Что имеют ввиду, когда говорят, что величина квантуется? Не пугаемся сложной физики и не разбегаемся, всё будет максимально просто.

Итак, обычно квантованием называют дискретное изменение некоторой величины. Сразу с примером: сколько у вас друзей? Один, два, несколько. Сколько бы ни вышло, число друзей всегда будет целым и изменяться оно может на одного, не меньше (вспомнили двух с половиной землекопов, поехали дальше). В физике многие величины квантуются по своей природе. Одной из таких величин является электрический заряд. В школе мы узнаем о существовании электрона -- частицы, переносящей заряд. Так вот электроны они как друзья, их может быть только какое-то конкретное число. И величина электрического заряда всегда будет иметь вид N*e -- число электронов на элементарный заряд одного.

Некоторые величины квантуются не сами по себе, а при очень определённых условиях. Об одном из таких эффектов, удостоившемся Нобелевской премии, поговорим завтра :)

#науч_поп

Пилила-пилила пост про международный день метрологии 20 мая и решила разбить длиннопост на много длиннопостов.

В честь прошедшего международного дня метрологии объявляю Неделю Метрологии!

Как квантовая физика, которой я занимаюсь, позволила отменить эталон килограмма? Читайте на этой неделе в нашем вестнике.

#неделя_метрологии

Всем привет! Неделю метрологии начнём с разговора про эффект Холла.

В конце девятнадцатого века выяснилось, что при пропускании тока через образец в магнитном поле напряжение появляется не только вдоль, но и поперек направлению тока. Этот эффект противоречит интуитивным представлениям, когда ток течет по направлению приложения напряжения. А дело тут вот в чем.

При включении магнитного поля на электрон начинает действовать сила Лоренца, которая тащит электроны поперек направления тока. В итоге ненулевым будет как продольное напряжение (то, что есть и без магнитного поля), так и поперечное, называемое холловским. Чтобы говорить о величинах, характеризующих образец, обычно эти напряжения делят на силу тока, чтобы получить сопротивление. Тогда говорят о продольном сопротивлении и холловском соответственно.

В оригинальной статье (написанной в лучших традициях мемуаров) Холл выводит зависимость названного его именем сопротивления от магнитного поля. Как выяснится позднее, в ней кроется много интересного о микроскопических свойствах образцов. Об этом мы продолжим говорить завтра.

#неделя_метрологии

Ну вы посмотрите на вёрстку статьи 1879 и на этого франта! Пишет, мол, читал в университете Максвелла (далее цитата), обсудил это со своим лектором, решили, Максвелл не прав, далее описание экспериментов).
В сравнении со статьями наших дней просто какая-то книга сказок, не иначе.

#неделя_метрологии

Среда, друзья! Сегодня сделаем небольшой шаг от эффекта Холла и окажемся у... эффекта Холла. Но квантового) Удивительно, как быстро можно перескакивать между физическими явлениями, открытие которых разделяет почти столетие.

Обычно, когда говорят о квантовой физике, представляют модельные идеи микроскопического масштаба: электроны как частицы (и волны), плотность вероятности найти электрон в объеме, уровни, заполненные электронами и так далее. Эти абстракции описывают эксперименты и вписываются в общую картину физики. Но как их можно пощупать?

Квантовый эффект Холла представляет собой такое макроскопическое явление. Макро — значит можно померить напрямую. Макроскопическими характеристиками образца могут быть его размеры, масса и да, сопротивление! В конце двадцатого века Клаус фон Клитцинг показал, что если пропускать ток через двумерный образец в сильном магнитном поле и мерить его холловское сопротивление, оно будет квантоваться (меняться ступеньками). Природа этого эффекта лежит в структуре энергетических уровней двумерной системы в сильном магнитном поле: их можно будет считать дискретными полочками, места на которых занимают электроны.

Это открытие породило целую область физики конденсированного состояния и вот спустя почти 50 лет я прикладываю руку к её исследованиям.

Прелесть квантового эффекта Холла удивительна: в эксперименте мы измеряем макроскопическую характеристику образца (сопротивление), при этом получаем представление и МИКРОскопической структуре: сколько уровней заполнено электронами, есть ли где-то фазовый переход, и более сложные вещи можно распознать по зависимости сопротивления от магнитного поля.

#неделя_метрологии

Перейдем наконец к теме нашей недели. Сегодня обсудим историю метрологии и культуру отмены в ней.

Давным давно никакой метрологии не было, но задачи измерять длину, массу и время были. Первые меры были естественными. Люди находили их в себе (пяди, локти, сажень) и окружающем мире (гран как вес одного ячменного зерна).

С развитием международной торговли и науки задача точных и воспроизводимых измерений встала более остро. Миру нужна была универсальная система единиц измерения. Ей стала привычная нам метрическая система мер, закрепившаяся вскоре после французской революции, и распространившаяся по всему миру за редким исключением (США, Мьянма, Либерия). Так во французской палате мер и весов появились эталоны метра и килограмма. Они представляли из себя бруски фиксированного размера и считались надёжными эталонами вплоть до середины 20 века.

С увеличением запросов учёных, инженеров началось движение от привычных эталонов и их определений. Так международная палата мер и весов переопределила секунду: раньше секундой было принято называть 1/86400 долю суток, сейчас секунда жёстко привязана к более фундаментальной вещи: внутренним переходам между уровнями энергии атома цезия-133. Развитие современных технологий (например, GPS) требовало все более и более точного определения значения скорости света. Прежний, материальный эталон метра не смог удовлетворить ненасытных учёных. Можно было бы делать все более и более точные эталоны, но надёжным оказался принципиально иной путь. Было принято решение жёстко зафиксировать значение скорости света и определить метр через него. Теперь метр — длина, которую свет пройдет в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Пусть вас не пугают мои сообщения об изменении всего и вся: на бытовом уровне секунда та же и метр тоже. Но для некоторых задач пришлось определить эти величины точно. Нет, совсем-совсем точно. И на помощь пришли мировые константы: скорость света, постоянная тонкой структуры, постоянная Планка и другие.

О том, как квантовый эффект Холла позволил избавиться от лишнего килограмма, читайте в следующих выпусках!

#неделя_метрологии

Про квантовый эффект Холла всё-таки поговорим завтра, а пока про мои насыщенные выходные:
Купила машину и впервые сходила к пародонтологу. Угадайте, что из этого кажется мне более взрослым и потратило очень много эмоциональных сил?
Конечно, зубной)

Как физика помогает сбросить лишние килограммы?

Давайте разбираться, как всё-таки связаны квантовый эффект Холла (КЭХ) с килограммом.

Вскоре после открытия КЭХ стало понятно, что холловское сопротивление можно померить с невероятной точностью и очень-очень воспроизводимо. Более того, величина ступеньки сопротивления является константой, выражающейся через постоянную Планка и заряд электрона. Так КЭХ стал способом максимально точно измерить сопротивление через постоянную Планка и лег в основу метрологической реформы СИ 2019 года.

Основной идеей этой реформы является твердое закрепление значений постоянной Планка и электрического заряда, а также определение килограмма через них.

Экспериментально соответствие между постоянной Планка и килограммом устанавливается следующим образом. Для этого используется прибор — весы Киббла (или Ватт-весы). Они позволяют установить соответствие между электрической мощностью (внезапно измеряемой в ваттах) и килограммом. Принцип действия прост: у вас есть провод, по которому течет электрический ток. На такой провод в магнитном поле начинает действовать сила Ампера. Чтобы провод оставался в покое, соответствующую силу надо уравновесить силой тяжести (Киббл предложил чуть более хитрую двухступенчатую схему, чтобы повысить точность, но принцип действия тот же). Отсюда можно пересчитать значение массы в электрическое напряжение и ток. Наиболее точные эталоны вольта и амрера завязаны на квантовых эффектах: эффекте Джозефсона, который позволяет связать напряжение с частотой, и квантовом эффекте Холла, который помогает создать точный эталон сопротивления.

Таким образом, квантовый эффект Холла лег в основу определения не только интуитивно близких ему величин (Ома — единицы сопротивления), но и килограмма! Фанфакт: лауреат Нобелевской премии за КЭХ Клаус фон Клитцинг, любит приезжать на конференции со своей медалью и всем показывать) Он же на конференции по физике полупроводников 2018 анонсировал новую метрологическую реформу, которую мы сегодня обсуждали. И 20 мая 2019 года (в Международный день метрологии) она была принята. Ура!

Спасибо, что читали меня на этой неделе. Ставьте реакции/пишите, если такой формат заходит.

Начало недели метрологии можно почитать здесь.

#неделя_метрологии

Только мы с вами закончили неделю метрологии, у нас в институте началась конференция. В связи с этим схлестнулись 1001 задача под конец семестра и нерабочий вайб, который создаёт конфа. Вроде и работать надо, есть что мерить, есть к каким экзаменам готовиться. Но тут доклады, тут фуршет, тут знакомые из других институтов приезжают. В итоге я не работаю толком, а играю в музыкальные, блин, стулья, чтобы и здесь успеть, и там, и ещё где-то. Нет никаких идей, как эту неделю себе облегчить, поэтому план — пережить. Свехтревожность и большая загрузка компенсируется тем, что эта неделя всё-таки довольно социальная и не рутинная (хотя у нас порой что ни день, то происшествие), поэтому оп-оп, живём-живём.

Сегодня уронила горячий паяльник и усилием воли заставила себя отскочить. Уже тянулась ловить его, ага. По привычке тяжело себя остановить.

Записываем: мы НЕ ЛОВИМ горячие, холодные, острые предметы. Себе дороже.

Моя работа научила меня мыть руки лучше, чем ковидная пандемия. Без шуток.
Большая часть моей работы представляет из себя делание чего-то руками вроде:

- ой, ты паяешь с припоем? привет, там свинец)

- о, образцы точишь и весь перемазался в смеси алмазной пасты и крошки/пыли от образцов. а что точишь? Галий арсенид (GaAs)? Мммм, вкусно (лат. arsenicum — МЫШЬЯК).

- О, ты крепишь деталь паяльной пастой? Она выделяет какое-то говно при нагревании.

- Клеишь образец на цианокрилат? Что там в технике безопасности? ожоги, астма)

Короче каждое второе действие если не пытается тебя убить, то просто очень токсичное, а ты потом будешь есть/трогать лицо. Надеюсь, у вас не возникло желание вызывать службу по защите научных сотрудников) на самом деле все не так опасно, но лучше все-таки эти нюансы иметь в виду и лучше перебдеть.

Так что, друзья, моем руки почаще и скоблим под ногтями, да-да!

Сегодня в силу почти отсутствия сна (ничего особенного, мы готовили доклады, пока кошки бесоебили и отскакивали от стен) я старое больное животное. Тем временем карнавал конференции продолжается. В программе:

- студенческие лекции с утра
- доклады нашей секции до обеда
- экскурсия для студентов после обеда
- постерная сессия вечером

По плану вообще было много работать, но нетрудно догадаться, что основная часть времени/сил уходит на лавирование всех активностей, жонглирование делами и попытки урывками что-то толковое поделать. Дополнительные препятствия обеспечивают коллеги, уже на низком старте готовые к пятнице.

Надеюсь, такое нерабочее настроение не будет экстраполироваться дальше этой недели. Хотя случилось лето и очень хотелось бы, до конца сезона еще месяца полтора и мне надо-надо домучить свои измерения по диплому.

В честь моего недосыпа держите мем

Пока я всё ещё не в себе держите кулстори в форме треда:

@ я по ощущениям с какого-то лютого похмелья (на самом деле простуда/аллергия/отсутствие нормального сна/полбанки пива вчера), с квадратной головой, соплями, заложенными ушами
@ слышу какой-то глухой гудящий звук, который похож на приглушённый ор от бесперебойника (обычно посторонние звуки это очень плохой знак, либо что-то не так с насосом, либо газ утекает)
@ убеждаюсь, что это не он и решаю, что это просто звук в моей голове (это подтверждается тем, что я слышу этот звук не постоянно)
@ думаю спросить у коллеги, который работает со мной в одной комнате, про звук, но стесняюсь узнать, что это реально звук в моей голове (Как говорила Гермиона, даже в мире волшебников экспериментаторов слышать голоса — плохой признак)
@ приходит научник и спрашивает меня, что за звук
@ крайне удивляюсь
@ начинаем исследовать и понимаем, что это из Лейдена (дорогущего криостата растворения)
@ проверяем показатели, все в норме, звук то появляется, то пропадает
@ понимаем, что у Лейдена СДЫХАЕТ ТУРБИНА

Я сегодня (сейчас же еще суббота, да?) на работе чуть ли не раньше, чем в будний день, оказалась. Так хотелось отоспаться, но криостаты мои, криостаты. Всю ночь писался сериал, пришла выключить его, посмотреть данные, проверить, что вчерашней грозой не вырубило что-то (и такое бывает). Попутно впервые побывала на взрослом азотном дежурстве. Прикладываю вам видюшку, как я медленно заливаю азот в дьюар и криостат (всего вышло 3 криостата, 2 дьюара и 2 ccd камеры).

прикинула, что дьюар с азотом весит 8.5 (пустой) + 12.8 (16л жидкого азота) = 21 кг, что вообще норм физкультура)

Сегодня наконец спаяли воедино детали вставки в оптический криостат, про которую писала в посте выше.

Основа вставки — нержа, паять ее оказалось не так просто. Для этого используют специальный флюс: ортофосфорную кислоту (если вам кажется, что это какая-то неприятная херня, вам не кажется). Так вот, вы можете кислотой нержу, греете ее огромным паяльником (царем-паяльником, да), прикладываете припой. Иногда для подмоги используют строительный фен (в народе — хитган). Паяние феном, как по мне, это отдельное искусство.

На самом деле удовлетворение от создания реальной, блин, вещи очень велико. Нарисовала чертежи, заказала детали, собрала вместе, тут подкрутила, там доделала. До измерений на криостате ещё не супер близко, надо тянуть провода, разъемы допаивать. Внезапно оказалось, что в задачу "сделать вставку" включена задача сделать стол для криостата (опять же: чертежи, детали у механиков, сборка), ну что ж. Все бьём на мелкие кусочки и делаем. Этапы смотрите в карточках.