (Известия науки)
Американская компания R&D Electronics создала флэш-накопитель IronDrive, способный противостоять экстремальным нагрузкам. В числе
последних указывается, помимо стандартных условий, возможность противостоять ядерному взрыву.
Как сообщается на сайте компании-разработчика, IronDrive способен нормально функционировать при температурах от -40 до +85 градусов Цельсия и сохранит работоспособность после воздействия температур от -55 до +95 градусов. Не смогут повредить IronDrive едкие вещества, влажность и, как говорилось выше, даже ядерный взрыв. Емкость IronDrive составляет от 32 мегабайт 4 гигабайт. Вес флэшки составляет
164 грамма. Изначально этот бронированный накопитель был разработан для армии США для использования с пусковой установкой нового поколения HIMARS.
Физики придумали одноэлектронный холодильник (Игорь Иванов, elementy.ru)
Предложена схема нового микроэлектронного устройства — одноэлектронного холодильника. В нём под действием переменного напряжения электрон перескакивает между сверхпроводником и обычным металлом, на каждом шаге отбирая у металла тепло.
Раскаленные микропроцессоры современных компьютеров могут навести на мысль, что электрический ток неизбежно вызывает нагрев
элементов цепи. Однако это не всегда так — уже давно существуют микроэлектронные устройства, например элементы Пельтье, которые охлаждаются при пропускании тока. Эффект Пельтье и другие термоэлектрические эффекты возникают из-за того, что разные металлы по-разному
«заполнены» электронами. «Перетекая» из одного металла в другой, электроны могут испытать необходимость в дополнительной энергии, которую они и отбирают у металлов в зоне контакта, что приводит к охлаждению.
Новый виток этих исследований начался одно-два десятилетия назад вместе со стремительной миниатюризацией электроники вплоть до
одноэлектронных устройств. На основе многослойных микроустройств, собранных — в различных комбинациях — из слоев сверхпроводника,
металла, полупроводника и изолятора, были сконструированы микрорефрижераторы, микротермометры криогенных температур, микрокалориметры. Обзор современного состояния дел см. в статье Rev. Mod. Phys. 78, 217 (2006) (cond-mat/0508093).
Интересно, что, несмотря на эти достижения, до сих пор не была создан настоящий циклический микрохолодильник, то есть работающий
не на протекающем сквозь него постоянном токе, а на периодическом движении зарядов вперед-назад. (Преимущества такой конструкции легко
понять, если представить, как был бы неудобен обычный бытовой холодильник, но только не автономный, а использующий проточный хладагент, поступающий в квартиру по трубам.)
Авторы недавней статьи J. P. Pekola et al., Physical Review Letters 98, 037201 (16 January 2007), доступной также как cond-mat/0607814,
восполнили этот пробел. В их работе описывается принцип работы микроэлектронного
устройства, которое они назвали одноэлектронным холодильником (хотя более точно
его следовало бы назвать двухэлектронным). Правда, в быту он вряд ли найдет применение, потому что работать он сможет при очень низких температурах — долях
кельвина.
Такое устройство можно получить, если изготовить трехслойку «сверхпроводник
—изолятор—нормальный металл» (СИН-переход) и подать на нее переменное
Схема электронных перескоков на энергетической диаграмме
напряжение. Тонкий зазор из изолятора, разделяющий сверхпроводник и маленький (по вертикали отложена энергия электронов). В обычном металостровок из обычного металла, препятствует свободному перетеканию электронов и ле (справа) электроны проводимости непрерывно заполняют
позволяет им лишь туннелировать (перескакивать через классически запрещенную об- все возможные энергии вплоть до некоторого уровня. В сверхласть) поодиночке. (Такой режим работы называется режимом кулоновской блокады, проводнике (слева) в распределении электронов по энергиям
есть щель: область энергий, которую электроны иметь не могут.
а само это направление микроэлектроники известно как «одноэлектроника».)
Из-за высокочастотного (десятки и сотни мегагерц) переменного напряжения в Поэтому из металла в сверхпроводник могут перескочить лишь
достаточно «горячие» электроны, а обратно — только «холодтечение каждого периода лишь один-два электрона успевают перескочить с металла ные» (рис. из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters)
на сверхпроводник и затем обратно. При этом из-за различия электронных свойств
сверхпроводника и металла возникает интересная картина с передачей энергии.
В сверхпроводнике все электронные состояния с низкой энергией заняты, поэтому перескочить туда из металла может только электрон
с достаточно большой энергией. В течение полупериода, когда на сверхпроводник подается «плюс», перескочивший электрон тут же уносится
прочь от контакта, вглубь сверхпроводника. Еще через полпериода, под действием обратного напряжения, из сверхпроводника в металл возвращается уже другой, более «холодный» электрон (см. рисунок). В результате получается циклический процесс, сопровождающийся направленной теплопередачей: у металла отбирают «горячие» электроны, а возвращают ему уже «холодные». Это и приводит к охлаждению металлического островка.
Авторы провели подробные аналитические вычисления и численное моделирование динамики этого процесса и выяснили, что в зависимости от частоты источника переменного напряжения и начальной температуры удается добиться охлаждения в два-три раза. Столь скромный результат объясняется тем, что электронный газ (электроны проводимости, находящиеся в металле) существует не сам по себе, а находится
в тесном контакте с кристаллической решеткой металла. В результате электронный газ не только охлаждается за счет описанного выше механизма, но и постоянно подогревается из-за взаимодействия с более теплой решеткой. Тем не менее авторы уверены, что, используя схему из
нескольких СИН-переходов, можно добиться и более эффективного охлаждения.
Стоит добавить, что экспериментальная реализация этой идеи интересна не только с точки зрения достижения низких температур, но и
тем, то она позволит изучить свойства вещества в необычных, не встречающихся в природе условиях. Селективное охлаждение только электронного газа позволяет получить вещество с двумя температурами: температура электронного газа в нём будет ниже, чем температура решетки. Было бы интересно проверить, как ведет себя металл в такой ситуации.