Otwieranie grafenu laserem
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Misja Psyche jeszcze nie dotarła do celu, a już zapisała się w historii podboju kosmosu. Głównym jej celem jest zbadanie największej w Układzie Słonecznym asteroidy Psyche. Przy okazji NASA postanowiła przetestować technologię, z którą eksperci nie potrafili poradzić sobie od dziesięcioleci – przesyłanie w przestrzeni kosmicznej danych za pomocą lasera. Agencja poinformowała właśnie, że z Psyche na Ziemię trafił 15-sekudowy materiał wideo przesłany z odległości 31 milionów kilometrów z maksymalną prędkością 267 Mbps. To niemal 2-krotnie szybciej niż średnia prędkość szerokopasmowego internetu w Polsce.
To, czego właśnie dokonała NASA jest nie zwykle ważnym osiągnięciem. Pozwoli bowiem na znacznie sprawniejsze zbieranie danych z instrumentów pracujących w przestrzeni kosmicznej i zapewni dobrą komunikację z misjami załogowymi odbywającymi się poza orbitą Ziemi.
Sygnał z Psyche potrzebował około 101 sekund, by dotrzeć do Ziemi. Dane, przesyłane przez laser pracujący w bliskiej podczerwieni trafiły najpierw do Hale Teelscope w Palomar Observatory w Kalifornii. Następnie przesłano je do Jet Propulsion Laboratory w Południowej Kalifornii, gdzie były odtwarzane w czasie rzeczywistym podczas przesyłania. Jak zauważył Ryan Rogalin, odpowiedzialny za elektronikę odbiornika w JPL, wideo odebrane w Palomar zostało przesłane przez internet do JPL, a transfer danych odbywał się wolniej, niż przesyłanie danych z kosmosu. Podziwiając tempo transferu danych nie możemy zapomnieć też o niezwykłej precyzji, osiągniętej przez NASA. Znajdujący się na Psyche laser trafił z odległości 31 milionów kilometrów w 5-metrowe zwierciadło teleskopu. Sam teleskop to również cud techniki. Jego budowę ukończono w 1948 roku i przez 45 lat był najdoskonalszym teleskopem optycznym, a jego zwierciadło główne jest drugim największym zwierciadłem odlanym w całości.
Po co jednak prowadzić próby z komunikacją laserową, skoro od dziesięcioleci w przestrzeni kosmicznej z powodzeniem przesyła się dane za pomocą fal radiowych? Otóż fale radiowe mają częstotliwość od 3 Hz do 3 Thz. Tymczasem częstotliwość pracy lasera podczerwonego sięga 300 THz. Zatem transmisja z jego użyciem może być nawet 100-krotnie szybsza. Ma to olbrzymie znaczenie. Chcemy bowiem wysyłać w przestrzeń kosmiczną coraz więcej coraz doskonalszych narzędzi. Dość wspomnieć, że Teleskop Webba, który zbiera do 57 GB danych na dobę, wysyła je na Ziemię z prędkością dochodzącą do 28 Mb/s. Zatem jego systemy łączności działają 10-krotnie wolniej, niż testowa komunikacja laserowa.
Zainstalowany na Psyche Deep Space Optical Communication (DSOC) uruchomiono po raz pierwszy 14 listopada. Przez kolejne dni system sprawdzano i dostrajano, osiągając coraz szybszy transfer danych i coraz większą precyzję ustanawiania łącza z teleskopem. W tym testowym okresie przesłano na Ziemię łącznie 1,3 terabita danych. Dla porównania, misja Magellan, która w latach 1990–1994 badała Wenus, przesłała w tym czasie 1,2 Tb.
Misja Psyche korzysta ze standardowego systemu komunikacji radiowej. DSOC jest systemem testowym, a jego funkcjonowanie nie będzie wpływało na powodzenie całej misji.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
„Niemożliwy” unipolarny (jednobiegunowy) laser zbudowany przez fizyków z University of Michigan i Universität Regensburg może posłużyć do manipulowania kwantową informacją, potencjalnie zbliżając nas do powstania komputera kwantowego pracującego w temperaturze pokojowej. Laser taki może też przyspieszyć tradycyjne komputery.
Światło, czyli promieniowanie elektromagnetyczne, to fala oscylująca pomiędzy grzbietami a dolinami, wartościami dodatnimi a ujemnymi, których suma wynosi zero. Dodatni cykl fali elektromagnetycznej może przesuwać ładunki, jak np. elektrony. Jednak następujący po nim cykl ujemny przesuwa ładunek w tył do pozycji wyjściowej. Do kontrolowania przemieszania informacji kwantowej potrzebna byłaby asymetryczna – jednobiegunowa – fala światła. Optimum byłoby uzyskanie całkowicie kierunkowej, unipolarnej „fali”, w której występowałby tylko centralny grzbiet, bez oscylacji. Jednak światło, jeśli ma się przemieszczać, musi oscylować, więc spróbowaliśmy zminimalizować te oscylacje, mówi profesor Mackillo Kira z Michigan.
Fale składające się tylko z grzbietów lub tylko z dolin są fizycznie niemożliwe. Dlatego też naukowcy uzyskali falę efektywnie jednobiegunową, która składała się z bardzo stromego grzbietu o bardzo wysokiej amplitudzie, któremu po obu stronach towarzyszyły dwie rozciągnięte doliny o niskiej amplitudzie. Taka konstrukcja powodowała, że grzbiet wywierał silny wpływ na ładunek, przesuwając go w pożądanym kierunku, a doliny były zbyt słabe, by przeciągnąć go na pozycję wyjściową.
Taką falę udało się uzyskać wykorzystując półprzewodnik z cienkich warstw arsenku galu, w którym dochodzi do terahercowej emisji dzięki ruchowi elektronów i dziur. Półprzewodnik został umieszczony przed laserem. Gdy światło w zakresie bliskiej podczerwieni trafiło w półprzewodnik, doszło do oddzielenia się elektronów od dziur. Elektrony poruszyły się w przód. Następnie zostały z powrotem przyciągnięte przez dziury. Gdy elektrony ponownie łączyły się z dziurami, uwolniły energię, którą uzyskały z impulsu laserowego. Energia ta miała postać silnego dodatniego półcyklu w zakresie teraherców, przed i po którym przebiegał słaby, wydłużony półcykl ujemny.
Uzyskaliśmy w ten sposób zadziwiającą unipolarną emisję terahercową, w którym pojedynczy dodatni półcykl był czterokrotnie wyższy niż oba cykle ujemne. Od wielu lat pracowaliśmy nad impulsami światła o coraz mniejszej liczbie oscylacji. Jednak możliwość wygenerowania terahercowych impulsów tak krótkich, że efektywnie składały się z mniej niż pojedynczego półcyklu oscylacji była czymś niewyobrażalnym, cieszy się profesor Rupert Hubner z Regensburga.
Naukowcy planują wykorzystać tak uzyskane impulsy do manipulowania elektronami w materiałach kwantowych w temperaturze pokojowej i badania mechanizmów kwantowego przetwarzania informacji. Teraz, gdy wiemy, jak uzyskać unipolarne terahercowe impulsy, możemy spróbować nadać im jeszcze bardziej asymetryczny kształt i lepiej przystosować je do pracy z kubitami w półprzewodnikach, dodaje doktorant Qiannan Wen.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Krwawienie z naczyń krwionośnych podczas operacji neurochirurgicznych to poważny problem. Krew zasłania pole widzenia i konieczne jest jej usuwanie. Dlatego pole operacyjne, w którym nie pojawiałaby się krew czyniłoby cały zabieg bardziej precyzyjnym i bezpiecznym. Naukowcy z University of Texas w Austin i University of California, Irvine, opracowali właśnie laserową platformę do bezkrwawej resekcji tkanki mózgowej.
Obecnie podczas zabiegów neurochirurgicznych, by zapewnić dobre pole widzenia, wykorzystuje się ultradźwiękowe aspiratory, po których stosuje się przyżeganie (elektrokauteryzację). Jako jednak, że obie metody stosowane są jedna po drugiej, wydłuża to operację. Ponadto przyżeganie może prowadzić do uszkodzenia części tkanki.
Specjaliści z Teksasu i Kalifornii wykazali podczas eksperymentów na myszach, że ich nowy laser pozwala na bezkrwawą resekcję tkanki. Ich system składa się z urządzenia do koherencyjnej tomografii optycznej (OCT), które zapewnia obraz w mikroskopowej rozdzielczości, bazującego na iterbie lasera do koagulacji naczyń krwionośnych oraz wykorzystującego tul lasera do cięcia tkanki.
Maksymalna moc lasera iterbowego wynosi 3000 W, a urządzenie pozwala na dobranie częstotliwości i długości trwania impulsów w zakresie od 50 mikrosekund do 200 milisekund, dzięki czemu możliwa jest skuteczna koagulacja różnych naczyń krwionośnych. Laser ten emituje światło o długości 1,07 mikrometra. Z kolei laser tulowy pracuje ze światłem o długości fali 1,94 mikrometra, a jego średnia moc podczas resekcji tkanki wynosi 15 W. Twórcy nowej platformy połączyli oba lasery w jednym biokompatybilnym włóknie, którym można precyzyjnie sterować dzięki OCT.
Opracowanie tej platformy możliwe było dzięki postępowi w dwóch kluczowych dziedzinach. Pierwszą jest laserowa dozymetria, wymagana do koagulacji naczyń krwionośnych o różnych rozmiarach. Wcześniej duże naczynia, o średnicy 250 mikrometrów i większej, nie poddawały się laserowej koagulacji z powodu szybkiego wypływu krwi. Mój kolega Nitesh Katta położył podstawy naukowe pod metodę dozymetrii laserowej pozwalającej na koagulowanie naczyń o średnicy do 1,5 milimetra, mówi główny twórca nowej platformy, Thomas Milner.
Drugie osiągnięcie to odpowiednia metodologia działań, która pozwala na osiągnięcie powtarzalnej i spójnej ablacji różnych typów tkanki dzięki głębiej penetrującym laserom. Jako, że laserowa ablacja jest zależna od właściwości mechanicznych tkanki, cięcia mogą być niespójne, a w niektórych przypadkach mogą skończyć się katastrofalną niestabilnością cieplną. Nasza platforma rozwiązuje oba te problemy i pozwala na powtarzalne spójne cięcie tkanki miękkiej jak i sztywnej, takiej jak tkanka chrzęstna.
Na łamach Biomedical Optics Express twórcy nowej platformy zapewniają, że w polu operacyjnym nie pojawia się krew, jakość cięcia jest odpowiednia i obserwuje się jedynie niewielkie uszkodzenia termiczne tkanki.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Łazik Perseverance wylądował na Marsie po trwającej ponad pół roku podróży. W tym czasie był narażony na oddziaływanie dużych dawek promieniowania kosmicznego, które dodatkowo mogło zostać gwałtownie zwiększone przez koronalne wyrzuty masy ze Słońca. Na takie właśnie szkodliwe dla zdrowia promieniowanie narażeni będą astronauci podróżujący na Marsa. W przeciwieństwie do załogi Międzynarodowej Stacji Kosmicznej nie będą oni chronieni przez ziemską magnetosferę. Dlatego też wszelkie metody skrócenia podróży są na wagę zdrowia i życia.
Emmanuel Duplay i jego koledzy z kanadyjskiego McGill University zaprezentowali na łamach Acta Astronautica interesującą koncepcję laserowego systemu napędowy, który mógłby skrócić załogową podróż na Marsa do zaledwie 45 dni.
Pomysł na napędzanie pojazdów kosmicznych za pomocą laserów nie jest niczym nowym. Jego olbrzymią zaletą jest fakt, że system napędowy... pozostaje na Ziemi. Jedną z rozważanych technologii jest wykorzystanie żagla słonecznego przymocowanego do pojazdu. Żagiel taki wykorzystywałby ciśnienie fotonów wysyłanych w jego kierunku z laserów umieszczonych na Ziemi. W ten sposób można by rozpędzić pojazd do nieosiągalnych obecnie prędkości.
Jednak system taki może zadziałać wyłącznie w przypadku bardzo małych pojazdów. Dlatego Duplay wraz z zespołem proponują rozwiązanie, w ramach którego naziemny system laserów będzie rozgrzewał paliwo, na przykład wodór, nadając pęd kapsule załogowej.
Pomysł Kanadyjczyków polega na stworzeniu systemu laserów o mocy 100 MW oraz pojazdu załogowego z odłączanym modułem napędowym. Moduł składałby się z olbrzymiego lustra i komory wypełnionej wodorem. Umieszczone na Ziemi lasery oświetlałby lustro, które skupiałoby światło na komorze z wodorem. Wodór byłby podgrzewany do około 40 000 stopni Celsjusza, gwałtownie by się rozszerzał i uchodził przez dyszę wylotową, nadając pęd kapsule załogowej. W ten sposób, w ciągu kilkunastu godzin ciągłego przyspieszania kapsuła mogłaby osiągnąć prędkość około 14 km/s czyli ok. 50 000 km/h, co pozwoliłoby na dotarcie do Marsa w 45 dni. Sam system napędowy, po osiągnięciu przez kapsułę odpowiedniej prędkości, byłby od niej automatycznie odłączany i wracałby na Ziemię, gdzie można by go powtórnie wykorzystać.
Drugim problemem, obok stworzenia takiego systemu, jest wyhamowanie pojazdu w pobliżu Marsa. Naukowcy z McGill mówią, że można to zrobić korzystając z oporu stawianego przez atmosferę Czerwonej Planety, jednak tutaj wciąż jest sporo niewiadomych.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
W projektach związanych z syntezą termojądrową konieczne jest wykorzystanie materiałów odpornych na wysokie temperatury i uszkodzenia radiacyjne. Obiecujące pod tym względem są materiały bazujące na węglu, zwłaszcza nanorurki węglowe i grafen. Naukowcy z Zakładu Badań Reaktorowych NCBJ brali udział w badaniach odporności detektorów grafenowych na wysokie strumienie neutronów.
Reaktory termojądrowe, takie jak powstające obecnie w Cadarache we Francji urządzenie badawcze ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), czy powstający w Hiszpanii jego następca – DEMO (Demonstration Power Plant), wykorzystują silne pole magnetyczne do uwięzienia plazmy, w której zachodzą reakcje syntezy lekkich jąder atomowych. By umożliwić efektywne zachodzenie reakcji syntezy, plazmę należy podgrzać do temperatury dziesiątek milionów stopni Celsjusza. Aby zapewnić stabilne działanie urządzenia, konieczna jest precyzyjna diagnostyka pola magnetycznego. Ze względu na działające na znajdującą się we wnętrzu reaktora elektronikę warunki, takie jak wysoka temperatura (rzędu kilkuset °C) czy silne promieniowanie neutronowe, większość komercyjnie dostępnych półprzewodnikowych czujników pola magnetycznego nie jest w stanie pracować w takich układach. Z tego powodu prowadzone są badania nad detektorami metalowymi, opartymi o chrom czy bizmut. Niestety, detektory oparte o nie mają niską czułość i duży przekrój czynny na oddziaływanie z neutronami.
Interesującą alternatywą wydają się być detektory wykonane w technologii kwaziswobodnego grafenu epitaksjalnego na węgliku krzemu. Warstwy grafenu mogą być formowane w bardzo czułe sensory efektu Halla: jeżeli przewodnik, przez który płynie prąd elektryczny, znajduje się w polu magnetycznym, pojawia się w nim różnica potencjałów – tzw. napięcie Halla, które może posłużyć do pomiaru pola magnetycznego. Zbadana została już odporność grafenu na promieniowanie. Badania przeprowadzono wykorzystując zarówno wiązki jonów, protonów, jak i elektronów, i nie wykryto istotnych zmian właściwości napromienionych próbek. Przewidywania teoretyczne sugerują, że podobnie grafen reaguje na promieniowanie neutronowe, jednak nigdy wcześniej nie zostało to bezpośrednio potwierdzone eksperymentalnie.
W pracy, która ukazała się na łamach czasopisma Applied Surface Science, zbadano wpływ prędkich neutronów na układ detektora opartego na grafenie. Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki (IMiF) funkcjonujący w Sieci Badawczej Łukasiewicz wytworzył strukturę składającą się z grafenu na wysyconej atomami wodoru powierzchni węglika krzemu 4H-SiC(0001). Całość pokryto dielektryczną pasywacją z tlenku glinu, stanowiącą zabezpieczenie środowiskowe warstwy aktywnej detektora – mówi dr inż. Tymoteusz Ciuk, kierujący pracami w Łukasiewicz-IMiF. Tak przygotowany układ został następnie poddany napromienieniu neutronami prędkimi wewnątrz rdzenia reaktora MARIA w NCBJ.
Zamontowana w rdzeniu reaktora MARIA unikatowa instalacja do napromieniania neutronami prędkimi pozwala nam przeprowadzać badania materiałów, bądź podzespołów przewidywanych do wykorzystania w układach termojądrowych, w których także są generowane prędkie neutrony – opowiada dr inż. Rafał Prokopowicz, kierownik Zakładu Badań Reaktorowych NCBJ, współautor pracy. W przypadku badań nad strukturami detekcyjnymi z grafenu, próbki napromienialiśmy przez ponad 120 godzin neutronami prędkimi o fluencji rzędu 1017 cm–2, by oddać warunki, na jakie narażona jest elektronika w instalacjach termojądrowych – dodaje mgr Maciej Ziemba z Zakładu Badań Reaktorowych. „Aby zapewnić bezpieczeństwo badań, testy podzespołów wykonano, gdy aktywność próbek nie stanowiła już zagrożenia, czyli po kilku miesiącach od napromienienia”.
Zarówno przed napromienieniem, jak i po napromienieniu próbek, w Instytucie Fizyki Politechniki Poznańskiej dokładnie zbadano ich strukturę i właściwości elektryczne. Wykorzystano do tego spektroskopię Ramana, badania efektu Halla, jak również wielkoskalowe modelowanie z użyciem teorii funkcjonału gęstości (DFT – density functional theory). Dodatkowo, naukowcy z Politechniki Poznańskiej przeprowadzili charakteryzację napromienionych struktur po ich wygrzewaniu w temperaturze od 100 do 350°C, by zbadać działanie temperatury, w połączeniu z wpływem prędkich neutronów, na właściwości elektryczne. Dzięki testom wykryto na przykład, że z powodu promieniowania, w materiale pojawia się zależność właściwości elektrycznych od temperatury, która nie występowała przed umieszczeniem próbek w strumieniu neutronów – wyjaśnia dr inż. Semir El-Ahmar, kierujący badaniami na Politechnice Poznańskiej. Co więcej, promieniowanie neutronowe powoduje zmniejszenie gęstości nośników ładunku w badanej strukturze. Okazuje się jednak, że odpowiada za to warstwa wodoru, a więc napromienienie jedynie w umiarkowanym stopniu wpływa na strukturę i właściwości grafenu.
Na podstawie charakteryzacji właściwości badanych struktur przed napromienieniem i po ich napromienieniu, oceniono odporność grafenu na promieniowanie neutronowe jako bardzo dobrą. Gęstość uszkodzeń radiacyjnych była 7 rzędów wielkości mniejsza, niż wartość strumienia neutronów, co oznacza dość niski przekrój czynny grafenu na oddziaływanie z neutronami prędkimi. Mimo, iż wystąpiły uszkodzenia struktury spowodowane promieniowaniem, to w porównaniu z detektorami bazującymi na metalach, czułość układu z grafenem na pole magnetyczne pozostaje kilka rzędów wielkości większa – podsumowuje wyniki dr El-Ahmar. Dodatkowo, okazało się, że duża część uszkodzeń była związana nie z samymi warstwami grafenu, a z warstwą wodoru, która z kolei przy temperaturach powyżej 200°C, jakie będą panować w instalacjach takich jak DEMO, wykazuje wręcz pewien potencjał samo-naprawczy. Z uwagi na to, grafenowe detektory pola magnetycznego mogą stanowić obiecujące struktury do wykorzystania w reaktorach termojądrowych.
Nad zastosowaniem grafenu jako bazy przy detekcji pola magnetycznego w instalacjach termojądrowych prowadzone będą dalsze badania. Naukowcy rozważają wykorzystanie innego typu podłoża – np. 6H-SiC(0001), na którym formowana struktura może być bardziej odporna na promieniowanie neutronowe. Rozważane jest też zastąpienie warstwy wodoru buforową warstwą atomów węgla.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.