Стивен Кинг – МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ №2, 2018(24) (страница 52)
Второй прибор на борту InSight – это зонд HP3 для измерения теплового потока и физических свойств. Он пробурит 5-метровую скважину в поверхности Марса, чтобы следить за изменениями температуры под поверхностью планеты. Это первая скважина такой глубины на Марсе. Измерения определят, как быстро изменяется температура с глубиной: энергия, заложенная при формировании планеты, медленно покидает недра, и, в зависимости от состава коры, это происходит быстро или медленно (в планетарном масштабе, конечно же). На основе данных, которые соберут SEIS и HP3, мы сможем определить, сформированы Земля и Марс из одного и того же материала, или нет.
Третий прибор называется RISE, он будет отслеживать отклонения Марса от орбиты с точностью до сантиметров. Дело в том, что каждая планета немного «колышется» по отношению к своей орбите. Причиной этому служит гравитационное воздействие других комет и космических объектов. Мы знаем, что период таких колыханий Земли составляет 18 лет, а на Марсе – всего один марсовый год (примерно 2 земных).
RISE будет регулярно обмениваться сигналами с Землей, и зная, насколько изменилась частота принятого сигнала за счет эффекта Допплера, можно рассчитать, насколько Марс отклонился от своей орбиты (частота сигнала зависит от скорости объекта, принимающего этот сигнал. Типичный пример эффекта Допплера: когда машина с сиреной проезжает мимо вас, частота звука меняется по мере приближения и удаления машины).
С помощью этой информации можно будет определить размер, состав и физическое состояние ядра планеты, ведь в зависимости того, жидкое оно или твердое, Марс должен по-разному реагировать на гравитационные «приветы» своих соседей (так же как яйцо вкрутую и яйцо всмятку будут крутиться по-разному).
В результате миссии мы должны узнать много нового о внутреннем устройстве Марса и о самом процессе формирования планет. Скорее всего, скоро нам придется снова перепечатывать детские энциклопедии и учебники.
Звуковой чип для квантового компьютера
Физики предлагают использовать в квантовом компьютере акустические колебания и утверждают, что это сделает его компактнее и надежнее.
В работах по созданию квантовых компьютеров традиционно используется микроволновое электромагнитное излучение (фотоны). Однако не так давно появилось альтернативное направление, на основе акустических волн (фононов). Несмотря на то, что квантовоакустический подход пока развит значительно слабее микроволнового, у него есть преимущества, которые могут пригодиться в будущем.
Физики из МФТИ, МИСиС, МГПУ и Лондонского университета разработали квантовую систему, в которой кубит (наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере) взаимодействует с акустическими волнами в резонаторе. Их исследование демонстрирует, что явления и эффекты квантовой оптики работают на акустике, и позволяет использовать в будущем подобные устройства для разработки квантовых компьютеров. Статья с результатами опубликована в Physical Review Letters.
Авторы работы изучали взаимодействие трансмона – одного из видов сверхпроводящих кубитов – с поверхностными акустическими волнами в резонаторе. Эти волны подобны волнам на поверхности моря, но возникают они на поверхности твердого тела.
Собранный чип представляет собой пьезоэлектрическую подложку из кварца, на которую напылена алюминиевая схема из трансмона, резонатора (два зеркала, отражающие волны), излучателя и приемника. Все эти устройства состоят из больших массивов узких металлических полос. Конструкцию поместили в криостат, охлажденный до нескольких десятков милликельвин, то есть до температуры, близкой к абсолютному нулю.
Пьезоэлектрик – материал, преобразующий электромагнитное воздействие в механическое и наоборот. Источник порождает на пьезоэлектрике поверхностную акустическую волну, которая бежит между зеркалами резонатора, отражаясь от них. Резонатор поддерживает и усиливает волны определенных длин. Внутри резонатора находится трансмон с двумя энергетическими уровнями. Между этими уровнями может происходить переход, то есть трансмон ведет себя как искусственный атом.
Кубит взаимодействует с волнами в резонаторе. Он может переходить в возбужденное или основное состояние, поглощая из резонатора энергию или излучая в него энергию с частотой, равной частоте перехода кубита. При этом резонансная частота самого резонатора изменяется в зависимости от состояния кубита. Измеряя характеристики резонатора, можно производить чтение информации с кубита.
Скорость распространения акустических волн в 100 тыс. раз меньше скорости света, следовательно, и длины получающихся волн во столько же раз меньше. Размер резонатора должен «подходить» под длину волны. На практике он должен быть значительно больше ее. А чем больше резонатор, тем больше в нем оказывается дефектов, которые всегда присутствуют на поверхности кристалла. Эти дефекты приводят к короткому времени жизни состояния кубита, что мешает производить масштабные квантовые вычисления и тормозит создание квантового компьютера. В микроволновой квантовой системе длина волны будет составлять в лучшем случае около одного сантиметра. В случае с акустикой длина волны составляет около 1 микрометра (1 мкм = 10-6 м), что позволяет делать высокодобротные резонаторы размером 300 мкм. В данной работе длина волны равна 0.98 мкм.
Из-за большой длины волны в микроволновый электромагнитный резонатор сложно поместить даже два кубита, которые бы взаимодействовали с ним на разных частотах. Поэтому в микроволновом случае для каждого кубита приходится делать отдельный резонатор.
В акустике можно сделать несколько кубитов, немного отличающихся по частоте перехода, и разместить их в одном механическом резонаторе. Поэтому квантовый чип на звуковых волнах должен быть гораздо компактнее тех, что производят сейчас. К тому же акустические устройства не чувствительны к электромагнитному шуму, что может решить проблему чувствительности к нему микроволновых квантово-вычислительных систем.
Ранее никто не связывал кубит с резонатором на поверхностных акустических волнах в квантовом режиме. Были отдельно изучены резонаторы такого типа, но без кубита, и отдельно кубиты с поверхностно акустическими волнами, но бегущими, не в резонаторе. На объемных резонаторах квантовый режим был показан, но дело дальше не пошло, возможно, из-за сложности производства. В данной работе исследователи использовали однослойную структуру, которую проще изготовить с помощью имеющихся технологий.
Исследование было выполнено в лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.
Графен раскрывает секреты
Разгадка причин Оже-рекомбинации электронов и дырок в графене делает возможной создание лазеров на его основе.
Кристаллическая структура графена представляет собой двумерную гексагональную кристаллическую решетку. Носителями заряда в полупроводнике служат электроны и дырки. Встретившись, они взаимно уничтожают друг друга, что физики называют рекомбинацией. Электрон при этом теряет энергию, судьба которой может быть различной.
Рекомбинация электрона и дырки с излучением света составляет принцип работы полупроводникового лазера, основного прибора современной оптоэлектроники. Но излучение – не единственный возможный исход. Часто освобождающаяся энергия идет на раскачку соседних атомов, или подхватывается пролетающим мимо электроном. Последний процесс называется Оже-рекомбинацией. Он назван в честь французского физика Пьера Оже, исследовавшего эти процессы.
Разработчики лазеров стремятся усилить излучение света при столкновении электрона и дырки и ослабить все другие процессы, в том числе и Оже-рекомбинацию, которая губительна для полупроводниковых лазеров, так как забирает себе энергию, которая могла бы стать светом.
Физики из МФТИ и университета Тохоку (Япония) объяснили парадоксальное явление Оже-рекомбинации в графене, которое в этом двумерном материале с одной стороны считалось запрещенным фундаментальными физическими законами сохранения импульса и энергии, а с другой упорно наблюдалось в экспериментах. Теоретическое обоснование этого процесса представляло до недавнего времени одну из сложнейших загадок физики твердого тела. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.
В 1928 году Поль Дирак теоретически предсказал, что у электрона существует двойник, не отличающийся ничем, кроме знака электрического заряда. Эту частицу, названную позитроном, вскоре открыли экспериментально. Спустя несколько лет физики осознали, что носители заряда в полупроводниках – кремнии, германии, арсениде галлия и многих других — ведут себя подобно электронам и позитронам. Электроны и дырки тоже могут взаимно уничтожаться с высвобождением избытка энергии.
Математически законы сохранения выглядят схожим образом для электрон-дырочных пар в графене и для электрон-позитронных пар в теории Дирака. Запрет рекомбинации электрона и позитрона с передачей энергии третьей частице был известен очень давно. Это означало, что Оже-рекомбинация в графене тоже должна быть запрещена законами сохранения импульса и энергии.
Однако в графене эксперименты упорно демонстрировали быстрое взаимное исчезновение частиц и античастиц, электронов и дырок. По всем внешним проявлениям это исчезновение шло по сценарию Оже. Более того, время исчезновения пар в эксперименте составляло менее пикосекунды, и это в сотни раз быстрее, чем в используемых сейчас оптоэлектронных материалах. Эксперименты предрекали огромные трудности в реализации лазера на основе графена, которую предложил один из авторов работы, выпускник МФТИ, Виктор Рыжий.