Компьютерра, 2008 № 37 (753) - [6]
Многие проверенные временем инженерные теории перестают работать, когда размеры устройств не превышают несколько десятков или сотен нанометров. Начиная с восьмидесятых годов прошлого века, ученые время от времени с удивлением обнаруживали, что некоторые идеально гладкие кристаллы размером несколько нанометров способны скользить по различным подложкам практически без трения. В последние годы таких экспериментов стало больше, и теоретики нашли несколько объяснений этому явлению, получившему название "суперскользкость".
Одна из теорий предполагает, что идеально гладкие на атомных масштабах кристаллы должны скользить друг по другу совсем без трения. Силы трения возникают только в том случае, если атомы примесей попадают между поверхностями и начинают за них "цепляться". Однако надежного экспериментального подтверждения эта гипотеза не получила, воспроизводимость результатов таких экспериментов низка, а размеры скользящего образца, коим обычно был кончик сточенной иголки атомно-силового микроскопа, не превышал нескольких нанометров.
В новых экспериментах ученые напыляли атомы сурьмы на сверхчистую поверхность графена. Получались "островки" с площадью до трехсот тысяч квадратных нанометров. Затем их двигали по поверхности графена с помощью иголки атомно-силового микроскопа и измеряли необходимую для этого силу. Оказалось, что примерно один из четырех островков даже самых больших размеров мог скользить по графену без всякого трения! Если эксперименты проводились на воздухе, что повышало вероятность попадания примесей, то шансы на скольжение без трения резко снижались. По мнению авторов, это надежно подтверждает, что за трение ответственны именно примеси. Кроме того, сама постановка экспериментов исключает многие возможные ошибки. Раньше оппоненты утверждали, что кончик иглы микроскопа не может скользить без трения - просто в экспериментах игла слегка поднималась над поверхностью, что и приводило к ошибке.
Теперь у теоретиков развязаны руки, а экспериментаторы могут и дальше проверять теорию, исследуя суперскольжение различных пар материалов друг по другу, а также влияние на трение всевозможных примесей. Результаты этих экспериментов очень пригодятся инженерам, разрабатывающим разнообразные микромашины, трение движущихся частей в которых, по крайней мере в теории, может быть сведено к минимуму. ГА
Физикам из Колорадского университета в Боулдере впервые удалось создать плотный ультрахолодный квантовый газ из полярных молекул. Он позволит ученым не только изучать нетривиальные коллективные квантовые явления, но может стать основой новых методов обработки и хранения квантовой информации.
Начиная с середины девяностых годов прошлого века ученые научились удерживать в лазерных или магнитных ловушках атомы некоторых газов и охлаждать их до температуры лишь на сотни наноградусов выше абсолютного нуля. При такой низкой температуре все атомы с четным спином "останавливаются" в одном квантовом состоянии с наименьшей энергией и газ превращается в одну "гигантскую молекулу", называемую конденсатом Бозе-Эйнштейна. Это достижение было отмечено Нобелевской премией 2001 года. В таком конденсате можно изучать многие странные квантовые эффекты: в нем научились почти останавливать свет; на его основе сейчас пытаются сделать атомные лазеры для сверхточных измерений.
Вслед за отдельными атомами ученые давно пытаются охладить газ из полярных молекул. Такие молекулы представляют собой миниатюрные электрические диполи, которые взаимодействуют друг с другом на сравнительно больших расстояниях. Они могли бы помочь ученым разобраться в сложных коллективных квантовых явлениях. Однако молекулы газа могут запасать в себе энергию в различных возбужденных колебательных и вращательных квантовых состояниях. Если такой газ попытаться охладить обычными методами, то внутренняя энергия вращений и колебаний его молекул станет переходить в энергию их поступательного движения, то есть просто нагревать газ, мешая достичь требуемых низких температур. И избавиться от такого нагрева до сих пор никому не удавалось.
В новых экспериментах ученые использовали простую смесь ультрахолодных атомов калия и рубидия, зажатых в лазерной ловушке. Там включили слабое магнитное поле, которое спровоцировало слабое притяжение между атомами калия и рубидия, заставляя их объединяться в пары полярных молекул.
Сначала такие молекулы были огромными, то есть находились в сильно возбужденном квантовом состоянии с большой внутренней энергией. Чтобы ее удалить, газ стали облучать лазером на определенных длинах волн в ближнем инфракрасном диапазоне. Облучение заставило молекулы переходить в состояния с меньшей внутренней энергией, испуская фотоны, которые покидали газ не нагревая его. Таким образом удалось избавиться от излишней внутренней энергии молекул, достигнув температуры газа 350 наноградусов выше абсолютного нуля и плотности 1012 молекул в кубическом сантиметре.
Авторы надеются, что такой газ быстро найдет массу научных приложений. Например, сделанные из полярных молекул кубиты, в принципе, должны быть слабо чувствительны к нежелательным тепловым воздействиям, но в то же время легко управляться внешним электрическим полем. Коллеги с большим энтузиазмом восприняли сообщение о получении холодного полярного газа. И теперь нам остается подождать результатов новых интересных экспериментов, объясняющих странное квантовое поведение вещества. ГА
