БОЛЬШОЕ ТОРЖЕСТВО

Проверено временем. Пересмотру не подлежит

ginz.jpg (23502 bytes)

Виталий Лазаревич, уже патриарх

abrik.jpg (39883 bytes)

Алексей Алексеевич, еще в те годы, когда…

Долгожданное решение Шведской Академии наук – Нобелевская премия присуждена за развитие теории сверхпроводимости и сверхтекучести российским ученым Виталию Лазаревичу Гинзбургу и Алексею Алексеевичу Абрикосову и англичанину Энтони Леггету.

Здание красиво, если фундамент прочный. К такому фундаменту можно пристраивать и модные пентхаузы. Работы, авторы которых сегодня стали лауреатами, заложили прочный, проверенный временем фундамент и сегодня бурно достраивающейся красивейшей области физической науки - сверхпроводимости. Такие понятия как функционал Гинзбурга-Ландау и вихри Абрикосова - это такая классика физики сверхпроводников (и не только), что они уже давно используются без ссылок на оригинальные статьи. Присуждение Нобелевской премии российским ученым стало заслуженным, возможно, несколько запоздалым признанием их огромного вклада в физику конденсированного состояния вещества. Оба лауреата имеют множество значительных работ и в других областях физики.

Мы желаем новым Нобелевским лауреатам еще долго не снижать темпы их бурной научной деятельности, чтобы всем физикам было что изучать и применять.

Без упрека уехавшим, низкий поклон Виталию Лазаревичу,
стоически утверждающему оставшихся

Российские физики – Нобелевские лауреаты

1958 г. – Павел Черенков, Илья Франк, Игорь Тамм
1962 г. – Лев Ландау
1964 г. – Николай Басов, Александр Прохоров
1978 г. – Петр Капица
2000 г. – Жорес Алферов
2003 г. – Алексей Абрикосов, Виталий Гинзбург

ГОРЯЧАЯ НОВОСТЬ

Макроскопические запутанные квантовые состояния в системе магнитных диполей

"Запутанность" (entanglement) представляет собой чисто квантовый эффект, который заключается в том, что волновая функция физической системы как целого не может быть представлена в виде произведения волновых функций своих частей. Поэтому полное знание о состоянии системы не позволяет с определенностью судить о состоянии каждой из подсистем в отдельности (так называемые "квантовые корреляции"). Феномен запутанности квантовых состояний неоднократно наблюдался в экспериментах с небольшим количеством фотонов или электронов. Принято считать, что запутанность присуща исключительно микроскопическому миру, тогда как в реальных макроскопических системах ее проявления сводятся на нет статистическими и/или тепловыми флуктуациями.

Убедительное свидетельство того, что эффект запутанности может определять экспериментально измеряемые характеристики макроскопической системы получено в работе американских (University of Chicago; NEC Laboratories; Independence Ways; University of Wisconsin) и английских (London Centre for Nanotechnology; University College London) физиков [1]. Они исследовали магнитные свойства диэлектрика LiHoxY1-xF4, в котором ионы Ho3+ несут на себе локальные магнитные моменты, взаимодействующие друг с другом по дипольному механизму. При x = 1 это соединение является изинговским ферромагнетиком с температурой Кюри Tс = 1.53К. Уменьшение x ведет к разрушению дальнего магнитного порядка и переходу в состояние типа спинового стекла. При x << 1 ионы Ho3+ хаотически распределены по объему образца, причем анизотропия дипольдипольного взаимодействия (величина g-фактора для z-компоненты магнитного момента gz = g|| =13.8, а для x- и y-компонент gx = gy = gperp.jpg (1895 bytes)= 0.74) приводит к конкуренции ферромагнитных и антиферромагнитных связей и, как следствие, к возможности реализации различных (почти вырожденных) основных состояний.

В работе [1] изучали монокристаллы LiHoxY1-xF4 с x = 0.045. При такой концентрации ионов Ho3+ магнитные моменты можно в первом приближении считать свободными. Согласно теории, статическая магнитная восприимчивость wpe1E5.jpg (704 bytes) системы невзаимодействующих магнитных моментов подчиняется закону Кюри wpe1E4.jpg (704 bytes) ~ 1/T. Однако эксперимент показал, что в очень широком диапазоне T = (0.01 - 1)К магнитная восприимчивость хотя и возрастает монотонно при понижении температуры, но по другому закону: wpe1E3.jpg (704 bytes) ~ 1/Twpe1E6.jpg (697 bytes), где wpe1E7.jpg (697 bytes) = 0.75 ± 0.01. Более того, в этом же диапазоне температур наблюдаются резкие пики удельной теплоемкости C. А ведь в "обычных" магнитных материалах всегда имеется четкая корреляция между зависимостями wpe1D9.jpg (704 bytes)(T) и C(T): если одна из этих кривых гладкая, то и другая – тоже; если же есть особенность на одной из них, то при той же температуре есть особенность и на другой (как следствие магнитного фазового перехода при этой температуре).

Отдадим должное авторам работы [1], которые не ограничились констатацией факта аномального поведения кривых wpe1DA.jpg (704 bytes)(T) и C(T), а смогли разобраться в его физической причине. Они провели компьютерные расчеты wpe1DB.jpg (704 bytes)(T) и C(T), используя реальные значения магнитных моментов и параметров взаимодействия между ними, полученные ранее в различных экспериментах. N = 400 магнитных моментов (спинов) хаотически распределялись по кристаллографическим позициям ионов Ho3+ в большом кристаллите с периодическими граничными условиями (было установлено, что при таком N результаты уже не зависят от размера системы), после чего проводились расчеты с учетом взаимодействия между любыми двумя из них (всего 80000 взаимодействий).

При "классических" (по терминологии авторов [1]) вычислениях не учитывался вклад во взаимодействие от поперечных x- и y-компонент магнитных моментов, то есть полагалось gperp.jpg (1895 bytes)= 0. Тогда задача сводится к обычной модели Изинга, которая, как до сих пор было принято считать, справедлива и в ферромагнитном (x = 1), и в парамагнитном (x -> 0) пределах. При этом каждая пара спинов имеет два энергетических уровня, причем каждый из них двукратно вырожден по спину (vverh.jpg (1985 bytes)vniz.jpg (1968 bytes),vniz.jpg (1968 bytes)vverh.jpg (1985 bytes)и vverh.jpg (1985 bytes)vverh.jpg (1985 bytes),vniz.jpg (1968 bytes)vniz.jpg (1968 bytes)). Результат расчета оказался очень любопытным. Во-первых, выяснилось, что на теоретической зависимости C(T) действительно имеются максимумы, хотя и расположены они при других температурах, нежели на экспериментальной кривой C(T). Во-вторых, в полном соответствии с "физической интуицией" (и в полном противоречии с экспериментом!) при этих же температурах особенности были и на кривой wpe1DC.jpg (704 bytes)(T). Классический подход потерпел крах…

3_19_1.jpg (20013 bytes)

Рис. 1. Энергетическая диаграмма для двух взаимодействующих магнитных моментов.
(а) классическая схема (взаимодействуют только z-компоненты магнитных моментов; основное и возбужденное состояние "распутаны"), (б) квантовая схема (z-компоненты магнитных моментов взаимодействуют как между собой, так и с x- и y-компонентами; "перепутаны" ферромагнитная и антиферромагнитная спиновые конфигурации).

Следующим шагом стал учет в гамильтониане недиагональных слагаемых типа betasigma.jpg (2226 bytes)ixwpe1ED.jpg (679 bytes)jz, где wpe1F1.jpg (704 bytes) ~ gperp.jpg (1895 bytes)g|| (взаимодействиями типа wpe1EE.jpg (679 bytes)ixwpe1EF.jpg (679 bytes)jx можно пренебречь из-за gperp.jpg (1895 bytes)2<< gperp.jpg (1895 bytes)g|| << g||2). При этом для каждой пары спинов происходит расщепление вырожденных уровней (vverh.jpg (1985 bytes)vniz.jpg (1968 bytes) и vniz.jpg (1968 bytes)vverh.jpg (1985 bytes) – на vverh.jpg (1985 bytes)vniz.jpg (1968 bytes) + vniz.jpg (1968 bytes)vverh.jpg (1985 bytes) и vverh.jpg (1985 bytes)vniz.jpg (1968 bytes) - vniz.jpg (1968 bytes)vverh.jpg (1985 bytes); vverh.jpg (1985 bytes)vverh.jpg (1985 bytes) и vniz.jpg (1968 bytes)vniz.jpg (1968 bytes) – на vverh.jpg (1985 bytes)vverh.jpg (1985 bytes) + vniz.jpg (1968 bytes)vniz.jpg (1968 bytes) и vverh.jpg (1985 bytes)vverh.jpg (1985 bytes) - vniz.jpg (1968 bytes)vniz.jpg (1968 bytes)). В результате изменяется энергетический спектр и, соответственно, термодинамические величины – wpe1DD.jpg (704 bytes) и C. Однако, хотя таким образом и удается "подулучшить" "классические" вычисления, до соответствия с экспериментом остается еще далеко. К успеху привел учет чисто квантовых эффектов, то есть учет изменения не только энергий, но и спиновых волновых функций, а именно – перепутывания состояний с разными полными спинами, то есть – перемешивания ферромагнитного и антиферромагнитного состояний. И вот для такого запутанного состояния расчетные зависимости wpe1DE.jpg (704 bytes)(T) и C(T) оказались в прекрасном количественном согласии с экспериментом! При этом расчеты показали, что чем сильнее перепутываются волновые функции, тем больше величина магнитной восприимчивости. Таким образом, квантовые корреляции не только определяют поведение макроскопической системы, но и оказываются сильнее классических корреляций. Заметим, что показатель степени в зависимости ~ 1/Twpe1E6.jpg (697 bytes) не является универсальным и меняется в пределах wpe1EC.jpg (697 bytes) = 0.62 - 0.81 при уменьшении концентрации x ионов Ho3+ от 0.1 до 0.01.

Интересно, что "аномальное" поведение wpe1DF.jpg (704 bytes)(T) и C(T) наблюдалось и ранее в легированных полупроводниках [2] и некоторых интерметаллидах на основе редкоземельных элементов [3], но оставалось необъясненным. Теперь стала ясна его причина – макроскопическое перепутывание квантовых состояний.

3_19_2.jpg (32218 bytes)

Рис. 2. Зависимость магнитной восприимчивости от отношения gperp.jpg (1895 bytes)g|| поперечного и продольного g-факторов при T = 0.045 К с учетом и без учета квантового "перепутывания". Стрелка указывает на величину gperp.jpg (1895 bytes)g|| для LiHo0.045Y0.955F4.

В комментарии [4] к работе [1] Vlatko Vedral (Imperial College, Лондон) высказал следующую мысль. Поскольку квантовая механика, являясь наиболее точным инструментом для описания эффекта образования молекул из отдельных атомов, образует фундамент современной химии, а законы химии, в свою очередь, регулируют биологические процессы, то вовсе не такой уж фантастической выглядит гипотеза о том, что квантово-механическая запутанность лежит в основе наиболее удивительного из явлений Природы – жизни.

Л.Опенов

  1. S.Ghosh et al., Nature, 2003, 425, p.48
  2. M.A.Paalanen et al., Phys. Rev. Lett., 1985, 54, p.1295
  3. A.Schroder et al., Nature, 2000, 407, p.351
  4. V.Vedral, Nature, 2003, 425, p.28

НАНОЭЛЕКТРОНИКА

Светодиод на кремнии стал коммерческим продуктом

wpe1B4.jpg (6067 bytes)

Рис. 1

Cветоизлучающие приборы на кремнии – одна из любимых тем ПерсТ’а. Для реализации светодиодов на кремнии были анонсированы и инженерия дислокаций, и нанокристаллы кремния в матрице оксида, и другие остроумные схемы. Прошедшее десятилетие было урожайным на подобные сообщения. Но, как почти всегда бывает, сказка сказывается быстро, а реальных приборов можно было и не дождаться. Но на этот раз, кажется, нас ожидает happy end - объявлено о выпуске промышленных изделий. В сообщении о новом коммерческом продукте фигурируют уже известные ключевые слова –редкоземельное легирование и нанокриcталлы кремния в матрице оксида. Нового решения на этот раз предложено не было, фирма производитель первых коммерческих чипов STMicroelecrtonics утверждает, что ею были просто тщательно отработаны технологические операции и получен однородный, хорошо контролируемый материал.

В приборах, которые фирма представляет как приборы первого поколения, достигнута эффективность, сравнимая с эффективностью эмитттеров на AlInGaP, в приборах второго поколения внутренняя эффективность повышена еще на 50%, а внешняя – в пять раз. Излучатели работают в зеленой или инфракрасной областях спектра. Производители считают, что у них еще остаются возможности для дальнейшего усовершенствования. И это - основание для оптимизма. Менее чем через полгода фирма планирует на базе разработанного излучателя выйти на рынок с кремниевым оптроном. Представитель STMicroelecrtonic заявил также, что стоимость новых изделий будет сравнимой со стоимостью обычных компонент.

Внешний вид индикатора с кремниевым излучателем представлен на фото 1, а на рис. 2 – характеристики светодиода.

3_19_4.jpg (17645 bytes)

Рис.2. Сплошная линия с кружочками – для светодиода на основе AlInGaP, линия с квадратами – для диода на основе AlInGaN. Штрихованная линия (внизу) отобра-жает характеристики первого поколения Si-эмиттеров от STMicroelecrtonic, а штрихованная (выше) – второго поколения этих приборов.

М.Компан

http://optics.org/articles/news/9/9/20

СВЕРХПРОВОДНИКИ

Магнитное усиление сверхпроводимости

Сразу же после открытия сверхпроводимости в 1911 году стали предприниматься попытки понять физический механизм этого удивительного явления. Спустя почти полвека модель БКШ успешно объяснила свойства обычных сверхпроводников, в которых электроны образуют пары за счет взаимодействия с фононами – квантами колебаний кристаллической решетки. Однако до сих пор нет окончательной ясности со сверхпроводимостью купратных ВТСП, органических материалов и соединений с так называемыми тяжелыми фермионами. Поэтому понятен интерес к исследованиям необычных свойств этих сверхпроводников. В частности, большое внимание уделяется экспериментам в сильных магнитных полях.

Американские физики из Florida State University и Michigan State University сообщили об измерениях намагниченности и удельной теплоемкости монокристаллов "тяжелофермионного" сверхпроводника CeCoIn5 с Tc = 2.3К при H < 12Тл. Они обнаружили, что при T < 0.35К и H = 10Тл реализуется предсказанное теоретически около 40 лет назад неоднородное состояние ФулдеФерреля-Ларкина-Овчинникова (FFLO), в котором сверхпроводящие области чередуются с областями неспаренных спин-поляризованных электронов. За счет такого фазового расслоения система понижает свою свободную энергию, в результате чего сверхпроводимость сохраняется (хотя и в несколько "урезанном" виде) даже в сильном поле. Авторы отмечают, что их результат является первым прямым доказательством существования состояния FFLO. Они надеются, что это поможет пролить свет на физику магнитного механизма спаривания электронов.

3_19_5.jpg (21377 bytes)

Фазовая диаграмма CeCoIn5: N – несверхпроводящее состояние; U – однородное сверхпроводящее состояние; FFLO – неоднородное сверхпроводящее состояние.

Nature, 2003, 425, р.51

ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Российские монокристаллы на мировом рынке наукоемкой продукции

О российских монокристаллах на мировом рынке рассказал ПерсТ’у заведующий лабораторией ИФТТ РАН Николай Владимирович Классен.

Доля России в мировом рынке наукоемкой продукции – 0.3% (конечно, эта цифра не учитывает отправленный на Запад и Восток крупный российский интеллектуальный багаж). ИФТТ – один из ведущих российских разработчиков монокристаллов. Поставляете ли Вы их на мировой рынок?

Н.В.К. Да, это так. Как пример, сейчас в ЦЕРН’е (Женева) строится самый большой в мире ускоритель элементарных частиц на энергию в ТэВ’ы (это – миллиард миллиардов эВ) На этих энергиях должны сталкиваться пучки протонов, рождая частицу, т н. бозон Хиггса. Именно с этой частицы в момент Большого взрыва и началось сотворение мира. Обнаружение этой частицы станет крупным этапом в исследованиях физики элементарных частиц. Так вот, в этом процессе важную роль могут сыграть монокристаллы - именно они призваны зарегистрировать акт рождения бозона Хиггса. Кристаллы должны быть из тяжелых элементов, чтобы эффективно захватывать рождающиеся элементарные частицы высоких энергий, и, с другой стороны, достаточно «быстрыми», т.е. кристалл должен среагировать на акт вспышкой и успеть забыть его к моменту нового акта (которые будут следовать через каждые 25нс).

Вам удалось найти такой кристалл?

Это было непросто. В течение 12 лет (с 1991 года) поиски проводили во всем мире. Перебор шел среди 10 кандидатов. Наконец, остановились на вольфрамате свинца (PbWO4), и в этом выборе наш институт (ИФТТ РАН) сыграл заметную роль. Действительно, первоначально светоотклик (яркость вспышки в момент попадания искомой частицы) этого кристалла был недостаточным. В нашем институте удалось улучшить этот параметр вольфрамата свинца в 5 раз. После испытания в ЦЕРН’е, черноголовский кристалл был утвержден в качестве финалиста. В результате наш институт получил международный грант на доведение технологии кристаллов вольфрамата свинца до промышленного производства.

Сколько кристаллов требуется для церновских детекторов частиц?

Удивительно много, более 100 тонн таких кристаллов. Вес каждого кристалла около 1 кг, так что для экспериментов в ЦЕРНе необходимо вырастить не меньше 100 тысяч кристаллов. Для создания детектора кристаллами заполняют сплошь объем специальной бочки (barrels) диаметром 6м.

Насколько важна однородность параметров таких кристаллов?

Да, это важно. Скажем так. В ЦЕРН’е строится для разных целей два детектора на основе вольфрамата свинца. На один из детекторов CMS (Compact Muon Solenoid) требуется 80 тыс. кристаллов, на другой (ALISA) – 20 тыс.. Во всех случаях разброс параметров не должен превышать 5%. CMS будет работать на протон-протонных пучках, ALISA будет изучать реакции, происходящие при столкновении тяжелых ионов (как раз ионов свинца), которые, разгоняясь до невиданных энергий, формируют очень высокую плотность массы, близкую к плотности черных дыр. Для земных условий это совершенно новое состояние вещества. Сегодня физики говорят о черных дырах в гипотетическом плане, никаких экспериментов не проводили. Таким образом, наши монокристаллы будут активно участвовать в первых экспериментах со сверхплотной массой.

Неужели все эти 100 тысяч кристаллов будут выращены в ИФТТ?

Конечно, нет. В свое время в нашем институте научились выращивать кристаллы вольфрамата свинца и специальным образом их обрабатывать, а затем передали свой опыт на завод «Технохим» (Богородицк, Тульская область). Надо отметить, что сотрудники завода приняли активное участие в доработке технологии до промышленного масштаба. В основе технологии - метод Чохральского, в котором кристалл вытягивается из расплава на затравку. Первые кристаллы, прошедшие по техническим параметрам, в частности, по светоотклику (световыходу) изготовлены непосредственно в нашем институте, а в дальнейшем огромную работу выполнили сотрудники богородицкого завода. Помимо высокого световыхода, кристалл должен быть радиационностойким (должен сохранять свои параметры, получив гигантскую дозу в 107 рад). Кроме того, как я уже говорил, он должен быть очень быстрым (весь процесс излучения света должен укладываться в 15нс). Так вот, кристаллы долго сопротивлялись, но усилиями сотрудников завода при активной помощи ученых их сопротивление удалось преодолеть, заставив сочетать все необходимые качества.

Нельзя ли открыть какие-либо ноу-хау?

Конечно, нет. Это – коммерческая тайна, в частности богородицкого завода, сродни тайне кока-колы. Такие кристаллы делают только на богородицком заводе. Пытались многие – две организации в Китае – Шанхайский институт керамики и Пекинский институт стекла (не получилось!), пыталась чешская фирма Precision Cryoturе, пытались и японские фирмы. Но это рекордное достижение оказалось под силу только россиянам.

Вот небольшой пример. Поначалу более 70% кристаллов уходило в отходы - кристаллы просто растрескивались в процессе либо резки, либо шлифовки. Самое обидное, когда кристалл уже вырезан, отшлифован, отполирован и осталось довести последнюю грань - вот тут он и трещит. Мы стали разбираться. И нашли причину. Кристалл вольфрамата свинца обладает одним удивительным свойством, которое я бы назвал механической полярностью, т.е. появление трещин в этом кристалле зависит не только от того, по какой плоскости вы его шлифуете или режете, но и от того, в каком направлении в этой плоскости вы ведете обрабатывающий инструмент. Если вы ведете инструмент слева направо, то все хорошо, если же справа налево, то он трещит. У него в механическом смысле слоистая структура, сравнимая со структурой дерева. Когда вы строгаете рубанком деревянную доску, то в одном направлении строгается хорошо, а в противоположном получаются сплошные «задиры». Все зависит от того, как направлены в этой доске слои. Приблизительно то же самое происходило и в кристаллах вольфрамата свинца. Мы с этим разобрались, показали в Богородицке, и… проблема исчезла.

В какой срок это нужно изготовить и поставить это количество кристаллов?

На сегодняшний день уже поставлено 20 тысяч кристаллов. Сейчас на заводе в Богородицке работают 150 установок, которые должны в течение 3 лет закончить весь заказ.

Имеется ли спрос на кристалл вольфрамата свинца на нашем внутреннем рынке?

Именно на эти кристаллы – нет. Дело в том, что эти кристаллы оптимизированы на детектирование частиц очень высоких энергий, по крайней мере, гигаэлектронвольты. У нас в России таких действующих ускорителей сейчас нет. Но есть другие задачи, например, нужны детекторы на частицы с энергией в мегаэлектронвольты. Для того, чтобы вольфрамат свинца подошел для регистрации таких частиц, нужно увеличить его чувствительность раз в 10. Так вот сейчас мы совместно с богородицким заводом готовим проект на разработку технологии кристаллов вольфрамата свинца повышенной чувствительности. И вот они-то как раз могут пойти на внутренний рынок. И не только для физических исследований, но и для более прагматичных целей, например, для контроля состояния грузов. Их можно будет использовать при просвечивании морских контейнеров, легковых автомобилей в системах антитеррористического контроля. Одну такую макетную установку мы уже сделали. Она просвечивает 15-ти метровый контейнер на большом грузовике в течение 2 минут. Используется гамма-излучение, позволяющее пробить слой металла толщиной 30см. Контейнер в 3м шириной для гамма-излучения – не проблема. Генерируемые фотоны регистрируются матрицей из небольших (порядка мм в поперечнике) кристаллов вольфрамата свинца. Сигнал обрабатывается компьютером. В результате формируется картина содержимого контейнера с разрешением порядка размеров отдельного кристалла, т.е. около мм. Легко выявляется оружие. В нашем макете формируется теневой рисунок от предметов с высокой плотностью (металлические предметы).

Но мы продолжаем работать над возможностью различить наркотики, взрывчатку. Для этого разрабатываются матрицы нескольких типов кристаллов, оптимизированных на различную длину волны излучения. В результате можно будет проводить химический анализ содержимого, т.е. можно будет различать взрывчатку, наркотики, сахар. Процедура, приводящая к увеличению чувствительности вольфрамата свинца, весьма сложная, является строгой коммерческой тайной богородчан. Это и специальное легирование, и термообработка, и скорость выращивания. Чувствительность зависит не только от того, какую примесь вы добавите в кристалл, но и в значительной степени, как выстроена сама решетка. ИФТТ предлагает варианты специальной обработки поверхности монокристаллов, что также заметно увеличивает чувствительность.

Источником в данном случае служат рентгеновские лучи с широким спектром длин волн. Если в автомобиле или контейнере взрывчатка, в ней много азота, в наркотиках – много групп СН. Излучение с разными длинами волн поглощается в разной степени углеродом, азотом или металлом. Сравнивая контраст, можно определить запрятанное вещество. Гексаген от сахара эта система отличит. Такие установки можно устанавливать в аэропортах, государственных учреждениях, постах ГАИ.

3_19_6.jpg (65425 bytes)

Автомобиль, просвеченный гамма - излучением, распределение которого зарегистрировано сцинтилляционной матрицей из вольфрамата кадмия, изготовленного в ИФТТ РАН.

Какова стоимость ваших установок?

Если говорить о вольфрамате свинца для ЦЕРН’а, то один кристалл весом 1кг стоит от 400 до 600 долл., т.е. весь заказ – 100 тонн – будет стоить 40-60 млн. долл. Вот это - вклад наукоемкой продукции Академии наук в общемировой рынок.

Что касается установок контроля грузов, то первая наша макетная установка для просвечивания контейнеров из металла с толщиной стальной стенки до 300мм будет стоить около 1 млн. долл. В случае серии стоимость может быть уменьшена. В частности, мы сейчас работаем над уменьшением стоимости источников излучения. Есть прикидки для установки с компактными рентгеновскими источниками, различающей состав багажа по химическому составу, это - 20-30 тыс. долл.

Кто производит излучатели?

В С.-Петербурге – Институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) делает ускорители электронов на энергию в несколько МэВ. Электроны бомбардируют алюминиевые мишени, формируя гамма-излучение. Актюбинский завод (который сейчас в Казахстане) выпускает рентгеновские установки на энергии в 300кэВ. Они – более дешевые, и тоже подходят для задачи анализа химического состава грузов.

Сейчас в связи с угрозой терроризма на такие установки может быть высокий спрос, как на внутреннем, так и на внешнем рынке.

Монокристаллы принимают участие в решении таких актуальных и нелегких задач.

МЕХАНИКА

Мог ли барон Мюнхаузен вытащить себя за волосы из болота?

Конечно, нет. Ответ на этот вопрос хорошо известен - за счет только лишь внутренних сил невозможно изменить положение центра масс системы. Однако не будем спешить с выводами. Если отвлечься от болота и прочих декораций и представить барона, находящегося в пустом безвоздушном пространстве, можно представить перемещение пловца с помощью движений, подобных тем, которые используют лягушки в воде. Лягушка подтягивает ноги, находящиеся под определенным углом друг к другу, затем выпрямляет их (I этап), далее снова подтягивает ноги (II этап) и разводит на некоторый угол (III этап). Конечно же, действия ее не имеют успеха, поскольку после первых двух этапов лягушка немного перемещается назад, а последующие движения возвращают центр масс в исходное положение.

Представим, однако, барона, находящегося на сфере. Его центр масс размещается уже внутри этой поверхности. Оказывается, что смещение центра масс после первых двух шагов не компенсируется полностью его перемещением в результате возвращения в исходное состояние - и таким образом барон может менять свое местоположение на сфере только за счет внутренних сил. Данное утверждение было выдвинуто Jack’ом Wisdom’ом из США в его статье, опубликованной недавно в журнале Science [1] (популярное изложение идеи Wisdom’а можно найти в июньском номере Physics Today [2], там же приведены иллюстрации, поясняющие эффект “пловца” на искривленной поверхности). Впрочем, стоит заметить, что ничего таинственного в эффекте Wisdom’а нет. Его можно сравнить с существованием центростремительного ускорения у тела, которое движется по окружности с постоянной скоростью. Скорость по величине, действительно, не меняется, но меняется по направлению за счет внешней силы, которая удерживает тело на траектории его движения. Подобное объяснение справедливо и в случае барона. С точки зрения трехмерного пространства, существует внешняя сила, которая удерживает его на поверхности сферы - и барон движется (казалось бы, только за счет внутренних сил), взаимодействуя с ней.

Но почему журнал Science все же опубликовал статью Wisdom’а? Во-первых, не исключено, что на основе данного эффекта можно создать некоторое микромеханическое устройство, которое за счет внутренних усилий будет перемещаться внутри искривленного участка. Во-вторых, согласно общей теории относительности Эйнштейна мы фактически живем в подобном кривом пространстве, которое создает вокруг себя любое гравитационное поле. Итак, представим себя “пловца” вблизи, скажем, черной дыры. За счет внутренних перемещений, подобных описанным выше, он может “плыть” в пространстве (еще раз подчеркнем, что происходит это за счет взаимодействия с центром тяготения, и никакие законы элементарной механики при этом не нарушаются). Wisdom оценил величину смещения, она оказалась порядка (l/R)2, где l - длина ног “пловца”, а R - радиус кривизны пространства, который определяется массой притягивающего центра. Это очень маленькая величина - скажем, на поверхности Земли смещение в результате четырех этапов, т.е. одного цикла, составило бы для Мюнхаузена всего лишь 10-23 метра. Однако Wisdom полагает, что таким образом можно, например, перемещать космические объекты, находящиеся на круговой орбите, где величина l может быть достаточно большой. В любом случае, надо помнить о том, что “кривизна порождает движение” (эти слова взяты из названия статьи [2]).

М.Белоголовский (ДонФТИ НАНУ)

  1. J.Wisdom, Science, 2003, 299, р.1865
  2. S.K.Blau, Physics Today, 2003, 56(6), р.21

ВЕСТИ С КОНФЕРЕНЦИЙ

Всплеск терагерцового излучения в Японии

24-26 сентября с.г. в Японии (г. Сендай) состоялась 11-я Международная конференция по терагерцовой электронике - “THz'2003”. На нее со всего света съехались люди, жаждущие получить эффективную генерацию терагерцового излучения и с пользой применить его. Приятно отметить, что ПерсТ в своих выпусках не утаил от читателей основные возможности генерации терагерцев. Кратко напомним их.

  1. Можно использовать "хвост" спектральной плотности фемтосекундных оптических лазеров. Это самый популярный в настоящее время источник терагерцового излучения.
  2. Квантовые каскадные лазеры на межподзонных переходах в диапазоне терагерцовых частот.
  3. Устройства типа пролетных диодов, которые обладают отрицательной проводимостью на частоте, равной обратному пролетному времени. Применяются двумерные структуры, поскольку они обеспечивают малую выходную емкость, что позволяет выводить колебания на антенну.
  4. Плазменные колебания в двумерном электронном газе, возбуждаемые либо протекающим током, либо в результате генерации электрон-дырочных пар лазерным излучением.
  5. Генерация терагерцев на разностной частоте двух лазерных пучков, которые направляются на оптически нелинейную среду. B качестве среды могут быть использованы нелинейные кристаллы или плазма двумерного электронного газа.
  6. И, наконец, самый мощный источник терагерцового излучения образуется при заворачивании pелятивистских электронов, разогнанных на ускорителе, в сильном магнитном поле. Такой источник создан и в России в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера (Новосибирск). Доклад был представлен Б.А.Князевым. Этот доклад был единственной "чисто российской" работой на конференции. Надо отметить, что столь мощный источник терагерцев застал экспериментаторов врасплох, поскольку они уже привыкли к очень слабому терагерцовому излучению. Ясно, что его выгодно использовать не для диагностики, а для активного воздействия на среду, но пока не ясно, какого.

Что же касается пассивного воздействия, т.е.диагностики и связи, то на конференции примерно половина докладов была на эту тему. Исключительно важные прнения терагерцев намечаются в биологии и медицинской диагностике, поскольку биологические молекулы "разговаривают" именно в этом диапазоне частот.

Из развлечений, мне кажется, иностранным участникам конференции больше всего запомнится умеренное японское землетрясение. Глубокой ночью вдруг стало раскачивать кровать. Кровать-то ладно, но ведь и дом качался вместе с ней.

В.Вьюрков


Редактор С.Т.Корецкая,
тел: (095) 930 33 89
perst@isssph.kiae.ru

В подготовке выпуска принимали участие:
М.Белоголовский, В.Вьюрков, М.Компан, Ю.Метлин, Л.Опенов