Blog

Varis elektronikos pasaulyje – tarsi patikimas senas meistras. Jis nėra egzotiškas, tačiau dešimtmečius atlieka vieną svarbiausių darbų: surenka šilumą, ją paskirsto ir taip apsaugo mikroschemas nuo perkaitimo. Todėl žinia apie medžiagą, kuri šilumą perduoda beveik tris kartus geriau nei varis, nebeatrodo kaip eilinis laboratorinis smalsumas. Tai veikiau signalas, kad šilumos valdymo taisyklės elektronikoje gali keistis iš esmės.

Kalbama apie metalinį tantalo nitridą theta fazėje, žymimą θ-TaN. UCLA vadovaujama tyrėjų komanda parodė, kad šios medžiagos šilumos laidumas siekia apie 1100 W/mK. Palyginimui, vario, kuris iki šiol dominuoja komerciniuose šilumos valdymo sprendimuose, šilumos laidumas yra apie 400 W/mK. Tai ne nedidelis pagerinimas, o skirtumas, kuris aušinimo technologijoms gali tapti lemiamas.

Ne kiekvienai įkaitusiai elektronikai reikia daugiau galios – kartais reikia greitesnio kelio šilumai „pabėgti“

Šiuolaikinė elektronika vis labiau primena tankiai statomą miestą: procesoriai, dirbtinio intelekto akceleratoriai, duomenų centrai, energetikos sistemos ir kvantiniai įrenginiai tampa vis galingesni, tačiau kartu sukuria ir vis daugiau lokalių „karštųjų taškų“. Šiluma čia veikia kaip spūstis greitkelyje – ji nebūtinai sugriauna visą sistemą, bet gali pristabdyti labiausiai apkrautas vietas, mažinti našumą ir trumpinti komponentų tarnavimo laiką.

Dėl to medžiagos, pasižyminčios labai dideliu šilumos laidumu, yra itin vertingos. Jų tikslas nėra „stebuklingai atšaldyti“, o kuo greičiau ištraukti energiją iš pavojingai įkaistančios vietos ir ją paskirstyti plačiau. Kuo efektyviau tai daroma, tuo lengviau išvengti perkaitimo, našumo kritimo ir pagreitėjusio dėvėjimosi.

Todėl skirtumas tarp 400 ir 1100 W/mK nėra vien skaičius lentelėje. Tai veikiau skirtumas tarp įprastos gatvės ir plataus evakuacinio tunelio šilumai, kai tankiai supakuota ir didelius krūvius apdorojanti elektronika kaista vis labiau.

Kuo šis materialas toks neįprastas?

Metaluose šilumą perneša ir laisvieji elektronai, ir kristalinės gardelės virpesiai – fononai. Problema ta, kad šie du „pasauliai“ dažnai vienas kitam trukdo: elektronai susiduria su atomų virpesiais, fononai tarpusavyje, todėl energijos judėjimas tampa panašesnis į bėgimą per minią nei į laisvą sprintą. Būtent šios sąveikos ilgą laiką ribojo tai, kaip gerai metalai gali perduoti šilumą.

θ-TaN atveju tyrėjai pastebėjo retą reiškinį – itin silpną elektronų ir fononų sąveiką. Tai, jų vertinimu, ir leidžia šilumai per medžiagą tekėti gerokai efektyviau nei per varį ar sidabrą. Paprastai tariant, šilumos „nešėjai“ čia turi mažiau progų trukdyti vieni kitiems.

Tyrėjai šią savybę sieja su neįprasta atomine struktūra: tantalo ir azoto atomai medžiagoje išsidėsto specifiniu heksagoniniu raštu. Tai rodo, kad kartais pakanka kitaip „sudėlioti“ atomus, ir medžiaga ima apeiti ribas, kurios anksčiau atrodė beveik savaime suprantamos.

Ne tik rekordas, bet ir iššūkis senoms nuostatoms

Ilgą laiką atrodė, kad varis ir sidabras yra praktiškai aukščiausias taškas metalų šilumos laidumo skalėje. Norint pasiekti daugiau, dėmesys dažniau krypdavo į egzotiškus nemetališkus sprendimus, pavyzdžiui, deimantą ar kitus specifinius junginius. θ-TaN primena, kad toks požiūris galėjo būti pernelyg konservatyvus.

Šis atradimas svarbus ir todėl, kad laboratoriniai rekordai neretai lieka vien teoriniais pasiekimais. Šiuo atveju kalbama apie metalinę medžiagą, kuri iš principo yra arčiau realių integravimo scenarijų nei kai kurie trapūs ar pritaikyti sudėtingi kitų klasių rekordininkai. Tai dar nereiškia, kad θ-TaN artimiausiu metu išstums varį, tačiau praktinių taikymų diskusija čia nėra vien fantazija.

Tyrėjai medžiagos savybes patvirtino keliomis metodikomis, tarp jų – didelės skiriamosios gebos neelastine rentgeno spindulių sklaida ir ultragreita optine spektroskopija. Tokie patikrinimai ypač svarbūs, kai rezultatai prieštarauja įprastai intuicijai: būtina įrodyti ne tik patį rekordą, bet ir jo kilmę.

Šaltinis: „IFL Science“

Fizikai pirmą kartą aiškiai pademonstravo kvantinę interferenciją metalinėms nanodalelėms, sudarytoms iš tūkstančių atomų. Eksperimentas reikšmingai praplečia ribą, kokio mastelio objektuose dar galima tiesiogiai patikrinti kvantinės mechanikos dėsnius. Šį kartą kalbama ne apie elektroną, pavienį atomą ar nedidelę molekulę, o apie daugiau nei 7000 natrio atomų klasterį.

Tokio klasterio skersmuo siekia apie 8 nanometrus, o masė viršija 170 tūkst. daltonų. Nepaisant to, jis vis dar demonstruoja elgesį, būdingą materijos bangų pasauliui.

Tai – naujo tyrimo, publikuoto žurnale Nature, esmė. Vienos universiteto ir Duisburgo-Eseno universiteto komanda parodė, kad tokios didelės metalinės nanodalelės gali suformuoti interferencinį raštą, vadinasi, elgtis pagal kvantinės mechanikos taisykles.

Populiarus teiginys, esą „metalas vienu metu yra dviejose vietose“, yra supaprastinimas, tačiau jis atsirado ne be pagrindo. Praktikoje kalbama apie būseną, kai objektą neįmanoma aprašyti kaip skrendantį viena aiškia, klasikine trajektorija. Tik matavimas „uždaro“ šį neapibrėžtumą.

Eksperimento reikšmė didesnė, nei gali pasirodyti iš pirmo žvilgsnio. Tyrėjai pasiekė makroskopiškumo lygį μ = 15,5 – tai daugiau nei ankstesniuose panašaus tipo bandymuose. Šis rezultatas dar kartą rodo, kad riba tarp kvantinio ir klasikinio pasaulių nėra ten, kur ją dažnai diktuoja intuicija.

Ne atomas, o gerokai didesnis objektas

Daugelį metų fizikai kvantines savybes pademonstruodavo vis naujuose objektuose, tačiau jie dažniausiai būdavo tokie maži, kad lengva numoti ranka ir sakyti: „tame mastelyje viskas gali būti keista“. Sunkumai prasideda tada, kai objektas tampa didesnis, sunkesnis ir labiau panašus į tai, ką kasdienėje kalboje pavadintume tiesiog materijos dalele.

Būtent todėl šiame eksperimente panaudoti natrio klasteriai yra tokie svarbūs. Daugiau nei 7000 atomų – tai jau mastas, kurį intuicija nenoriai „atiduoda“ kvantinei mechanikai. Nors objektas išlieka mikroskopinis, jis nebėra „vadovėliškai mažas“.

Tyrėjai atkreipia dėmesį, kad tokių nanodalelių dydis yra palyginamas su šiuolaikinių puslaidininkių technologijų elementais. Dėl to eksperimentas atrodo nebe kaip egzotiškų dulkių žaidimas, o kaip bandymas su medžiaga, esančia daug arčiau realios technologijų praktikos.

Kuo objektas didesnis, tuo sunkiau išlaikyti jo kvantinę darną: aplinka itin efektyviai ardo subtilias kvantines būsenas. Todėl aiškus interferencijos signalas reiškia, kad kvantinė mechanika dar kartą „išlaikė egzaminą“ ten, kur daugelis būtų tikėjęsi vien klasikinio elgesio.

Kaip patikrinta, kad metalas nesielgia kaip įprastas „kamuoliukas“?

Eksperimentas buvo paremtas materijos bangų interferometrija. Supaprastintai tariant, atšaldyti natrio klasteriai buvo leidžiami per trijų difrakcinių gardelių sistemą, suformuotą ultravioletine šviesa. Toks sprendimas leidžia kvantinį dalelės aprašą „išskleisti“ į kelis galimus kelius, o vėliau patikrinti, ar šie keliai susideda į būdingą interferencinį raštą.

Jeigu objektas elgtųsi kaip įprasta dalelė, skrendanti vienu aiškiu keliu, interferencijos nebūtų. Ji atsiranda todėl, kad kelyje neįmanoma kalbėti apie vieną nusistovėjusią trajektoriją klasikine prasme. Tai nėra vien kalbinė gudrybė ar filosofinė metafora – tai išmatuojamas efektas. Būtent tokį signalą ir pavyko užfiksuoti didelėms metalinėms nanodalelėms.

Tai svarbu ir dėl to, kad populiarūs aiškinimai neretai nuslysta į „kvantinės magijos“ pusę. Tačiau čia viskas remiasi griežta eksperimentine logika: objektas įvedamas į sistemą, pereina kruopščiai parengtas sąlygas, o pabaigoje palieka pėdsaką, kurio neįmanoma įtikinamai paaiškinti klasikiniu vieno kelio vaizdiniu.

Ką šis rezultatas keičia?

Šį pasiekimą būtų galima pavadinti dar viena kvantinės mechanikos „keistumo“ pergale, tačiau svarbiausia yra ne keistumas. Reikšmė ta, kad tokie eksperimentai mažina erdvę alternatyvioms hipotezėms, bandančioms apriboti kvantinius reiškinius dideliuose objektuose.

Jau seniai keliamos idėjos, esą egzistuoja natūrali mastelio riba, kurią peržengus pasaulis „privalo“ pereiti prie klasikinio elgesio. Kol kas vis nauji bandymai šią ribą nuosekliai stumia tolyn.

Autorių naudojamas makroskopiškumo rodiklis leidžia palyginti skirtingų bandymų „stiprumą“. μ = 15,5 reiškia, kad šis darbas yra griežtesnis kvantinės mechanikos patikrinimas nei ankstesni panašios klasės eksperimentai. Fizikoje tai nėra kosmetinis patikslinimas – tai realus poslinkis tame, ką apskritai pajėgiame ištirti.

Praktiniu požiūriu rezultatas gali būti reikšmingas ir technologijoms: materijos bangų interferometrai yra itin jautrūs mažoms jėgoms, pagreičiams bei menkiems išoriniams trikdžiams. Todėl tokio tipo platformos ateityje gali būti naudingos ne tik fundamentaliems fizikos pagrindams tikrinti, bet ir kuriant ypač tikslius jutiklius.

Šaltinis: „Sci Tech Daily“

Paleontologai aprašė neįprastą krokodilų giminaitį, kuris, priešingai nei manyta iki šiol, galėjo judėti dviem kojomis. Dar labiau stebina tai, kad paaiškėjo ir netikėtos aplinkybės, kada ši savybė pasireikšdavo.

Sonselasuchus cedrus – naujų tyrimų „žvaigždė“

Kalbama apie rūšį Sonselasuchus cedrus, gyvenusią maždaug prieš 215–225 mln. metų, vėlyvajame triase. Šis gyvūnas priklausė szuvozaurams – tolimiems krokodilų protėviams, kurie visai nepriminė šiuolaikinių savo palikuonių. Vietoje masyvaus kūno ir žemai laikomos laikysenos jie pasižymėjo lengva sandara, ilgomis kojomis ir judėjimo būdu, labiau panašiu į dinozaurų nei į dabartinių roplių.

Didžiausia tyrėjų išvada susijusi būtent su judėjimu. Išanalizavus daugybę fosilijų nustatyta, kad jauni individai greičiausiai vaikščiojo keturiomis. Tačiau augant jų užpakalinės kojos ilgėjo ir tvirtėjo, todėl suaugę gyvūnai galėjo pereiti prie dvikojo judėjimo. Toks „pereinamasis“ gyvenimo būdas roplių pasaulyje yra itin retas ir laikomas vienu įdomiausių raidos pokyčių pavyzdžių evoliucijos istorijoje.

Prie tokių išvadų mokslininkai priėjo nagrinėdami galūnių kaulų proporcijas. Jaunų individų priekinės ir užpakalinės kojos buvo panašaus ilgio, o suaugusių – aiškiai dominavo užpakalinės galūnės. Būtent šis skirtumas, tyrėjų teigimu, turėjo perkelti kūno svorio centrą ir sudaryti sąlygas vaikščioti dviem kojomis. Mokslininkai pabrėžia, kad toks augimo procesas fosiliniame įraše aptinkamas labai retai.

Roplys, galėjęs judėti dviem kojomis

Gyvūno išvaizda taip pat skyrėsi nuo įprasto „krokodilo“ stereotipo. S. cedrus buvo nedidelis – siekė apie 60–70 cm aukštį – ir greičiau priminė liekną, greitai judantį roplį. Jis turėjo bedantį snapą, dideles akiduobes ir lengvus kaulus. Įdomu tai, kad jo kūno sandara stebėtinai priminė kai kuriuos dinozaurus, ypač ornitomimidus, kurie buvo panašūs į stručių tipo bėgikus.

Vis dėlto toks panašumas nereiškė artimos giminystės. Mokslininkai tai aiškina konvergentine evoliucija – reiškiniu, kai nesusijusios organizmų grupės išsiugdo panašius bruožus, nes prisitaiko prie panašių aplinkos sąlygų. Šiuo atveju tiek dinozaurai, tiek krokodilams artimi ropliai užėmė panašias ekologines nišas, todėl jų kūno sandara tapo panaši.

Fosilijos rastos Arizonoje, Petrified Forest nacionaliniame parke. Čia aptikta mažiausiai kelių dešimčių individų liekanos ir šimtai šiai rūšiai priskiriamų kaulų. Toks gausus radinių rinkinys leido tyrėjams atsekti gyvūno vystymąsi skirtingais gyvenimo tarpsniais, o tai paleontologijoje pasitaiko retai.

Mokslininkai pabrėžia, kad šis atradimas keičia iki šiol vyravusį požiūrį į krokodilų ir jų giminaičių evoliuciją. Pasirodo, triase šie gyvūnai buvo gerokai įvairesni, nei manyta anksčiau, o jų formos ir judėjimo būdai galėjo būti itin „eksperimentiniai“. Dvikoji laikysena, dažniausiai siejama su dinozaurais, pasirodo, galėjo atsirasti ir visiškai kitose evoliucinėse linijose.

Šaltiniai: „Eureka Alert“, „Journal of Vertebrate Paleontology“.

Archeologai Rumunijoje bando įminti neįprasto radinio paslaptį. Šalyje aptikta konstrukcija buvo ištirta ir datuota – mokslininkai nustatė, kad jai apie 6200 metų. Tačiau net ir tai neatsakė į svarbiausią klausimą: kam ji buvo skirta.

Pastatas, kaip teigiama tyrimuose, iškilo apie 4000 metus prieš mūsų erą ir siejamas su Kukutenio–Tripolės kultūra – viena pažangiausių neolito Europos civilizacijų. Šios kultūros arealas apėmė dabartinės Rumunijos, Moldovos ir Ukrainos teritorijas.

Objektas rastas Stăuceni-Holm gyvenvietėje. Mokslininkų vertinimu, joje galėjo gyventi tik keli šimtai žmonių, tačiau vis tiek buvo pastatyta maždaug 350 kv. metrų ploto konstrukcija – akivaizdžiai didesnė už visus kitus aplinkinius statinius.

Pastato mastas iškart patraukė ekspertų dėmesį. Jis buvo maždaug tris–penkis kartus didesnis nei įprasti šios gyvenvietės namai. Be to, jo vieta – netoli įėjimo į gyvenvietę ir šalia įtvirtinimų sistemos – leidžia spėti, kad tai nebuvo eilinė gyvenamoji erdvė. Greičiau tai galėjo būti bendruomenei svarbi arba simbolinę reikšmę turėjusi vieta.

Kasinėjimų metu rasta daug artefaktų, kurie dar labiau apsunkina pastato funkcijos aiškinimą. Tarp radinių – keramikos fragmentai, titnaginiai įrankiai, puošnūs indai, taip pat išskirtinė detalė: į dubenį pritvirtinta raižyta jaučio galva. Aptikta ir neaiškios paskirties figūrėlių bei augalinių produktų pėdsakų: grūdų, vaisių, net juodosios drignės sėklų – augalo, turinčio psichoaktyvių savybių.

Būtent pastarasis radinys kelia daugiausia diskusijų. Jis gali reikšti, kad pastatas buvo naudojamas ritualams arba praktikoms, susijusioms su to meto medicina ar tikėjimais. Kita vertus, aiškių įrodymų – pavyzdžiui, altorių ar tipinių kulto vietų požymių – nerasta, todėl tokia hipotezė kol kas lieka nepatvirtinta.

Iš pradžių svarstyta ir kita versija: galbūt tai buvo sandėlis arba bendrai valgymui skirta erdvė. Vis dėlto vėlesni tyrimai šias prielaidas susilpnino – neaptikta aiškių židinių pėdsakų ar sandėliavimui būdingų struktūrų. Tai privertė mokslininkus ieškoti kitų paaiškinimų.

Viena iš hipotezių teigia, kad megastruktūra galėjo būti bendruomenės sprendimų priėmimo vieta – primityvus administracinis centras ar susirinkimų erdvė. Kita galimybė – tai galėjo būti elito arba privilegijuotos grupės rezidencija. Dar viena interpretacija akcentuoja patį tokio statinio egzistavimo faktą: jis galėtų rodyti besiformuojančią socialinę nelygybę ir sudėtingėjančią bendruomenės organizacinę struktūrą.

Tokių konstrukcijų Kukutenio–Tripolės kultūros kontekste rasta nedaug. Tačiau tai, kad panašūs pastatai aptinkami ir mažose gyvenvietėse, ir gerokai didesniuose centruose, gali būti svarbus signalas. Gali būti, kad tokios megastruktūros buvo nuolatinė socialinio gyvenimo dalis, o ne išskirtiniai statiniai tik didžiausiuose žmonių telkiniuose.

Šaltinis: „PLOS One“