Математические решения для изучения двумерного взаимодействия света в фотонных кристаллических лазерах

Фотонные кристаллические поверхностно-излучающие лазеры (PCSEL) — это усовершенствованные лазерные диоды, в которых оптическое усиление обычно распределяется латерально к распространяющемуся свету в структуре фотонного кристалла (PC). Они отличаются от традиционных лазеров разделением функций усиления, обратной связи и излучения, предлагая масштабируемую одномодовую мощность и инновационные конструкции. Это приводит к повышению производительности и новым возможностям применения. В статье, опубликованной в журнале IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 20 ноября 2024 года, учёные разработали метод численного моделирования взаимодействия световых волн внутри PCSEL.

Экспериментальная идентификация топологических дефектов в коллоидном стекле 2D

Благодаря особым методам численного анализа, применяемым для обработки экспериментальных данных видеомикроскопии, физикам удалось четко идентифицировать топологические дефекты в аморфном коллоидном стекле, созданном в лабораторных условиях путем случайной сборки магнитных коллоидных частиц. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications. Взаимодействие между частицами тонко настраивалось внешним магнитным полем.

Улучшенное моделирование корреляции вращения и плотности дает более четкое представление о нейтронных звездах

Когда звезда умирает в результате взрыва сверхновой, одним из возможных результатов является превращение ее остатков в нейтронную звезду. Внутри нейтронной звезды протоны и электроны объединяются в незаряженные нейтроны (нейтронная материя). Группа учёных из США, Китая, Турции и Германии выполнила ab initio (т.е. исходя из фундаментальных принципов) моделирование для расчета корреляций спина и плотности в нейтронной материи. Были использованы реалистичные ядерные взаимодействия при более высоких плотностях нейтронов, чем изучалось ранее. Спин и плотность — это вероятность найти нейтрон в определенном положении с определенным направлением вращения. Эти корреляции определяют как нейтрино рассеиваются и нагреваются в сверхновой с коллапсом ядра. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Физики разрабатывают новую модель, описывающую, как нити собираются в активную пену

Физики разработали теоретическую модель, которая объясняет образование таких структур, как активные пены из смеси белковых нитей и молекулярных моторов. Исследователи сообщили о своих выводах в журнале Physical Review X. Белковые нити, как и микротрубочки, и молекулярные моторы являются основными компонентами цитоскелета во многих типах клеток. Важным примером построения и перестройки клеточных структур посредством взаимодействия нитей и моторов является митотическое веретено, которое отвечает за правильное деление клеток. В результате динамического взаимодействия микротрубочек и молекулярных моторов могут возникать разнообразные структуры. Они включают в себя мицеллы, похожие на астеры, и новую фазу, называемую активной пеной. Основными строительными блоками этой пены являются бислои микротрубочек, в которых нити направлены в противоположных направлениях. Затем эти бислои объединяются, образуя сеть, которая подвергается устойчивым перестройкам. Благодаря разработанной математической модели удалось воспроизвести узоры, наблюдаемые в экспериментах, а также переход от мицелл к активной пене.

Моделирование радиационной плазмы корон аккреционного потока черной дыры в жестком и мягком состояниях

Исследователи из Хельсинкского университета добились успеха в том, к чему стремились с 1970-х годов: объяснили рентгеновское излучение из окрестностей черной дыры. Излучение возникает из-за комбинированного эффекта хаотических движений магнитных полей и турбулентного плазменного газа. Используя детальное суперкомпьютерное моделирование, исследователи из Хельсинкского университета смоделировали взаимодействие между излучением , плазмой и магнитными полями вокруг черных дыр. Было обнаружено, что хаотические движения, или турбулентность, вызванные магнитными полями, нагревают локальную плазму и заставляют ее излучать. Исследование было опубликовано в Nature Communications. Моделирование, использованное в исследовании, является первой моделью физики плазмы, которая включает все важные квантовые взаимодействия между излучением и плазмой. Моделирование показало, что турбулентность вокруг черных дыр настолько сильна, что даже квантовые эффекты становятся важными для динамики плазмы. В моделируемой смеси электронно-позитронной плазмы и фотонов локальное рентгеновское излучение может превращаться в электроны и позитроны, которые затем могут аннигилировать обратно в излучение при соприкосновении.

Анализ собственных колебаний усеченных конических оболочек, частично заполненных жидкостью

Ученые Лаборатории функциональных материалов Института механики сплошных сред добились значительных успехов в понимании динамики жидких структур. Их исследование, опубликованное в Международном журнале динамики механических систем, изучает вибрационное поведение конических оболочек, закладывая основу для достижений в области инженерного проектирования и безопасности. В работе классическая теория оболочек и акустические приближения используются для анализа вибрационного поведения усеченных конических оболочек, частично заполненных идеальной сжимаемой жидкостью. Динамическое поведение этих структур моделируется с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений, решаемых с использованием обобщенного метода дифференциальных квадратур и метода ортогональной прогонки Годунова. Исследование определяет, как уровни жидкости и углы конуса влияют на собственные частоты оболочек при различных граничных условиях, включая конфигурации с простой опорой, жесткой заделкой и консольные конфигурации. Численный анализ показывает, что определенные конфигурации могут достигать более высоких собственных частот, чем эквивалентные цилиндрические оболочки.

Метод плавающего блока для квантового моделирования Монте-Карло

Квантовые системы многих тел — это атомные ядра, которые состоят из множества крошечных частиц, движущихся сложным образом. Из-за этого чрезвычайно сложно предсказать, как поведут себя системы при взаимодействии частиц. Для расчета атомных ядер, соответствующих двум разным гамильтонианам, и того, как они перекрываются, был использован особый квантовый подход Монте-Карло, называемый «методом плавающего блока». Метод позволяет использовать квантовое моделирование Монте-Карло для создания быстрых и точных эмуляторов квантовых систем. Он работает путем вычисления данных для нескольких различных значений конкретных параметров, которые определяют квантовую систему. Вычислительная эффективность метода на несколько порядков выше, чем у других подходов, причем вычислительное преимущество становится еще больше с увеличением размера системы.

Связанные состояния глубоких нейтронов в μeV в нанокристаллах

Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что нейтроны на самом деле можно заставить цепляться за частицы, называемые квантовыми точками, которые состоят из десятков тысяч атомных ядер, удерживаемых там только сильным взаимодействием. Работа была опубликована на этой неделе в журнале ACS Nano. Поскольку нейтрон не имеет заряда, взаимодействие происходит через короткодействующее сильное взаимодействие, которое эффективно на расстоянии 10 в минус 15 степени. Данная работа основана на теоретических расчетах и компьютерном моделировании. Для демонстрации сильного взаимодействия захвата нейтронов квантовой точкой с минимальным радиусом 13 нанометров была использована функция Грина.

Борьба моделей внутренней части струи в M87 и сопоставление морфологии струи с теорией

Моделирование внутренней части струи сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 показало, что модель «извлечения энергии вращения черной дыры» точно предсказала наблюдаемые струи, а модель «извлечения энергии вращения аккреционного диска» расходится с результатами наблюдений. Учёные применили крупномасштабные методы численного моделирования для решения уравнений общей релятивистской магнитогидродинамики и получили аккреционный поток вокруг черной дыры и струи. Анализ физического механизма магнитного пересоединения обнаружил, что излучающие электроны ускоряются за счет магнитного пересоединения в струях черных дыр, что вызвано «магнитными извержениями» в аккреционном диске.

Абсолютные уровни энергии жидкой воды из теории возмущений многих тел с эффективными вершинными поправками

Моделирование жидкой воды является особенно сложной задачей. В молекуле воды ключевую роль играют как тепловое движение, так и квантовая природа ядер атомов кислорода и водорода. Учёные точно определили электронные свойства воды, такие как ее потенциал ионизации, сродство к электрону и запрещенная зона. Физики доработали теорию с помощью «вершинных поправок»: модификаций теории возмущений многих тел, которые объясняют сложные взаимодействия между частицами за пределами простейших приближений. Вершинные поправки уточняют теорию, принимая во внимание, как эти взаимодействия влияют на энергетические уровни частиц, например, на их реакцию на внешние поля или на их собственную энергию, что приводит к более точным предсказаниям физических свойств в системе многих частиц.