На главнуюПользователиНовые сообщенияОбратная связь
DGR.Su - Компьютерный форум Опросы, споры и мнения Точные науки Архив

Предлагаю здесь выкладывать последние открытия в физике.

Страница 4 из 5 1  2  3  4  5 
К. А. В. 1989 28.02.2013, 00:03
Нанотрубки токсичны для простейших


В статье сотрудников университета Ватерлоо в г. Онтарио (Канада), опубликованной в Nature Nanotechnology, описаны изменения, происходящие в микроорганизмах группы протисты (они же простейшие), при наличии в среде углеродных нанотрубок. Протисты - гетерогенная группа живых организмов, не относящаяся ни к растениям, ни к животным, они могут быть одноклеточными или многоклеточными. Протисты имеют размеры порядка нескольких микрометров, к ним относятся, например, амебы.
Канадские исследователи изучали протисты вида Tetrahymena thermophila, который играет важную роль в экологии водной среды, поскольку он питается бактериями и тем самым производит очистку воды путем регулирования содержания в ней бактериальных микроорганизмов.
Ученые приготовили растворы однослойных углеродных нанотрубок разных концентраций и добавили их в воду, содержащую простейшие. Результаты воздействия через три дня наблюдали с помощью оптической микроскопии. Оказалось, что нанотрубки, которые, как считалось раньше, вообще не должны растворяться в воде, способны проникать внутрь простейших и сильно влиять на их состояние. Это влияние, в зависимости от концентрации нанотрубок, может быть просто ограничением подвижности, но иногда наблюдается и гибель организмов. Однако чаще всего ученые наблюдали группирование (агрегацию) простейших. Было отмечен и один положительный фактор воздействия нанотрубок. Протисты под действием нанотрубок начинали выделять повышенное количество жидкости, содержащей белки и фрагменты клеток. Эта жидкость "склеивает" микроскопические частицы и тем самым приводит к увеличению их размера и ускорению седиментации. Вода, таким образом, быстрее очищается от взвешенных частиц.
К. А. В. 1989 28.02.2013, 00:50
Предложена новая теория формирования грозовых разрядов


Группа физиков из университета штата Пенсильвания (США) опубликовала в журнале Nature Geoscience результаты теоретического моделирования процессов формирования грозовых разрядов, которое описывает самые разные варианты проявления атмосферного электричества, в том числе и такие экзотические, как "голубые струи", которые распространяются в атмосфере снизу вверх, или "гром среди ясного неба" - случай разряда молнии в десятках километрах от основной грозовой тучи.
В предыдущих теориях образования молний основное внимание уделялось процессам образования положительных и отрицательных зарядов внутри одной тучи. В результате доминирующей теорией стала сформулированная еще в XIX веке гипотеза о перераспределении зарядов при столкновении частиц льда разных размеров.
Большой вклад в изучение молний внес многолетний эксперимент, проводимый NASA c использованием спутника TRMM. Космический мониторинг грозовых облаков дал ценнейшие результаты. За три года спутник получил изображения грозовых облаков и исследовал более 1 млн. молний.
На спутнике TRMM (сокращение от Tropical Rainfall Measurement Mission - "Программа по измерению атмосферных осадков в тропиках") была установлена оптическая камера для регистрации вспышек молний и радар, работавший в микроволновом диапазоне и позволявший измерять количество льда в облаках. Исследование NASA позволило установить однозначную корреляцию между количеством льда в облаках и интенсивностью разрядов молний, а основным выводом о природе молний стало подтверждение гипотезы о возникновении положительных зарядов за счет потери электронов на мельчайших кристаллах льда, устремляющихся с восходящими потоками воздуха в верхнюю часть облака, и отрицательных зарядов на более тяжелых частицах льда, опускающихся в нижнюю часть облака.
В новой модели, разработанной доктором Джереми Риуссетом (Jeremy Riousset) и его коллегами, впервые дается объяснение, почему молнии вообще способны покидать пределы облака - ведь, казалось бы, наиболее благоприятные условия для электрического разряда создаются именно внутри него. Моделирование показало, что направление, в котором будет происходить распространение разряда, зависит от исходного распределения зарядов внутри облака и их величины.
Были просчитаны также различные варианты перераспределения зарядов в разных частях облака, выявлены факторы, определяющие этот процесс. Процессы, протекающие внутри грозового облака, приводят к накоплению зарядов, расположенных по краям облака, что создает возможность для молнии отклоняться от начального направления распространения и ударять в землю в нескольких километрах от места возникновения грозы ("гром среди ясного неба").
"Голубые струи", согласно модели, возникают в результате разряда между заряженной верхней частью грозового облака и экранирующим его внешним заряженным слоем, причем разряд этого типа начинается через 5-10 секунд после возникновения резкого дисбаланса заряда внутри облака в результате обычного внутриоблачного или наземного разряда. По мнению ученых, разработанная ими компьютерная модель может использоваться метеорологами для прогнозирования типов молний, образующихся во время гроз.
К. А. В. 1989 28.02.2013, 00:55
Создан метод записи битов в ДНК


Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) может быть эффективным носителем цифровой информации, поскольку имеет большую вместимость, стабильность, устойчивость к возникновению ошибок, а также способность к естественному воспроизводству.
Значительная часть ДНК, как правило, не входит в состав каких-либо генов, что дает возможность использовать ее для кодирования посторонних данных. Размер фрагментов ДНК невелик - одна нуклеотидная пара имеет длину всего 0,33 нм, - поэтому в крайне ограниченном пространстве ДНК можно хранить большой объем информации.
Натаниель Портни (Nathaniel Portney) с коллегами из Университета Калифорнии предложили новый метод записи и извлечения цифровой информации из ДНК. Метод базируется на расщеплении молекулы ДНК с помощью ферментов рестрикции на фрагменты определенной длины. Статья, описывающая метод, называется "Length-based Encoding of Binary Data in DNA" ("Основанное на длине кодирование бинарных данных в ДНК").
Новым способом ученым удалось закодировать 12 бит данных (4 буквы по 3 бита) во фрагменте ДНК длиной 110 нуклеотидов, а затем осуществить восстановление данных. Последовательность из четырех азотистых оснований нуклеотидов (ЦТАГ) кодировала 1, а из восьми (ЦТТАГЦАГ) - 0.
Между указанными последовательностями ученые разместили сайты рестрикции. Помеченный радиоактивным фосфором участок с бинарным кодом "вшили" в ДНК. ДНК подвергли рестрикции, и затем "рассортировали" полученные фрагменты по длине методом электрофореза в агарозном геле. В результате исследователям удалось детектировать части исходного участка и восстановить бинарный код. Новый метод записи цифровой информации в ДНК не требует секвенирования, и поэтому является относительно недорогим.
lotar 06.03.2013, 01:38
Предложена модель квирков — новых элементарных частиц с необычным поведением

27.06.2008


Если попытаться разделить обычную кварк-антикварковую пару на две отдельные частицы, то между ними натягивается глюонная струна. Если струна становится слишком длинной, то она рвется, и в месте разрыва образуются новые кварк-антикварковые пары.



Если в природе существует какое-то новое силовое поле и чувствующие его тяжелые частицы, то в определенных ситуациях они могут образовывать макроскопические силовые струны, которые можно будет заметить на Большом адронном коллайдере (LHC).

В преддверии запуска Большого адронного коллайдера (он вступит в строй в конце лета 2008 года, но серьезная программа исследований на нём начнется только в 2009 году) в физике элементарных частиц сложилась не совсем обычная ситуация. С одной стороны, во всех проведенных до сих пор экспериментах Стандартная модель работала исключительно хорошо. Но с другой стороны, физики отчетливо понимают, что она не может быть окончательной теорией. Обязательно должна существовать какая-то более глубокая, более фундаментальная картина устройства нашего мира, а Стандартная модель является лишь приблизительной «проекцией» этой картины на известные сейчас частицы.

Что это будет за более глубокая теория, физики пока не знают. В отсутствие прямых экспериментальных данных дотошному теоретику открывается богатый простор для конструирования разных «надстроек» над Стандартной моделью. Какая из них относится к реальности, а какая — нет, покажет эксперимент, но пока что физики пытаются «прощупать» самые разные возможности. Условно говоря, физики хотят знать все типы теорий, которые отстоят от Стандартной модели на один-два логических шага, на одно-два предположения.

Одна из таких теорий была построена в вышедшем недавно препринте arXiv:0805.4642. Авторы этой статьи предложили модель с новыми гипотетическими частицами, названными ими квирками (quirks), которые, как выяснилось, должны обладать замечательными свойствами с точки зрения эксперимента.

Слово «quirk» было выбрано авторами из-за «игры звуков» о и и. Квирки по своему поведению похожи на кварки (а по-английски слово «quark» произносится как [kwork]), только, как будет рассказано ниже, вместо сильного (strong) взаимодействия они связаны «струнным» (string) взаимодействием.

Идея авторов этой работы проста и базируется на двух предположениях.

1) Пусть в природе существует какая-то новая сила, взаимодействие нового типа, устроенное наподобие сильного взаимодействия между кварками внутри протона. Говоря научным языком, предполагается, что это некое новое калибровочное взаимодействие с ненарушенной неабелевой симметрией.* Эту силу до сих пор никто не замечал просто потому, что известные нам частицы к ней «равнодушны» (примерно так же, как и нейтрино «равнодушны» к электрическому и магнитному полям).

2) Пусть существуют новые тяжелые частицы (это и есть квирки), которые эту силу чувствуют. Эти частицы обладают массой в области 1 ТэВ, так что они смогут рождаться на LHC, но не могли рождаться в более ранних экспериментах по причине недостаточной энергии столкновений.

Вообще говоря, идея эта не нова. Самой первой публикацией, в которой обсуждается возможность нового взаимодействия с конфайнментом на макроскопических расстояниях, является, по-видимому, статья Льва Борисовича Окуня «Тетоны», опубликованная в 1980 году в Письмах в ЖЭТФ, т. 31, стр. 156. Однако в ней были набросаны лишь самые общие черты такой модели, в то время как в обсуждаемой здесь работе (которая должным образом ссылается на статью Л. Б. Окуня) подробно разобрана динамика этой модели и возможные ее проявления в эксперименте.

Возникает вопрос: как такие квирки будут проявлять себя на LHC? Оказывается, они будут оставлять совершенно необычные следы в детекторе, и именно перечислению возникающих тут возможностей посвящена статья.

Но прежде чем браться за квирки, будет полезно напомнить, как ведут себя самые обычные кварки, сидящие внутри протона. Кварки притягиваются друг к другу за счет сильного взаимодействия, которое обеспечивает глюонное поле. Это глюонное поле обладает многими необычными свойствами, и самое замечательное из них — конфайнмент («пленение кварков»).

Конфайнмент — это явление, которое не позволяет одному кварку вырваться из окружения своих собратьев и существовать самостоятельно. Как только какая-то сила начнет вытягивать один кварк из протона (или растягивать кварк-антикварковую пару, как это показано на рис. 1), то глюонное поле перестраивается в виде силовой струны, которая в буквальном смысле натягивается между кварками. (Осторожно: описываемые здесь глюонные струны не следует путать с суперструнами или с космическими струнами!) Если сила, растягивающая кварки, невелика, то струна пересиливает ее и возвращает кварки на место. Если же растягивающая сила велика, то глюонная струна становится неустойчивой и рвется, причем на месте разрыва рождаются новые кварк-антикварковые пары. Эти кварки быстро группируются в мезоны, а мезоны уже могу! т удалиться друг от друга на любое расстояние.

Поведение гипотетической квирк-антиквирковой пары при их разделении. Между ними тоже натягивается силовая струна, но только она не может порваться, потому что квирки слишком тяжелые. В результате струна может вырасти до макроскопических размеров.



Ключевой момент: масса обычных кварков маленькая, поэтому даже несильно растянутая струна обладает достаточной энергией для рождения кварк-антикварковых пар. Именно поэтому глюонная струна не может стать слишком длинной — ей энергетически выгодней разорваться на несколько частей, чем далеко тянуться от одного кварка к другому.

Теперь обратимся к новым гипотетическим частицам — квиркам. Для них многое из описанного выше тоже справедливо. У нового взаимодействия тоже обязан быть конфайнмент (это следует из неабелевости теории), и если в каком-то жестком процессе родились и стали разлетаться квирк с антиквирком, то между ними тоже натягивается силовая струна — правда, не глюонная, а состоящая из нового силового поля.

И тут возникает важное отличие от кварков: из-за большой массы квирков струна не может разорваться (см. рис. 2). Разрыв струны мог бы произойти только с образованием квирк-антиквирковой пары, но для ее образования требуется запасти очень большую энергию в очень маленьком объеме. А струна со слабым натяжением, пусть даже и очень длинная, этого сделать не может.

С точки зрения эксперимента возникает ряд очень интересных возможностей, которые зависят от силы натяжения струны (это свободный параметр теории, который мы заранее не знаем, поэтому вольны анализировать разные случаи).

Если натяжение струны очень слабое, то она может растянуться до макроскопической длины. Получится поразительный объект — две тяжелые стабильные элементарные частицы, связанные неразрушимой силовой нитью длиной в сантиметры, метры, километры! Обычная материя эту силовую нить совершенно не ощущает, и ее присутствие можно заметить в детекторе лишь по тому, как квирк и антиквирк крутятся друг вокруг друга. На рис. 3 показаны типичные траектории этих частиц в детекторе для силовой струны длиной в метры или сантиметры.

Если же натяжение струны умеренно сильное (но всё равно не настолько сильное, чтобы разорваться), то ее размеры будут мезоскопическими — то есть много больше размеров самих частиц, но много меньше пространственного разрешения детекторов (например, порядка микрона). Тогда квирк-антиквирковая пара будет выглядеть в детекторе как одна стабильная частица, однако ее масса будет сильно меняться от случая к случаю.

Такого типа частицы физикам еще никогда не встречались в эксперименте (хотя нечто похожее — так называемые нечастицы — уже предлагалось теоретиками год назад). Авторы работы подчеркивают, что методы обработки данных, которые предполагается использовать на LHC, «не настроены» на такие возможности и вполне могут «проморгать» столь необычные объекты.

В заключение стоит подчеркнуть, что большинству физиков эта и другие подобные теории, конечно, кажутся очень экзотическими и маловероятными. Однако в их разработке есть определенная польза: они помогают осознать, в какие стороны в принципе позволительно двигаться теоретикам и какие последствия их ожидают. Опыт, накопленный при изучении таких диковинных теоретических конструкций, может оказаться полезным при построении той глубинной физической картины мира, которая придет на смену Стандартной модели.

Источник: Junhai Kang, Markus A. Luty. Macroscopic Strings and «Quirks» at Colliders // препринт arXiv:0805.4642 (29 May 2008).

Игорь Иванов

* Небольшое пояснение про неабелевы калибровочные теории. Взаимодействия частиц тесно связаны с понятием симметрии. Электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия не постулируются отдельно от частиц, а как бы сами собой возникают из требования симметричности теории относительно внутренних преобразований (то есть изменений, не связанных с перемещением в реальном пространстве). Взаимодействия, которые возникают таким образом, называются калибровочными. На языке математики симметрии описываются с помощью групп преобразований (см. Теория групп — наука о совершенстве). Есть два больших класса групп — абелевы и неабелевы. В абелевых группах результат двух последовательных преобразований не зависит от того, в каком порядке они выполняются, а в неабелевых &mdash! ; зависит. Иными словами, в неабелевой группе разные преобразования «мешают» друг другу.

Как следствие, если теория взаимодействий основана на неабелевой калибровочной группе, то разные кванты силовых полей будут «мешать» друг другу, взаимодействовать друг с другом. Неабелево силовое поле притягивает друг к другу не только частицы вещества, но и разные части самого поля. Условно можно это представить так, словно силовые линии поля притягиваются друг к другу. Именно это притяжение между силовыми линиями сильного взаимодействия и заставляет их сжиматься в струну, когда расстояние между кварками становится большим.

Всё это происходит, когда симметрия «актуальная», ненарушенная; такая ситуация имеет место, например, в теории сильных взаимодействий. Но симметрия может нарушиться за счет какого-то механизма (например, электрослабая симметрия нарушена за счет хиггсовского механизма). Доказано, что, когда калибровочная симметрия нарушается, силовое поле уже не может простираться слишком далеко, и у него пропадает способность образовывать силовые струны. Чтобы такого не происходило, в квирковой модели постулируется, что симметрия не нарушена.
К. А. В. 1989 08.03.2013, 10:20
Получен атом макроскопических масштабов


Нильс Бор предложил в 1913 г. первую теоретическую модель атома водорода, согласно которой электрон движется лишь на разрешенных орбитах вокруг атомного ядра. По аналогии с движением планет вокруг Солнца модель получила название планетарной, и до сих пор изображение с ядром и орбитами электронов вокруг него остается символом атомной науки и техники, хотя сейчас для описания движения электронов привлекаются в основном понятия квантовой механики, в частности, волновой функции.
Модель Бора оказалась очень плодотворной для физики, она смогла объяснить химические и оптические свойства атомов. Нильс Бор получил в 1922 г. Нобелевскую премию за создание планетарной модели. Казалось бы, сейчас уже нет необходимости возвращаться к этой модели, поскольку уже созданы методы расчета квантовомеханического состояния электронов в атомах и молекулах. Однако исследователи из университета Райса в Хьюстоне (США) решили продемонстрировать, что подход Бора не только имеет право на существование, но и дает возможность наблюдать атомы в макроскопическом масштабе. Их статья опубликована в последнем номере журнала Physical Review Letters.
Барри Даннинг (Barry Dunning) и его коллеги использовали предсказанную Бором возможность для электрона перемещаться с одной разрешенной орбиты на другую при поглощении энергии. Они облучали атом калия серией ультракоротких импульсов лазерного излучения и добились в итоге высоковозбужденного (близкого к состоянию ионизации) атома, размеры которого достигали 1 мм. Проф. Даннинг заявил, что из эксперимента однозначно следует вывод о том, что электроны в этом случае находятся на локализованных орбитах и ведут себя как классические частицы. Работа американских физиков, таким образом еще раз подтвердила двойственную природу микрочастиц и справедливость принципа соответствия Бора, сформулированный им в 1923 г. Согласно этому принципу, поведение квантовомеханической системы стремится к классической физике в пределе больших квантовых чисел.

P. S. Взято с CNEWS.RU, по поводу размеров атома не спрашивайте - сам удивлён.
гвоздик 08.03.2013, 18:16
добились в итоге высоковозбужденного (близкого к состоянию ионизации) атома, размеры которого достигали 1 мм.
blink
К. А. В. 1989 08.03.2013, 23:51
добились в итоге высоковозбужденного (близкого к состоянию ионизации) атома, размеры которого достигали 1 мм.
blink

Во-во, и я про тоже. Может опечатка.
К. А. В. 1989 09.03.2013, 05:03
Создан безупречный шар

В попытке заново определить эталон массы .... группа ученых создала шар высочайшей геометрической точности.


Как сообщает New Scientist, международная группа ученых разработала и создала эталон килограмма в виде шара кристаллического кремния, выполненного с недостижимой прежде точностью.
Идея создания эталона шара возникла как результат переосмысления принципов создания эталона массы - единственного на сегодняшний день эталона метрической системы мер и весов, определенного не через физические константы, но зафиксированного в виде материального предмета. В ситуации быстрого прогресса средств измерения такой метод определения эталона стал анахронизмом.
Выяснилось, что масса эталона килограмма, зафиксированного в виде гири из платины и иридия еще 120 лет назад и хранящегося в Париже, стала изменяться и уже заметно отличается .... массы 40 его собственных копий, имеющихся в разных странах мира. Природа таких изменений, и факторы, их вызывающие, не вполне понятны, однако становится ясно, что эпоха материальных эталонов осталась в прошлом.
Международная группа ученых, объединившаяся в рамках проекта «Авогадро» (Avogadro project), предложила определить килограмм через определенное количество атомов кремния, его составляющих.
Выяснилось, что это – непростая задача. Для решения задачи потребовалось попутно создать сверхточные кремниевые сферы – промежуточный этап на пути создания физически корректного эталона массы.
Для определения массы килограмма через количество атомов, его составляющих, было решено сделать образец из монокристалла чистого моноизотопного кремния (Si-28) с массой, соответствующей массе имеющегося платино-иридиевого эталона, затем определить его пространственный объем, с помощью методов рентгеновской кристаллографии определить расстояние между атомами в кристаллической решетке и, тем самым, его плотность, и вывести из них количество атомов, содержащееся в эталоне.
Для упрощения процедуры измерений решено было сделать эталон в виде сферы.
В создании эталона были задействованы российские ученые – сверхчистый кремний для них был получен путем очистки его в центрифугах, ранее использовавшихся для разделения изотопов урана. Затем сверхчистый кремний был отправлен в немецкий метрологический институт, в котором из этого кремния был выращен монокристалл. Наконец, он был превращен в сферу недостижимой прежде геометрической точности в австралийском центре сверхточной оптики.

Контроль качества поверхности шара осуществлялся посредством измерения расстояний между 60 тыс. пар точек с помощью оптического интерферометра.
В результате получился эталон массы килограмма, выполненный в виде кремниевого шара диаметром около 93,75 мм.
Качество его поверхности таково, что после увеличения шара до размеров шара земного размер шероховатости его поверхности не превосходил бы 12 – 15 мм (в реальном масштабе они не превышают 0,3 нм), а регулярные отклонения от геометрической сферы не превышали бы 2 – 3 м.
Измерения количества атомов в шаре, выполненные независимо тремя различными группами, позволили бы переопределить эталон массы и установить ошибку измерений.
Однако появится ли в результате новый эталон массы, пока неясно. Скептики утверждают, что, несмотря на очевидные технологические достижения, в данном случае один макрообъект в качестве эталона заменен другим, но суть подхода от этого не изменилась. Предполагается попытаться определить эталон килограмма через электромагнитное взаимодействие. Более подробная информация о создании нового эталона килограмма будет представлена на портале Исследования и разработки – R&D.CNews ....

P. S. Во вложениях:

Изображение шара и две статьи об этой проблеме, которые публиковались на CNEWS раньше.
гвоздик 15.03.2013, 03:08
Во-во, и я про тоже. Может опечатка.

добились в итоге высоковозбужденного (близкого к состоянию ионизации) атома, размеры которого достигали 1 мм.
blink

Я чего удивился то.. Поскольку размер атома определятся размером орбитали электрона, то предположу что в эксперименте была именно она (орбиталь) и увеличена.

Но как такое возможно? Ведь известно, что при получении внешними электронами энергии они, как правило, переходят в свободное состояние, то есть покидают атом совсем. Здесь же ничего подобного не произошло, поскольку электроны, насколько я понял, продолжали вращаться вокруг атома, и это при том, что их орбита увеличилась в n-ое (боюсь сказать какое!) число раз.idontno
ПС : хз может и опечатка :( , хотя все может быть, электрон такой баловник :D.
walrus 15.03.2013, 04:41
Там вроде реально получали такие орбиты 10000 или более. Просто электрон рядом с протоном как-то запускают, но на большой энергии, а потом ещё как-то фиксируют, видимо, по сумме энергий фотонов. Так что всё норм.
lotar 24.03.2013, 23:48
КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА: ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ, БУДУЩЕЕ
Александр Холево
Современным подросткам трудно представить себе мир без мобильных телефонов, компьютеров, цифровых фотокамер, MP3-плейеров и прочих атрибутов века информационных технологий. А между тем исторический момент, предопределивший принципиальный переход к «цифре», определяется довольно точно

Цифровая революция началась в 1948 г., когда был изобретен транзистор, открывший дорогу миниатюризации электронных устройств и радикальному снижению материальных и энергетических затрат на создание систем обработки информации (hardware). В том же году был опубликован основополагающий труд американского инженера-математика Клода Шеннона, отца теории информации, обосновавшей переход к цифровому представлению и цифровой обработке данных (software). Еще раньше появились работы нашего ученого В.А. Котельникова по основам помехоустойчивой связи, которые предвосхитили некоторые идеи Шеннона.

Сильной и в то же время слабой стороной классической теории информации, обеспечивающей ее универсальность, стало абстрагирование от содержания и природы передаваемых данных. Такую теорию интересуют лишь два аспекта: количество передаваемой информации и качество передачи. Названные характеристики связаны обратной зависимостью: чем точнее мы хотим передать сообщение при наличии помех в канале связи, тем более замедляется передача. Особое внимание в теории информации уделяется оптимальным характеристикам, таким как пропускная способность канала, т.е. максимально возможная скорость передачи при использовании кодирования-декодирования, обеспечивающего исправление ошибок, вызванных помехами.

Информация физична

Один из пионеров физической теории информации Рольф Ландауэр, долгие годы проработавший в IBM, утверждал, что информация физична, и отвлекаясь от ее физической природы, исследователь делает далеко не всегда оправданное допущение. Фундаментальный носитель информации — это электромагнитное поле, например в форме видимого света, либо радиоволны. В обычных условиях помехи при передаче сигнала обусловлены хаотическим поведением квантов поля (фотонов), которое имеет тепловую природу. Оказывается, снижение температуры до абсолютного нуля не приводит к полному исчезновению шума: на первый план выходят так называемые вакуумные флуктуации, обусловленные квантовой природой излучения. Квантовые свойства света особенно ярко проявляются в когерентном излучении лазера, которое отличается от излучения естественного теплового источника так же, как упорядоченная колонна солдат отличается от пестрой ярмарочной толпы. Уже в 1950-х гг. ученые задумались о фундаментальных квантовомеханических пределах точности и скорости передачи информации. Дальнейшее развитие информационных технологий, достижения квантовой оптики, электроники и супрамолекулярной химии, исследующей кибернетические свойства высокомолекулярных соединений, заставляет предположить, что в скором будущем такие ограничения станут главным препятствием для дальнейшей экстраполяции существующих технологий и принципов обработки информации.

Новые вопросы к старой теории

Чтобы облечь качественные выводы физиков в точную форму, потребовался синтез математических идей теории информации и квантовой механики. В 1960-х гг. уже существовали квантовая статистическая механика и квантовая теория поля, однако эти дисциплины нацелены на иной круг задач, связанных с динамикой квантовых систем. Так, в статистической механике возникает и широко используется ближайший родственник информации — энтропия, однако она выступает там лишь как термодинамическая характеристика. Информационный смысл квантовой энтропии был прояснен в работе Бена Шумахера, посвященной квантовому сжатию данных и опубликованной в Physical Reviews в 1995 г. Ближе всего к потребностям еще не родившейся квантовой теории информации была теория квантового измерения, над которой работал Джон фон Нейман. Однако она нуждалась в существенном усовершенствовании и развитии.

Любая схема передачи информации состоит из передатчика (возможно, включающего в себя устройство, кодирующее сообщения), канала связи и, наконец, приемника (вместе с возможным декодирующим устройством). Обычно все три названные компоненты описываются на языке классической физики и статистики. Посылаемый передатчиком сигнал (для простоты 0 или 1) подвергается в канале случайным помехам и может исказиться. Поэтому сигнал на выходе приемника не обязательно совпадает с посланным сигналом, а качество связи характеризуется вероятностью ошибки. Обычно требуется разработать такую конструкцию приемника, которая обеспечивала бы оптимальное обнаружение или оценивание посланного сигнала для заданного канала и метода передачи. Подобные задачи решаются методами теории статистических решений. Теория информации преследует более амбициозную цель: для заданного канала с помехами разработать такие методы кодирования и декодирования сигнала, которые позволили бы передавать за единицу времени как можно больше сообщений, практически неуязвимых для помех. Предельная максимальная скорость такой передачи называется пропускной способностью канала. Придуманы хитроумные методы исправления ошибок, которые пригодны для передачи и надежного хранения информации.
Сцепленность играет роль «катализатора», выявляющего скрытые информационные ресурсы квантовой системы, но сама по себе не позволяет передавать информацию: это означало бы мгновенную передачу на конечное расстояние

Изучать квантовые каналы связи необходимо, т.к. всякий физический канал в конечном счете является квантовым. В квантовом мире передатчик приготовляет квантовое состояние носителя информации в зависимости от поступающего сообщения. Например, передатчиком может быть лазер, который излучает либо вертикально, либо горизонтально поляризованные фотоны. Посылаемый двоичный сигнал кодируется соответствующим состоянием поля излучения. Однако в канале связи он, как правило, искажается, и на приемник поступают состояния, отличные от посланных передатчиком. Приемник осуществляет квантовое измерение той или иной физической величины, возможно, с последующей обработкой получаемой классической информации. Конечный результат такого измерения — выходной сигнал 0 или 1, дающий более или менее достоверную оценку посланного исходного сигнала, причем качество линии связи вновь характеризуется вероятностью ошибки. Аналогия с классической линией связи очевидна. Таким образом, возникает потребность в квантовой теории статистических решений и методах оптимального оценивания параметров квантовых состояний на основании результатов измерений. Очевидна и перспектива создания методов кодирования-декодирования, учитывающих квантовомеханическую природу носителя информации, которые позволяли бы компенсировать негативное влияние квантового шума. Возвращаясь к статистической механике, заметим, что такие процедуры вызывают ассоциацию со знаменитым «демоном Максвелла», создающим порядок из беспорядка, однако перед ними ставится более скромная, зато достижимая цель: сохранение островка порядка в море хаоса. Величина этого островка и определяет пропускную способность канала связи.

Пристальное рассмотрение понятия квантового измерения с информационно-статистической точки зрения привело к новому парадоксальному выводу: добавление независимого квантового шума в наблюдения позволяет увеличить количество получаемой информации. Парадокс в том, что такого никогда не бывает в классической статистике: добавление шума (рандомизация) только портит качество наблюдений. В квантовой оптике есть пример реальной измерительной процедуры, использующей независимый источник квантового шума (своего рода квантовую рулетку). Речь идет об оптическом гетеродинировании, при котором излучение, несущее информацию, складывается с опорным излучением от независимого источника. Такого рода процедура позволяет осуществить приближенное совместное измерение обеих компонент сигнала, электрической и магнитной, несмотря на то, что квантовая теория запрещает их точную совместную измеримость. С математической точки зрения такие измерения описываются переполненными системами векторов, отличными от полных ортонормированных систем (базисов) стандартной теории измерения фон Неймана. В частности, статистика оптического гетеродинирования описывается переполненной системой когерентных векторов, столь эффективно использованных в работах нобелевского лауреата Роя Глаубера. Всякую переполненную систему векторов в пространстве H можно описать как проекцию на H базиса в некотором объемлющем пространстве K, получающемся из H добавлением независимых (рандомизующих) степеней свободы. Оказалось, что переполненные системы представляют собой лишь частный случай более общего понятия вероятностной операторнозначной меры, исследованного советским математиком М.А. Наймарком еще в 1940 гг. и нашедшего естественное место в квантовой теории статистических решений, созданной в 1970–1980-х гг. ПРИРОДНЫЙ КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР

Не исключено, что в природе квантовый компьютер давно уже существует. Высказывается мнение, что элементы квантового компьютинга присутствуют в человеческом мышлении, и тогда квантовая информатика открывает новые перспективы для принципиального объяснения возможных алгоритмов мышления. Остановимся на тех особенностях человеческого мышления, которые действительно вызывают ассоциации с квантовыми закономерно-стями

1) Способность целостного восприятия информации в противоположность разложению на составляющие свойства; возможно, глаз способен принимать не только классические состояния входящего света, но и непосредственно квантовые состояния фотонов, чем и объясняются особая мощь и пропускная способность визуальных коммуникаций, а также их органическая связь с распознаванием образов

2) Сходство дополнительности между действием и размышлением и квантовой дополнительностью между положением и скоростью, на которое обращал внимание еще Нильс Бор в своих физико-философских эссе. Примечательно, что при разработке концепции квантовой дополнительности Бор исходил из уже существовавшей аналогичной концепции витализма в биологии

3) Черты сцепленности (или нелокальности), когда информация, содержащаяся в объединении подсистем некоторой сложной системы, превосходит арифметиче-скую сумму количеств информации, получаемых из подсистем

4) Феномен сознания-подсознания. Трудно удержаться от такой (конечно, крайне упрощенной) аналогии: некоммутативная алгебра квантовомеханических наблюдаемых, в которой в каждый момент времени «сканируется» некоторая доступная наблюдению коммутативная (классическая) подалгебра

5) Органическое сочетание аналоговых и цифровых методов, эффективный параллелизм обработки информации

Разумеется, эти и другие соображения, такие как наличие интуиции и свободной воли, носят косвенный характер и не влекут с неизбежностью вывода, что в мозгу человека или в нервной системе других живых существ присутствуют «квантовые микрочипы» или другие квантово-физические механизмы, ответственные за неклассические вычисления и соответствующее поведение. Но они, возможно, свидетельствуют о том, что работа мозга принципиально несводима к функциям сколь угодно совершенного и сложного классического суперкомпьютера, и тогда теоретические модели таких систем должны принимать во внимание эту неклассичность


Эффективность математики

Квантовая теория статистических решений и информации опирается на далеко идущее логическое развитие математического аппарата квантовой физики, дополненного статистической интерпретацией. Существуют и другие интерпретации, например многомировая, но все они слишком экзотичны, чтобы серьезно конкурировать со статистической, которую называют еще «минимальной», поскольку она опирается только на возможную в принципе статистику квантовых измерений и не привлекает специальных допущений о механизме возникновения этой статистики. Статистическая интерпретация настолько органично сплавлена с математической структурой квантовой теории, что возникает как бы сама собой. Те объекты гильбертова пространства, которые ранее казались чисто математическими абстракциями, благодаря статистической интерпретации становятся двойниками физических идей и понятий. Так произошло с упомянутыми выше переполненными системами и вероятностными операторно-значными мерами, так же произошло и с абстрактным понятием вполне положительного отображения из теории операторных алгебр, которое оказалось адекватной математической моделью квантового канала с шумом.

Исторически квантовая теория информации зародилась при рассмотрении фундаментальных квантовомеханических ограничений. Простейшим из них является известное с 1920-х гг. соотношение неопределенностей Гейзенберга. В 1970-е гг. были установлены более тонкие математические факты, такие как энтропийное неравенство, ограничивающее сверху количество информации, которое может быть передано носителем, подчиняющимся законам квантовой механики (например, излучением лазера). Однако в 1******0-е гг. ученые пришли к выводу, что квантовая теория не только вводит свои ограничения, но и открывает принципиально новые возможности, такие как квантовая телепортация и другие эффективные коммуникационные протоколы, физически стойкие протоколы квантовой криптографии, эффективные алгоритмы для решения трудных вычислительных задач и др. Идеи эти появились в результате логического развития аппарата квантовой теории, снабженного статистической интерпретацией, а если принять, что квантовая теория и ее минимальная интерпретация имеют неограниченную применимость, то нет оснований сомневаться и в принципиальной возможности новых эффективных приложений квантовой теории. Впрочем, все не так просто.
Квантовый компьютер — это гипотетическое вычислительное устройство, использующее специфически квантовые эффекты и намного превосходящее по своим возможностям любую классическую вычислительную машину

Конференции по квантовой теории информации все еще сохраняют приятную и довольно редкую особенность: они объединяют как специалистов-теоретиков, вплоть до специалистов в весьма абстрактных разделах математики, так и физиков, непосредственно причастных к эксперименту. На одной из таких конференций ученый-экспериментатор начал доклад с иллюстрации, на которой были изображены роскошный «Кадиллак» с надписью «теория» и скромный «Трабант» — «эксперимент». Отрыв теории от экспериментальных реализаций действительно велик. Всякий эксперимент, предполагающий манипуляции состояниями индивидуальных микрочастиц, чрезвычайно сложен из-за их сверхчувствительности к любым внешним воздействиям. Более того, трудности реализации предписаний квантовой теории заложены и в самом ее фундаменте: она предоставляет математическую модель для любого реально наблюдаемого феномена микромира, однако дает лишь самые общие намеки на то, как можно двигаться в обратном направлении — от элемента математической модели к его материальному прототипу. В непревзойденном трактате Поля Дирака «Принципы квантовой механики» эта проблема описана следующим образом: «Возникает естественный вопрос: может ли быть измерена любая наблюдаемая? Теоретически на этот вопрос можно ответить — да. Практически может оказаться, что весьма затруднительно построить такой прибор, который мог бы измерять некоторую определенную наблюдаемую. Возможно, что экспериментатор не может сказать, как построить такой прибор, однако теоретик всегда может вообразить, что такое измерение может быть произведено». Другими словами, нет ни регулярного способа дать конструктивное описание соответствующей измерительной процедуры, ни даже гарантии, что такое описание возможно в принципе. Остается только верить, что оно рано или поздно будет найдено. Приведем пример из квантовой оптики. В теории хорошо известны состояния излучения с определенным числом фотонов (их называют состояниями Фока). Сегодня никто не сомневается в существовании фотонов, однако до сих пор не был известен способ генерирования таких состояний. Имелись теоретические предложения, в частности, основанные на использовании оптической обратной связи, и лишь недавно японским ученым удалось осуществить это в эксперименте. А ведь, в частности, надежность протокола квантовой криптографии основана на предположении, что секретный ключ распределяется с помощью единичных фотонов. В качестве реального источника используется слабый когерентный сигнал лазера, для которого вероятность появления более одного фотона мала. Но это оставляет лазейку для потенциального перехватчика «лишних» фотонов.

К настоящему моменту уже осуществлен ряд принципиальных опытов по квантовой обработке информации. Упомянем лишь известные эксперименты А. Цайлингера и Дж. Кимбла по телепортации состояний фотонов, а также действующие квантово-криптографические линии, реализованные группами Н. Джизена в Швейцарии и С.Н. Молоткова в России. Исследования теоретических и экспериментальных аспектов квантовой информатики ведутся во всех развитых странах, в том числе и в России.

Два отличия

Фундаментальные различия между классическим и квантовым мирами можно выразить в двух словах: дополнительность и сцепленность. Дополнительность означает наличие таких свойств одного и того же объекта, которые принципиально недоступны совместному наблюдению. Различные физические измерения микрообъектов осуществляются разными макроскопическими экспериментальными установками, каждая из которых предполагает сложную и специфичную организацию пространственно-временной среды. Способы такой организации, отвечающие разным наблюдаемым свойствам, могут быть взаимно исключающими, т.е. дополнительными. На языке математики взаимно дополнительные величины, такие как координата и импульс, электрическое и магнитное поля, компоненты спина, изображаются неперестановочными (некоммутирующими) операторами. Для них имеют место соотношения неопределенностей, запрещающие точную совместную измеримость, так что именно дополнительность ответственна за специфические ограничения информационного характера.

Дополнительность также приводит к тому, что состояния квантовой системы не могут быть заданы простым перечислением свойств, т.е. точкой в каком-либо фазовом пространстве. Вместо этого состояния описываются векторами в некотором линейном (гильбертовом) пространстве H, причем всякая суперпозиция (линейная комбинация) векторов также задает состояние.

Новые необычные возможности квантовых систем, как правило, связаны со сцепленностью (entanglement; в русской литературе используется также перевод «запутанность», «перепутанность»). В ее основе лежат необычные свойства составных квантовых систем, которые описываются тензорным (а не декартовым, как в классической механике) произведением HA Z HB пространств подсистем. В силу принципа суперпозиции пространство составной системы AB наряду с векторами-произведениями A Z B должно содержать и всевозможные их линейные комбинации. Состояния составной системы, задаваемые векторами-произведениями, называются несцепленными, а все прочие — сцепленными. Сцепленность представляет собой квантовое свойство, отчасти родственное классической коррелированности, однако к ней не сводящееся (в физике говорят о корреляциях Эйнштейна-Подольского-Розена). Сцепленные состояния — не редкость в квантовой физике: обычно они возникают в результате взаимодействия или распада квантовых систем. Однако квантовая теория не исключает возможности сцепленного состояния для пары частиц, которые, однажды провзаимодействовав, разлетелись на макроскопическое расстояние. На необычные «телепатические» свойства такой пары и указали в свое время Эйнштейн, Подольский и Розен. Недавние эксперименты подтверждают возможность искусственного создания внутренней сцепленности фотонов и даже массивных микрочастиц на расстояниях порядка нескольких метров, хотя такое явление никогда не наблюдается в естественных условиях и противно самой природе классического макроскопического мира. Тот способ описания окружающего мира, который лежит в основе доквантовых представлений о пространстве-времени, получил название «локальный реализм». На чем бы ни основывалось объединение квантовой механики и общей теории относительности — на некоммутативной геометрии, теории струн, нелинейной квантовой механике, траекторных или иных подходах — оно должно будет разрешить противоречие между квантовой сцепленностью и локальным реализмом.

Квантовые каналы и информация

Большой раздел квантовой теории информации посвящен количественной теории сцепленности. Оказывается, сцепленность можно измерять количественно, как температуру или другую физическую характеристику состояния. Более того, ее можно концентрировать, «разбавлять», пересылать; она может существовать в латентной «связанной» форме и проявляться лишь в особых обстоятельствах.

В случае составных квантовых систем имеет смысл говорить не только о сцепленных и несцепленных состояниях, но и о соответствующих измерениях. При этом если квантовые системы A и B находятся в несцепленном состоянии, то максимальное количество информации о состоянии, получаемое из измерений составной системы AB, может быть больше суммы количеств информации, получаемых из измерений систем A и B. Такая неклассическая строгая супераддитивность информации проявляется при исследовании пропускной способности квантового канала связи.

В квантовом случае само понятие пропускной способности разветвляется, порождая целый «зоопарк» информационных характеристик канала, зависящих от вида передаваемой информации (квантовой или классической), а также от дополнительных ресурсов, используемых при передаче. Остановимся кратко на четырех главных обитателях этого зоопарка. Канал задается вполне положительным отображением T, преобразующим состояния на входе в состояния на выходе. Это отображение представляет собой сжатое статистическое описание результата взаимодействия системы на входе с ее окружением (шумом). Свойство положительности гарантирует от появления отрицательных вероятностей, а наречие «вполне» означает, что положительность должна выполняться не только для самого канала T, но и для его расширений вида T T’, где T’ — любой другой канал, что в частности позволяет рассматривать многократное использование канала. Важнейшая характеристика квантового канала — его классическая пропускная способность C(T), т.е. предельная максимальная скорость безошибочной передачи классических сообщений при использовании оптимального кодирования/декодирования длинных сообщений. Из упомянутого выше энтропийного неравенства вытекает, что количество передаваемой классической информации не может быть больше, чем log d, где d — размерность пространства квантового носителя информации. Таким образом, то обстоятельство, что любое гильбертово пространство содержит бесконечно много различных векторов состояний, не помогает передать неограниченное количество информации: чем больше состояний используется для передачи, тем они ближе друг к другу и, следовательно, неразличимее.

Однако, как показали американские ученые Чарльз Беннетт и Питер Шор, классическая пропускная способность канала T может быть увеличена путем использования дополнительной сцепленности между входом и выходом канала. При этом сама по себе сцепленность не позволяет передавать информацию, т.к. это означало бы мгновенную передачу на конечное расстояние. Сцепленность играет роль «катализатора», выявляющего скрытые информационные ресурсы квантовой системы. Если T — канал без шума, то выигрыш в пропускной способности, обеспечиваемый сверхплотным кодированием, двукратен. Чем сильнее канал отличается от идеального, тем выигрыш больше, и для каналов с очень большим шумом может быть сколь угодно велик. Классическая пропускная способность с использованием сцепленного состояния Cea(T) — самая большая.
На Европейском конгрессе математиков в Амстердаме квантовая теория информации выделена в специальное направление

При передаче классической информации по квантовому каналу сообщение записывается в квантовом состоянии. Однако вся полнота информационного содержания не может быть сведена к классическому сообщению и заслуживает специального термина — квантовая информация, т.к. квантовое состояние содержит в себе информацию о статистике всевозможных, в том числе и взаимоисключающих (дополнительных) измерений системы. Количество квантовой информации измеряется величиной энтропии состояния. Принципиальное отличие квантовой информации от классической заключается в невозможности копирования. Простое рассуждение, основанное на линейности уравнений квантовой эволюции, показывает, что не существует «квантового ксерокса», т.е. физического устройства, позволяющего копировать произвольное квантовое состояние. Однако теория предсказывает возможность нетривиального способа передачи квантовой информации, при котором носитель состояния физически не передается, а пересылается лишь некоторая классическая информация (так называемая телепортация квантового состояния). Необходимым дополнительным ресурсом вновь становится сцепленность между входом и выходом канала связи. Свести передачу произвольного квантового состояния только к передаче классической информации без использования дополнительного квантового ресурса невозможно: поскольку классическая информация копируема, это означало бы возможность копирования и квантовой информации.

Квантовая пропускная способность Q(T) — это предельное максимальное количество квантовой информации, которое может быть сколь угодно точно передано каналом T. Есть глубокая аналогия между квантовым каналом и каналом с подслушивателем, причем в квантовом случае роль перехватчика информации играет окружение рассматриваемой системы. Величина Q(T) тесно связана с криптографическими характеристиками канала, такими как пропускная способность для секретной передачи классической информации Cp(T) и скорость распределения случайного ключа. Она является самой маленькой из пропускных способностей, т.к. предъявляет к каналу наивысшие требования.

Вычисление либо оценка величин Q(T), Cp(T), C(T), Cea(T) — это важная и трудная математическая задача. В свое время появление квантовой механики оказало мощное взаимообогащающее влияние на ряд областей математики: в первую очередь на теорию операторов, операторных алгебр, представлений групп.

Процесс продолжается и сейчас, и в нем все большую роль играют достижения квантовой теории информации. Так, исследование сцепленности стимулировало прогресс в понимании геометрии тензорных произведений, а каналы и теоремы кодирования оказались тесно связаны со структурами положительности в операторных пространствах и алгебрах. Новый импульс получил некоммутативный анализ; даже в такой, казалось бы, хорошо изученной области, как теория матриц, появились новые яркие результаты и новые трудные и интересные проблемы. На Европейском конгрессе математиков 2008 г. в Амстердаме квантовая теория информации выделена в специальное направление, которому посвящен ряд приглашенных докладов.

«Мезо»: на границе «микро» и «макро»

Прогресс микроэлектроники и нанотехнологий приближается к рубежу, за которым игнорировать квантовую природу носителей информации будет уже невозможно. Элементы современной вычислительной техники лишь на два-три порядка превосходят характерные атомные размеры. Почетный председатель совета директоров и основатель корпорации Intel Гордон Мур считает, что на преодоление этой разницы уйдет всего 10–15 лет. Тогда волей-неволей придется искать новые решения, и фундаментальные результаты квантовой теории информации могут сыграть решающую роль.

Квантовый компьютер — это гипотетическое вычислительное устройство, использующее специфически квантовые эффекты и поэтому намного превосходящее по своим возможностям любую классическую вычислительную машину. Его память (квантовый регистр) должна состоять из множества элементарных ячеек — кубитов, которые находятся в сцепленном состоянии, а операции предполагают управляемое квантовомеханическое взаимодействие между ними. Данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путем измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счет того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно (квантовый параллелизм).

Квантовый компьютер находится на грани между микро- и макромиром, чем и обусловлены трудности его воплощения. Основным техническим препятствием для реализации квантового компьютера является декогерентизация — распад квантовых суперпозиций, обусловленный сверхчувствительностью микросистем к внешним воздействиям макромира. Если скорость декогерентизации не превосходит некоторого порогового значения, то применение квантовых кодов, исправляющих ошибки, теоретически позволяет сделать квантовые вычисления помехоустойчивыми. Однако при этом размер квантового регистра должен быть увеличен на порядки. Сейчас ведутся интенсивные поиски решения этих проблем: разработаны теоретические методы оптимизации архитектуры квантового компьютера, предложены схемы адиабатических вычислений, квантовых клеточных автоматов, вычислений, основанных на измерениях; обсуждается идея топологического квантового компьютера, физически устойчивого к ошибкам. Экспериментально исследуются модели кубитов, основанные на принципах ядерного магнитного резонанса, квантовой оптики и электродинамики, полупроводниковых квантовых точках, ионных ловушках, сверхпроводниковых мезо-структурах и т.д.

Квантовая информатика стала новым междисциплинарным научным направлением на стыке физики, информатики и математики, которое поднимает новые важные вопросы и дает ключ к пониманию некоторых фундаментальных закономерностей Природы, до недавних пор остававшихся вне поля зрения исследователей. Ее теоретические разработки стимулируют как новые достижения в области математики, так и развитие экспериментальной физики, значительно расширяющее возможности манипулирования состояниями микросистем и потенциально важное для появления новых эффективных технологий.
lotar 24.03.2013, 23:51
Новое достижение в криминалистике позволит повысить раскрываемость преступлений и вернуть на доследование старые дела, считавшиеся ранее безнадежными.


Работа ученых-криминалистов из университета г. Лестер (Великобритания) при участии полиции графства Нортхемптоншир - возможно, самое большое достижение в дактилоскопии со времени ее появления. Исследователи обнаружили, что отпечатки пальцев на металлической поверхности остаются на долгие годы, и удалить их непросто - протирка, промывка водой с мылом и даже действие высоких температур не устраняют отпечатка. Точнее сказать, коррозионного следа, который оставляют пальцы на поверхности металла.

След проявляется при подаче небольшого потенциала на металлическую поверхность, посыпанную тонкодисперсным порошком проводящего материала (аналогичного тонеру в копирах или принтерах). Таким способом можно проявить отпечаток на самых разных металлических поверхностях, в частности, на поверхности огнестрельного оружия или даже гильзы, которую брали в руки.

Методика разработана почетным членом университета г. Лестер д-ром Джоном Бондом (John Bond), который в настоящее время является научным руководителем в полиции графства Нортхемптоншир. Статья д-ра Бонда будет опубликована в American Journal of Forensic Science.

В следующем учебном году английский университет намерен продолжить изучение новой методики и исследовать различные аспекты коррозии металлов при контакте с кожей человека, сообщает PhysOrg.
lotar 24.03.2013, 23:53
Нанотехнологи готовят замену полупроводниковым элементам памят
Наноэлектромеханические устройства памяти обретают зримые перспективы.

Устройства для обработки и хранения информации в компьютерах приблизились к порогу миниатюризации, и исследователи в различных странах ищут пути дальнейшего совершенствования этих устройств. В работе проф. Г.Амаратунга (Gehan Amaratunga) и его коллег из Кембриджского университета, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, описан вариант ячейки памяти наномасштаба, в котором зарядом конденсатора управляет наноэлектромеханическое устройство на основе многослойных углеродных нанотрубок.

Нанотрубки в опытах английских ученых расположены вертикально, их нижний конец присоединен к кремниевой пластине, покрытой слоем никеля, который играет роль катализатора образовании нанотрубок при осаждении из газа, содержащего атомы углерода. Продолжительность этого процесса определяет длину нанотрубки, а она, в свою очередь, задает такие механические параметры, как жесткость и резонансная частота. Устройство состоит из неподвижной нанотрубки и расположенной рядом колеблющейся нанотрубки. Вокруг неподвижной нанотрубки формируется цилиндрический конденсатор, который служит для хранения заряда. Незаряженный конденсатор соответствует состоянию 0, заряженный - 1, и конденсатор, таким образом, хранит один бит информации.

Заряд или разряд конденсатора происходит при соприкосновении колеблющейся нанотрубки c неподвижной, при этом резонансная частота определяет в итоге скорость обмена данных, а жесткость нанотрубки связана с тем, какой заряд требуется для отклонения нанотрубки до соприкосновения с неподвижным элементом. Согласно оценкам британских ученых, быстродействие в подобных наноэлектромеханических устройствах выше, а энергопотребление ниже, чем у современных ячеек DRAM-памяти, где используют конденсаторы на основе перехода КМОП-транзистора. Вертикальное расположение нанотрубок позволит достичь очень плотной упаковки модулей памяти. При создании подобной ячейки памяти не используются процессы фотолитографии, значит, и производство модулей памяти будет недорогим.

Различные варианты применения нанотрубок для создания ячеек памяти предлагали и ранее, в том числе и ученые из Кембриджа, но лишь теперь появилась возможность создавать нанотрубки в нужном количестве и с заранее заданными свойствами и определенным местом расположения на подложке, при этом точность этих процессов достаточна для производства микросхем с высокой степенью интеграции, сообщает PhysOrg.
lotar 24.03.2013, 23:55
Исследован новый механизм передачи энергии

Ученые из университета Бристоля описали новый механизм передачи энергии, который может играть важную роль в химических реакциях, протекающих в атмосфере.

Д-р Стюарт Гривз (Stuart Greaves) и его коллеги исследовали столкновение быстрых атомов водорода с охлажденными в сверхзвуковой струе молекулами D2. Ученые обнаружили, что при неупругих столкновениях атомов с молекулами последние в основном рассеиваются в прямом направлении, а не назад, как следовало бы ожидать, сообщает ScienceDaily.

Причина этого, по мнению ученых, заключается в том, что даже при скользящем столкновении атома водорода с молекулой D2 он может притягивать к себе ближайший атом дейтерия, в результате чего молекула будет перемещаться вперед. Ученые считают, что полученные ими результаты могут использоваться при исследовании реакций, протекающих в атмосфере, а также в живых организмах.
lotar 24.03.2013, 23:56
Интерференционная литография: получено рекордное разрешение
Новый вариант литографии ускорит появление микросхем следующего поколения.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) добились значительного прогресса в технологии литографии, используемой в производстве микросхем и других электронных устройств. Им удалось получить на поверхности кремниевой подложки линейные структуры шириной 25 нм, разделенные промежутком в 25 нм.

В настоящее время для массового производства самых современных микросхем используют технологию, обеспечивающую минимальное расстояние между проводниками в 65 нм. Компания Intel недавно сообщила о предстоящем в 2009 г. вводе в эксплуатацию завода, где будет использоваться 33-нанометровый технологический процесс. Кроме того, Intel представила прогноз о переходе на 25-нанометровый процесс к 2******5 гг.

Методика, разработанная в MIT, может ускорить появление новых чипов, поскольку не использует методы иммерсионной литографии и дорогостоящее оборудование, требуемое для проведения оптической литографии в этом диапазоне размеров. Для создания периодических структур в наномасштабе исследователи из MIT применили метод интерференционной литографии, который изучается уже не один год во многих лабораториях мира (в России, в частности, в этом направлении работают группы из Института прикладной физики РАН и Института физики микроструктур РАН).

Успех нового варианта интерференционной литографии обеспечила "нанолинейка", созданная двумя студентами MIT. Студенты использовали генератор акустических волн с частотой 100 МГц для управления лазерным излучением, формирующим литографический рисунок на поверхности кремниевой подложки, при этом система позволяла отклонять лазерный луч и менять частоту излучения при помощи нового алгоритма высокоточного определения фазы.

Разработанная система, получившая название интерференционной литографии с лучевым сканированием (scanning-beam interference lithography, SBIL), способна создавать рисунок на большой поверхности. Марк Шаттенбург (Mark Schattenburg), один из авторов работы, заявил, что теперь формирование изображения с заданной точностью не является лимитирующим этапом процесса, и точность определяется уже свойствами самого материала подложки (неровностью боковых стенок). Однако уже сейчас просматриваются варианты преодоления этих недостатков.

Работа ученых из Бостона принята к публикации в журнале Optics Letters. Сообщение о разработке было сделано недавно на международной конференции по электронным, ионным и фотонным лучевым технологиям в г. Портленд (США), сообщает пресс-релиз MIT.
Страница 4 из 5 1  2  3  4  5 
Похожие темы
Здесь не стихи, здесь... моя душа...
Как выкладывать фото через галерею
Самые заметные открытия уральских археологов
Фотографии церемонии открытия Олимпийских игр в Пекине
Самые сенсационные открытия и изобретения челябинцев