home
user-header

                        
                        
Новости физики
14 ноября 2017 г., 18:50 170

Непонятные большинству новости из мира физики: Астрономы сообщили об исчезновении пятен на Солнце. Физики сосчитали количество пешеходов, которые могут раскачать мост. В IBM построили 50-кубитный квантовый компьютер. Физики получили устойчивые скирмионы-мишени. Две группы исследователей доказали что ядро Никеля-78 является дважды магическим.

Часть квантового компьютера (Фото IBM)


 

1. Астрономы: на Солнце исчезли пятна

На Солнце стремительно уменьшается число пятен, установили астрономы. В настоящее время на обращенной к Земле стороне Солнца не наблюдается ни одного пятна, что свидетельствует о снижении солнечной активности. Об этом сообщают специалисты Лаборатории рентгеновской астрономии Солнца при ФИАН.

Фото SDO/HMI Quick-Look Continuum

 

Пятна на Солнце служат основной характеристикой солнечной активности. Их число является главным параметром, по которому измеряется 11-летний солнечный цикл: раз в 11 лет количество пятен доходит до максимума, а между этими периодами постепенно снижается до минимальных значений – солнечного минимума. По подсчетам астрономов, он будет достигнут в конце 2018 — начале 2019 года. К этому моменту магнитная энергия Солнца полностью обратится в ноль и звезда превратится в почти в идеально симметричный объект без каких-либо особенностей. В таком виде Солнце может просуществовать до года, после чего магнитное поле снова активизируется и появятся пятна, свидетельствующие о возобновлении солнечной активности.

 

Снижение солнечной активности вызывает повышенный интерес ученых, так как ранее были выявлены корреляции этих периодов с изменениями климата. В частности, последний малый ледниковый период совпал с минимумом Маундера – затянувшимся на десятилетия уменьшением солнечной активности в 1645-1715 годах. Впрочем, после него сбоев в изменении активности не наблюдалось. Сейчас изменения происходят в полном соответствии с с поведением, которое наблюдалось в ходе предыдущих 11-летних циклов.

 

2. Физики выяснили, сколько пешеходов могут ввести мост в резонанс

Физики разработали модель, с помощью которой можно оценить критическое количество шагающих по мосту пешеходов, которое приведет к его резкому раскачиванию. По словам авторов исследования, опубликованного в Science Advances, предложенная ими модель позволит в будущем строить более безопасные пешеходные мосты.

I. Belykh et al./ Science Advances

 

Несмотря на то, что при проектировании пешеходных подвесных мостов сейчас используются самые современные пакеты для компьютерного моделирования, все равно иногда наблюдаются ситуации, когда из-за большое количества пешеходов на мосту, он внезапно начинает сильно колебаться. Иногда эти колебания могут быть настолько сильными, что становятся причиной возникновения небезопасных ситуаций и разрушения части конструкций. Наиболее показательными примерами являются открытие моста Сольферино в Париже в 1999 году или регулярно раскачивавшийся мост Миллениум в Лондоне, который пришлось из-за этого перестраивать вскоре после открытия.

 

Раскачивающийся мост является классической колебательной системой, в которой шагающие пешеходы являются источниками внешней периодической силы. При совпадении собственной частоты колебаний моста с частотой внешней силы система приходит в резонанс, и амплитуда колебаний резко увеличивается. Если же источников внешней силы много и у всех них одинаковая частота (то есть пешеходы совершают одинаковое количество шагов за одинаковые промежутки времени), то между ними может еще происходить синхронизация фазы, когда все начинают шагать одновременно. Именно синхронизацию фазы обычно называют основной неучтенной причиной при проектировании, которая приводит к возникновению резонансных колебаний на реальных мостах. Несмотря на актуальность проблемы, все предыдущие модели, описывающие такой механизм, не могли объяснить пороговый эффект такого явления: при числе пешеходов меньше критического мост почти не раскачивается, но как только количество пешеходов, шагающих в ногу, превысит определенное значение, наблюдается резкое увеличение амплитуды поперечных колебаний.

 

Группа физиков из США и России под руководством Игоря Белых (Igor Belykh) из Университета штата Джорджия предложила новую модель, которая, помимо остальных параметров, учитывает и биомеханику человеческого тела в момент совершения шага. В рассматриваемой системе сам мост является колебательной системой, в которой под действием шагающих пешеходов возникают затухающие вертикальные колебания. Для описания шагающего человека рассмотрели две биомеханические модели (более полную и ее упрощенный аналог), которые учитывают, что в ответ на вертикальное колебание моста человек наклоняется в сторону и возбуждает таким образом поперечные колебания.

 

Схема рассматриваемой физической системы. Слева изображен мост, в котором шагающие пешеходы возбуждают его колебания, справа — человек, который реагирует на движение моста, вызывая тем самым его поперечные колебания (I. Belykh et al./ Science Advances)

 

Точного аналитического решения для полученной системы уравнений нет, поэтому для нахождения решений авторы работы использовали численные методы. В отличие от всех предыдущих, предложенная модель привела к возникновению порогового эффекта. Если все пешеходы шагают в ногу, то при увеличении числа людей на мосту может внезапно возникнуть неустойчивость. Для подтверждения работы модели, физики проверили ее для описания раскачивания лондонского моста Миллениум, для которого даже известно точное количество человек, которое приводило к резонансу — 165.

 

При этом такой же эффект наблюдался и в случае, когда частота шага у разных пешеходов немного варьировалась, что еще сильнее приближает модель к реальности. Кроме того, оказалось, что наличие синхронизации фазы критично только для колебания очень тяжелых мостов (как тот же мост Миллениум, который весит около 130 тонн) с большой амплитудой. Возбуждение же колебаний с маленькой амплитудой возможно даже без синхронизации фазы. Такие случаи тоже наблюдались в реальности, и одним из возможных механизмов возбуждения колебаний даже единственным источником ученые называют смену скорости шага при движении по мосту.

 

В своей работе физики выразили надежду, что предложенная ими модель будет в дальнейшем использоваться для более точного проектирования безопасных подвесных и пешеходных мостов.

 

Для диагностики повреждений, которые появляются на крупных мостах, сейчас используются различные методы, основанные на исследовании механических характеристик и выявлении дефектов с помощью ультразвука. Недавно для осмотра мостов, в том числе и их подводных частей, начали использовать дроны.

 

3. IBM построила 50-кубитный квантовый компьютер

Корпорация IBM объявила о создании прототипа 50-кубитного квантового компьютера. Об этом на саммите Института инженеров электротехники и электроники (IEEE Industry Summit on the Future of Computing) сообщил исполнительный директор IBM Дарио Гил (Dario Gil), подробнее о разработке можно прочитать в пресс-релизе компании.IBM

IBM

 

Квантовые компьютеры отличаются от классических тем, что используют для вычислений особый тип битов — кубиты, которые могут одновременно находиться в нескольких состояниях. Это позволяет разрабатывать более эффективные алгоритмы вычислений (например, гораздо быстрее раскладывать числа на простые множители), причем эффективность квантового компьютера тем больше, чем больше кубитов в него входит. Некоторые ученые считают, что для обеспечения превосходства квантового компьютера над обычным достаточно уже 50 кубитов. К этому пределу сейчас подбираются исследователи из различных групп.

 

Например, в июле этого года группа ученых под руководством Михаила Лукина, сооснователя Российского квантового центра и профессора Гарварда, сообщила о создании квантового компьютера, оперирующего 51 кубитом на холодных атомах рубидия. Тогда исследователи не только показали, что их компьютер работает, но и предсказали новый эффект в модели Изинга. Мы кратко сообщали об этом событии, более подробно о нем можно прочитать в нашем материале «Пятьдесят кубитов и еще один». Также о планах построить 49-кубитный компьютер заявляла группа ученых из Google под руководством Джона Мартиниса.

 

Криостат IBM, подключенный к 50-кубитной системе (IBM)

 

Теперь о создании 50-кубитного квантового компьютера сообщила и IBM. Впрочем, подробной информации о своей разработке они не раскрывают. Известно только то, что в этом компьютере 50 сверхпроводниковых кубитов и что время когерентности системы (грубо говоря, время, в течение которого можно производить вычисления) достигло 90 микросекунд, что почти в два раза больше, чем у предыдущей модели. Тем не менее, пока сложно сказать, превосходит ли созданная ими система классические вычислители или разработку группы Лукина.

 

Схема архитектуры 50-кубитного компьютера IBM (IBM)

 

Также IBM представила 20-кубитную систему IBM Q с облачным доступом. Это улучшение уже существующей системы с процессорами из пяти и шестнадцати кубитов, доступ к которым был запущен весной 2016 года. На этих системах успело поработать уже более 60 тысяч пользователей, которые поставили около 1,7 миллионов экспериментов.

 

Подробно прочитать о том, что такое квантовые компьютеры и чем они полезны, вы можете в нашем материале Квантовая азбука: «Компьютер». А о том, как ученые исправляют ошибки, возникающие при вычислениях на квантовых компьютерах — в недавней новости.

 

4. Физики переключили скирмионы-мишени

Группа физиков впервые экспериментально получила скирмионы-мишени, устойчивые даже при отсутствии внешнего магнитного поля. В статье, опубликованной в Physical Review Letters, ученые показали, что у таких скирмионов есть два устойчивых состояния, переключаться между которыми можно как раз с помощью магнитного поля.

Спиновая структура скирмионов-мишеней с двумя различными направлениями вихрей (F. Zheng et al./ Physical Review Letters, 2017)

 

Для повышения устойчивости скирмионов — наноразмерных магнитных вихрей, которые возникают в некоторых магнитных материалах — обычно используется внешнее магнитное поле. В недавних теоретических работах ученые предсказывали возможность образования в нанодисках из таких материалов необычных скирмионов — скирмионов-мишеней (target-skyrmions), — в которых сам круговой скирмион окружен дополнительным кольцом из спинов, закрученных в противоположном направлении. Поскольку поле внешнего кольца противоположно полю самого скримиона, то такое образование устойчиво даже без внешнего поля. Такие скирмионы, в отличие от всех остальных, имеют два устойчивых состояния с разными направлениями магнитных вихрей, и поэтому они могут быть использованы для создания запоминающих устройств. Тем не менее, экспериментально такие скирмионы до настоящего дня получить не удавалось.

 

Группа физиков из США и Китая под руководством Цзядуна Цзана (Jiadong Zang) из Университета Нью-Гэмпшира и Хайфэна Ду (Haifeng Du) из Китайского университета науки и технологий смогла впервые получить скирмионы-мишени экспериментально и визуализировала изменение их конфигураций при изменении внешнего магнитного поля. Для этого с использованием сфокусированного пучка электронов физики создали нанодиски из хирального магнитного материала FeGe диаметром 160 нанометров и толщиной около 90 нанометров в матрице состава PtCx.

 

Чтобы проследить за динамикой изменения вихревых магнитных структур в таких дисках при увеличении внешнего поля до 500 миллитесла, авторы работы использовали внеосевую электронную голографию. Оказалось, что при отсутствии внешнего магнитного поля в таком нанодиске действительно формируется скирмион-мишень, в котором вихревая спиновая структура закручена либо по часовой стрелке, либо против.

 

Намагниченность скирмионов-мишеней двух возможных конфигураций (F. Zheng et al./ Physical Review Letters, 2017)

 

Поскольку направление закрученности вихря зависит от направления спинов в центре скирмиона, внешнее магнитное магнитное поле можно использовать для изменения состояния скирмиона. Так, при увеличении поля до примерно 200 миллитесла у скирмиона, изначально закрученного по часовой стрелке, происходит постепенное перестроение конфигурации, и направление вихря сменяется на противоположное.

 

При этом одинаковое поле на скирмионы двух типов действует по-разному. Если направление внешнего поля совпадает с направление намагниченности в центре скирмиона, то это приводит лишь к небольшому искажению его структуры и постепенному разрушению. Если же направления противоположные, то внешнее поле становится причиной смены состояния.

 

Данные электронной голографии при изменении состояния скирмиона первого типа при наложении внешнего магнитного поля (F. Zheng et al./ Physical Review Letters, 2017)

 

В процессе «переключения» в качестве промежуточных стадий образуются сложные структуры, состоящие из нескольких концентрических колец с чередующимся направлением магнитных вихрей, что согласуется с теоретическими расчетами и данными численного моделирования. Таким образом ученым удалось показать, что создание скирмионов с двумя устойчивыми состояниями возможно и без внешнего магнитного поля, а также предложили способ для их переключения. По словам авторов работы, полученные результаты подтверждает перспективность использования магнитных скирмионов для хранения информации.

 

Данные электронной голографии при изменении состояния скирмиона второго типа при наложении внешнего магнитного поля (F. Zheng et al./ Physical Review Letters, 2017)

 

Ранее физики показали, что возбуждать и удалять скирмионы можно, например, с помощью механического воздействия. А для изменения их формы и положения внутри кристалла можно использовать с бомбардировку ионами аргона.

 

5. «Магичность» никеля-78 доказали двумя разными способами

Ученые из двух исследовательских групп показали, что ядро никеля-78 действительно является «дважды магическим». Для этого физики из одной группы светили на ядра 79Cu гамма-лучами, а из другой — измеряли массу ядер изотопов 75-79Cu. Статьи исследователей одновременно опубликованы в Physical Review Letters.

A. Welker et al / Phys. Rev. Lett.

 

В ядерной физике важную роль играют так называемые «магические числа» — числа, при которых нейтронная или протонная (или обе сразу) оболочки в атомах оказываются полностью заполненными. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами энергия связи оказывается гораздо больше, чем энергия присоединения еще одного нуклона, поэтому они отличаются большей стабильностью по сравнению со своими «соседями» в таблице нуклидов. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, ядра 16O или 208Pb.

 

Однако «магические числа» являются только некоторым приближением к реальности, и в действительности не все ядра с такими числами показывают повышенную стабильность. Например, в некоторых экспериментах ученые наблюдали, что «магичность» чисел Z = 20 и N = 28 исчезает, и они заменяются числами Z = 14, 16 и N = 32, 34 соответственно. Более того, в некоторых случаях возникают «острова инверсии», в которых порядок ядерных оболочек расположен нестандартно, из-за чего их стабильность тоже находится под вопросом. Сейчас внимание исследователей сфокусировано на проверке «магичности» чисел Z = 20, N = 58, которые соответствуют изотопу 78Ni. До сих пор этот изотоп не был получен в лаборатории в достаточных для исследования его свойств количествах, поэтому ученым приходится искать обходные пути.

 

В данных двух работах физики по-разному обошли эту проблему. В первой группе, возглавляемой Луи Оливье (Louis Olivier), ученые исследовали с помощью гамма-спектроскопии ядра 79Cu, полученные в результате бомбардировки протонами ядер изотопа 80Zn. Одновременно с этим они численно рассчитали предполагаемый спектр с помощью метода Монте-Карло в оболочечной модели ядра 79Cu, предполагая, что его можно представить как ядро 78Ni с дополнительно добавленным протоном. В случае если никель-78 является «дважды магическим», такое приближение должно хорошо работать, поскольку энергия связи нуклонов в нем должна быть намного больше, чем энергия связи дополнительного протона. И действительно, полученные двумя способами спектры совпали. Из этого авторы сделали вывод, что никель-78 в самом деле является «дважды магическим».

 

Спектр ядер 79Cu в гамма-лучах. Черным показаны экспериментально снятые точки, красным — найденная численно зависимость (L. Olivier et al / Phys. Rev. Lett.)

 

С другой стороны, ученые из CERN под предводительством А. Велкера (A. Welker) исследовали распределение масс богатых нейтронами ядер изотопов меди 75-79Cu, пойманных в ловушки Пеннинга. Они также численно смоделировали предполагаемое распределение с учетом недавно разработанного способа описания взаимодействия в ядре PFSDG-U и более старого JUN45. Более новый способ лучше описывал экспериментальные данные и указывал на дважды магическую структуру ядра 78Ni. Кроме того, авторы отмечают, что полученное ими распределение масс изотопов свидетельствует о существовании нового острова инверсии в диапазоне Z < 28.

 

Энергия отделения нейтрона от ядер изотопов никеля, меди и цинка в зависимости от числа входящих в них нейтронов. Сплошными линиями показаны данные вычислений, кружками с заливкой — данные старых экспериментов, пустыми кружками — данные нового эксперимента (A. Welker et al / Phys. Rev. Lett.)

 

Тем не менее, это только косвенные доказательства «магичности» никеля-78. Следующим шагом в доказательстве этого факта было бы прямое измерение массы ядра или его непосредственная гамма-спектроскопия. В настоящее время экспериментально удалось измерить только период полураспада этого элемента, который составил около 120 миллисекунд, что, кстати, тоже может считаться аргументом в пользу «магичности».

 

Ранее мы писали о том, как физики нашли «пузырек» в центре ядра кремния-34, обладающего магическим числом нейтронов.

 

По материалам Газета.ру (1) и N+1 (2, 3, 4 и 5)

#естественные_науки, #наукороссия

Чтобы оставить комментарий, вам нужно авторизоваться
с помощью аккаунта в соц.сети
Включите премодерацию комментариев
Все комментарии к этому посту будут опубликованы только после вашего подтверждения. Подробнее о премодерации