博士ニートまとめ

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    カテゴリ:科学 > 物理

    1: しじみ ★ 2019/01/19(土) 15:27:30.22 ID:CAP_USER
     特に文系の人にとって、物理や化学は縁遠い世界。一見もっともらしい用語で説明されると、わからないまま信じてしまうこともあるだろう。そんな事例はいくつもある。ナショナル ジオグラフィックの別冊『科学の迷信 世界を惑わせた思い込みの真相』から物理と化学に関する迷信を紹介する。

    ■一酸化二水素は危険?

     1980年代初頭。ミシガン州デュランドに拠点を置く「デュランド・エクスプレス」紙は、都市の水道に化学物質「一酸化二水素(DHMO)」が入っていると報じた。その物質は「皮膚に激しい水ぶくれを引き起こす蒸気」を生成するという。カリフォルニア大学の学生たちはこれに便乗し、「一酸化二水素禁止連合」を創設。さらに、この運動に刺激を受けたアイダホ州の中学生ネイサン・ゾナーが、DHMO禁止を求める請願書を高校の新入生たちに回覧した。

     研究者は、DHMOを癌性腫瘍や酸性雨の中で検知したという。DHMOは温室効果や熱帯低気圧、土壌侵食を引き起こす。だが、既得権益を持つ人たちがDHMOの規制を妨げてきた。工業溶剤として使われるDHMOなしには、動物実験や原子力発電は不可能だからだ。この観点から、議会が行動を起こしたがらないのも驚くことではない。その結果、人々が知らないうちに一酸化二水素を摂取している──。噂の全容はこのようなものだ。

     だが、よく考えてみてほしい。一酸化二水素とは「H2O」、すなわち「水」のことだ。デュランド・エクスプレスが「一酸化二水素」の記事を報じたのは1983年4月1日、エイプリルフールの嘘だったのだ。

     この嘘は、チェーンメールで広がり、科学教室でも話題になり、時に無知な議員を引っかけ、何も知らない市民団体をぎょっとさせた。2004年には、ある弁護士補佐官がカリフォルニア州の都市アリソ・ビエホの市職員に対して、DHMOがポリスチレン製のカップの主要成分なので禁止するよう、説得しかけたことさえあった。

    ■塩を入れると早く沸騰する?

     料理をするとき、鍋に入れた水を沸騰させることはよくあるだろう。そこでおばあちゃんの知恵袋のように語られるのが、「塩をひとつまみ入れると早く沸騰する」という豆知識。しかし、家庭で信じられていたこの説は、実は逆効果なのだ。

     そもそも沸騰とは、液体から気体への変化が、温度の上昇により内部からも激しく起こる現象である。水を火にかけると、水の分子が衝突してエネルギーを互いにやり取りし、水粒子が蒸発して表面から脱出する。水の温度が上がるにつれて分子の衝突は次第に激しくなり、やがて水は液体の状態を保てなくなって内部から気化し始める。この現象が起きる温度が「沸点」だ。実は、塩は水の沸点を下げるどころか、逆にわずかに上昇させる。

     液体によって沸点は異なり、水の沸点は100℃。1ガロン(3.7リットル)の水にティースプーン4杯の塩を加えると、沸点は100.4℃に上昇する。つまり、ほんのわずかな違いではあるが、100℃まで熱すればいいはずの水を、塩を加えることによって0.4℃余計に熱しなければいけなくなるのだ。

     だからといって、私たちは塩を加える習慣をやめる必要はない。塩ゆでした野菜はより色鮮やかになり、塩気のあるパスタはよりおいしくなるからだ。

    ■磁極が一つしかない星がある?

     1931年、理論物理学者ポール・ディラックが、磁極が一つしかない孤立した磁石(S極のないN極のみの磁石、またはその逆)が存在する可能性を初めて指摘した。その後、物理学者たちは、そうしたいわゆる「モノポール」が自然発生した実例がないか調査した。

     1982年、カリフォルニア州スタンフォード大学の研究者は、研究室で単独実験中にモノポールを検出したと発表した。だが、誰もその発見を再現できなかった。月の岩石や古代の鉱物など、自然界に存在する物質についてのすべての実験からは、そのようなものはまだ見つかっていない。

     棒磁石を半分に分割すると、論理的にはそれぞれ一つずつの極を持つように思える。しかし実際には、分割した棒磁石はそれぞれN極とS極を持っている。

    続きはソースで 
    ナショナルジオグラフィック日本版サイト
    https://natgeo.nikkeibp.co.jp/atcl/web/18/112100019/112200003/
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    1: しじみ ★ 2018/12/18(火) 15:37:51.84 ID:CAP_USER
    ■動画
    Magnetic Pogo Stick? https://youtu.be/9261h0LKIJY



    強力なネオジム磁石などを販売しているK&J Magnetics, Incのチームは、ユーザーから「磁石の反発力を利用してバネの替わりにすることができるのか?」という問い合わせを受けていたとのこと。そこで開発チームは、実際にホッピングのバネを分析して「ホッピングのバネを磁石に置き換えることはできるのか?」という実験を行いました。

    Magnetic Pogo Stick
    https://www.kjmagnetics.com/blog.asp?p=pogo-stick-spring
    no title


    チームは古いホッピングを使ってさまざまな検証を行ったそうで、その様子をまとめたムービーがYouTubeで公開されています。
    1本足でピョンピョンとジャンプするホッピングには、衝撃を吸収してジャンプするためのバネが付いています。検証チームはホッピングに物差しを取り付け、体重150ポンド(約68kg)の成人男性がホッピングを使用した時にどれほどバネが圧縮されるのかを測ったとのこと。まずは成人男性が全体重をホッピングに預けたところ、バネはおよそ2インチ(約5cm)ほど縮みました。

    残念ながら、「実物大のホッピングのバネを磁石に置き換えようとした場合、かなり強力な磁石を大量に使用しなければならず危険」という判断のもと、今回は8分の1スケールのミニチュアホッピングを使用することにしました。

    バネを磁石に置き換えられるかどうかを調べるために、まずは「バネにかかる力はバネの伸びる距離または縮む距離に比例する」というフックの法則を理解する必要があります。今回検証チームが使用したバネの「ばね定数」は1インチ(約2.5cm)あたり8ポンド(約3.6kg)。つまり、バネを2インチ縮めた時にバネへかけられた力は2×8=16ポンド(約7.2kg)となり、バネを0.5インチ(約1.3cm)縮めた時にかかった力は0.5×8=4ポンド(約1.8kg)となります。
    no title


    また、ホッピングの場合は最初の段階でバネが少し縮んでいます。それを再現するため、検証チームはもともと約2.9インチ(約7.4cm)のバネを長さ2.4インチ(約6cm)に縮めた状態で、ミニチュアホッピングにセットしたとのこと。

    これによりホッピング自体に力が加えられる前から、バネにはある程度の力が加えられた状態になります。グラフにするとこんな感じ。
    no title


    ミニチュアホッピングのバネを磁石に置き換えられるのかどうかを調べるため、チームはRC44という直径0.75インチ(約1.9cm)のリング状ネオジム磁石2個を、磁石同士が反発するようにしてミニチュアホッピングにセットしました。
    その結果、ミニチュアホッピングが縮んだ距離と加えた力の関係をグラフに表したのがコレ。赤い線がバネ、青い線が磁石を表しています。磁石はホッピングを押し込んでもほとんど抵抗せず、およそ1.5インチ(約3.8cm)ほど押し込んでからようやく強く反発し始めました。バネは加えた力と縮んだ距離が直線的なグラフを描くのに対し、磁石では非常に急なカーブを描いています。
    no title


    (中略)
    最後に、磁石を6個に増やしてみました。ホッピングの構造上、これ以上の磁石を入れることは非常に難しくなります。

    すると、ようやく一部分ですがバネよりも強い反発力を持つゾーンが現れました。
    no title


    以上の実験から、力に対するバネと磁石の挙動は大きな違いがあるため、バネの持つ反発力を磁石の持つ反発力に置き換えることは難しいと考えられます。もちろん用途にもよりますが、少なくともホッピングのバネを磁石で代替しようとする試みは、うまくいかないだろうと検証チームは結論づけました。

    GIGAZINE
    https://gigazine.net/news/20181218-magnetic-pogo-stick/
    【【力学/物理学】〈フックの法則〉「ホッピングのバネ」を磁石の反発力に置き換えることは可能なのか?を検証】の続きを読む

    1: しじみ ★ 2018/09/15(土) 13:26:17.03 ID:CAP_USER
    京都大学、茨城大学らの研究グループは、本来電子を流さない絶縁体であるイッテルビウム12ホウ化物において、強磁場中で電気抵抗と磁化率が磁場とともに振動する現象(量子振動)を初めて観測した。量子振動は通常、電気を流す金属でしか観測されない現象であり、このことはイッテルビウム12ホウ化物において金属とも絶縁体とも言えない前例のない電子状態が実現している可能性を示す。

     「金属とは何か」という問いに対する最もシンプルで正確な答えは、「フェルミ面を持つ物質」である。フェルミ面とは、電子の示すフェルミ統計に従って運動量ベクトル空間のエネルギーの低い状態から全部の電子をつめたときに、電子で占められた状態と占められない状態の境をなす曲面をいう。

     フェルミ面の存在を示す最も直接的なものとして、強磁場中で電気抵抗や磁化が外部磁場変化に伴って周期運動する「量子振動」がある。量子振動が観測されることは、フェルミ面の存在を示し、すなわち金属状態が実現していることを意味するというのが、これまで知られていた物理学の常識だった。

     ところが最近、近藤絶縁体と呼ばれる物質のひとつであるサマリウム6ホウ化物において、絶縁体であるにも関わらず磁化の量子運動が観測され、大きな注目を集めた。そこで本研究グループは、別の近藤絶縁体であるイッテルビウム12ホウ化物の研究を行った。

     結果、米国立強磁場研究所で行われた高感度磁化測定および精密電気抵抗測定において、磁化だけでなく電気抵抗における量子振動を観測した。このような「絶縁体の量子振動」の観測は前例がなく、従来の常識を覆す結果だ。

     本研究を契機に、絶縁体における新展開が期待されるとしている。

    論文情報:【Science】Quantum Oscillations of Electrical Resistivity in an Insulator
    http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/29/science.aap9607

    https://univ-journal.jp/22611/
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    1: しゅわっち'92 ★ 2018/09/10(月) 21:53:23.97 ID:CAP_USER
    西川迅、写真は上田潤2018年9月10日21時41分

     東京大宇宙線研究所は9日、素粒子ニュートリノの観測施設「スーパーカミオカンデ」(岐阜県飛驒市)の巨大水槽内部を報道陣に公開した。
    改修工事のため12年ぶりに水槽内の純水5万トンがすべて抜かれ、壁面にびっしりと並んだ光センサーが現れた。

     スーパーカミオカンデは旧神岡鉱山の地下にあり、水槽の直径・高さは約40メートル。超新星爆発で放出されたニュートリノの検出を目指し、
    感度を上げるための改修や故障した光センサーの交換などを進めている。10月中旬までに改修作業を終え、来年1月に観測を再開する。(西川迅、写真は上田潤)
    https://www.asahi.com/amp/articles/ASL9B4KC0L9BOIPE00S.html
    【【ニュートリノ観測施設】 スーパーカミオカンデの水ぜんぶ抜いた 12年ぶり公開】の続きを読む

    1: しじみ ★ 2018/08/29(水) 13:10:06.85 ID:CAP_USER
    【8月29日 AFP】
    物理学者チームは28日、物質に質量を与えるとされる素粒子「ヒッグス粒子(Higgs boson)」が、「ボトムクォーク」と呼ばれる素粒子へと崩壊する現象の観測に初めて成功したと発表した。ヒッグス粒子の存在を突き止めてから6年、ようやくその努力が報われた形だ。

     欧州合同原子核研究機構(CERN)の発表によると、理論的に予測されていたこの崩壊は、スイスにある世界最大の粒子加速器「大型ハドロン衝突型加速器(LHC)」で観測されたという。LHCはノーベル賞受賞につながった2012年のヒッグス粒子発見で知られる。

     CERNのATLAS国際共同研究チームは、今回LHCで実証された「観測が非常に困難な相互作用」について、「LHCの初期の準備段階では、このような観測を成し遂げることは難しいだろうとの考えがあった」と述べている。

     ヒッグス粒子自体が見つけるのが難しい上、他の粒子もボトムクォークに崩壊するため、これまでその崩壊がヒッグス粒子のものであることを明確に突き止めることは困難だった。

     長年待ち望まれていた今回の観測結果は、物理学の「標準模型(Standard Model)」理論のさらなる裏付けとなると、研究者らは指摘する。標準模型は、宇宙を構成する基本粒子とそれらを支配する力に関する主流の理論となっている。

     1970年代初めに確立された標準模型の下では、クォークとレプトンが物質の最も基本的な構成単位とされている。

     ボトムクォークは6種類存在するクォークのうちで最も重いもののうちの一つだ。標準模型では、ヒッグス粒子の崩壊は約60%の確率でボトムクォーク対を生成すると予測されていた。

     ATLASチームは今回の研究について、このボトムクォーク対を見つけることは「チームがこまれでに実行した中で最も骨の折れる分析作業の一つ」だったと述べている。

    ■新しい物理学?

     ヒッグスやその他の素粒子の性質と仕組みを調べている科学者らは、標準模型の予測から外れる現象が起きないかと常に目を光らせている。

     その理由は、標準模型がダークマターやダークエネルギーを説明できないことと、重力の理論と整合性がないとみられるからだ。

     これらを説明するには、何らかの別の「新しい物理学」のモデルが必要になる。

     標準模型の代替理論として提唱されているものとしては、余剰次元の存在を前提とする理論や、標準模型で知られているすべての粒子に同質量の「きょうだい」が存在すると仮定する「超対称性」などがある。

     だが、どちらの理論も、裏付けとなる証拠はまだ見つかっていない。

     ATLASチームとともにLHCの実験プロジェクトに取り組んでいるCMSチームは、最新の観測結果もまた標準模型と「一致する」としている。だが、「新しい物理学が寄与する余地がまだ残されている」という。

    「標準模型を超える物理学の存在が、ヒッグス粒子によって明らかになるかどうかを確かめるわれわれの研究をめぐっては、今後数年以内にさらに多くのデータが収集され、実験精度が向上するに違いない」とCMSは指摘している。(c)AFP

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    AFP
    http://www.afpbb.com/articles/-/3187660


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    1: しじみ ★ 2018/08/08(水) 15:55:34.66 ID:CAP_USER
    白石誠司 工学研究科教授、セルゲイ・ドゥシェンコ 同博士研究員(研究当時、現:米国標準化研究所及びメリーランド大学研究員)、外園将也 同修士課程学生らの研究グループは中村浩次 三重大学准教授と共同で、金属である白金を極めて薄い膜(超薄膜)にしたとき、シリコンなどの半導体で実現されるトランジスタ特性(材料の抵抗を外部電圧で制御する特性)が現れること、さらにそれに伴って白金がスピンを電流に変換する「スピン軌道相互作用」という機能を大幅に変調・制御ことができることを世界で初めて発見しました。

     固体物理学における常識を覆す発見であり、特にエレクトロニクスやスピントロニクス分野の新しい発展に繋がる成果です。

     本研究成果は、2018年8月7日に英国の国際学術誌「Nature Communications」にオンライン掲載されました。

    ■概要
     今日の情報社会の隆盛をもたらしたトランジスタは、半導体(現在は一般的にシリコンが用いられる)中のキャリア(電子または正孔)をゲート電圧で誘起することで、抵抗の大きさを制御し、情報のオンとオフを操作します。

     しかし、金属は一般的にキャリアの数が非常に多いために、ゲート電圧によってキャリアを誘起しても、抵抗を変えることは困難でした。

     本研究グループは、まず2ナノメートルという極めて薄い白金(Pt)の膜(超薄膜)を、磁性絶縁体であるイットリウム鉄ガーネット(YIG)の上に作製しました。そして、このPt超薄膜の上にイオン液体をのせて強いゲート電圧をかけたところ、上記のような半導体で実現されるトランジスタ特性が現れることを発見しました。

     さらに、基盤であるYIGからスピン流(*)をPt超薄膜に注入したところ、Ptがスピンを電流に変換する「スピン軌道相互作用」という機能を大幅に変調・制御することができることも見出しました。

     これは従来の「金属材料を使ってトランジスタを作ることはできない」という理解と「スピン軌道相互作用は材料固有である」という固体物理学における理解を共に覆す発見であり、特にエレクトロニクスやスピントロニクス分野の新しい発展に繋がる画期的成果です。

    *スピン流・・・電子の2つの自由度である電荷自由度とスピン自由度のうち、後者のみの流れのこと。スピン自由度のみを制御できれば、実際には電流は流れないため、例えば情報伝搬において究極の省エネとなる。

    ■今回の研究で用いた素子の構造図と実験の概念図
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    白金の極めて薄い膜(超薄膜:厚さ2ナノメートル)をイットリウム鉄ガーネット(YIG)基板の上に作成し、そこにイオン液体を用いたゲート電極を搭載し強い電圧をかけると、白金に電子が多数注入されるため、白金の電気抵抗が変化する。

    ■研究者からのコメント

    Dushenko博士とのフランクな議論の中で、まるで天から降ってきたように湧いたアイディアを形にでき、大変幸せです。研究の本質とは「セレンディピティ」である、とはよく言われる言葉ですし、発想の転換の重要性を意味する「コロンブスの卵」も研究者には重要な言葉です。正にその「セレンディピティ」と「コロンブスの卵」の結晶が今回の結果です。これからも好奇心と奇抜でも確固たる発想を大事にして研究を続けていきたいと思っています。

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    京都大学
    http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2018/180807_1.html
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