Содержание
Физики научились охлаждать жидкости при помощи лазера
https://ria.ru/20151117/1322613398.html
Физики научились охлаждать жидкости при помощи лазера
Физики научились охлаждать жидкости при помощи лазера — РИА Новости, 17.11.2015
Физики научились охлаждать жидкости при помощи лазера
Физикам впервые удалось найти способ охлаждать жидкости до сверхнизких температур при помощи лазера, что позволит использовать их для охлаждения микросхем и избирательного выключения клеток в организме или мозге человека.
2015-11-17T10:59
2015-11-17T10:59
2015-11-17T10:59
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1322613398.jpg?13226131231447747167
сша
америка
весь мир
северная америка
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.
xn--p1ai/awards/
2015
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
открытия — риа наука, сша, лазеры
Открытия — РИА Наука, Наука, США, Америка, Весь мир, Северная Америка, лазеры
МОСКВА, 17 ноя – РИА Новости.
Физикам впервые удалось найти способ охлаждать жидкости до сверхнизких температур при помощи лазера, что позволит использовать их для охлаждения микросхем и избирательного выключения клеток в организме или мозге человека, говорится в статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Когда люди идут в кино и смотрят на лазерные лучи и лучеметы в «Звездных Войнах» и других фильмах, они видят, что они нагревают и прожигают все, чего они касаются. Мы же показали, что лазер можно использовать для охлаждения жидкостей, в том числе и воды в нормальных условиях. До этого времени сама возможность этого оставалась под вопросом, так как вода обычно нагревается, если через нее пропускать свет», — заявил Питер Пауцауски (Peter Pauzauskie) из университета Вашингтона в Сиэтле (США).
Лазерные системы охлаждения широко используются в ядерной физике и в исследованиях квантовых свойств микромира. Особые лазерные ловушки и охладители позволяют достичь температур, близких к абсолютному нулю, что практически невозможно при использовании других методов охлаждения.
Несмотря на высокую развитость этой технологии, ее так и не удалось адаптировать для работы в жидкой среде.
Пауцауски и его коллеги смогли решить эту проблему, создав особые кристаллы из соединения иттербия, иттрия, лития и фтора, которые взаимодействовали с лазерным излучением и заставляли их охлаждать, а не нагревать воду.
23 января 2013, 22:15
Сингапурские физики впервые создали лазерный кулер для электроникиГруппа физиков под руководством Цихуа Сюна из Технологического университета Наньян в Сингапуре разработала новую методику лазерного охлаждения, наблюдая за тем, как нанополоски из другого типа полупроводника, соединения серы и кадмия, реагировали на луч лазера.
Как объясняют ученые, при облучении лазером атомы материи, на которую направлен его луч, поглощают фотоны его излучения. При некоторых условиях часть из этих фотонов испускается обратно с более высокой частотой, на что расходуется дополнительная энергия, извлекаемая из тепловых колебаний атомов.
Благодаря этому облучение лазером охлаждает материю, а не нагревает ее. Данный эффект — так называемая антистоксовая люминесценция — широко используется в системах лазерного охлаждения атомов.
В случае с водой подобного эффекта добиться гораздо сложнее, так как вода очень хорошо поглощает инфракрасное излучение, вырабатываемое самим лазером и иттриевыми кристаллами, что заново нагревает ее. Группа Пауцауски смогла нейтрализовать этот нагрев, подобрав такую форму и структуру кристаллов, что они сами начинали поглощать тепловое излучение.
Один небольшой кристалл этого вещества, похожий по форме на две склеенных пирамиды с обрубленными вершинами, способен охладить небольшую порцию воды на 15 градусов Цельсия и ниже, если его облучать инфракрасным лазером с достаточно скромной мощностью.
Пока эта технология, как признает Пауцауски, гораздо менее эффективна в энергетическом плане, чем лазерное охлаждение газов и твердых тел, однако эта проблема, по его словам, в принципе решаема.
Сейчас ученые ждут коммерческих предложений от предпринимателей и инвесторов по доработке данной методики охлаждения и использования ее на практике. В первую очередь речь идет о создании компактных и эффективных систем охлаждения для электроники и других лазеров, а также уникальных медицинских и биологических приборов.
Физики нагрели воду до 100 000 K за 75 фемтосекунд и рассмотрели тёплое плотное вещество / Хабр
Примерно через 70 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды) большинство молекул воды уже распадается на водород (белый) и кислород (красный). Симуляция: Карл Калман, DESY/Уппсальский университет
Для исследования экзотических свойств материи в экстремальных условиях учёные из немецкого исследовательского центра по физике частиц DESY и Уппсальского университета (Швеция) провели эксперимент по сверхбыстрому нагреванию воды рентгеновским лазером (разером) — и посмотрели, совпадает ли результат с симуляцией.
Обычно нагревание при кипячении воды заключается в передаче молекулам кинетической энергии через вибрацию с помощью конвекции или теплоизлучением.
Но в данном случае физики использовали иной метод, где энергия передаётся через ионизацию одиночными фемтосекундными импульсами рентгеновского лазера на свободных электронах. Это вызывает быструю ионизации с появлением экзотического состояния плазмы, известного как тёплое плотное вещество (warm dense matter, WOM).
Тёплое плотное вещество (ТПВ) — агрегатное состояние вещества, которое по своим параметрам находится между твёрдым телом и идеальной плазмой. Оно слишком плотное, чтобы быть описанным как плазма, и слишком горячее, чтобы относиться к физике конденсированных сред. Другими словами, это нечто среднее между плазмой и твёрдым телом. Оно намного плотнее, чем плазма (от 0,01 до 100 г на см³), а в некоторых случаях имеет удельный вес в два раза больше, чем твёрдое вещество, из которого получено. В общем, своеобразное вещество Шрёдингера.
Нынешний эксперимент по получению ТПВ из воды провела группа учёных под руководством Карла Калмана (Carl Caleman) из Центра исследований лазеров на свободных электронах (CFEL) в DESY.
Нагрев молекул с одновременным исследованием состояния проводилось с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах в Национальной лаборатории ускорителей SLAC (США). Разер осуществлял чрезвычайно интенсивные сверхкороткие вспышки рентгеновского излучения 6,86 кэВ (более 106 Дж/см²) по струе воды.
«Это явно не обычный способ вскипятить воду, — говорит Калеман. — Обычно при нагревании молекулы просто встряхиваются сильнее и сильнее. Наше нагревание принципиально другое. Энергетические рентгеновские лучи выбивают электроны из молекул воды, тем самым разрушая баланс электрических зарядов. Внезапно атомы испытывают сильную отталкивающую силу и начинают бурно двигаться».
Менее чем за 75 фемтосекунды вода проходит фазовый переход от жидкости к плазме. Плазма — это состояние вещества, в котором электроны удалены из атомов, что приводит к своего рода электрически заряженному газу.
«Но во время превращения жидкости в плазму вода по-прежнему сохраняет плотность жидкости, так как атомы еще не успели значительно переместиться», — объясняет соавтор эксперимента Олоф Йонссон (Olof Jönsson) из Уппсальского университета.
Такое экзотическое состояние материи невозможно найти в естественном состоянии на Земле: «У него такие же характеристики, как у некоторых плазм на Солнце и в газовом гиганте Юпитер, но только более низкая плотность. Между тем оно горячее, чем ядро Земли».
Проведение эксперимента именно на воде позволяет лучше узнать о свойствах воды в столь экзотическом состоянии. Это тем более важно, учитывая некоторые действительно уникальные свойства этого вещества: «Вода действительно странная жидкость, и если бы не её особенности, то многие вещи на Земле не были бы такими, как они есть, особенно жизнь», — подчеркнул Йонссон. У воды множество аномальных характеристик и свойств, включая плотность, теплоёмкость и теплопроводность.
В исследовательском центре по физике частиц DESY планируют более внимательно изучить аномалии воды в рамках проектов будущего Центра науки о воде (Centre for Water Science), который планируется открыть в DESY.
Проведённый эксперимент помог отработать методы отслеживания одиночных молекул с помощью рентгеновских лазеров.
Учёные говоря, что рентгеновские лазеры на свободных электронах «открывают двери в новую эру структурной биологии, позволяя снимать биомолекулы и отслеживать динамику, недоступную с помощью существующих методов».
Научная статья опубликована 14 мая 2018 года в журнале PNAS (doi: 10.1073/pnas.1711220115, pdf).
Самый быстрый водонагреватель в мире — 100000 градусов
видео: Моделирование движения молекул и атомов воды в течение первых 70 фемтосекунд интенсивного рентгеновского импульса. Экспериментальные данные использовались для проверки теоретического моделирования динамики.
посмотреть больше
Авторы и права: Карл Калеман, CFEL/DESY и Упсальский университет
Ученые использовали мощный рентгеновский лазер для нагрева воды от комнатной температуры до 100 000 градусов по Цельсию менее чем за десятую долю пикосекунды (миллионную миллионную долю секунды).
Экспериментальная установка, которую можно рассматривать как самый быстрый водонагреватель в мире, произвела экзотическое состояние воды, из которого исследователи надеются узнать больше об особых характеристиках самой важной жидкости Земли. Наблюдения также имеют практическое применение при зондировании биологических и многих других образцов с помощью рентгеновских лазеров. Команда Карла Калемана из Центра изучения лазеров на свободных электронах (CFEL) в DESY и Университете Упсалы (Швеция) сообщает о своих выводах в журнале 9.0010 Труды Национальной академии наук (PNAS).
Исследователи использовали рентгеновский лазер на свободных электронах Linac Coherent Light Source LCLS в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США, чтобы стрелять чрезвычайно интенсивными и ультракороткими вспышками рентгеновского излучения в струю воды. «Это не обычный способ вскипятить воду», — сказал Кейлман. «Обычно, когда вы нагреваете воду, молекулы сотрясаются все сильнее и сильнее». На молекулярном уровне теплота есть движение: чем горячее, тем быстрее движутся молекулы.
Этого можно достичь, например, с помощью теплопередачи от печи или, более непосредственно, с помощью микроволн, которые заставляют молекулы воды двигаться вперед и назад еще быстрее в соответствии с электромагнитным полем.
«У нас принципиально другое отопление», — объяснил Калеман. «Энергичные рентгеновские лучи выбивают электроны из молекул воды, тем самым нарушая баланс электрических зарядов. Итак, атомы внезапно ощущают сильную силу отталкивания и начинают яростно двигаться». Менее чем за 75 фемтосекунд, что составляет 75 миллионных миллиардных секунды или 0,000 000 000 000 075 секунд, вода проходит фазовый переход из жидкости в плазму. Плазма — это состояние вещества, при котором электроны удаляются из атомов, что приводит к образованию электрически заряженного газа.
«Но в то время как вода превращается из жидкости в плазму, она все еще остается с плотностью жидкой воды, поскольку атомы еще не успели значительно переместиться», — сказал соавтор Олоф Йонссон из Университета Упсалы.
Это экзотическое состояние материи не встречается в природе на Земле. «Он имеет такие же характеристики, как некоторые плазмы на Солнце и газовом гиганте Юпитер, но имеет меньшую плотность. Между тем, он горячее, чем ядро Земли».
Ученые использовали свои измерения для проверки моделирования процесса. Вместе измерения и моделирование позволяют изучить это экзотическое состояние воды, чтобы узнать больше об общих свойствах воды. «Вода действительно странная жидкость, и если бы не ее специфические характеристики, многие вещи на Земле не были бы такими, какие они есть, особенно жизнь», — подчеркнул Йонссон. Вода проявляет множество аномалий, в том числе ее плотность, теплоемкость и теплопроводность. Именно эти аномалии будут исследоваться в рамках будущего Центра наук о воде (CWS), планируемого в DESY, и полученные результаты имеют большое значение для деятельности там.
Помимо фундаментального значения исследование имеет и непосредственное практическое значение. Рентгеновские лазеры часто используются для исследования атомной структуры крошечных образцов.
«Это важно для любого эксперимента с жидкостями на рентгеновских лазерах», — сказал соавтор Кеннет Бейерлейн из CFEL. «На самом деле, любой образец, который вы поместите в рентгеновский луч, будет разрушен так, как мы наблюдали. Если вы анализируете что-то, что не является кристаллом, вы должны это учитывать».
Измерения практически не показывают структурных изменений в воде до 25 фемтосекунд после начала воздействия на нее рентгеновского импульса. Но на 75 фемтосекундах изменения уже очевидны. «Исследование дает нам лучшее понимание того, что мы делаем с различными образцами», — объяснил соавтор Никусор Тимнеану из Университета Упсалы, один из ключевых ученых, разрабатывающих используемую теоретическую модель. «Его наблюдения также важно учитывать при разработке методов визуализации одиночных молекул или других крошечных частиц с помощью рентгеновских лазеров».
###
Ученые из Упсальского университета, Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Ливерморской национальной лаборатории им.
Лоуренса, Гамбургского университета, Гамбургского центра сверхбыстрой визуализации CUI и DESY принимали участие в этом исследовании.
DESY — один из ведущих мировых центров ускорителей частиц. Исследователи используют крупномасштабные установки DESY для изучения микромира во всем его многообразии — от взаимодействия мельчайших элементарных частиц до поведения инновационных наноматериалов и жизненно важных процессов, происходящих между биомолекулами, до великих тайн Вселенной. Ускорители и детекторы, которые DESY разрабатывает и изготавливает на своих заводах в Гамбурге и Цойтене, являются уникальными исследовательскими инструментами. DESY является членом Ассоциации Гельмгольца и получает финансирование от Федерального министерства образования и исследований Германии (BMBF) (9).0 процентов) и федеральных земель Германии Гамбург и Бранденбург (10 процентов).
Артикул:
Сверхбыстрый нетепловой нагрев воды, инициируемый рентгеновским лазером на свободных электронах; Кеннет Р.
Байерляйн, Х. Улоф Йонссон, Роберто Алонсо-Мори, Эндрю Аквила, Саша Байт, Антон Барти, Ричард Бин, Джейсон Э. Коглин, Марк Мессершмидт, Давиде Рагазон, Димостенис Сокарас, Гарт Дж. Уильямс, Стефан Хау-Риге , Себастьен Буте, Генри Н. Чепмен, Никусор Тимняну и Карл Калеман; Известия Национальной академии наук ПНАС, 2018; DOI: 10.1073/pnas.201711220
Journal
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI
10.1073/pnas.11220
Заявление об отказе от ответственности: AAAS не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.
Ученые исследуют экзотическое состояние жидкости с помощью рентгеновского лазера — ScienceDaily
Новости науки
от научно-исследовательских организаций
2
Ученые исследуют необычное состояние жидкости с помощью рентгеновского лазера
- Дата:
- 14 мая 2018 г.
- Источник:
- Немецкий электронный синхротрон DESY
- Резюме:
- Ученые превратили мощный рентгеновский лазер в самый быстрый в мире водонагреватель, достигающий 100 000 градусов Цельсия менее чем за одну десятую пикосекунды (миллионную миллионную долю секунды). В ходе эксперимента было получено экзотическое состояние воды, из которого исследователи надеются узнать больше об особых характеристиках самой важной жидкости Земли.
- Поделиться:
ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ
Ученые использовали мощный рентгеновский лазер для нагрева воды от комнатной температуры до 100 000 градусов Цельсия менее чем за одну десятую пикосекунды (миллионную миллионную долю секунды). Экспериментальная установка, которую можно рассматривать как самый быстрый водонагреватель в мире, произвела экзотическое состояние воды, из которого исследователи надеются узнать больше об особых характеристиках самой важной жидкости Земли. Наблюдения также имеют практическое применение при зондировании биологических и многих других образцов с помощью рентгеновских лазеров.
Команда Карла Калемана из Центра изучения лазеров на свободных электронах (CFEL) в DESY и Университете Упсалы (Швеция) сообщает о своих выводах в журнале 9.0010 Труды Национальной академии наук (PNAS).
Advertising
Исследователи использовали рентгеновский лазер на свободных электронах Linac Coherent Light Source LCLS в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США, чтобы снимать чрезвычайно интенсивные и ультракороткие вспышки рентгеновского излучения на струю воды. «Это не обычный способ вскипятить воду», — сказал Кейлман. «Обычно, когда вы нагреваете воду, молекулы сотрясаются все сильнее и сильнее». На молекулярном уровне тепло — это движение: чем горячее, тем быстрее движутся молекулы. Этого можно достичь, например, с помощью теплопередачи от печи или, более непосредственно, с помощью микроволн, которые заставляют молекулы воды двигаться вперед и назад еще быстрее в соответствии с электромагнитным полем.
«У нас принципиально другое отопление, — объяснил Калеман.
«Энергичные рентгеновские лучи выбивают электроны из молекул воды, тем самым нарушая баланс электрических зарядов. Итак, атомы внезапно ощущают сильную силу отталкивания и начинают яростно двигаться». Менее чем за 75 фемтосекунд, что составляет 75 миллионных миллиардных секунды или 0,000 000 000 000 075 секунд, вода проходит фазовый переход из жидкости в плазму. Плазма — это состояние вещества, при котором электроны удаляются из атомов, что приводит к образованию электрически заряженного газа.
«Но в то время как вода превращается из жидкости в плазму, она все еще остается с плотностью жидкой воды, поскольку атомы еще не успели значительно переместиться», — сказал соавтор Олоф Йонссон из Университета Упсалы. Это экзотическое состояние материи не встречается в природе на Земле. «Он имеет такие же характеристики, как некоторые плазмы на Солнце и газовом гиганте Юпитер, но имеет меньшую плотность. Между тем, он горячее, чем ядро Земли».
Ученые использовали свои измерения для проверки моделирования процесса.
Вместе измерения и моделирование позволяют изучить это экзотическое состояние воды, чтобы узнать больше об общих свойствах воды. «Вода действительно странная жидкость, и если бы не ее специфические характеристики, многие вещи на Земле не были бы такими, какие они есть, особенно жизнь», — подчеркнул Йонссон. Вода проявляет множество аномалий, в том числе ее плотность, теплоемкость и теплопроводность. Именно эти аномалии будут исследоваться в рамках будущего Центра наук о воде (CWS), планируемого в DESY, и полученные результаты имеют большое значение для деятельности там.
Помимо фундаментального значения исследование имеет и непосредственное практическое значение. Рентгеновские лазеры часто используются для исследования атомной структуры крошечных образцов. «Это важно для любого эксперимента с жидкостями на рентгеновских лазерах», — сказал соавтор Кеннет Бейерлейн из CFEL. «На самом деле, любой образец, который вы поместите в рентгеновский луч, будет разрушен так, как мы наблюдали.
Если вы анализируете что-то, что не является кристаллом, вы должны это учитывать».
Измерения практически не показывают структурных изменений в воде до 25 фемтосекунд после начала воздействия на нее рентгеновского импульса. Но на 75 фемтосекундах изменения уже очевидны. «Исследование дает нам лучшее понимание того, что мы делаем с различными образцами», — объяснил соавтор Никусор Тимнеану из Университета Упсалы, один из ключевых ученых, разрабатывающих используемую теоретическую модель. «Его наблюдения также важно учитывать при разработке методов визуализации одиночных молекул или других крошечных частиц с помощью рентгеновских лазеров».
изменить мир к лучшему: спонсируемая возможность
Источник истории:
Материалы предоставлены Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Справочник журнала :
- Кеннет Р. Бейерлейн, Х. Улоф Йонссон, Роберто Алонсо-Мори, Эндрю Аквила, Саша Байт, Антон Барти, Ричард Бин, Джейсон Э. Коглин, Марк Мессершмидт, Дэвид, Димостенис Сокарас, Гарт Дж. Уильямс, Стефан Хау-Риж, Себастьен Буте, Генри Н. Чепмен, Никусор Тимняну и Карл Калеман. Сверхбыстрый нетермический нагрев воды с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах . PNAS , 2018 DOI: 10.1073/pnas.201711220
Бейерлейн, Х. Улоф Йонссон, Роберто Алонсо-Мори, Эндрю Аквила, Саша Байт, Антон Барти, Ричард Бин, Джейсон Э. Коглин, Марк Мессершмидт, Дэвид, Димостенис Сокарас, Гарт Дж. Уильямс, Стефан Хау-Риж, Себастьен Буте, Генри Н. Чепмен, Никусор Тимняну и Карл Калеман. Сверхбыстрый нетермический нагрев воды с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах . PNAS , 2018 DOI: 10.1073/pnas.201711220Процитировать эту страницу :
- MLA
- АПА
- Чикаго
Немецкий электронный синхротрон DESY. «Самый быстрый водонагреватель в мире: 100 000 градусов по Цельсию менее чем за десятую долю пикосекунды: ученые исследуют экзотическое состояние жидкости с помощью рентгеновского лазера». ScienceDaily. ScienceDaily, 14 мая 2018 г.
Немецкий электронный синхротрон DESY.