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De nouveaux matériaux exotiques pourraient être deux supraconducteurs en un – avec de sérieuses applications en informatique quantique

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Le travail a des applications potentielles dans Statistiques quantitativeset offre une nouvelle façon de révéler les secrets de la supraconductivité.

Avec Des physiciens et collègues ont démontré une étrange forme de supraconductivité dans un nouveau matériau que l’équipe a fabriqué il y a à peine un an. Bien que prévu dans les années 1960, ce type de supraconductivité s’est jusqu’à présent avéré difficile à stabiliser. De plus, les scientifiques ont découvert que le même matériau peut être manipulé pour afficher une autre forme tout aussi exotique de supraconductivité.

Le travail a été rapporté dans le numéro du 3 novembre 2021 du magazine tempérer la nature.

La démonstration de la supraconductivité à impulsion finie dans un cristal en couches connu sous le nom de super-réseau naturel signifie que le matériau peut être modifié pour créer différents modèles de supraconductivité dans le même échantillon. Ceci, à son tour, pourrait avoir des implications pour l’informatique quantique et plus encore.

Le matériau devrait également devenir un outil important pour percer les secrets des supraconducteurs non conventionnels. Cela peut être utile pour les nouvelles technologies quantiques. Concevoir de telles techniques est difficile, en partie à cause de la difficulté d’étudier les matériaux qui les composent. Le nouveau matériel pourrait simplifier ces recherches car, entre autres, il est relativement facile à réaliser.

Trois styles différents de supraconductivité

Diagramme montrant trois modes différents de supraconductivité obtenus dans un nouveau matériau synthétisé au MIT. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Checkelsky Lab

« L’un des sujets importants de nos recherches est que la nouvelle physique provient de nouveaux matériaux », explique Josef Chikilsky, chercheur principal sur le travail et professeur agrégé de physique dans le développement de carrière à Mitsui. Notre rapport initial portait l’an dernier sur cette nouvelle substance. Ce nouveau travail rappelle une nouvelle physique. »

Les co-auteurs de Checkelsky sur l’article actuel incluent l’auteur principal Aravind Devarakonda PhD ’21, qui est maintenant en Université de Columbia. Le travail était une partie essentielle de la thèse de Devarakonda. Les co-auteurs sont Takehito Suzuki, un ancien chercheur au MIT, aujourd’hui Toho University au Japon ; Xiang Fang, chercheur postdoctoral au Département de physique du Massachusetts Institute of Technology. Junpo Chu, étudiant diplômé en physique au Massachusetts Institute of Technology ; David Graf du Laboratoire national de champ magnétique élevé ; Markus Kreiner du RIKEN Center for Emerging Materials Science au Japon ; Liang Fu, professeur adjoint de physique au Massachusetts Institute of Technology ; Euphthymus Cacceiras de l’Université Harvard.

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Nouveau matériau quantique

La physique classique peut être utilisée pour expliquer un certain nombre de phénomènes qui sous-tendent notre monde – jusqu’à ce que les choses deviennent adorablement petites. Les particules subatomiques telles que les électrons et les quarks se comportent différemment, de manières encore mal comprises. Entrez dans la mécanique quantique, le domaine qui tente d’expliquer leur comportement et les effets qui en résultent.

Checkelsky et ses collègues ont découvert un nouveau matériau quantique, ou un matériau qui présente les propriétés particulières de la mécanique quantique à l’échelle microscopique. Dans ce cas, le matériau en question est un supraconducteur.

Récemment, explique Checkelsky, il y a eu un boom dans la réalisation de supraconducteurs spéciaux qui sont bidimensionnels, ou juste quelques couches atomiques d’épaisseur. Ces nouveaux supraconducteurs minces sont importants en partie parce qu’ils devraient donner un aperçu de la supraconductivité elle-même.

Mais il y a des défis. Par exemple, les matériaux d’une épaisseur ne dépassant pas quelques couches atomiques sont difficiles à étudier car ils sont très sensibles. Pourrait-il y avoir une autre approche pour sonder leurs secrets ?

Le nouveau matériau fabriqué par Checkelsky et ses collègues peut être considéré comme l’équivalent supraconducteur d’un couche de gâteau, où une couche est une couche ultra-mince d’un matériau supraconducteur, et la suivante est une couche d’espacement super-mince qui la protège. L’empilement de ces couches les unes sur les autres donne un gros cristal (cela se produit naturellement lorsque les éléments constitutifs soufre, niobium et baryum sont chauffés ensemble). « Et ce cristal macroscopique, que je peux tenir dans ma main, se comporte comme un supraconducteur bidimensionnel. C’était tellement incroyable », dit Czekelski.

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De nombreux capteurs que les scientifiques utilisent pour étudier les supraconducteurs bidimensionnels sont difficiles à utiliser sur des matériaux atomiquement minces. Étant donné que le nouveau matériau est trop grand, « nous avons maintenant de nombreux outils [to characterize it] », dit Chikilsky. En effet, pour les travaux présentés dans le présent article, les scientifiques ont utilisé une technique qui nécessitait d’énormes échantillons.

Des supraconducteurs étranges

Le supraconducteur transporte la charge d’une manière spéciale. Au lieu d’un seul électron, deux électrons liés ensemble portent la charge dans ce qu’on appelle la paire de Cooper. Cependant, tous les supraconducteurs ne sont pas identiques. Certaines formes inhabituelles de supraconductivité ne peuvent apparaître que lorsque les paires de Cooper se déplacent sans entrave à travers la matière sur des distances relativement longues. Plus la distance est longue, plus le matériau sera « propre ».

Le matériel de l’équipe Checkelsky est très propre. En conséquence, les physiciens étaient impatients de voir s’il pouvait montrer l’état inhabituel de la supraconductivité, ce qu’il fait. Dans le présent article, l’équipe démontre que leur nouveau matériau est un supraconducteur à impulsion finie lorsqu’un champ magnétique est appliqué. Ce type particulier de supraconductivité, qui a été proposé dans les années 1960, est resté un aimant pour les scientifiques.

Aravind Deverakounda

Aravind Devarakonda PhD ’21 est l’auteur principal d’un article de recherche décrivant une forme particulière de supraconductivité. Crédit : Dennis Paest

Alors que la supraconductivité est généralement détruite par des champs magnétiques modestes, un supraconducteur à impulsion finie peut persister davantage en formant un motif régulier de régions avec beaucoup de paires de Cooper et de régions sans. Il s’avère que ce type de supraconducteur peut être manipulé pour former une variété de motifs inhabituels lorsque les paires de Cooper se déplacent entre des orbitales de mécanique quantique connues sous le nom de niveaux de Landau. Cela signifie, dit Chikilsky, que les scientifiques devraient désormais être en mesure de créer différents modèles de supraconductivité dans le même matériau.

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« C’est une expérience incroyable capable de démontrer le mouvement des paires de Cooper entre les niveaux de Landau dans un supraconducteur, quelque chose qui n’a jamais été observé auparavant. Honnêtement, je ne m’attendais pas à voir cela dans un cristal que vous pouvez tenir dans votre main, donc cela est très excitant. Pour observer cet effet insaisissable, les auteurs doivent effectuer des mesures minutieuses et de haute précision sur un supraconducteur bidimensionnel unique qu’ils ont découvert précédemment. C’est une réalisation remarquable, non seulement en termes de difficulté technique, mais aussi en termes d’intelligence, dit Kyle Sheen, professeur de physique à l’Université Cornell.

De plus, les physiciens ont réalisé que leur matériau contenait également des composants d’un autre type exotique de supraconductivité. La supraconductivité topologique implique le mouvement de la charge le long des bords ou des frontières. Dans ce cas, cette charge peut voyager le long des bords de chaque motif supraconducteur interne.

L’équipe de Checkelsky travaille actuellement pour voir si leur matériau est effectivement capable de supraconductivité topologique. Si tel est le cas,  » Pouvons-nous combiner les deux nouveaux types de supraconductivité ? Qu’est-ce que cela pourrait apporter ? « , demande Chekelsky.

Il conclut que « la réalisation de ce nouveau matériel a été très intéressante ». « Au fur et à mesure que nous comprenions mieux ce qu’il pouvait faire, il y a eu un certain nombre de surprises. C’est vraiment excitant quand de nouvelles choses arrivent auxquelles nous ne nous attendons pas. »

Référence : « Empreintes digitales des niveaux bosoniens de Landau dans un supraconducteur à impulsion finie » par A. 3 novembre 2021, tempérer la nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03915-3

Ce travail a été soutenu par la Gordon and Betty Moore Foundation, l’Office of Naval Research, le US Department of Energy (DOE) Office of Science, la National Science Foundation (NSF) et le Rutgers Center for Material Theory.

Les calculs ont été faits à l’Université de Harvard. D’autres parties du travail ont été effectuées au National High Magnetic Field Laboratory, qui est soutenu par la NSF, l’État de Floride et le ministère de l’Énergie.

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Les perroquets en captivité semblent apprécier le chat vidéo avec leurs amis sur Messenger

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Les perroquets en captivité semblent apprécier le chat vidéo avec leurs amis sur Messenger

Les perroquets sont des créatures naturellement sociales. En captivité, où ils n’ont généralement pas de troupeau avec qui interagir, cela peut présenter de réels défis pour les garder heureux et en bonne santé. Mais des recherches récentes suggèrent que la technologie pourrait les aider à répondre davantage à leurs besoins sociaux. une Dirigé par des chercheurs de Université de Glasgow La Northeastern University a comparé les réponses des perroquets lorsqu’ils avaient la possibilité de discuter en vidéo avec d’autres oiseaux via Meta’s Messenger par rapport au visionnage de vidéos préenregistrées. Ils semblent préférer les conversations en temps réel.

La recherche s’appuie sur les résultats d’une série de petites études menées au cours des dernières années, dont une dans laquelle l’équipe a entraîné des perroquets de compagnie à passer des appels vidéo entre eux (avec l’assistance humaine) et une autre dans laquelle on leur a appris à jouer à des jeux sur tablette. Lors de la dernière expérience, neuf propriétaires de perroquets ont reçu des comprimés pour se préparer à accueillir leurs animaux de compagnie, puis ont été surveillés pendant six mois. Au cours de cette période, les perroquets, initialement présentés les uns aux autres par chat vidéo, ont pu s’appeler pendant jusqu’à trois heures, réparties sur 12 sessions. La moitié de ces sessions comprenaient des vidéos préenregistrées, tandis que l’autre moitié était des chats vidéo en direct via Messenger.

Les soignants qui ont enregistré les séances ont rapporté que les oiseaux semblaient plus engagés lors des interactions en direct. Ils ont lancé plus d’appels dans ces scénarios et ont passé en moyenne plus de temps à interagir avec les oiseaux à l’autre bout du fil.

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Au cours de chaque session, les perroquets étaient autorisés à passer jusqu’à deux appels, et les chercheurs ont constaté que ceux qui parlaient via Messenger atteignaient cette limite 46 % du temps, contre environ la moitié lorsqu’ils regardaient des vidéos préenregistrées. Au total, ils ont passé 561 minutes à discuter en vidéo sur Messenger, contre seulement 142 minutes à regarder des vidéos préenregistrées.

« L’apparence » vivante « semble avoir fait une différence dans les interactions des perroquets avec leurs parades. » Le Dr Elena Hercej Douglas a déclaré, même s’il convient de noter qu’une étude plus approfondie sera nécessaire avant de pouvoir tirer des conclusions définitives. « Leur comportement lors de l’interaction avec un autre oiseau vivant reflétait souvent les comportements qu’ils adopteraient avec d’autres perroquets dans la vie réelle, ce qui n’était pas le cas dans les sessions préenregistrées. » Cependant, les soignants ont généralement signalé que les appels en direct et préenregistrés semblaient avoir un effet positif sur les oiseaux.

« Internet recèle un grand potentiel pour donner aux animaux la possibilité d’interagir les uns avec les autres de nouvelles manières, mais les systèmes que nous construisons pour les aider à y parvenir doivent être adaptés à leurs besoins spécifiques et à leurs capacités physiques et mentales », a déclaré le médecin. Hersky Douglas. « Des études comme celle-ci peuvent aider à jeter les bases d’un Internet véritablement centré sur les animaux. »

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Comment les chats atterrissent-ils sur leurs pattes ?

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Comment les chats atterrissent-ils sur leurs pattes ?

Lorsque les chats tombent, ils se retournent sans effort, ce qui laisse les scientifiques perplexes depuis des décennies. Nos amis félins semblent défier les lois de la physique en se remodelant dans les airs sans interférence d’une autre force. Alors, comment ont-ils fait ?

Plusieurs facteurs influencent la capacité d’un chat à atterrir à quatre pattes, mais en termes simples, deux forces principales sont en jeu : la physique et les neurosciences.

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Que se passe-t-il lorsque la NASA perd les yeux sur Terre ? Nous sommes sur le point de le découvrir.

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Que se passe-t-il lorsque la NASA perd les yeux sur Terre ?  Nous sommes sur le point de le découvrir.

Au cours des prochaines années – personne ne sait exactement quand – trois satellites de la NASA, chacun aussi lourd qu’un éléphant, cesseront leurs activités.

Ils dérivent déjà et perdent peu à peu de l’altitude. Ils observent la planète depuis plus de deux décennies, bien plus longtemps que prévu, nous aidant à prévoir la météo, à gérer les incendies de forêt, à surveiller les marées noires et bien plus encore. Mais l’âge les rattrape, et bientôt ils serviront leur dernier service et entameront leur lente et définitive chute au sol.

C’est un moment que craignent les scientifiques.

Lorsque les trois orbiteurs – Terra, Aqua et Aura – seront arrêtés, une grande partie des données qu’ils collectaient les accompagnera, et les nouveaux satellites ne compenseront pas tout le ralentissement. Les chercheurs devront soit s’appuyer sur des sources alternatives qui ne répondent peut-être pas à leurs besoins spécifiques, soit rechercher des solutions alternatives pour permettre la continuité de leurs archives.

Avec certaines des données collectées par ces satellites, la situation est encore pire : aucun autre instrument ne continuera à les collecter. Dans quelques années, les belles caractéristiques qu’elle révèle de notre monde deviendront encore plus mystérieuses.

« La perte de ces données irremplaçables est tout simplement tragique », a déclaré Susan Solomon, chimiste atmosphérique au MIT. « À une époque où la planète a désespérément besoin de se concentrer sur la compréhension de la manière dont elle nous affecte et de la manière dont nous l’affectons, nous semblons être catastrophiquement endormis au volant. »

La principale zone que nous négligeons est la stratosphère, le foyer le plus important de la couche d’ozone.

À travers l’air raréfié et froid de la stratosphère, les molécules d’ozone sont constamment créées et détruites, éjectées et balayées, à mesure qu’elles interagissent avec d’autres gaz. Certains de ces gaz ont des origines naturelles ; D’autres sont là à cause de nous.

Un instrument sur Aura, une sonde à micro-ondes, nous donne notre meilleur aperçu de cet intense drame chimique, a déclaré Ross J. Salwich, un scientifique atmosphérique à l’Université du Maryland. Une fois le corona disparu, notre vision deviendra considérablement plus faible, a-t-il déclaré.

Les données provenant des sondes micro-ondes des membres ont récemment prouvé leur valeur de manière inattendue, a déclaré Salwich. Il a montré l’étendue des dommages causés à l’ozone par les feux de brousse dévastateurs en Australie fin 2019 et début 2020, et par une éruption volcanique sous-marine près des Tonga en 2022. Il a permis de montrer à quel point la pollution appauvrissant la couche d’ozone augmente dans la stratosphère à l’est. Asie de la mousson d’été dans la région.

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Si la connexion Internet n’est pas coupée aussi rapidement, l’appareil audio pourrait également aider à résoudre un grand mystère, a déclaré Salwich. « L’épaisseur de la couche d’ozone au-dessus des zones peuplées de l’hémisphère Nord est restée pratiquement inchangée au cours de la dernière décennie », a-t-il déclaré. « Il devrait être en train de récupérer. Et ce n’est pas le cas. »

Jack Kay, administrateur associé pour la recherche à la Division des sciences de la Terre de la NASA, a reconnu les inquiétudes des chercheurs concernant la fin de la sonde. Mais d’autres sources, y compris les instruments des satellites les plus récents, de la Station spatiale internationale et ici sur Terre, fourniront toujours une « très bonne fenêtre sur ce que fait l’atmosphère », a-t-il déclaré.

Les réalités financières obligent la NASA à prendre des « décisions difficiles », a déclaré Kay. « Ce serait génial si tout restait pour toujours ? Oui », a-t-il déclaré. Il a ajouté qu’une partie de la mission de la NASA consiste également à fournir de nouveaux outils aux scientifiques, des outils qui les aident à regarder notre monde sous un nouvel angle. mais, comme « Vous savez, si tout n’est pas pareil, vous devez faire de votre mieux. »

Pour les scientifiques qui étudient notre planète en évolution, la différence entre des données identiques ou presque identiques peut être significative. Ils peuvent penser qu’ils comprennent comment quelque chose se développe. Mais ce n’est qu’en le surveillant continuellement, de manière constante et sur une longue période, qu’ils pourront être sûrs de ce qui se passe.

Même une courte interruption dans les journaux peut créer des problèmes. Supposons que la banquise s’effondre au Groenland. William B. a dit : Gale, ancien président de la Société météorologique américaine, a déclaré qu’à moins de mesurer l’élévation du niveau de la mer avant, pendant et après, on ne pouvait jamais être sûr qu’un changement soudain était provoqué par un effondrement. « Vous pouvez l’imaginer, mais vous n’avez pas de données quantitatives », a-t-il déclaré.

L’année dernière, la NASA a interrogé des scientifiques sur la façon dont la fin de Terra, Aqua et Aura affecterait leur travail. Plus de 180 d’entre eux ont répondu à l’appel.

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Dans leurs lettres, obtenues par le New York Times grâce à une demande du Freedom of Information Act, les chercheurs ont exprimé leurs inquiétudes concernant un large éventail de données provenant des satellites. Informations sur les particules trouvées dans la fumée des incendies de forêt, la poussière du désert et les panaches volcaniques. Mesures d’épaisseur des nuages. Cartes à petite échelle des forêts, prairies, zones humides et cultures du monde.

Même s’il existe des sources alternatives pour ces informations, elles peuvent être moins fréquentes, moins précises ou limitées à certaines heures de la journée, autant de facteurs qui déterminent l’utilité des données, ont écrit les scientifiques.

Liz Muir adopte une approche rapprochée pour étudier l’atmosphère terrestre : en faisant voler des instruments à travers elle, sur des avions à des altitudes beaucoup plus élevées que celles que la plupart des avions peuvent atteindre. « Je me suis lancé dans ce domaine parce qu’il est passionnant et difficile d’accès », a déclaré Muir, qui enseigne à l’Université de Chicago. « Il est difficile de construire des instruments qui fonctionnent là-bas, il est difficile d’effectuer des mesures et il est difficile d’envoyer des avions là-bas. »

Elle a dit que ce serait plus difficile une fois le corona disparu.

Les avions peuvent échantillonner directement la chimie atmosphérique, mais pour comprendre la situation dans son ensemble, les scientifiques doivent encore combiner les mesures des avions avec les lectures des satellites, a déclaré Muir. « Sans satellites, nous prenons des instantanés sans contexte », a-t-elle déclaré.

Une grande partie des recherches de Muir se concentrent sur de minces nuages ​​de glace qui se forment entre 9 et 12 milles au-dessus de la surface de la Terre, dans l’une des couches les plus mystérieuses de l’atmosphère. Ces nuages ​​contribuent à augmenter la température de la planète, et les scientifiques tentent toujours de comprendre comment le changement climatique d’origine humaine les affectera.

« Il semble que nous allons arrêter de surveiller cette partie de l’atmosphère, exactement au moment où elle change », a déclaré Muir.

La fin de Terra et Aqua affectera la façon dont nous surveillons un autre facteur important de notre climat : la quantité de rayonnement solaire que la planète reçoit, absorbe et rebondit dans l’espace. L’équilibre entre ces quantités – ou plutôt le déséquilibre – détermine le degré de réchauffement ou de refroidissement de la Terre. Pour comprendre cela, les scientifiques s’appuient sur les instruments cloud de la NASA et sur le système d’énergie radiante de la Terre, ou CERES.

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Actuellement, quatre satellites volent avec des instruments CERES : Terra, Aqua et deux satellites plus récents qui approchent également de leur fin de vie. Cependant, une seule alternative est en préparation. Son espérance de vie ? cinq ans.

Norman J. a dit : « Au cours des dix prochaines années, nous passerons de quatre missions à une seule, et les autres missions auront dépassé leur apogée », a déclaré Loeb, le scientifique de la NASA qui dirige le CERES. « Pour moi, c’est vraiment préoccupant. »

De nos jours, avec l’essor de l’industrie spatiale privée et la prolifération des satellites autour de la Terre, la NASA et d’autres agences explorent une approche différente pour observer notre planète. L’avenir réside peut-être dans des instruments plus petits et plus légers, pouvant être mis en orbite à moindre coût et plus agiles qu’à l’époque de Terra, Aqua et Aura.

La National Oceanic and Atmospheric Administration développe une telle flotte pour surveiller la météo et le climat. Loeb et d’autres personnes de la NASA travaillent sur un instrument léger pour poursuivre leurs mesures du bilan énergétique de la Terre.

Mais pour que de telles technologies soient utiles, dit Loeb, elles doivent commencer à voler avant que les orbiteurs actuels ne disparaissent.

« Il faut une bonne et longue période de chevauchement pour comprendre les différences et résoudre les problèmes », a-t-il déclaré. « Sinon, il sera très difficile de faire confiance à ces mesures, si nous n’avons pas la possibilité de les prouver par rapport aux mesures existantes. »

D’une certaine manière, selon les scientifiques, c’est tout à l’honneur de la NASA que Terra, Aqua et Aura aient duré aussi longtemps. « Grâce à une combinaison d’une excellente ingénierie et d’une énorme chance, nous avons ces choses depuis 20 ans maintenant », a déclaré Walid Abdel Aty, ancien scientifique en chef de la NASA, aujourd’hui à l’Université du Colorado à Boulder.

« Nous sommes devenus accros à ces satellites. Nous sommes victimes de notre propre succès », a déclaré Al-Abdalati. « En fin de compte, la chance s’épuise. »


Cet article a été initialement publié sur New York Times.

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