Классиков не обойти - с этим согласятся многие.
Читая приведенный ниже материал, нельзя не вспомнить бессмертное прутковское "Бросая камни в воду, смотри на круги, ими образуемые, иначе бросание сие будет пустым занятием".
Ученые из University of Reims Champagne-Ardenne, интуитивно следуя заветам российского классика, внимательней других смотрели на пузырьки в новогоднем бокале с шампанским. Теперь они авторитетно заявляют, что цепочки бегущих вверх пузырьков - не просто украшение бокала традиционного напитка, не просто, как это теперь принято формулировать, &quit;визуальный ряд", а одна из основных составляющих своеобразия этого напитка. Оказывается, именно пузырьки рвут поверхность, высвобождая химически активные вещества, переносящие ароматы, которые затем будоражат наши чувства. Причем, чем меньше пузырьки, тем более активно они будут переносить аромат вина. "Наша высшая цель - добиться, чтобы пузырьки в шампанском были еще меньше", - формулирует Д-р. Geurard Liger-Belair.
Причины, почему маленькие пузырьки более эффективны в качестве переносчиков ароматов, весьма сложны, и авторские объяснения не сделали их ясней. Во всяком случае, авторам понадобилось с помощью ЯМР определять концентрацию и коэффициент диффузии молекул CO2 в ряде традиционных напитков новогодних вечеринок. Объектами исследований группы G. Liger-Belair были: шампанское, вино, которое принято называть "шипучкой", пиво, крем-сода и газированная вода. К своему удивлению, ученый обнаружил, что, хотя концентрация CO2 и коэффициент диффузии в шампанском и "шипучке" одинаковы, размеры пузырьков для этих случаев сильно отличаются. (Кто б мог подумать? Как сказал принц датский Гамлет по другому поводу: "В природе есть такое, друг Гораций, что и не снилось нашим мудрецам") G. Liger-Belair резонно решил, что в исследованных жидкостях есть еще что-нибудь - соли, карбогидраты или растворенные минералы, и они тоже влияют на характер "пузырения" исследуемой субстанции. Теперь авторами открытия разрабатывается компьютерная модель, на которой они надеются выяснить условия наиболее совершенного выделения пузырей.
После такого "happy end'а" трудно что-либо добавить. Если читатели полагают, что мы их дурачим, читайте ссылку [1] - там все на полном серьезе.
Учитывая, что выпуск ПерсТа предновогодний,
хочется пожелать и нашим отечественным
исследователям уделить хоть немного внимания
проблеме пузырьков в шампанском. Конечно, - с
учеными из University of Reims Champagne-Ardenne конкурировать
трудно - в таком деле им и карты в руки. Но… при
достаточном прилежании к затронутому вопросу и
вы обязательно найдете что-нибудь интересное. В
подтверждение этой мысли, раз уж все равно в
сюжете явное злоупотребление цитатами из
великих, приведем высказыва-ние Альберта
Эйнштейна о причинах его собственных успехов в
науке:
"It's not that I'm so smart , it's just that I stay with problems
longer".
Так что не торопитесь отставить бокал - и будьте счастливы!
М.Компан
[1] Gerard Liger-Belair, Elise Prost, Maryline Parmentier, Philippe Jeandet & Jean-Marc Nuzillard. "Diffusion coefficient of CO2 molecules as determined by 13C NMR in various carbonated beverages". J. Agri. Food Chem. 2003, 51(26), р.7560-7563.
Кремниевый светодиод, основанный на люминесценции дислокаций (ИФТТ РАН)
В совместной работе ИФТТ РАН (Черноголовка) и IV Physikalisches Institut der Georg-August-Universitat Gottingen, (Германия) получена электролюминесценция с внешней квантовой интенсивностью более 0.1% при комнатной температуре от скользящих дислокаций на кремнии при импульсном токе 100мА. Время отклика светодиода, ограниченное используемым фотодетектором, составляет 1.8мкс, что, по крайней мере, на порядок величины меньше, чем в случае кремниевых светодиодов, основанных на переходах зона-зона в кремнии.
Рис. Температурная зависимость интегральной интенсивности (спектральный диапазон: 0.75 - 1.15эВ) электролюминесценции от "дислокационного" светодиода при прямом электрическом токе 10мА: (1) после диффузии фосфора; (2) - после последующей пассивации в водороде. На вставке - переходный сигнал Ge фотодетектора, вызванный световым импульсом, эмитируемым при 300К ислокационным светодиодом при прямом токе 100мА.
V.Kveder, M.Badylevich, E.Steinman, A.Izotov, M.Seibt, W.Schroter. APL (to be published)
Светодиод на основе Si:Er (ИФМ РАН)
Рис. Структура светодиода на кремнии: активный n-Si слой легирован эрбием в процессе молекулярно-лучевой эпитаксии.
Рис. Cпектр электролюминесценции сублимационной диодной светоизлучающей структуры на основе Si:Er. Спектр снят в режиме пробоя p-n перехода при комнатной температуре. Плотность тока накачки ~ 8А/см2. Мощность, излучаемая светодиодом, составляет 0.5мкВт при комнатной температуре и плотности тока накачки 200мA.
Многоцветный диодный люминесцентный вакуумный цифровой индикатор с катодом из одностенных углеродных нанотрубок
Совместная разработка ЦЕНИ ИОФ РАН и ФГУП "Волга&quit; (Саратов)
Жидкость Томонаги-Латтинжера в углеродных нанотрубках
У низкоразмерных систем свойства зачастую бывают совершенно другими, нежели у их трехмерных аналогов. Например, если электронные характеристики трехмерных кристаллов могут быть успешно описаны в рамках теории ферми-жидкости, то в одномерных системах ферми-жидкостное состояние становится неустойчивым относительно межэлектронного кулоновского взаимодействия. При этом теория предсказывает, что электроны должны образовывать жидкость Томонаги-Латтинжера, в которой низкоэнергетические возбуждения являются коллективными и включают в себя коррелированное движение большого числа электронов. Из-за таких корреляций добавление (или удаление) одного электрона с энергией Ферми сильно затруднено, поскольку с необходимостью требует перераспределения всех других электронов. Как следствие, одночастичная спектральная функция на уровне Ферми обращается в нуль, тогда как в трехмерных металлах она конечна.
Одним из наиболее подходящих для исследований низкоразмерным материалом являются углеродные нанотрубки. Японские физики измерили интегральные фотоэмиссионные спектры нанотрубок [1] и обнаружили, что экспериментальные данные не могут быть объяснены в рамках теории жидкости Ферми, зато количественно согласуются с теорией жидкости Томонаги-Латтинжера. Можно надеяться, что дальнейшее использование нанотрубок в качестве полигона для испытаний теоретической модели, казавшейся ранее весьма экзотической, позволит подтвердить и другие предсказания этой теории. И тут вспоминаются периодически появляющиеся в научной литературе сообщения о наблюдаемых в нанотрубках сверхпроводящих аномалиях. Не плавает ли в мутных (пока) водах жидкости Томонаги-Латтинжера и комнатно-температурная сверхпроводимость?
Самоорганизация наночастиц: эксперимент и теория
Вдали от равновесия физические системы могут образовывать довольно сложные нестационарные структуры. Недавно это было продемонстрировано на примере тонкопленочных растворов пассивированных нанокристаллов, когда в процессе необратимого испарения растворителя на поверхности образовывались разнообразные (иногда весьма затейливые) узоры из наночастиц, медленно изменяющиеся за счет сильно экранированного раствором взаимодействия между нанокристаллитами. Ряд экспериментально наблюдаемых эффектов удается описать, используя модель расслоения на фазу плотной "нанокристаллической жидкости" и фазу разреженного "нанокристаллического газа". Но при таком подходе полностью пренебрегается флуктуациями растворителя, которые очень существенны на масштабе нескольких нанометров. Поэтому, хотя некоторые аспекты процессов наноагрегации и могут быть объяснены в рамках законов обычной термодинамики, их детальное описание требует учета неравновесности.
Различные морфологии в распределении наночастиц CdSe
Микроскопическая модель [1], развитая сотрудниками нескольких университетов США и Израиля (Гарвард, Колумбия, Массачусетс, Тель-Авив), позволила не только объяснить экспериментальные данные, но и предсказать новые, пока не обнаруженные типы структур. Выявлено два различных механизма самоорганизации наночастиц, соответствующих однородному и неоднородному пределам в динамике испарения. Авторы надеются, что дальнейшая кооперация теории и эксперимента позволит создать технологию, которую можно будет использовать для изготовления различных наноустройств с наперед заданными характеристиками.
УФ светоизлучатели "оксид цинка - опал"
В ИФТТ РАН совместно с ИПТМ РАН разработана технология инфильтрации оксида цинка в трехмерную опаловую решетку методом химического осаждения из раствора и получены образцы композитов "ZnO-опал", демонстрирующие преимущественно люминесценцию в УФ области спектра при комнатной температуре.
В перспективе планируется разработка и изготовление макета УФ лазера на основе структуры "ZnO-опал" ((lambda)~380 нм) для телевизионных проекционных систем большой яркости (эффективность 30 - 50 %).
Рис. 1. Оптическое фото синтетического опала, заполненного ZnO.
Участки опала разного цвета представляют собой упорядоченные домены различной ориентации. Диаметр сфер SiO2 - 260нм. Размер образца ~20х20мм2.
Магнитное поле изменяет цвет кристаллов
Исследуя процессы спин-зависимой агрегации примеси европия в ионных кристаллах, сотрудники ИФТТ РАН недавно обнаружили влияние магнитного поля на фотолюминесценцию кристаллов [1, 2]. Это явление необычно тем, что при комнатной температуре магнитное поле с индукцией 6Тл способно изменить интенсивность полос люминесценции на ~10 %, в то время, как термические флуктуации должны были бы разрушать ориентацию спинов и препятствовать возникновению подобных, очень больших для равновесных систем, эффектов. В физике и спиновой химии уже известны подобные ситуации [3]. Они возникают в случаях, когда неравновесная система эволюционирует к равновесному состоянию, проходя через короткие промежуточные стадии. Настолько короткие, что термические флуктуации не успевают изменить спиновые состояния в парах парамагнитных частиц, а магнитное поле - успевает.
Рис. 1. Спектры люминесцецни двух кристаллов NaCl:Eu. Голубая линия - два сливающихся одинаковых спектра сразу после закалки. Черная - спектр люминесценции первого кристалла через 4 месяца после закалки в отсутствие магнитного поля. Зеленая - спектр люминесценции второго кристалла через 4 месяца после закалки в условиях, когда первые 3 суток он пребывал в постоянном магнитном поле 15Тл.
Применительно к кристаллам NaCl:Eu этими частицами являются ионы Eu2+. Для получения неравновесного состояния кристаллы сначала закаливаются. При этом при температуре 700°С в них происходит растворение крупных кластеров и образуются отдельные примесно-вакансионные диполи. После охлаждения такой системы в ней начинается агрегирование примеси. В первые несколько суток образуются небольшие кластеры, состоящие из 2-3 ионов европия и такого же числа вакансий, требующихся для сохранения электронейтральности кластеров.
Именно эти небольшие зародыши дальнейшего роста чувствительны к присутствию магнитного поля. При возбуждении ультрафиолетом в диапазоне 200-370нм зародыши светятся синим цветом. Имеется множество конфигураций зародышей, образование которых равновероятно на начальном этапе.
С другой стороны, процесс роста крупных кластеров, светящихся зеленым цветом, очень сильно зависит от того, какие зародыши образовались в кристалле именно на начальном этапе. Объясняется это тем, что "невыгодные" в кристаллографическом и энергетическом смысле конфигурации нанокластеров препятствуют дальнейшему агрегированию, оказываясь "тупиковыми ветками" процесса.
Магнитное поле создает перевес в пользу "выгодных" конфигураций, причем этот перевес продолжает со временем увеличиваться, хотя магнитного поля уже нет. В конечном итоге это приводит к росту преципитатов, светящихся "зеленым" цветом. Наиболее интересным свойством таких систем представляется их нелинейность и возможность усиления различных эффектов, в том числе создаваемых магнитным полем. Таким образом, изменения, которые наблюдаются через несколько месяцев после начала агрегирования центров люминесценции, оказываются значительно сильнее, чем в первый момент после помещения кристаллов в магнитное поле.
Рис.2. Кристалл, подвергавшийся действию магнитного поля 15 Тл (его начальный и конечный спектры показаны на рис.1).
Рис.3. Кристалл, не подвергавшийся действию магнитного поля 15 Тл (его начальный (сразу после закалки) и конечный спектры показаны на рис.1).
Другими словами, магнитное поле, действуя в течение нескольких часов, первоначально приводит лишь к небольшим, незаметным невооруженным глазом, но вполне обнаружимым с помощью спектроскопических методов, изменениям цвета кристалла [1,2]. Однако, спустя несколько месяцев, изменения цвета кристаллов, созданные магнитным полем на начальных стадиях агрегирования примеси, становятся значительно сильнее и оказываются различимыми без специальных приборов (рис.2, 3) [4].
Для понимания физики процессов спин-зависимого агрегирования примеси в настоящее время прикладывается много усилий. Отметим, что помимо оптических свойств, изменяется также и пластичность кристаллов: подвижность индивидуальных дислокаций и микротвердость [5]. Эти свойства, как известно, весьма чувствительны к состоянию примеси в кристаллах. Таким образом, спинтроника (наука об управлении электрическим током с помощью спинов частиц [6]) имеет самые неожиданные продолжения и развития в физике оптических и пластических свойств кристаллов.
Р.Моргунов
Люминесцентный спин-клапанный транзистор
Современная микро- и наноэлектроника поворачивается лицом к спину электрона, чьи квантовые свойства проявляются сильнее с уменьшением характерных размеров приборов. Заметный шаг в этом направлении реализован в совместной работе ученых из Гарвардского и Калифорнийского (Санта Барбара) университетов, США [1], создавших люминесцентный спин-клапанный транзистор (spin-valve transistor), СКТ. СКТ модулирует интенсивность испускаемого излучения в ближнем ИК-диапазоне в зависимости от приложенного магнитного поля. Чувствительность к магнитному полю (200%-я модуляция оптического сигнала при изменении поля в десятки Гс) и относительно малый размер (900x900мкм2) делают СКТ перспективным для дистанционного детектирования и визуализации магнитных полей, а также для магнитных запоминающих устройств с оптическим выводом данных.
Как транзистор, СКТ состоит из трех частей (рис. 1), интегрированных посредством продуманного и искусно выполненного процесса наносборки:
Коллектор представляет собой p-i-n переход, выращенный молекулярно-лучевой эпитаксией на подложке из GaAs. Уровень допирования нижнего слоя AlGaAs примесями p-типа на порядок выше, чем верхнего слоя AlGaAs примесями n-типа, тем самым создавая структуру, насыщенную дырками. Допирование n-типа необходимо для увеличения времени жизни приходящих электронов, для того чтобы усилить эффективность их оптической рекомбинации с дырками в центре перехода (10-нм слой GaAs), а, следовательно, и интенсивность люминесценции.
База включает в себя два 5-нм магнитных слоя NiFe и Co, осажденных методом высокотемпературного вакуумного напыления, и образует Шоттки-контакт с коллектором.
Эмиттер (6-нм слой Al) осажден поверх 100-нм непроводящего слоя Al2O3, отделяющего его от базы. Обработка с помощью фотолитографии, травления, и др. позволяет объединить все три части СКТ, а также подвести к ним электрические контакты.
Рис. 1. Зонная диаграмма люминесцентного СКТ при Vc=0 и Ve=0
При включении напряжения смещения между эмиттером и коллектором выше энергии запрещенной зоны GaAs в квантовой яме p-i-n перехода электронный ток должен идти от эмиттера к коллектору и рекомбинировать с избыточными дырками, при этом испуская фотоны для дальнейшего детектирования. Весь вопрос в том, что происходит с током электронов при пересечении двух ферромагнитных слоев.
В этом и заключается принцип действия СКТ. Как показали измерения в [1], при приложении внешнего магнитного поля H^^ = -200 Гс, векторы намагничивания слоев NiFe и Co выстраиваются параллельно. Спины электронов, испущенных эмиттером, поляризуются, проходя через слой Co. Так как слой NiFe намагничен в том же самом направлении, то спин-поляризованные электроны будут (не рассеиваясь) проходить, в коллектор. Ситуация здесь аналогична свету, проходящему через поляризатор и анализатор, чьи оси параллельны.
Если же изменить магнитное поле до значения Hv^ = 30 Гс (промежуточного между коэрцитивными силами двух слоев), то вследствие остаточной индукции векторы намагничивания NiFe и Co будут антипараллельными, что приведет к ослаблению электронного тока. Этот результат, в частности уменьшение интенсивности люминесценции от 150 с-1 до 50 с-1 (т.е. модуляция 200%), был получен в эксперименте (рис. 2).
Рис. 2. Спектр излучения при постоянном напряжении эмиттера и коллектора с магнитным полем, при котором намагниченность в ферромагнитных слоях параллельна (-200Гс) или антипараллельна (30Гс)
Реализованное устройство совмещает в себе функции более ранних версий СКТ (см. ссылки в работе [1]) с оптическим выводом, позволяющим удобно получать сигнал, поступающий из криостата при 77К в среду при нормальных условиях. Следующий этап - улучшение эффективности процесса люминесценции, например, за счет добавления в устройство брэгговских отражателей. Заметим, что детектирование одноэлектронных спин-поляризованных токов остается актуальной проблемой наноэлектроники.
А.Бычков
Управляемое перемещение свободных капель на чипе
В известных "лабораториях-на-чипе" с микроканалами такие объекты, как взвешенные частицы, биологические клетки и протеины могут, залипая на стенках, блокировать проходимость каналов. Этого недостатка лишена более гибкая микрожидкостная система, в которой жидкие компоненты (вода или тетрапропилен) в виде капель объемом в микро- или нанолитрах перемещаются в свободно подвешенном состоянии над поверхностью чипа по другой жидкой среде, более плотной, не смешивающейся с первой (например, фторированное масло). Капли перемещаются переменным или постоянным электрическим полем, приложенным к системе электродов под слоем масла (рис. 1). Если в слое масла приложено пространственно неоднородное электрическое поле, силы электрофореза притягивают поляризованные объекты в направлении увеличения электрического поля.
Рис. 1
Рис. 2
Капли, таким образом, мигрируют между электродами или зависают над ними, уловленные полем. Скорость капель в меняющемся поле согласуется с квадратом напряженности поля и, поскольку капли испытывают только вязкостное сопротивление, движение их происходит с крайне низкой рассеиваемой мощностью, хотя движутся они медленнее, чем, например, частицы, находящиеся в контакте с электродами в канальных структурах. Капли воды также сильно реагируют на постоянное поле, двигаясь со скоростью до 2мм/с, очевидно, обладая значительным зарядом и/или дипольным моментом, так что движение их есть ни что иное, как кулоновское притяжение или отталкивание. На рис. 2 а,b показано перемещение по разным "каналам" капель воды (750нл), содержащих латексные микросферы (белый цвет) и наночастицы золота (фиолетовый). При соприкосновении капли сливаются и продолжают движение по одному треку. Система разработана группой ученых факультета технической химии университета штата Северная Каролина.
Nature, 2003, 426, p. 515
Февраль 5 дней. г. Киров.
XVП Уральская школа металловедов-термистов по
проблемам физического металловедения
перспективных материалов (фазовые и структурные
превращения в сплавах, в том числе при внешних
воздействиях, физико-механические свойства
металлических материалов, термическая
обработка, прочность и пластичность
перспективных материалов, современные
технологии термической обработки)
Контакт - ИФМ РАН
тел.: (3432) 754-439
mag@mtf.ustu.ru
НС РАН по физике конденсированных сред
тел.: (095) 132-7547, 135-2301
Февраль 5 дней. Челябинская
область.
XV Уральская международная школа по физике
полупроводников (электронные свойства
низкоразмерных структур; спиновые явления;
системы с магнитными примесями;
высокотемпературные сверхпроводники)
Контакт - Институт физики металлов УрО РАН
тел.: (3432) 745-253
okulov@imp.uran.ru
Февраль 3 дня. г. Москва.
Конференция "Фазовые превращения и прочность
твердых тел" (Курдюмовские чтения)
Контакт НИИЧермет им. И.П.Бардина
тел./факс: (095) 777-9350
glezer@imph.msk.ru
ИФТТ РАН
тел.: (095) 993-2755
НС РАН по физике конденсированных сред
тел.: (095) 132-7547, 135-2301
Февраль-март 4 дня. г.
Санкт-Петербург (Зеленогорск).
Международная школа по физике полупроводников
Контакт - ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН
тел. (812) 247-9152
Февраль-март 6 дней. г. Челябинск.
XXX Международная школа физиков-теоретиков
"Коуровка-30" (кинетические и динамические
эффекты, резонансные и нелинейные явления,
фазовые превращения в твердых телах)
Контакт - ИФМ УрО РАН
тел. (3432) 744-312
Kurkin@imp.uran.ru
НС РАН по физике конденсированных сред
тел. (095) 132-7547, 135-2301
Март 4 дня. г. Нижний Новгород.
Международное рабочее совещание:
"Нанофотоника - 2004" (обсуждение новых
оптических свойств полупроводниковых
гетероструктур пониженной размерности)
Контакт - Институт физики микроструктур РАН
тел.: (8312) 675-120
Март 4 дня. г. Нижний Новгород.
Международное рабочее совещание: "Зондовая
микроскопия - 2004" (совещания посвящены
вопросам исследования и целенаправленной
модификации свойств поверхности твердых тел с
помощью сканирующих зондовых микроскопов)
Контакт - Институт физики микроструктур РАН
тел.: (8312) 675-120
Март 4 дня. г. Нижний Новгород.
Ежегодное международное рабочее совещание:
"Рентгеновская оптика - 2004"
Контакт - Институт физики микроструктур РАН
тел.: (8312) 675-120
Апрель 2 дня. г. Москва
Симпозиум, посвященный 50-летию квантовой
электроники
Контакт - Физический институт им. П.Н.Лебедева
РАН
Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН
Научный совет РАН по оптике и лазерной физике
тел.: (095) 135-0210
Апрель-май 3 дня. г. Троицк
Семинар "Сильно коррелированные электронные
системы и квантовые критические явления"
Контакт - Институт физики высоких давлений им.
Л.Ф.Верещагина РАН
тел.: (095) 334-0010, факс: (095) 334-0012
gurevich@pop.ioffe.rssi.ru
НС РАН по физике конденсированных сред
тел.: (095) 132-7547, 135-2301
Май 3 дня. г. Челябинск.
XXIII Уральская региональная конференция
"Контроль технологий, изделий и окружающей
среды физическими методами"
Контакт - Институт физики металлов УрО РАН
тел./факс: (3432) 744-382
НС РАН по физике конденсированных сред
тел.: (095) 132-7547, 135-2301
Май 4 дня. г. Санкт-Петербург.
Международный симпозиум по спиновым волнам
Контакт - Физико-технический институт им. А.Ф.
Иоффе РАН
тел.: (812) 247-1873
факс: (812) 515-6747
gurevich@pop.ioffe.rssi.ru
НС РАН по физике конденсированных сред
тел.: (095) 132-7547, 135-2301
Май 3 дня. г. Санкт-Петербург.
VII Международный семинар "Российские
технологии для индустрии. Лазеры в науке,
технике, медицине и экологии"
Контакт - Физико-технический институт им.
А.Ф.Иоффе РАН
тел.: (812) 247-9968
факс: (812) 247-1017
Май 3 дня. г. Санкт-Петербург.
X Международная конференция "Физика
диэлектриков" (Диэлектрики -2004), Институт
физической химии РАН
Контакт - Институт кристаллографии им.
А.В.Шубникова РАН
тел.: (095) 333-7056
Российский государственный педагогический
университет им. А.И.Герцена
тел. (812) 315-5396
факс: (812) 312-4053
psme@herzen.spb.ru
Май 6 дней. г. Судак, Украина.
IX Международная конференция "Водородное
материаловедение и химия углеродных
наноматериалов"
Контакт - ИФТТ РАН
тел.: (095) 993-2755
факс: (095) 524-9701
antonov@issp.ac.ru
Май-июнь 4 дня. г. Черноголовка,
Московская обл.
XX Конференция по электронной микроскопии
Контакты
ИПТМ материалов РАН
тел.: (095) 962-8074
факс: (095) 962-8047
Институт кристаллографии РАН
тел.: (095) 135-6541
факс: (095) 135-1011
НС РАН по электронной микроскопии
тел.: (095) 135-0298
Редактор С.Т.Корецкая,
тел: (095) 930 33 89
perst@isssph.kiae.ru
В подготовке выпуска принимали участие:
А.Бычков, М.Компан, Ю.Метлин, Р.Моргунов, Л.Опенов