Солнечные батареи и компьютерные чипы нуждаются в идеально ровных слоях кремния. Любые несовершенства в кристаллической структуре увеличивают риск снижения эффективности или нарушения процессов переключения.
Если вы знаете, как атомы кремния выстраиваются, образуя кристаллическую решётку на тонкой поверхности, вы получаете фундаментальное представление о контроле роста кристаллов. Для этого международная исследовательская группа проанализировала поведение кремния, подвергнутого мгновенной заморозке. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Результаты показывают, что скорость охлаждения оказывает существенное влияние на структуру поверхностей кремния. Основной механизм, возможно, также имел место во время фазовых переходов в ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва.
При низких температурах на поверхности кремния образуются пары атомов кремния, известные как димеры, которые могут наклоняться вправо или влево, как качели. Выше определённой критической температуры — в случае кремния это 190 Кельвин (−83 °C) — димеры раскачиваются вперёд и назад между двумя состояниями.
«Когда они охлаждаются ниже критической температуры, димеры фиксируются в одном из двух состояний, — говорит доктор Гернот Шаллер, руководитель отдела квантовых информационных технологий в Институте теоретической физики HZDR. — Они фактически замораживаются в результате этого фазового перехода».
Более того, отдельные димеры влияют друг на друга. Это влияние зависит от расположения димеров: связь в поперечном направлении сильнее, чем в продольном.
«Именно эта сильная так называемая анизотропия в значительной степени ответственна за поведение димеров на поверхности», — говорит Шаллер. «В зависимости от скорости охлаждения мы наблюдаем переход от одномерного поведения к двумерному».
Одномерное означает, что при очень быстром охлаждении, более 100 Кельвин в микросекунду, углы наклона димеров выстраиваются в длинные цепочки. Если температура падает медленнее, преобладает двумерное поведение.
В этом случае димеры кремния образуют более или менее крупные упорядоченные поверхности, известные как домены, с однородной структурой в виде сот. «И чем медленнее охлаждение, тем больше домены», — объясняет Шаллер.
Для расчёта структуры кристаллической поверхности исследователи использовали так называемую модель Изинга. Эта математическая модель учитывает углы наклона димеров кремния, которые могут принимать только одно из двух возможных состояний.
Это элегантное описание фазового перехода во время быстрого охлаждения поверхностей кремния благодаря анизотропной модели Изинга — не просто чистая теория. Исследователи также сравнили свои аналитические и численные расчёты с экспериментальными данными.
Изображения высокого разрешения, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа на мгновенно замороженных поверхностях кремния, выявляют структуры, соответствующие моделированию. Можно увидеть как протяжённые двумерные структуры в виде сот, так и резкие одномерные границы между зигзагообразными цепочками.
«И наши коллеги из Университета Дуйсбург-Эссен планируют дальнейшие эксперименты, которые могли бы подтвердить влияние скорости охлаждения на структуру поверхности кремния — по аналогии с нашим моделированием», — говорит профессор Ральф Шютцольд, директор Института теоретической физики HZDR.
Результаты не только порождают новые идеи для изготовления кремния без дефектов, «поведение димеров кремния демонстрирует параллели с так называемым механизмом Киббла-Журека», — говорит Шютцольд.
Механизм Киббла-Журека, названный в честь физиков Тома Киббла и Войцеха Журека, описывает, как топологические дефекты, то есть несовершенства в упорядоченной структуре, образуются во время быстрых фазовых переходов.
Киббл изучал процессы во время охлаждения молодой Вселенной после Большого взрыва. Топологические дефекты, такие как точечные монополи или линейные дефекты — космические струны — могли быть созданы таким образом.
Журек предсказал аналогичное поведение в конденсированных средах на примере криогенного сверхтекучего гелия. И теперь группа учёных под руководством Шаллера и Шютцольда показала, что механизм Киббла-Журека, по-видимому, гораздо более распространён, чем предполагалось изначально, и может происходить даже на мгновенно замороженных поверхностях кремния.
Как кольца воды «отскакивают»? Новое открытие отвечает на вопрос, который не давал покоя несколько десятилетий
Кольца вихря, такие как кольца дыма, выбрасываемые реактивными двигателями, — это лишь два примера вихревых колец. Эти структуры в форме пончиков и их завораживающее движение изучаются уже несколько десятилетий, учитывая их роль в движении вперёд и — в случае медуз и других беспозвоночных — в биологическом передвижении.
Команда исследователей из Нью-Йоркского университета и NYU Shanghai обнаружила замечательное свойство вихревых колец, которое не учитывалось более века — то, которое проливает свет на то, как эти кольца реагируют, когда они движутся по воде и достигают воздуха (то есть на границе раздела вода-воздух).
Когда вихревое кольцо, движущееся боком и вверх по воде, достигает поверхности и встречает воздух, оно может отскочить, в значительной степени сохранив свою форму — во многом как теннисный мяч, отскакивающий от стены. После отражения кольцо теряет лишь малую часть своей энергии. Однако если вихревое кольцо движется более вертикально вверх, оно распадается, а не отскакивает.
Открытие помогает понять силу и пределы вихревых колец в подводном движении, в том числе в передвижении некоторых морских животных, и более полно осмыслить океанографические явления, такие как подводные извержения вулканов и термальные плюмы.
«С тех пор, как Герман фон Гельмгольц впервые математически проанализировал вихревые кольца в середине 1800-х годов, учёные пытались разгадать тайны их свойств», — говорит Цзюнь Чжан, профессор математики и физики в Нью-Йоркском университете и NYU Shanghai и старший автор исследования, опубликованного в журнале Physical Review Fluids.
«Этот прорыв дополняет наше понимание их поведения, раскрывая некоторые факторы, влияющие на судьбу этих колец».
Эксперименты с тёмной материей
Тёмная материя, тип материи, который не излучает, не поглощает и не отражает свет, по прогнозам, составляет большую часть массы Вселенной. Хотя теоретические предсказания намекают на её обилие, обнаружение этой неуловимой материи до сих пор оказывалось очень трудным, оставляя её состав и происхождение загадкой.
Одна из широко изучаемых гипотез состоит в том, что тёмная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц, или сокращённо WIMP. Эти частицы, как предполагается, взаимодействуют с обычной материей только посредством гравитации и потенциально посредством слабых ядерных сил.
Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ) — это крупномасштабное исследование, направленное на поиск сигналов, связанных с присутствием WIMP, с использованием сложного детектора, известного как двухфазная ксеноновая времяпролётная проекционная камера. Исследователи, участвующие в эксперименте, недавно опубликовали свои последние результаты в статье в Physical Review Letters, которые устанавливают более строгие ограничения на более лёгкие частицы тёмной материи, которые могли бы получить энергию после столкновения с космическими лучами.
«Основная научная цель этой работы заключалась в изучении возможности обнаружения более лёгких частиц тёмной материи, чем обычные WIMP», — сказал Yongheng Xu, участник коллаборации LZ. «Лёгкие частицы тёмной материи сложно обнаружить в обычных условиях без ускорения. Концепция сформировалась в ходе продолжающихся дискуссий с теоретиками, которые помогли уточнить концепцию и определить возможные экспериментальные сигнатуры в эксперименте LZ».
Эксперимент LZ уже добился значительных успехов в поиске гипотетических частиц тёмной материи. Недавно коллаборация LZ установила самые строгие на сегодняшний день ограничения на WIMP, однако детектор, используемый в эксперименте, также может быть использован для поиска других кандидатов в тёмную материю.