Группа учёных из Кореи и Японии обнаружила новый тип кристалла, который может «дышать» — многократно высвобождать и поглощать кислород при относительно низких температурах. Эта уникальная способность может изменить подход к разработке технологий чистой энергии, включая топливные элементы, энергосберегающие окна и интеллектуальные тепловые устройства.
Новый материал — особый вид оксида металла, состоящий из стронция, железа и кобальта. Его особенность заключается в том, что он может выделять кислород при нагревании в простой газовой среде, а затем вновь поглощать его, не разрушаясь. Этот процесс можно повторять многократно, что делает материал идеальным для практического применения.
Исследование под руководством профессора Хёнджин Джин из Департамента физики Национального университета Пусана, Корея, и при участии профессора Хиромичи Ота из Научно-исследовательского института электронных наук Университета Хоккайдо, Япония, было опубликовано в журнале Nature Communications 15 августа 2025 года.
«Это словно дать кристаллу лёгкие, и он может вдыхать и выдыхать кислород по команде», — говорит профессор Джин. Контроль кислорода в материалах имеет решающее значение для таких технологий, как твердооксидные топливные элементы, которые производят электричество из водорода с минимальными выбросами.
До сих пор большинство материалов, способных контролировать кислород, были слишком хрупкими или работали только в жёстких условиях, например, при чрезвычайно высоких температурах. Новый материал работает в более мягких условиях и остаётся стабильным.
«Это открытие поражает по двум причинам: сокращаются только ионы кобальта, и процесс приводит к формированию совершенно новой, но стабильной кристаллической структуры», — объясняет профессор Джин.
Исследователи также показали, что материал может вернуться к своей первоначальной форме при повторном введении кислорода, доказав, что процесс полностью обратим. «Это важный шаг к созданию интеллектуальных материалов, которые могут адаптироваться в реальном времени», — говорит профессор Ота. «Потенциальные применения варьируются от чистой энергии до электроники и даже экологически чистых строительных материалов».
Физики решили 90-летнюю головоломку квантовых затухающих гармонических осцилляторов
Профессор Деннис Клафтерти из Университета Вермонта и его студент Нам Динь задались вопросом, существуют ли в атомном мире системы, которые ведут себя как вибрирующая струна гитары в мире Ньютона. «Если да, то можно ли построить квантовую теорию затухающего гармонического осциллятора?» — задался вопросом Клафтерти.
В исследовании, опубликованном 7 июля 2025 года в журнале Physical Review Research, они нашли точное решение модели, которая ведёт себя как «затухающий квантовый гармонический осциллятор» — тип движения, подобный гитарной струне, но на атомном уровне.
Оказывается, что в течение примерно 90 лет теоретики пытались описать эти затухающие гармонические системы с помощью квантовой физики, но с ограниченным успехом. «Сложность заключается в сохранении принципа неопределённости Гейзенберга», — говорит Клафтерти, профессор физики в UVM с 1992 года.
Принцип неопределённости Гейзенберга показывает, что существует фундаментальный предел точности, с которой можно одновременно определить положение и импульс частицы. На атомном уровне более точное измерение одного свойства означает менее точное измерение другого.
Модель, изученная физиками из UVM, была первоначально построена британским физиком Горасом Лэмбом в 1900 году, задолго до развития квантовой физики. Лэмб интересовался описанием того, как вибрирующая частица в твёрдом теле может терять энергию. Используя законы движения Ньютона, Лэмб показал, что упругие волны, создаваемые движением частицы, влияют на саму частицу и заставляют её затухать — то есть вибрировать с меньшей и меньшей энергией со временем.
«В классической физике известно, что вибрирующие или колеблющиеся объекты теряют энергию из-за трения, сопротивления воздуха и так далее», — говорит Динь. «Но это не так очевидно в квантовом режиме».
Клафтерти и Динь (который окончил UVM в 2024 году со степенью бакалавра по физике, в 2025 году со степенью магистра и сейчас работает над докторской степенью по математике в UVM) переформулировали модель Лэмба для квантового мира и нашли её решение.
«Чтобы сохранить принцип неопределённости, необходимо детально учитывать взаимодействие атома со всеми другими атомами в твёрдом теле», — объясняет Клафтерти. «Это так называемая задача многих тел».
Они решили эту задачу с помощью мультимодового преобразования Боголюбова, которое диагонализирует гамильтониан системы и позволяет определить её свойства, приводя к состоянию, называемому «мультимодовый сжатый вакуум».
Единая теория может открыть новые сверхпроводящие материалы
Электричество течёт по проводам, но теряет энергию при движении, доставляя меньше, чем было изначально. Но эта потеря энергии не является неизбежной. Учёные из Пенсильванского государственного университета нашли новый способ идентификации материалов, известных как сверхпроводники, которые позволяют электричеству проходить без сопротивления, а значит, без потерь энергии.
Цель состоит в том, чтобы повысить температуру, при которой сохраняется сверхпроводимость. Для этого необходимо понять, как именно происходит сверхпроводимость.
В течение десятилетий учёные обычно придерживались теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), объясняющей работу обычных сверхпроводников, работающих при очень низких температурах. Теория БКШ говорит, что способность проводить электричество без сопротивления зависит от взаимодействия электронов с фононами, позволяющего электронам объединяться в пары — так называемые куперовские пары — и двигаться через материал скоординированно, избегая столкновений с атомами.
«Представьте себе суперхайвей только для электронов», — объяснил Лю. «Если маршрутов слишком много, электроны сталкиваются с препятствиями и теряют энергию. Но если создать для них прямой туннель, как автобан в Германии, они могут двигаться быстро и свободно без сопротивления».
Этот поток электронов без сопротивления делает сверхпроводники столь привлекательными для практического применения. Без сопротивления электроны могут проходить дальше с большей энергией — значит, если учёные смогут открыть новые сверхпроводящие материалы при более высоких температурах, это может привести к созданию долговечных источников питания, изменив способы передачи и использования электроэнергии.
Команда использовала этот метод для успешного предсказания признаков сверхпроводимости в материалах, включая обычные сверхпроводники, объяснимые теорией БКШ, и высокотемпературный сверхпроводник, который, как считается, не объясняется теорией БКШ. Они также предсказали сверхпроводимость в меди, серебре и золоте, которые обычно не считаются сверхпроводниками, вероятно, из-за их ультранизких температур.
Исследователи планируют применить этот новый метод для прогнозирования температуры перехода от сверхпроводящего к несверхпроводящему состоянию в существующих высокотемпературных сверхпроводниках с помощью энтропийной теории, а также для поиска новых сверхпроводников с более высокими температурами перехода через обширную базу данных из пяти миллионов материалов, которую команда создаёт.