Содержание
Физики превратили пару кристаллов времени в искусственный кубит
Физики превратили пару кристаллов времени в искусственный кубит с эффектом обратной связи и исследовали его динамику. Сами кристаллы представляли собой магнонные конденсаты, сформированные в жидком гелии-3, чья населенность и относительная фаза прецессии вели себя так же, как ведут себя параметры двухуровневой системы. В отличие от настоящего кубита, созданная система позволяет измерить все свои свойства за один экспериментальный прогон. Исследование опубликовано в Nature Communications.
Кристаллом времени называют вечно двигающуюся систему, находящуюся при этом в равновесном состоянии. Идеальный временной кристалл невозможен, поскольку состояние покоя всегда обладает меньшей энергией, чем движущееся. А условие возбужденности несовместимо с термодинамическим равновесием.
Следовательно, попытка создания реального временного кристалла должна до некоторого предела нарушить какое-то из вышеуказанных условий.
Наиболее распространен подход, в котором периодическое внешнее воздействие нарушает условие равновесия, однако сама система демонстрирует признаки кристалла времени. В отличие от более привычных вынужденных механических колебаний, движение в таком кристалле времени (его еще называют кристаллом дискретного времени или дискретным временным кристаллом) обусловлено его внутренними законами, а внешнее воздействие служит лишь в качестве источника энергии. Это проявляется в том, что частота колебаний в таком кристалле отличается от частоты внешнего возмущения. Дискретные временные кристаллы создают в кольце из атомов, в атомном бозе-конденсате и даже на кубитах квантового процессора.
Другой подход основан на разовом воздействии на систему, которая хорошо изолирована от окружения. В этом случае нарушается условие вечного движения, поскольку идеальной изоляции добиться пока никому не удалось. Часть исследователей считает, что, если время жизни в таком нестабильном подвижном состоянии достаточно велико, его можно определить как кристалл времени.
Вопрос с изоляцией от внешнего воздействия выходит на первый план, если задаться вопросом о том, как будут взаимодействовать два временных кристалла. Они оба должны быть защищены от влияния окружения, но при этом должны достаточно сильно взаимодействовать друг с другом. Два года назад мы рассказывали, как эту проблему удалось решить группе физиков из Великобритании, России, США и Финляндии под руководством Владимира Ельцова (Vladimir Eltsov) из Университета Аальто. Они заставили взаимодействовать два магнонных конденсата в сверхтекучем гелии, находящихся в состоянии кристалла времени, и обнаружили аналог эффекта Джозефсона. Теперь же физики пошли дальше и превратили пару магнонных конденсатов в макроскопический динамический кубит.
Установка, используемая учеными, представляет собой цилиндрический кварцевый контейнер, наполненный жидким гелием-3 при температуре 130 микрокельвин. В такой среде электроны образуют куперовские пары, орбитальные моменты которых выстраиваются в цилиндрическом объеме некоторым неоднородным, но аксиально симметричным образом. Возникающие в результате накачки спиновые возбуждения (магноны) испытывают спин-орбитальное взаимодействие, которое благодаря неоднородности орбитальных моментов, формирует для них ловушку в середине контейнера. Другая магнонная ловушка появляется в орбитальной неоднородности на поверхности жидкости.
В обеих ловушках магноны конденсируются, а суммарная намагниченность участка прецессирует вокруг оси симметрии со своей частотой, демонстрируя поведение кристалла времени. Примечательно, что частота поверхностного кристалла постоянна с хорошей точностью, поскольку краевые орбитальные моменты жестко зафиксированы перпендикулярно поверхности, в то время как частота центрального кристалла времени зависит от количества магнонов в нем. Так получается из-за эффекта обратной связи: спин-орбитальное взаимодействие не только стягивает магноны к центру, но и деформирует распределение количества вращения.
Замечательной особенностью построенной системы стало то, что ее можно представить в виде квантовомеханической двухуровневой системы — макроскопического кубита. При этом роль вероятности встретить кубит в верхнем или нижнем уровне играет населенность соответствующей ловушки, а роль фазы — относительная фаза прецессий. У соответствующего гамильтониана есть и недиагональные члены: связь между уровнями обеспечивает перекрытие конденсатов и миграция магнонов между ними, которую авторы изучали в предыдущей работе.
Однако построенный искусственный кубит отличается от настоящего тем, что у него энергия одного из уровней связана с его населенностью. Это усложняет теоретическое описание эволюции, но позволяет изучать новый динамический режим, основанный на механизме обратной связи. Физики убедились в этом, изучая явление антипересечения энергетических уровней, при котором, согласно привычной квантовой механике, уровни выстраиваются в суперпозицию (одетые состояния) и между ними начинаются осцилляции Раби. Для большой населенности центральной ловушки эффект обратной связи оказывал влияние не только на сам уровень, но и на область пересечения конденсатов и, следовательно, на то, как ведут себя одетые состояния. Авторы подчеркивают, что в отличие от реальных квантовомеханических систем, изучение свойств которых возможно только за счет многократного приготовления и измерения, система, основанная на двух временных кристаллах, позволяет извлечь все экспериментальные параметры всего за один прогон.
Изучение одних систем, которые имитируют поведение других, стало трендом в физике последних лет. О том, как проводят такие квантовые симуляции, подробнее читайте в материале «Квантовое преследование».
Марат Хамадеев
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Без дефектов: как выращивают монокристаллы для квантовых компьютеров
https://ria.ru/20180306/1515780370.html
Без дефектов: как выращивают монокристаллы для квантовых компьютеров
Без дефектов: как выращивают монокристаллы для квантовых компьютеров — РИА Новости, 06.03.2018
Без дефектов: как выращивают монокристаллы для квантовых компьютеров
Большинство современных высокоточных приборов работает на монокристаллах. Как их выращивают, минимизируя дефекты, выяснило РИА Новости. Росту кристаллов… РИА Новости, 06.03.2018
2018-03-06T08:00
2018-03-06T08:00
2018-03-06T11:11
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1515780370.jpg?15156322841520323903
новосибирск
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2018
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
internet-group@rian. ru
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
новосибирск, сибирское отделение ран
Наука, Новосибирск, Сибирское отделение РАН
МОСКВА, 6 мар — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Большинство современных высокоточных приборов работает на монокристаллах. Как их выращивают, минимизируя дефекты, выяснило РИА Новости.
27 ноября 2017, 13:36
Открытие ученых из России в фотонике признали прорывом года
Росту кристаллов посвящены тысячи научных исследований, но и сейчас в этом вопросе далеко не все ясно. Многие материалы, на которые промышленность возлагала надежды, так и не вышли за рамки лабораторных стендов: выращенные на них кристаллы не соответствовали инженерным задачам. Процесс кристаллизации требует соблюдения множества параметров, сложных манипуляций с химическим составом, знания точных условий и скорости роста. К тому же кристалл растет несколько недель и даже месяцев, и малейшие перебои в электроэнергии негативно влияют на результат.
«Это, наверное, странно услышать от ученого, но мы не полностью понимаем процесс кристаллизации. Конечно, в теории нам многое известно: как атомы встраиваются в решетку, как образуются грани и так далее. Но можно провести десять опытов и получить десять разных кристаллов. Это говорит о том, что экспериментатор не в состоянии контролировать весь процесс», — рассказывает Константин Кох, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник лаборатории роста кристаллов Института геологии и минералогии СО РАН, лауреат премии президента России в области науки и техники для молодых ученых 2017 года.
Когда теория обгоняет практику
Константин Кох занимается кристаллами селенида галлия (GaSe) и топологическими изоляторами на основе тетрадимита — соединений со структурой сульфотеллурида висмута Вi2Те2S. Оба материала чрезвычайно интересуют физиков, поскольку способны найти применение в высокотехнологичных устройствах. Селенид галлия рассматривают как перспективный источник терагерцового излучения, используемого в просвечивающих досмотровых сканерах, медицинских диагностических аппаратах, анализаторах газовых смесей. Однако вырастить прочные, чистые монокристаллы селенида галлия не так-то просто, и это тормозит их коммерческое внедрение.
Та же судьба у материалов со свойствами топологических изоляторов, обнаруженных всего десять лет назад.
14 марта 2017, 14:11
Физики выяснили, как свет поможет ускорить компьютеры в 100 тысяч раз
«Это очень странный тип материалов. Представьте себе кусок дерева, обернутый алюминиевой фольгой. Дерево — диэлектрик, оно не проводит электрический ток, а фольга проводит. Так и топологический изолятор. В теории его объем не проводит ток, но поверхность, в отличие от фольги, пропускает электроны, причем только с определенным спином», — поясняет ученый.
Благодаря столь необычному свойству топологические изоляторы могут найти применение в квантовых компьютерах в качестве носителей информации или послужить основой сверхбыстрых транзисторов, составив конкуренцию графену. Но пока все это звучит как фантастика. Попытки вырастить монокристаллы топологических изоляторов с нужными параметрами окончились неудачей. Из-за множества дефектов структуры кристаллы быстро окислялись на воздухе, а их внутренний объем проводил электрический ток.
Круговой нагрев
Обычно, когда расплав застывает, в нем возникает множество центров кристаллизации, выступающих точками роста граней и слоев сразу нескольких кристаллов. Чтобы получить монокристалл, в расплаве нужно создать условия для образования одного зародыша. Для этого смесь веществ загружают в емкость, конически сужающуюся книзу, и помещают в неравномерно прогретую вертикальную печь так, чтобы контейнер находился в области температур, превышающих точку кристаллизации. Медленно опуская контейнер, добиваются того, чтобы зародыш образовывался в самом низу конуса и расплав нарастал на него в виде кристалла снизу вверх. Этот метод изобрел в свое время американский физик Бриджмен.
Добиваясь стабильного роста кристаллов, Кох с коллегами немного изменили метод Бриджмена. В качестве емкости они используют ампулу из кварцевого стекла, из которой перед запайкой откачали воздух. Это необходимо, чтобы защитить смесь от окисления. Хотя ампула прозрачная, рост монокристалла не увидеть: у раскаленного расплава слишком сильное излучение. Это все равно что смотреть на лампочку накаливания или Солнце. Селенид галлия растет при температуре 940 градусов Цельсия, тетрадимит — при 600 градусах.
«Обычно считается: чем равномернее емкость нагрета со всех сторон, тем лучше. Мы же поступили наоборот: решили чуть-чуть перегревать ампулу с одной стороны», — говорит Константин Кох.
© Иллюстрация РИА Новости . Алина ПолянинаУстановка для выращивания кристаллов методом Бриджмена
© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина
Опытным путем ученые пришли к тому, чтобы окружить ампулу рядом нагревательных элементов и последовательно, один за другим, их включать. Еще одна новация — напыление изнутри ампулы тонкого слоя графита. Иначе расплав вступает в реакцию с кварцевым стеклом, и ампула буквально прирастает к поверхности кристалла. Нужные физические и механические свойства способны обеспечить примеси. В ходе экспериментов выяснилось, что добавление серы и алюминия к расплаву придают селениду галлия требуемую прочность. После пяти лет исследований прогресс наметился и с топологическими изоляторами.
© Фото : Константин КохИскусственный кристалл селедина галлия
© Фото : Константин Кох
«Мы научились выращивать настолько качественные кристаллы, что они демонстрируют абсолютное сопротивление окислению. Наши кристаллы могут полгода пролежать на воздухе и не окислиться», — подчеркивает ученый.
Конечно, от лабораторных опытов, пусть и успешных, до технологии — долгий путь. Да и промышленность зачастую не поспевает за научными достижениями. Однако опыт и уже проверенные решения позволяют поддерживать постоянную готовность к технологическому рывку.
© Фото : ИГМ СО РАНГеохимик Константин Кох
© Фото : ИГМ СО РАН
Synthetic Crystals — Etsy.de
Etsy больше не поддерживает старые версии вашего веб-браузера, чтобы обеспечить безопасность пользовательских данных. Пожалуйста, обновите до последней версии.
Воспользуйтесь всеми преимуществами нашего сайта, включив JavaScript.
Найдите что-нибудь памятное,
присоединяйтесь к сообществу, делающему добро.
(более 1000 релевантных результатов)
Введение в синтетические материалы для драгоценных камней
Роберт Уэлдон
Синтетический драгоценный камень изготавливается в лаборатории, но имеет практически все химические, оптические и физические характеристики своего природного минерального аналога, хотя в некоторых случаях, а именно в синтетической бирюзе и синтетическом опале, могут присутствовать дополнительные соединения.
Кристаллы синтетических драгоценных камней производятся с конца 1800-х годов, и их производство часто связано с потребностью в них для промышленного применения вне ювелирной промышленности. Первым успехом стало производство синтетического рубина качества огранки. Синтетические кристаллы используются в средствах связи и лазерной технике, микроэлектронике, абразивах. Поскольку синтетические материалы для ювелирных изделий могут быть «изготовлены на заказ» [т.е. постоянный цвет и форма кристалла] при наличии правильных ингредиентов, времени и условий для их выращивания они, вероятно, будут гораздо менее редкими, чем природные драгоценные камни такого же размера, чистоты и насыщенности цвета. Из-за этого, а также из-за того, что их можно спутать с драгоценными камнями природного происхождения, существуют строгие правила в отношении того, как они продаются и продаются.
Федеральная торговая комиссия США требует, чтобы любой драгоценный материал, произведенный в лаборатории, описывался таким образом, чтобы не оставалось никаких сомнений в том, что он не был произведен естественным путем. Считается обманом, если происхождение синтетического драгоценного материала не раскрывается четко по всему каналу сбыта во время продажи, от производителя к потребителю. Существует также ряд отраслевых организаций, таких как Американская ассоциация торговли драгоценными камнями (AGTA), Международная ассоциация цветных драгоценных камней (ICA) и Всемирная ювелирная конфедерация (CIBJO), которые сформулировали для своих членов конкретные рекомендации в отношении раскрытия информации о синтетических драгоценных камнях. на момент продажи.
В последнее десятилетие на рынке появилось меньше новых видов искусственных драгоценных камней. Это говорит о том, что репертуар синтетических драгоценных материалов близок к своему пределу с точки зрения создания новых материалов, но не ограничен в производстве, что по-прежнему очень важно. В течение прошлого века исследователи разработали ряд различных способов создания этих синтетических драгоценных материалов в лаборатории. Большинство из этих методов можно разделить на две основные категории: расплав или раствор.
В процессах плавления химический состав расплава такой же, как и состав получаемого кристалла. В растворных процессах раствор или расплав имеют химический состав, отличный от состава полученного кристалла. Компоненты растворяются в растворе или плавятся при высокой температуре, и кристалл сначала формируется на затравочном кристалле, когда температура расплава понижается. Некоторые из основных синтетических процессов включают:
Процесс Flame Fusion или Verneuil (процесс плавления)
Первые коммерчески успешные синтетические драгоценные камни были созданы методом плавления в пламени. Этот процесс включает в себя сбрасывание порошкообразных химикатов через высокотемпературное пламя, где они плавятся и падают на вращающийся пьедестал, образуя синтетический кристалл. Сегодня это остается наименее дорогим и наиболее распространенным способом изготовления драгоценных камней, таких как синтетический корунд и шпинель.
Вытягивание кристаллов или процесс Чохральского (процесс плавления)
Пуллинг появился в начале 1900-х годов. В этом процессе питательные вещества расплавляются в тигле, и синтетический кристалл вырастает из затравки, которую погружают в расплав, а затем медленно вытаскивают из расплава по мере его роста. Драгоценные камни, синтезированные методом вытягивания, включают синтетический александрит, хризоберилл, корунд и гранат.
Рост потока (процесс решения)
Сегодня некоторые синтетические драгоценные камни, такие как изумруд, рубин, сапфир, александрит и шпинель, могут быть созданы в процессе выращивания из флюса. Флюс — это твердый материал, который при плавлении растворяет другие материалы так же, как вода растворяет сахар. По мере постепенного охлаждения растворенного химического раствора образуются синтетические кристаллы.
Выращивание синтетического драгоценного камня методом флюса требует терпения и значительных вложений. Выращивание кристаллов может занять до года, а оборудование стоит очень дорого. Но результаты, особенно когда речь идет об изумруде, стоят затраченного времени и усилий.
Гидротермальный рост (процесс растворения)
Как и процесс флюса, процесс гидротермального роста медленный и дорогостоящий. Но это единственный метод успешного выращивания синтетического кварца. Этот процесс требует тепла и давления и имитирует условия глубоко в земле, которые приводят к образованию природных драгоценных камней. Питательные вещества растворяются в водном растворе, а затем при охлаждении раствора образуются синтетические кристаллы.
Хотя приведенный ниже список включает наиболее часто встречающиеся синтетические камни, на протяжении многих лет также существовали экспериментальные синтетические драгоценные камни. К ним относятся малахит, изменяющая цвет синтетическая шпинель и другие. Но поскольку природа производит эти продукты с большей готовностью, сегодня их нечасто можно увидеть. Некоторые из синтетических драгоценных камней, которые встречаются чаще всего, включают:
Синтетический алмаз (встречается не часто)
Эти алмазы, выращенные в лаборатории, обладают большинством характеристик своих природных аналогов: они по существу состоят из углерода.
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) – рост алмазов в вакуумной камере за счет химической реакции, в результате которой высвобождаются атомы углерода, которые осаждаются на затравочных пластинах алмаза.
Некоторые синтетические алмазы, такие как эта группа, производятся методом химического осаждения из паровой фазы (CVD).
Высокое давление, высокая температура (HPHT) — рост алмазов из флюса расплава, который растворяет углерод при более высоких температурах, и алмазы образуются на затравочных кристаллах в более низкотемпературной части ростовой камеры.
Некоторые бриллианты производятся в условиях высокого давления и высокой температуры, в том числе эта коллекция синтетических бриллиантов различных цветов.
Синтетический корунд (широкодоступный)
Синтетический корунд, в состав которого входят рубин и сапфир, может быть получен с помощью наибольшего количества процессов. Из-за этого синтетический корунд доступен во многих ценовых категориях, от очень доступных до очень дорогих.
Синтетический корунд может быть изготовлен различными способами, включая эту красочную коллекцию кристаллов плавления в пламени, которую можно увидеть перед резкой.
Рубин — в конце 1800-х годов рубин стал первым драгоценным камнем, созданным в лаборатории Огюстом Верней. В 1902 году он объявил о разработке своего процесса плавления в пламени для синтеза этого прекрасного драгоценного камня.
Синтетический рубин может быть получен с помощью процессов выращивания флюса (кристалл и ограненный камень слева) и плавления в пламени (буль и ограненный камень справа).
Сапфир — одни из самых ранних образцов синтетических сапфиров встречаются в оригинальных украшениях в стиле ар-нуво и ар-деко. Многие синтетические сапфиры до сих пор производятся методом плавления в пламени, но сапфиры, выращенные из флюса, стали доступны с 19 века.60-е годы. Выращенные из флюса, вытянутые и гидротермальные синтетические сапфиры могут быть очень убедительными заменителями природных драгоценных камней. Синтетический сапфир, меняющий цвет и имитирующий александрит, был популярен с начала 1900-х годов. Индуцированные включения вызывали звездчатые эффекты в некоторых синтетических рубинах и сапфирах.
Синтетические сапфиры могут быть изготовлены для проявления астеризма (звездного эффекта) в камнях огранки кабошон, таких как эти.
Синтетический изумруд (широкодоступный) и другие бериллы (редко)
Синтетический берилл доступен во многих цветах, включая желтый, красный, синий (аквамарин) и зеленый (изумруд). В конце 1980-х и 1990-х годах Россия стала крупным производителем этих синтетических драгоценных камней и до сих пор является крупным поставщиком драгоценных камней, выращенных гидротермальным способом, таких как синтетический берилл и синтетический корунд, а также других, таких как синтетический алмаз и синтетический александрит.
Это примеры синтетических кристаллов берилла и ограненных камней (включая разновидность синтетического изумруда — зеленые камни).
Изумруд. В конце 1930-х годов ученые, наконец, синтезировали коммерчески прибыльную версию этого желанного темно-зеленого драгоценного камня, выращенного методом флюса. Гидротермальный синтетический изумруд для ювелирных изделий появился на сцене в 1960 году.
Синтетические кварцы (широкодоступные)
Кварц ювелирного качества, такой как цитрин, розовый кварц, дымчатый кварц и аметист, привлекателен. Но природный кварц ювелирного качества в изобилии, поэтому дефицит не является причиной того, что исследователи взялись за разработку способа синтеза кварца ювелирного качества. Причина в том, что он играет ключевую роль в технологии. Он может генерировать электрический ток, когда находится под давлением, и может вибрировать точно в ответ на переменный ток. Эти достоинства находят практическое применение в часах, часах, коммуникационном оборудовании, фильтрах и генераторах.
Аметист: выращенный в лаборатории аметист и другие разновидности синтетического кварца нашли свое применение в ювелирных изделиях после того, как были разработаны для промышленного применения. Первый гидротермальный кварц появился в лабораториях в 1890-х годах. Только во время Второй мировой войны синтетический кварц был широко доступен в продаже.
Природный аметист и горный хрусталь Кристаллы кварца (слева) и синтетический аметист и синтетический горный хрусталь кварца (справа).
Синтетическая шпинель (широкодоступная)
В начале двадцатого века исследователи, пытавшиеся вырастить синтетический синий сапфир, случайно получили синтетическую синюю шпинель. С тех пор синтетическая шпинель широко используется в качестве заменителя многих природных драгоценных камней. В 1990-х годах была представлена новая произведенная в России синтетическая шпинель, выращенная методом флюса, различных цветов, включая красный цвет, который не был широко доступен в старом процессе плавления в пламени.
Синтетическая шпинель, показанная здесь, находится в кристаллической форме, поскольку она представлена производителем. Ограненные камни могут быть любого цвета и часто используются для имитации различных природных драгоценных камней.
Синтетический опал (изредка встречается)
В 1970-х годах компания Gilson разработала трехэтапный процесс получения убедительного синтетического опала. Во-первых, микроскопические сферы кремнезема создаются путем осаждения. Далее сферы оседают в кислой воде более года. Наконец, гидростатический пресс уплотняет сферы, не искажая расположение друг над другом, что создает игру цвета опала.
Эти синтетические опалы иногда можно увидеть на рынке, и неискушенному глазу они могут показаться очень ценными натуральными белыми и черными опалами.
Синтетический александрит (редкий)
Поскольку природного александрита недостаточно для удовлетворения спроса, за последние несколько десятилетий на рынке появились различные синтетические материалы. Александрит был синтезирован с помощью ряда различных процессов, включая Чохральского, плавающую зону и флюс. Также синтетический корунд с изменением цвета часто используется для имитации природного александрита.