Описание материи в экстремальных условиях, например, внутри нейтронных звёзд, остаётся нерешённой проблемой. Плотность такой материи эквивалентна сжатию около 100 000 Эйфелевых башен в один кубический сантиметр. В частности, свойства так называемого кваркового вещества, состоящего из фундаментальных строительных блоков Вселенной — кварков, — играют центральную роль.
Исследователи из Технологического университета Дармштадта и Университета Гёте во Франкфурте изучили это вещество и его термодинамические свойства. Их выводы опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Теоретические исследования показывают, что при очень низких температурах кварки переходят в так называемое состояние сверхпроводимости цвета, что коренным образом меняет природу материи. Это состояние аналогично переходу электронного газа в электрический сверхпроводник, за исключением того, что вместо электронов объединяются кварки и создают энергетическую щель в своём спектре возбуждений.
В отличие от обычных сверхпроводников, цветной сверхпроводник обычно не проводит электрический ток без сопротивления, а скорее цветовой заряд кварков. Этот заряд в конечном итоге определяет силу взаимодействия между этими элементарными строительными блоками материи.
Формирование пар кварков и возникающая в результате энергетическая щель коренным образом меняют поведение материи. Даже относительно слабые парные эффекты оказывают значительное влияние на материю и её термодинамические свойства.
Андреа Геиссель, Тайлер Горда и Йенс Браун подробно анализируют эти эффекты. Они рассчитывают поправки, возникающие из-за спаривания и взаимодействий кварков, учитывая при этом специфические условия внутри нейтронных звёзд. Это позволяет исследовательской группе определить как термодинамическое давление, так и скорость звука в сверхпроводящем веществе цвета.
Результаты показывают, что состояние сверхпроводимости цвета термодинамически предпочтительно при высоких плотностях. Более того, это состояние приводит к значительному увеличению скорости звука — прямому показателю механической стабильности материи. Согласно расчётам, скорость звука внутри нейтронных звёзд может превышать 60% от скорости света, то есть более 180 000 километров в секунду. Эта цифра становится ещё более впечатляющей, если сравнить её со скоростью звука в самом твёрдом из известных на Земле «обычных материалов» — алмазе, которая в 10 000 раз ниже.
Численное моделирование также предполагает, что такие высокие скорости звука необходимы для объяснения стабильности наиболее массивных известных нейтронных звёзд. Работа Геисселя, Горды и Брауна теперь предполагает, что сверхпроводящее вещество цвета может быть ключевым компонентом в объяснении массивных нейтронных звёзд — и что наблюдения за этими звёздами могут, в свою очередь, помочь лучше ограничить энергетическую щель в спектре кварков.
Самый короткий световой импульс в истории захватывает ультрабыструю динамику электронов
Электроны определяют всё: как протекают химические реакции, как материалы проводят электричество, как биологические молекулы передают энергию и как работают квантовые технологии. Но динамика электронов происходит на аттосекундных временных масштабах — слишком быстро для обычных инструментов измерения.
Исследователи создали 19,2-аттосекундный импульс мягкого рентгеновского излучения, который фактически создаёт камеру, способную фиксировать эту неуловимую динамику в реальном времени с беспрецедентной детализацией, позволяя наблюдать процессы, которые ранее никогда не наблюдались.
Доктор Фернандо Ардана-Ламас, доктор Сет Л. Казин, Жюльетт Линьер и профессор Йенс Бигер из ICFO опубликовали этот новый рекорд в Ultrafast Science. Импульс длиной всего 19,2 аттосекунды является самым коротким и ярким импульсом мягкого рентгеновского излучения, когда-либо созданным, что привело к созданию самой быстрой «камеры» в мире.
Вспышки света в диапазоне мягкого рентгеновского излучения обеспечивают идентификацию по отпечаткам пальцев, позволяя учёным отслеживать, как электроны реорганизуются вокруг определённых атомов во время реакций или фазовых переходов.
Эффект узо раскрывает, как капли масла могут противостоять потоку и формировать стабильные структуры в жидкостях
Когда греческий узо, французский пастис или турецкий раки разбавляются водой, смесь становится мутной. Причина этого в том, что анисовые масла, содержащиеся в спирте, хорошо растворяются в алкоголе, но не в воде.
Однако, когда вода добавляется, анисовые масла больше не могут полностью растворяться в значительно сниженном содержании алкоголя. В результате мелкие капли диспергируются в напитке, создавая молочный вид.
Исследователи из Технологического университета Дармштадта использовали этот так называемый эффект узо для создания капель масла для лабораторного эксперимента. Это привело к новому открытию: такая капля может противостоять потоку жидкости и оставаться на месте или даже двигаться вверх по течению.
«Сила, удерживающая каплю на месте, возникает из-за разницы в поверхностном натяжении на её верхнем и нижнем концах», — объясняет Стеффен Биссвангер, докторант в области нано- и микрогидродинамики на факультете машиностроения в Технологическом университете Дармштадта и ведущий автор исследования.
Равновесие, которое, по-видимому, заставляет каплю «парить», зависит от её размера и положения, а также от скорости потока и типа жидкости в канале потока. «Явление, когда капли удерживаются на месте или даже движутся вверх по течению, ранее было неизвестно и теперь впервые задокументировано и объяснено», — говорит Биссвангер.
Результаты этого фундаментального исследования особенно актуальны для областей разработки технологических процессов и аналитической химии. Хотя эффект можно наблюдать только под микроскопом с высокоскоростной камерой, он также может быть заметен в больших масштабах — например, в эмульсиях, то есть в жидкостях, в которых бесчисленные крошечные капли масла распределены в воде.
thermodynamic properties. Their findings are published in the journal Physical Review Letters.»,»Theoretical studies suggest that quarks at very low temperatures enter a so-called color-superconducting state, which fundamentally alters the nature of matter. This state is analogous to the transition of an electron gas into an electrical superconductor—except that, instead of electrons, quarks pair up and create an energy gap in their excitation spectrum.»,»Unlike conventional superconductors, however, a color superconductor generally does not conduct electric current without resistance, but rather the color charge of the quarks. This charge ultimately determines the strength of the interaction between these elementary building blocks of matter.»,»The formation of quark pairs and the resulting energy gap fundamentally change the behavior of matter. Even relatively weak pairing effects have a significant impact on the matter and its thermodynamic properties.»,»Andreas Geissel, Tyler Gorda, and Jens Braun analyze these effects in detail. They calculate correction terms arising from quark pairing and interactions, while accounting for the specific conditions inside neutron stars. This allows the research team to determine both the thermodynamic pressure and the speed of sound in color-superconducting quark matter.»,»The results show that the color-superconducting state is thermodynamically favored at high densities. Moreover, this state leads to a significant increase in the speed of sound—a direct measure of the mechanical stability of matter. According to the calculations, the speed of sound in the interior of neutron stars could exceed 60% of the speed of light, i.e., more than 180,000 kilometers per second. This figure becomes even more impressive when compared to the speed of sound in the hardest terrestrial \»everyday material,\» diamond, which is 10,000 times lower.»,»Numerical simulations also suggest that such high speeds of sound are necessary to explain the stability of the most massive known neutron stars. The work by Geissel, Gorda, and Braun now suggests that color-superconducting matter may be a crucial ingredient in explaining massive neutron stars—and that observations of these stars could, in turn, help to better constrain the energy gap in the quark spectrum.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tTechnische Universitat Darmstadt\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник