Новости науки. Двумерные материалы, состоящие всего-лишь из одного слоя атомов, - например графен - давно стали обыденностью в науке. Но что будет, если взять два графеновых листочка и положить их друг на друга? Тогда электроны в материале будут взаимодействовать не только со своими товарищами в плоскости, но и испытывать воздействие соседнего слоя. Более того, оказывается, что если начать поворачивать один слой относительно другого, материал может начать вести себя совершенно необычным образом. Например, при определенном угле, называемом магическим, в системе из двух слоёв графена возникает сверхпроводимость - электроны могут двигаться в материале, не испытывая никакого электрического сопротивления. Этого никогда не происходит в однослойном графене.

Такое поведение уже само по себе очень интересно, но учёные из Брауновского университета пошли дальше и поместили двуслойный графен на подложку из диселенида вольфрама - материала, который запутывает электроны в графене ещё сильнее, наделяя их так называемым спин-орбитальным взаимодействем, при котором электрон начинает взаимодействовать с собственным квантовым спином. Оказалось, что при этом двуслойный графен не только становится сверхпроводящим, но и приобретает магнитные свойства! И это удивительно, ведь обычно сверхпроводимость и магнетизм лежат по разные стороны спектра свойств твёрдых тел, почти никогда не встречаясь в одном и том же веществе. Вполне возможно, что подобные заигрывания со свойствами электронов в двумерных системах лягут в основу следующих поколений электронных устройств.

Исследование опубликовано в Science 6 января 2022 года.

#news

APOD. Луна тоже немножко комета! Оказывается, что Луна, подобно кометам, формирует свой собственный хвост из ионов натрия, отбрасываемый в направлении, противоположном солнечному. Натрий составляет значительную часть очень разреженной лунной атмосферы - он выходит из лунного грунта под действием солнечной радиации и метеоритных ударов. Впоследствии, нейтральные атомы натрия ионизуются солнечным ветром и им же уносятся в космическое пространство. Всё это создаёт выраженный натриевый хвост, который можно наблюдать с Земли в период новолуния. Естественно, глазом его не увидеть, но он легко детектируется оборудованием, настроенным на излучение натрия. Когда этот поток взимодействует с Землей, собственная гравитация нашей планеты конденсирует его в узкий вторичный хвост, который тоже легко обнаружить. Подобные хвосты можно заметить и у других небесных тел без атмосферы, например, у Меркурия.

#apod

Научная статья. "Мы изучаем этику не затем, чтобы знать, что такое добродетель, а чтобы стать добродетельными, иначе от этой науки не было бы никакого проку." (с) Аристотель, Никомахова этика.

Если великий мыслитель прав, то логично предположить, что философы, профессионально занимающиеся этикой, более этичны, чем средний человек. Так ли это, решил выяснить Эрик Швицгебель в исследовании "Воруют ли этики больше книг?". Посещая библиотеки в США и Британии, он заметил, что многие книги по этике отсутствуют на полках. Заинтересовавшись, он провёл статистическое исследование, сравнив, как часто читатели не возвращают узкоспециализированные философские труды по этике по сравнению с прочими книгами. Он логично предположил, что подобные произведения берутся в основном профессорами, преподающими этику, и их студентами. С удивлением обнаружилось, что книги по этике очень неэтично воруются на 50% чаще среднего! Ученый не стал делать скоропалительных выводов и выдвинул целый ряд возможных объяснений этому явлению. Быть может, философы-этики просто более рассеяны, забывая вернуть книги? Или они бедны и не могут себе позволить купить труд в постоянное пользование? А может наоборот - чересчур богаты и готовы заплатить штраф? Или всё просто, и изучение этики просто не делает человека этичным?

Как бы то ни было, в статье, опубликованной в Philosophical Psychology в 2009 году, автор отмечает непосредственно, что по одному факту отсутствия книг далекоидущие выводы обо всех этиках делать не нужно.

#paper

Явление. Физикам из Токийского университета впервые в истории удалось зафиксировать на видео рост кристалла с атомарным разрешением в реальном времени.

Для экспериментов использовался модифицированный просвечивающий электронный микроскоп, наблюдавший динамику раствора поваренной соли (NaCl). События ролика происходят в конической нанотрубке - трубочке из атомов углерода, которая используется для локализации раствора. Хорошо видно, как в определённый момент в растворе возникает упорядоченная кубическая структура солевого кристалла, растущая и перемещающаяся.

Ученые научились фотографировать атомы довольно давно, но наблюдать их динамику в реальном времени, да ещё и при комнатной температуре - такого до этой работы никому не удавалось. Временное разрешение (интервал времени между двумя кадрами) для такого микроскопа составляет 20 мс, а пространственное - 0.1 нм.

Работа опубликована в Journal of the American Chemical Society 21 января 2021 года.

#effect

Новости науки. Когда мы говорим про куперовские пары, на ум сразу приходят сверхпроводники. Куперовская пара это система из двух электронов, которые ведут себя, как одна частица. Как часто бывает, целое в этом случае значительно отличается от простой суммы частей - куперовские пары обладают принципиально отличными от электронов свойствами. Электроны относятся к классу частиц, называемых фермионами. Их квантовемеханические свойства таковы, что два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Именно благодаря этому могут существовать все атомы сложнее водорода. Электроны в них как бы залазят друг другу на головы, а не просто сваливаются в самое нижнее состояние. Однако, когда два электрона соединяются вместе, образовавшаяся куперовская пара принадлежит к другому классу частиц - бозонам, а вот они уже умеют коллективно находиться в одном квантовом состоянии. Именно это происходит в сверхпроводниках - при определенной, обычно достаточно низкой температуре электроны спариваются, образуют бозоны, проваливаются в основное квантовое состояние, благодаря чему становятся способны проводить ток без сопротивления (полноценной теории сверхпроводников до сих пор не существует, поэтому как именно это всё происходит, не понимает никто в мире).

Обычно образование куперовских пар всегда связано с переходом в сверхпроводящее состояние. И только недавно стали появляться свидетельства, что куперовские пары могут проводить ток обычным образом. Так, физики из Брауновского университета взяли популярный высокотемпературный сверхпроводник - оксид иттрия-бария-меди (YBCO) - и покрыли его наноскопическими отверстиями, что удивительным образом помогло куперовским парам образоваться при более высокой температуре, при которой сверхпроводимости ещё не наблюдается. Таким образом, вещество продолжает проводить ток с сопротивлением, но делает это уже с помощью куперовских пар.

Более того, такое вещество ведёт себя несколько необычным образом - оно относится к классу так называемых "странных металлов". Это официальный термин, который полностью соответствует своей сути - почему странные металлы ведут себя так, как ведут, тоже никто не понимает. Сопротивление обычных металлов повышается с ростом температуры, но до определенного предела, а у странных металлов это почему-то происходит линейно во всём температурном диапазоне.

Работа опубликована в Nature 12 января 2022 года.

#news

Изображение. Слово "квантовый" является почти что синонимом "загадочный". Но знаете ли вы, что необычное поведение квантовых частиц можно довольно легко моделировать с помощью систем привычного нам мира? Эксперименты такого типа называются "квантовыми аналогами" - это скорее демонстрации, попытки визуализировать явления квантового мира.

Один из таких квантовых аналогов можно реализовать с помощью обычных капелек, подвешенных над слоем жидкости. В этом эксперименте маленькие капельки из силиконового масла "левитируют" над ванной этого же масла (достигается это с помощью подачи звуковых частот - капельки как бы непрерывно отскакивают от ванны). Удивительно, но движение и взаимодействие таких капелек почти идеально моделирует поведение квантовых частиц, включая эффекты туннелирования, интерференции и много другое. Происходит это потому, что капельки (которые выступают в роли осязаемых и реальных квантовых частиц) как бы общаются друг с другом через волны, создаваемые в масляной ванне (которые дополняют капельки волновыми свойствами, реализуя корпускулярно-волновой дуализм на практике). Этот эффект даже лёг в основу одной из многих интерпретаций квантовой теории - интерпретации волны-пилота, предложенной Дэвидом Бомом в пятидесятых годах. Интерпретация эта не является общепринятой, в ней до сих пор осаётся много слабых мест, поэтому не стоит думать, что квантовый мир действительно устроен именно так.

Ну и бонусом: научно-популярное видео, объясняющее и даже демонстрирующее теорию волны-пилота на практике - тыц.

#scimage

Наука и искусство в гостях у Кристаллов. Иногда сама природа рисует весьма реалистичные пейзажи, ну, может слегка инопланетные. В этом срезе агата включения красноватого гематита (от греч. "кровавый") и чёрного, названного в честь Гёте, гётита образуют подобие леса, устремлённого в кварцевые небеса с редкими гематитовыми облаками. Изображение получено с помощью оптического микроскопа.

Агат состоит в основном из диоксида кремния, а гётит и гематит - из оксидов железа разной валентности.

#art #crystal

История науки. Астроном и популяризатор науки Карл Саган объясняет уравнение Дрейка.

Уравнение Дрейка является попыткой понять, почему в огромной вселенной мы не видим никаких следов деятельности разумной жизни. Смысл его довольно прост - мы берём условия, которые необходимы для зарождения разума, и перемножаем их вероятности друг с другом, чтобы оценить итоговую вероятность появления разумной жизни. Условиями же являются подходящая звезда, подходящая планета, вероятность зарождения примитивной жизни, разума и время его существования, в течение которого он мог бы вступить с нами в контакт. С момента своего появления уравнение Дрейка нещадно критикуется за мутность и неоднозначность оценок. Пусть оно останется символом попыток найти ответ на один из важнейших вопросов, стоящих перед нами.

Саган, кстати, помимо научной и просветительской деятельности, написал прекрасный художественный роман "Контакт", по которому снят одноимённый фильм. Оба произведения мы бесконечно советуем к ознакомлению.

#scihistory

APOD. Луна, как и большинство небесных тел, движется вокруг Земли не по идеальной круговой, а по слега вытянутой эллиптической орбите. Из-за этого расстояние до неё меняется от примерно 356 до 407 тысяч километров в течение лунного месяца. И это, конечно же, отражается на её видимом размере.

На представленном изображении сделано сравнение видимого размера каждой полной Луны 2021 года. Для каждого месяца указано расстояние до Земли, угловой размер Луны в угловых минутах и поэтическое название соответствующего лунного месяца. Самое большое полнолуние наблюдалось в мае, а самое маленькое в декабре.

Человечество научилось измерять расстояние до Луны с точностью до нескольких миллиметров, благодаря использованию специальных отражателей для лазерного света, установленных лунными миссиями. В частности, благодаря этому мы знаем, что Луна постоянно удаляется от Земли со скоростью около 4 см в год. Происходит это из-за того, что Земля постоянно отдаёт ей энергию через приливные силы.

#apod

Новости науки. Сколько черных дыр во вселенной? Мы знаем, что в центре многих галактик находится сверхмассивная черная дыра. Их легко обнаружить, так как они оказывают колоссальное влияние на окружающее пространство за счет своего размера. Гораздо сложнее обстоит вопрос с черными дырами звёздных масс, от нескольких до сотни солнечных, образующихся при коллапсе звёзд в конце их жизненного пути. Они довольно малы и часто малоактивны, поэтому обнаружить их и вычислить их количество довольно непросто.

В попытке разрешить эту и другие загадки черных дыр ученые из итальянского института передовых исследований (SISSA) построили модель, предсказывающую формирование и эволюцию черных дыр звёздных масс на протяжении всей истории вселенной. Модель построена на использовании кода SEVN (Stellar EVolution for N-bodies), рассчитывающем динамику и эволюцию звёздного населения и сделавшем уже много успешных предсказаний о распределении вещества во вселенной.

По результатам моделирования выяснилось, что количество небольших черных дыр звёздных масс может быть гораздо больше, чем предполагалось ранее - их плотность может достигать 1% от всего барионного вещества вселенной (то есть, условно, примерно каждая сотая звезда), а общее их количество в видимой вселенной составляет около 40 x 10^18 штук (четвёрка с девятнадцатью нулями). А это значит, что черные дыры могут быть гораздо ближе к нам, чем мы думаем.

Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal 12 января 2022 года.

#news

Явление. Агрегатное состояние воды (как и любого другого вещества) зависит от температуры и давления. Так, если повышать температуру, то вода из твёрдого тела превратится в жидкость, а затем в газ. Аналогично, при повышении давления может наблюдаться переход от газа к жидкости или к твёрдому состоянию. Эти свойства обобщаются с помощью фазовых диаграмм (для воды - тыц) - графиков с температурой и давлением по осям, в каждой точке которых обозначается то состояние, которое жидкость принимает при данных температуре и давлении. Линии соответствуют фазовым переходам - затвердеванию, испарению и т.д.

На фазовой диаграмме воды есть совершенно особенная точка, в которой все три агрегатных состояния сливаются воедино. Она называется тройной точкой и наблюдается при температуре 0.01 градуса и давлении 0.006 атмосфер. При этих параметрах вода находится одновременно во всех трёх агрегатных состояниях. Соответственно, одновременно же происходят процессы затвердевания, плавления, кипения и возгонки.

#effect

Изображение. Телескопы. Южный полярный радиотелескоп с диаметром зеркала 10 метров, установленный аккурат на Южном полюсе вблизи антарктической станции Амундсен-Скотт. Зачем же тащить телескоп прямо на южный полюс, спросит наш любознательный читатель? На самом деле, преимуществ весьма много. Круглогодично низкие температуры снижают амплитуду электронных шумов и вымораживают из воздуха влагу, которая хорошо поглощает те самые длины волн, к которым чувствительна антенна. А длинные полярные ночи позволяют избежать солнечных засветок.

Телескоп регистрирует космическое микроволновое излучение, приходящее из южной полусферы, а основной его задачей является поиск далёких галактик. Но с момента введения в работу в 2007 году он совершил и ряд других интересных открытий. Красная подсветка используется при техническом обслуживании устройства. Телескоп, кстати, ведёт собственный блог, вот он - тыц. Правда, давно не обновляемый.

#scimage #telescope

APOD. Совершенно необычная планетарная туманность, расположенная в 4200 световых годах от нас в созвездии Пегаса. Туманность имеет форму спирали Архимеда, геометрическая точность которой беспрецендентна. Планетарные туманности образуются, когда звёзды сбрасывают внешнюю газовую оболочку ближе к концу своего жизненного цикла. Если же у такой звезды есть компаньон, то их взаимное вращение и взаимодействие с выбрасываемым газом способно прождать настолько комплексные формы. Хотя, как именно такие объекты образуются, никто точно не уверен. Туманность простирается на треть светового года, а новый виток образуется примерно каждые 700 лет, что соответствует периоду обращения компонентов двойной системы друг вокруг друга. Центральные звёзды туманности можно увидеть только в инфракрасном свете из-за окружающих плотных слоёв газа. Звезда в нижней части изображения находится гораздо ближе к нам, чем туманность. Изображение телескопа Хаббл.

#apod

История науки. Последняя доска, к которой Ричард Фейнман приложил руку незадолго до смерти в 1988 году. Теоретическая работа на доске посвящена выводу каких-то квантовомеханических свойств спинов. Один из сотрудников Калтеха признался, что именно он пытался заинтересовать старого льва своей теорией в тот день (похоже, ему это удалось).

В левом углу доски рукой Фейнмана написано "Я не могу понять того, что не способен создать". Что означает эта фраза? Фейнман делил всех ученых на афинян и вавилонян. Афиняне пытаются постигнуть суть вещей, подобно Платону, найти идеальные формы. Вавилоняне же более практичны, они задаются вопросами "Как это работает?", "Что я могу с этим сделать?". Сам Фейнман относил себя именно к вавилонянам. И наполнил вавилонской практичностью и свои философские изречения.

Другой известный физик, Мюррей Гелл-Ман, кстати, был чистым афинянином, что приводило к постоянным спорам с Фейнманом. А ведь у них была одна секретарша. Интересная у неё, должно быть, была работа.

#scihistory

Научная статья. На сегодняшней повестке статья абсолютно серьёзная, что в этой рубрике большая редкость. Доцент Новосибирского университета Зураб Силагадзе написал большой обзор по истории развития человеческих представлений о гравитационных волнах, начиная от работ Хевисайда и Лоренца в начале 20 века и заканчивая экспериментальным обнаружением в начале века 21-го. Статья написана простым, а самое главное - русским (!) языком. Ссылка на текст - тыц.

Напомним, что гравитационные волны образуются при в общем-то любых колебаниях массы. Но так как гравитация очень слабая сила, то обнаружить мы можем только если колеблются (чаще всего это происходит при столкновении) массы поистине исполинские, например, черные дыры. К концу 2020 года человечество задетектировало гравитационные волны от уже 90 таких событий столкновения черных дыр или нейтронных звёзд.

#paper

Кристаллы. Сноп синеватых кристаллов аурихальцита диаметром 18 мм. Название аурихальцита происходит от мифического греческого металла орихалк (греч. горная медь), который римляне стали называть аурихалк (золотая медь). Согласно платоновским легендам об Атлантиде, орихалк пользовался большим почётом на этом мифическом острове, а состоял, как полагают, из цинка и меди. Аурихальцит, хоть и является не металлом, а карбонатом, тоже содержит цинк и медь, благодаря чему и получил своё название. Обычно аурихальцит находят в медных или цинковых шахтах в виде россыпи небольших кластеров (друз), покрывающих породу. Подобные крупные образования большая редкость.

#crystal

Новости науки. Бактерии любят организовываться в своеобразные колонии, называемые биоплёнками, в которых они могут общаться друг с другом через некоторое выделяемое ими связующее вещество (полимерный матрикс). Биоплёнки широко распространены в природе, присутствуя и в наших телах (например, на поверхности зубов).

Ученые заинтересовались свойствами биоплёнок в начале двадцатого века, когда стало понятно, что подавляющее большинство бактерий в природе существует именно в таком виде. Уже было обнаружено, что бактерии в биоплёнках могут передавать сигналы на большие расстояния и даже обладают своеобразной памятью.

В недавней работе биологи из Университета Сан-Диего обнаружили ещё одно интересное свойство биоплёнок - оказывается, они могут образовывать сложные пространственные структуры, в которых клетки ведут себя по-разному в зависимости от места их расположения. Ученые заставили биоплёнки образовывать концентрические кольца, состоящие из разных видов бактерий. Добиться этого удалось с помощью создания дефицита питательных веществ по мере разрастания плёнки - когда бактерии съедают всё, что им доступно, дефицит питания как бы замораживает молекулярные часы у клеток в определённой области, приводя к дифференциации клеток через механизм экспрессии генов. Короткое видео этого процесса можно посмотреть по ссылке - тыц.

Такой механизм сегментации и дифференциации уже известен, но ранее он наблюдался только у высокоорганизованных многоклеточных организмов. Новое же открытие предполагает, что клетки научились дифференцироваться значительно раньше, чем предполагалось до этого.

Исследование опубликовано в Cell 6 января 2022 года.

#news

Явление. С помощью шлирен-установок, о которых мы писали ранее, можно визуализировать не только случайные колебания воздуха, но и упорядоченные процессы, например, звуковые волны. Здесь всё немного сложнее. Звуковая волна движется через воздух со скоростью 343 м/с, поэтому без ухищрений различить отдельные колебания не получится. Чтобы этого всё же добиться, используется стробоскопический эффект - частота съёмки делается равной частоте звуковой волны, так что мы всегда видим одну и ту же (или очень близкую) фазу колебаний. В представленном видео можно увидеть, как звуковая волна распространяется от источника, а также отражается от преграды и от стенок установки.

Напомним, что звук представляет собой продольные колебания воздуха, то есть области уплотнения и разрежения создаются вдоль движения волны, а не в перпендикулярной плоскости, как, например, у электромагнитных волн.

Можно также обратить внимание на интерференцию падающей и отражённой волн в области их пересечения.

#effect