Синтетические магнитные поля направляют свет на чипе для ускорения связи
Разработка новых сплавов, устойчивых к экстремальным холодам
Покорение экстремально низких температур в глубоком космосе или работа с переохлаждёнными жидкими топливами на Земле требуют материалов, которые не разрушаются при таких условиях. Большинство металлов становятся хрупкими и ломаются при столь низких температурах. Однако новые исследования открывают подход к созданию металлических структур атом за атомом, чтобы получить прочные и долговечные сплавы, способные выдерживать такие суровые условия.
Традиционные методы упрочнения не всегда подходят для этих задач
Традиционные методы упрочнения часто оказываются недостаточными. Например, распространённый метод термообработки, называемый дисперсионным твердением, укрепляет металлы путём создания крошечных твёрдых частиц в их структуре. Но при экстремальных температурах материалы могут потерять свою пластичность (способность гнуться, растягиваться или принимать новую форму без разрушения) и внезапно разрушиться.
Новый способ создания металлических сплавов
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, описан новый способ проектирования металлических сплавов, которые сохраняют прочность и жёсткость даже при сверхнизких температурах. Основная идея заключается в создании сплава с двумя различными типами идеально упорядоченных атомных структур внутри. Эти структуры называются субнаномасштабным короткопериодным упорядочением (SRO), которые представляют собой крошечные островки организованных атомов, и наномасштабным дальним упорядочением (NLRO), которые немного крупнее.
Исследователи создали свой сплав с помощью контролируемого процесса термообработки и механического формования, который заставил атомные структуры самоорганизовываться. Другими словами, учёные создали условия, при которых атомы сами выстраивались в нужную структуру.
Результатом стал новый сплав кобальта, никеля и ванадия, который исключительно прочен и устойчив при температурах до −186 °C (87 K). Его тестировали, растягивая в лаборатории при экстремально низких температурах, чтобы увидеть, сколько напряжения он может выдержать.
«Наши результаты подчёркивают влияние двойного сосуществования химического упорядочения на механические свойства сложных сплавов и предлагают рекомендации по управлению этими состояниями упорядочения для повышения их механических характеристик в криогенных приложениях», — написал Шан-Тун Ту, один из авторов исследования.
Практическое применение
Благодаря своей исключительной прочности и долговечности, особенно в экстремальных холодных условиях, сплав может найти множество практических применений. В освоении космоса он может быть использован для создания более прочных космических аппаратов, способных выдерживать экстремально низкие температуры глубокого космоса. В энергетическом секторе сплав может создать более безопасную и надёжную инфраструктуру, такую как трубы и резервуары для сжиженного природного газа.
Исследователи также считают, что их подход к инженерии на атомном уровне может быть применён к другим типам сплавов. Это может привести к разработке целого нового поколения материалов, которые смогут выдерживать самые суровые холодные условия без ущерба для производительности или безопасности.
Создание синтетических магнитных полей для управления светом
Электроны в магнитном поле могут демонстрировать поразительное поведение, от формирования дискретных энергетических уровней до квантового эффекта Холла. Эти открытия сформировали наше понимание квантовых материалов и топологических фаз материи. Однако свет состоит из нейтральных частиц и не реагирует на магнитные поля естественным образом. Это ограничивало возможности исследователей воспроизводить такие эффекты в оптических системах, особенно на высоких частотах, используемых в современных коммуникациях.
Чтобы решить эту задачу, исследователи из Шанхайского университета Цзяо Тун и университета Сунь Ят-сена разработали метод генерации псевдомагнитных полей — синтетических полей, имитирующих влияние реальных магнитных полей — внутри наноструктурированных материалов, известных как фотонные кристаллы.
В отличие от предыдущих демонстраций, которые фокусировались на конкретных эффектах, таких как фотонные уровни Ландау, новый подход позволяет произвольно контролировать поток света внутри материала. Их исследование опубликовано в журнале Advanced Photonics.
Команда достигла этого, систематически изменяя симметрию крошечных повторяющихся единиц в кремниевых фотонных кристаллах. Регулировка степени локальной асимметрии в каждой точке позволила им «спроектировать» псевдомагнитные поля с индивидуальными пространственными узорами, не нарушая фундаментальной симметрии обращения времени. Как теоретический анализ, так и эксперименты подтвердили, что эти инженерные поля могут направлять и манипулировать светом различными способами.
Для демонстрации практических применений исследователи создали два устройства, обычно используемых в интегральной оптике. Одним из них был компактный S-образный изгиб волновода, который передавал свет с потерей сигнала менее 1,83 децибела. Другим был разветвитель мощности, который разделял свет на два равных пути с низкими избыточными потерями и минимальным дисбалансом.
В окончательном тесте устройства успешно передали высокоскоростной поток данных со скоростью 140 гигабит в секунду, используя стандартный телекоммуникационный формат модуляции, показывая, что техника совместима с существующими оптическими системами связи.
Перспективы
Помимо непосредственных применений, работа открывает новые возможности для изучения квантово-подобных явлений со светом. Возможность наложения искусственных калибровочных полей в фотонных системах может позволить создать устройства для оптических вычислений, квантовой информации и передовых коммуникационных технологий.
Это также предоставляет физикам платформу для изучения поведения нейтральных частиц в условиях, имитирующих присутствие магнитных полей, объединяя концепции из физики конденсированных сред и фотоники.
extreme temperatures, the materials can lose their ductility (the ability to bend, stretch or be pulled into a new shape without breaking) and fracture suddenly.”,”A study published in the journal Nature describes a new way to design metal alloys so they stay strong and tough even at super low temperatures. The big idea is to create an alloy with two different types of perfectly arranged atomic structures inside it. These structures are called subnanoscale short-range ordering (SRO), which are tiny islands of organized atoms and nanoscale long-range ordering (NLRO), which are slightly larger.”,”The researchers created their alloy with a controlled process of heat treating and mechanical shaping, which caused the atomic structures to self-assemble. In other words, scientists created the conditions for the atoms to arrange themselves into the desired structure.”,”The result was a new cobalt-nickel-vanadium alloy that is exceptionally strong and tough at temperatures as low as -186°C (87 K). It was tested by being pulled and stretched in a lab at extremely low temperatures to see how much stress it could handle.”,”\”Our results highlight the impact of dual co-existing chemical ordering on the mechanical properties of complex alloys and offer guidelines to control these ordering states to enhance their mechanical performance for cryogenic applications,\” wrote Shan-Tung Tu, one of the study’s authors.”,”With its exceptional strength and durability, especially in extreme cold conditions, the alloy could have numerous practical uses. In space exploration, it could be used to build more durable spacecraft that can handle the extremely low temperatures of deep space. For the energy sector, the alloy could create safer and more reliable infrastructure, such as pipes and tanks for liquefied natural gas.”,”The researchers also believe that their atomic-level engineering approach could be applied to other types of alloys. This could lead to the development of a whole new generation of materials that can withstand the harshest cold conditions without compromising performance or safety.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t © 2025 Science X Network\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t “,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник