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Pour trouver les particules «fantômes» les plus énergétiques de l’univers, un nouveau détecteur survolera l’Antarctique

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Un aperçu de ce à quoi pourrait ressembler un PUEO lorsqu’il est publié. Chaque parabole blanche est une antenne radio. Les signaux de chaque antenne sont combinés afin de capter les signaux des neutrinos de haute énergie traversant la glace antarctique. Crédit : Soumission avec l’aimable autorisation de Christian Miki de l’Université d’Hawaï

Nasa Il donne le feu vert à un essai de ballon multi-institutions de 20 millions de dollars dirigé par des scientifiques de l’Université de Chicago.

Parfois, la question est si grande qu’il faut un continent pour y répondre.

Université de Chicago La physicienne Abby Verig dirige une expérience internationale qui utilise principalement la glace en Antarctique comme détecteur géant pour trouver des particules hautement énergétiques de l’espace. La NASA a récemment approuvé le projet de 20 millions de dollars pour construire un instrument pour survoler le pôle Sud dans un ballon, et il sera lancé en décembre 2024.

« Nous recherchons les niveaux d’énergie les plus élevés de l’univers », a déclaré Vieregg, professeur agrégé au département de physique. « Ils sont fabriqués dans les endroits les plus énergétiques et extrêmes de l’univers, et ces neutrinos offrent un aperçu unique de ces endroits. Trouver un ou plusieurs d’entre eux pourrait nous permettre d’apprendre des choses entièrement nouvelles sur l’univers. « 

Buyeo (Asio Flammeus Sandwichensis)

Le nouveau projet approuvé par la NASA partage son nom avec pueo (ASIO Flamos), le seul hibou vivant qui vit à Hawaï.

Une collaboration internationale de 12 institutions construira un détecteur sans fil attaché à un ballon à haute altitude, qui sera lancé par la NASA et voyagera au-dessus de l’Antarctique à 120 000 pieds à la recherche de signaux de neutrinos. Le projet pilote s’appelle PUEO, pour Payload for Ultrahigh Energy Observations. (Il partage son nom avec le seul hibou vivant qui vit à Hawaï, où est née la précédente expérience PUEO.)

Belle façon de regarder l’univers

Les neutrinos sont souvent appelés particules « fantômes » car ils interagissent rarement avec la matière. Des milliards de corps passent indemnes chaque seconde.

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Parce qu’ils peuvent parcourir de longues distances sans distorsion ni déviation, les neutrinos peuvent servir d’indices uniques sur ce qui se passe ailleurs dans l’univers, y compris les collisions cosmiques et les galaxies et les trous noirs où ils sont créés.

« Les neutrinos sont un excellent moyen de regarder l’univers, car ils voyagent sans entrave dans l’espace », a déclaré Verig. « Ils peuvent venir de très loin, et ils ne se précipitent pas tout du long, alors ils indiquent d’où ils viennent. »

Les scientifiques ont détecté un certain nombre de ces neutrinos provenant de l’espace extra-atmosphérique dans l’atmosphère terrestre. Mais ils pensent qu’il y a plus de neutrinos porteurs d’énergies inhabituellement élevées – plusieurs fois plus élevées même que les particules accélérées au Grand collisionneur de hadrons d’Europe – et ils doivent encore être découverts. Ces neutrinos peuvent nous renseigner sur les événements les plus extrêmes de l’univers.

C’est, si Vous pouvez les attraper.

Ces neutrinos interagissent rarement avec d’autres formes de matière, de sorte que Verge a dû construire un détecteur massif de la taille d’un état pour les capturer. Ou il pourrait en utiliser une qui existe déjà : la calotte glaciaire au-dessus de l’Antarctique.

« La calotte glaciaire est parfaite – une masse translucide homogène, dense et radioactive qui s’étend sur des millions de kilomètres carrés », a déclaré Ferrig. « C’est comme si nous l’avions conçu. »

Les neutrinos peuvent servir d’indices uniques sur ce qui se passe ailleurs dans l’univers.

Si l’un de ces neutrinos à haute énergie atteint la Terre, il y a une chance qu’il entre en collision avec l’un des atomes à l’intérieur de la calotte glaciaire de l’Antarctique. Cette collision produit des ondes radio qui traversent la glace. Ce signal radio est ce que PUEO détectera lorsqu’il flottera au-dessus de l’Antarctique.

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Pour ce faire, il a besoin d’un équipement très, très spécial.

La prochaine génération

PUEO est la prochaine génération d’une mission appelée ANITA, basée à l’Université d’Hawaï, qui a survolé le pôle Sud à bord de ballons de la NASA à quatre reprises entre 2006 et 2016 pour rechercher des neutrinos similaires. Cependant, PUEO aura un détecteur plus puissant.

Le nouveau détecteur exploite la puissance d’une vieille astuce d’astronomie – une technique appelée interférométrie, qui combine les signaux de plusieurs télescopes. Le PUEO est parsemé d’antennes radio partout, et un système central d’acquisition de données combinera et analysera ces signaux pour produire un signal plus fort.

Anita Antarctique

PUEO sera lancé depuis l’Antarctique, tout comme la précédente expérience ANITA en 2016 (ci-dessus). De gauche à droite : les scientifiques Cosmin DeCono, Eric Oberla et Andrew Ludwig, Ph.D. 19. Crédit : UChicago

Un signal plus fort serait un énorme pas en avant, car il aiderait les scientifiques à distinguer les signaux importants du bruit émis dans toutes les directions. « Des téraoctets de données entrent dans le détecteur chaque minute, et nous nous attendons à ce qu’au plus quelques événements sur des milliards soient des neutrinos », a déclaré Cosmin Deaconu, chercheur à UChicago travaillant sur le programme PUEO. « Vous ne pouvez pas écrire toutes ces données sur le disque, nous devons donc concevoir un logiciel pour décider très rapidement quels signaux conserver et lesquels se débarrasser. »

De nombreux signes courants un regard Comme les neutrinos, mais ils ne le sont pas. Celles-ci peuvent aller de la transmission par satellite à une personne déplaçant un briquet. « Au moins en Antarctique, il n’y a que quelques sites où des humains peuvent naître, il est donc plus facile de l’exclure », a déclaré Decono. « Mais nous devons même tenir compte de choses comme l’électricité statique générée par le vent. »

Vieregg et l’équipe ont testé l’idée d’un système d’interférométrie pas à pas sur Terre dans deux expériences : l’une appelée ARA en Antarctique en 2018, et une autre appelée RNO-G au Groenland à l’été 2021. Les deux ont montré un bond de performance significatif par rapport aux précédentes. conceptions — rendant le détecteur atmosphérique PUEO plus prometteur. « PUEO aura un facteur de sensibilité 10 meilleur que tous les vols ANITA précédents combinés », a déclaré Ferrig.

« Trouver un ou plusieurs de ces neutrinos pourrait nous permettre d’apprendre des choses entièrement nouvelles sur l’univers. »

assistant. Professeur Abby Ferig

Dans les mois à venir, l’équipe construira des prototypes pour PUEO et finalisera la conception. Une fois la conception finale, de petites équipes dans des institutions à travers le pays construiront des parties de l’outil, qui seront ensuite assemblées et testées à UChicago. « Par exemple, nous voulons nous assurer qu’il peut gérer le vide de l’espace proche », a déclaré Eric Oberla, chercheur à UChicago qui construit les dispositifs PUEO. « Il est difficile de dissiper la chaleur lorsqu’il n’y a pas d’air pour l’empêcher d’entrer, ce qui peut être un problème pour l’électronique, nous allons donc effectuer des tests dans une salle à vide ici sur le campus, puis dans une grande salle de la NASA pendant la campagne d’intégration matérielle . »

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De là, le PUEO sera expédié aux installations de la NASA en Palestine, au Texas, pour des tests finaux avant d’être envoyé à la station de lancement en Antarctique.

Selon les conditions météorologiques, le détecteur pourrait voler pendant un mois ou plus, collectant des données et les renvoyant sur Terre, où les scientifiques les passeront au peigne fin pour prouver la toute première détection de neutrinos à haute énergie.

« Nous sommes ravis que la mission de ballon stratosphérique de PUEO ait été incluse dans le groupe inaugural de missions d’astronautes, et nous attendons avec impatience la grande science qu’elle reviendra », a déclaré Michael Garcia, président/siège de la NASA pour le programme des pionniers en astrophysique. financer l’expérimentation.

Ferrig a déclaré que le programme des pionniers permettait aux scientifiques de « rêver grand ». « Nous pouvons dire : « Si nous pouvons construire tout ce que nous voulons, que pouvons-nous faire ? « 

« C’est une expérience de découverte, ce qui veut dire que rien n’est garanti », a-t-elle ajouté. « Mais tout indique qu’il y a quelque chose à attraper – et même quelques neutrinos seraient une découverte scientifique incroyable. »

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Faire monter la température sur les semi-conducteurs de nouvelle génération

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Faire monter la température sur les semi-conducteurs de nouvelle génération

La surface brûlante de Vénus, où les températures peuvent atteindre 480 degrés Celsius (suffisamment chaudes pour faire fondre le plomb), est un endroit inhospitalier pour les humains comme pour les machines. L’une des raisons pour lesquelles les scientifiques n’ont pas encore pu envoyer de rover à la surface de la planète est que les composants électroniques à base de silicium ne peuvent pas fonctionner à des températures extrêmes pendant une longue période.

Pour les applications à haute température telles que l’exploration de Vénus, les chercheurs se sont récemment tournés vers le nitrure de gallium, un matériau unique capable de résister à des températures de 500 degrés ou plus.

Le matériau est déjà utilisé dans certains appareils électroniques terrestres, tels que les chargeurs de téléphone et les tours de téléphonie cellulaire, mais les scientifiques ne comprennent pas bien comment les dispositifs au nitrure de gallium se comportent à des températures supérieures à 300 degrés, la limite opérationnelle de l’électronique traditionnelle au silicium.

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dans Nouvel article publié dans Lettres de physique appliquée, Dans le cadre d’un effort de recherche pluriannuel, une équipe de scientifiques du MIT et d’ailleurs a cherché à répondre à des questions clés sur les propriétés et les performances du matériau à des températures extrêmement élevées.

Ils ont étudié l’effet de la température sur les contacts ohmiques dans un dispositif au nitrure de gallium. Les contacts ohmiques sont des composants clés qui connectent un dispositif semi-conducteur au monde extérieur.

Les chercheurs ont constaté que les températures extrêmes n’entraînaient pas de dégradation significative du matériau en nitrure de gallium ou de ses contacts. Ils ont été surpris de constater que les points de contact restaient structurellement solides même lorsqu’ils étaient maintenus à 500°C pendant 48 heures.

Comprendre le fonctionnement des communications à des températures extrêmes constitue une étape importante vers le prochain objectif du groupe : développer des transistors hautes performances susceptibles de fonctionner à la surface de Vénus. De tels transistors pourraient également être utilisés sur Terre en électronique pour des applications telles que l’extraction d’énergie géothermique ou la surveillance des composants internes des moteurs à réaction.

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« Les transistors sont le cœur de la plupart des composants électroniques modernes, mais nous ne voulions pas nous lancer directement dans la fabrication d’un transistor au nitrure de gallium, car trop de choses pourraient mal tourner. Nous voulions d’abord nous assurer que les matériaux et les contacts restaient et voir à quel point ils changeaient. à mesure que la température augmentait. Étudiant diplômé en génie électrique et informatique (EECS) et auteur principal de cet article : « Nous concevrons notre propre transistor à partir de ces éléments de base des matériaux de base. »

Augmenter la température

Bien que le nitrure de gallium ait récemment attiré beaucoup d’attention, ce matériau est encore en retard de plusieurs décennies sur le silicium lorsqu’il s’agit de comprendre comment ses propriétés changent dans différentes conditions. L’une de ces propriétés est la résistance, qui est la circulation du courant électrique à travers un matériau.

La résistance totale de l’appareil est inversement proportionnelle à sa taille. Mais les appareils comme les semi-conducteurs ont des points de contact qui les connectent à d’autres appareils électroniques. La résistance de contact résultant de ces connexions électriques reste constante quelle que soit la taille de l’appareil. Une résistance de contact trop importante peut entraîner une dissipation de puissance plus élevée et des fréquences de fonctionnement plus lentes pour les circuits électroniques.

« Surtout lorsque l’on utilise des dimensions plus petites, les performances des appareils sont souvent limitées par la résistance de contact. Les gens ont une relativement bonne compréhension de la résistance de contact à température ambiante, mais personne n’a vraiment étudié ce qui se passe lorsque la température atteint 500 degrés », explique Niroula. .

Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé les installations du MIT.nano pour construire des dispositifs en nitrure de gallium appelés structures de méthode de longueur de transfert, constitués d’une série de résistances. Ces appareils leur permettent de mesurer la résistance à la fois du matériau et des contacts.

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Ils ont ajouté des contacts ohmiques à ces appareils en utilisant les deux méthodes les plus courantes. La première méthode consiste à placer le métal dans du nitrure de gallium et à le chauffer à 825 degrés Celsius pendant environ 30 secondes, un processus appelé recuit.

La deuxième méthode consiste à retirer des morceaux de nitrure de gallium et à utiliser une technologie à haute température pour faire repousser du nitrure de gallium hautement dopé à leur place, un processus dirigé par Rajan et son équipe de l’Ohio State. Un matériau hautement énergétique contient des électrons supplémentaires qui peuvent contribuer à conduire le courant.

« La méthode de repousse entraîne généralement une faible résistance de contact à température ambiante, mais nous voulions voir si ces méthodes fonctionnaient toujours bien à des températures élevées », explique Niroula.

Une approche compréhensive

Ils ont testé les appareils de deux manières. Leurs collaborateurs de l’Université Rice, dirigés par Zhao, ont effectué des tests à court terme en plaçant les appareils sur un mandrin chauffé à 500 degrés Celsius et en prenant des mesures de résistance instantanées.

Au MIT, ils ont mené des expériences à long terme en plaçant les appareils dans un four spécialisé que le groupe avait précédemment développé. Ils ont laissé les appareils à l’intérieur pendant 72 heures maximum pour mesurer l’évolution de la résistance en fonction de la température et du temps.

Des experts en microscopie du MIT (Aubrey N. Penn) et de l’Institute for Technology Innovation (Nitul S. Rajput) ont utilisé des microscopes électroniques à transmission de pointe pour voir comment ces températures élevées affectent le nitrure de gallium et les contacts ohmiques dans l’atome. niveau.

« Nous pensions que les contacts ou le matériau en nitrure de gallium lui-même se dégraderaient considérablement, mais nous avons constaté le contraire. Il semblait que les contacts établis par les deux méthodes étaient remarquablement stables », explique Niroula.

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Bien qu’il soit difficile de mesurer la résistance à des températures aussi élevées, leurs résultats indiquent que la résistance de contact semble constante même à des températures de 500 degrés, pendant environ 48 heures. Comme à température ambiante, le processus de repousse a entraîné de meilleures performances.

Le matériau a commencé à se dégrader après avoir été placé au four pendant 48 heures, mais les chercheurs travaillent déjà à améliorer ses performances à long terme. Une stratégie consiste à ajouter des isolants de protection pour empêcher le matériau d’être directement exposé à un environnement à haute température.

À l’avenir, les chercheurs prévoient d’utiliser ce qu’ils ont appris lors de ces expériences pour développer des transistors au nitrure de gallium à haute température.

« Dans notre groupe, nous nous concentrons sur la recherche innovante au niveau des dispositifs pour repousser les frontières de la microélectronique, en adoptant une approche systématique à travers la hiérarchie, du niveau des matériaux au niveau des circuits. Ici, nous avons atteint le niveau physique pour comprendre les choses en profondeur. En d’autres termes, nous avons traduit les développements au niveau des appareils jusqu’à l’impact au niveau des circuits pour l’électronique à haute température, grâce à une conception, une modélisation et une fabrication complexes. Nous avons également la chance d’avoir noué des partenariats étroits avec nos collaborateurs de longue date au cours de ce voyage. .

référence: Nirula G, Shih Q, Rajput NS et al. Stabilité à haute température des contacts ohmiques régénérés alliés à l’hétérostructure AlGaN/GaN jusqu’à 500 °C. Lettres de physique appliquée. 2024;124(20):202103. est ce que je: 10.1063/5.0191297

Cet article a été republié ci-dessous Matiéres. Remarque : Le matériel peut avoir été modifié en termes de longueur et de contenu. Pour plus d’informations, veuillez contacter la source susmentionnée. Vous pouvez accéder à notre politique de communiqués de presse ici.

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La Chine dévoile une technologie de radar de météorologie spatiale

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La Chine dévoile une technologie de radar de météorologie spatiale

La Chine affirme avoir créé sa propre technologie radar pour l’aider à prédire la météo spatiale et affirme avoir réalisé des percées en cours de route.

selon Médias parrainés par l’État Les premiers résultats du système de prévision et d’alerte de météorologie spatiale ont été publiés lundi à Pékin lors d’un concours international. Atelier Du Super Double Auroral Radar Network (SuperDARN) – un réseau d’organisations qui exploitent des installations d’observation de l’espace proche de la Terre.

Le système chinois consiste en un réseau de radars à moyenne latitude et haute fréquence construits dans la province chinoise du Jilin, dans la région autonome de Mongolie intérieure et dans la région autonome ouïgoure du Xinjiang. Sa construction a été achevée par le National Space Science Center (NSSC) en octobre dernier.

Le réseau est censé « permettre une détection continue à grande échelle des irrégularités ionosphériques aux latitudes moyennes et élevées dans le secteur asiatique ». Sa portée de détection du sud au nord atteint 4 000 km, et sa portée est-ouest dépasse 12 000 km, selon le Centre national pour la sécurité intérieure.

Il surveille en permanence toute anomalie dans l’ionosphère, la région de l’atmosphère terrestre qui abrite de fortes concentrations de particules chargées, ainsi que des engins spatiaux et des stations spatiales. Le gouvernement chinois a déclaré que les radars ont été rendus possibles grâce à « de nouvelles avancées dans la technologie des radars à diffusion cohérente haute fréquence ».

La technologie radar fait partie de la deuxième phase en Chine Projet Méridien – Un « méga-projet » de systèmes d’observation au sol à grande échelle.

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L’une des principales caractéristiques de l’ionosphère est sa capacité à réfléchir et à réfracter les ondes radio. Cette propriété les rend essentiels pour les communications radio longue distance et constitue la base de technologies telles que la radiodiffusion AM et les communications sur ondes courtes.

Les perturbations ionosphériques, telles que les éruptions solaires ou les tempêtes géomagnétiques, peuvent perturber les communications entre les satellites et les engins spatiaux. Ainsi, un radar qui surveille l’ionosphère est utile, étant donné la dépendance de la Chine à l’égard des ressources orbitales à la fois à des fins quotidiennes et stratégiques. Par exemple, la Chine exploite sa propre constellation de navigation par satellite.

D’autres efforts orbitaux récents incluent des atterrissages sur la Lune et des retours d’échantillons, des satellites contrôlés par l’intelligence artificielle et des bras de grappin qui pourraient être conçus pour arracher les satellites des pays rivaux de leur orbite.

L’Empire du Milieu prévoit d’effectuer environ 100 lancements rien qu’en 2024, il disposera donc bientôt de nombreux atouts ionosphériques à surveiller.

Les annonces de la Chine déclarent que sa nouvelle technologie radar « devrait rejoindre SuperDARN… et permettre l’échange et le partage de données en temps réel avec des bases de données au Royaume-Uni et au Canada ».

La coopération internationale peut profiter aux populations du monde entier. Cependant, les bulletins de Pékin ne fournissent pas de calendrier pour l’interopérabilité ou l’échange de données. Ainsi, dans l’environnement diplomatique glacial actuel, il faudra peut-être un certain temps avant que le monde ne comprenne le point de vue chinois sur la météorologie spatiale. ®

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Un nouveau capteur qui ressemble à un nez artificiel peut sentir des composés organiques

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Un nouveau capteur qui ressemble à un nez artificiel peut sentir des composés organiques

La plupart d’entre nous portent un téléphone doté d’un microphone et d’une caméra capables de simuler nos sens de la vision et de l’ouïe. Ce que nos téléphones ne peuvent pas faire, et ce qu’aucun autre appareil ne peut faire, c’est imiter notre odorat. Mais maintenant, une équipe de chercheurs en Corée du Sud a développé un appareil électronique organique capable, au moins en partie, de détecter et d’identifier les molécules odorantes dans l’air (La science-fiction. Statut. 2024, identification numérique : 10.1126/sciadv.adl2882).

Les composants essentiels de ce capteur prothétique ressemblant à un nez sont en réalité trois protéines de récepteurs olfactifs humains différentes à partir desquelles ils ont été conçus et purifiés. Escherichia coli. Le capteur contient des groupes de ces trois récepteurs olfactifs liés à une fine couche de graphène. Les récepteurs sont ensuite connectés à des neurones artificiels qui forment un réseau neuronal. Lorsque des molécules d’odeur gazeuse se lient à ces récepteurs, elles s’activent et créent un signal électrique à travers la feuille de graphène qui est unique à cette odeur.

Le modèle d’activation qui en résulte est ce qui permet à l’appareil de « distinguer les odeurs ainsi que la concentration », dit-il. John Hak Oh, ingénieur en polymères à l’Université nationale de Séoul qui a dirigé l’équipe de recherche. Les capteurs commerciaux d’aujourd’hui ne peuvent détecter que la présence et la concentration de composés organiques dans l’air. La capacité du capteur OH à identifier un composé dans l’air en fait donc « une percée dans la détection chimique ».

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Jianguo MeiUn chimiste des polymères de l’Université Purdue qui n’a pas participé à la recherche est d’accord, qualifiant le travail de « grand pas vers l’objectif tant recherché de créer un nez électronique ».

Dans l’étude, Oh et son équipe ont formé le réseau neuronal de l’appareil en leur fournissant quatre acides gras à chaîne courte différents, allant de trois à six molécules de carbone. À partir de là, l’appareil peut distinguer ces quatre acides gras avec une précision de plus de 90 % et déterminer leur concentration dans l’échantillon d’air. « Malgré les structures chimiques [of the fatty acids] « Ils sont vraiment similaires et ce capteur peut faire la différence », explique Oh.

Ces acides gras ont été choisis parce que leur présence a été impliquée dans des maladies telles que le cancer de l’estomac. C’est pourquoi Oh dit qu’un capteur comme celui-ci pourrait éventuellement aider au diagnostic médical. Il imagine également placer des capteurs sur des drones pour surveiller le contenu des émissions de la fabrication industrielle.

À l’heure actuelle, l’appareil n’a pas été testé de manière approfondie sur autre chose que ces acides gras. Oh dit que la méthodologie de l’étude n’était qu’un « point de départ pour une preuve de concept ». Son équipe teste actuellement plus de 20 récepteurs différents pour créer des capteurs d’odeurs plus avancés, capables de détecter d’autres types de molécules.

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