角动量扭矩研究毕业论文简书

在冬天的时候，我们可以打雪仗堆雪人，夏天可以去游泳，这是我的最爱，但是这一切可能都要归功于我们的月球。

地球自转轴（地轴）的倾斜导致我们气候的年度季节性变化，其方向的微小变化有助于冰河时代的进退。

地球旋转轴与其轨道平面的垂线所形成的角度现在是度，但这足以带来夏季和冬季，因为根据米兰科维奇理论气候和日照的变化有关。

地球倾角的变化大小在±度，平均值为度，如果不是稳定的倾斜，可能会导致极冷或者极热现象。

那么问题来了，月球是如何做到的，它是如何稳定地轴的呢？

要理解月球绕地球轨道与地球旋转轴稳定性之间的关系，一个比较常用，也很好理解的方法是考虑角动量。

地球本身绕轴自转，有一定的角动量，具体多大取决于地球的质量、半径(平方)和角速度的组合。

简单的理解就是，它旋转得越快，角动量就越大，它的质量越大，或者半径越大，它的角动量就越大。

而一个物体的角动量越大，就越难改变它的旋转，无论是它旋转的速度，还是它旋转轴的方向。

因此，如果地球是单独旋转的，它将只需要一定数量的扰动影响来改变其旋转轴的方向。

但地球并不孤单，因为引力作用它让月球绕着自己旋转，这就给地月系统增加了角动量。

尽管月球不算大(质量约少地球100倍),也不是绕地球旋转速度非常快(因此一个较小的角速度),但它有一个大的轨道(约384000公里)。

总的来说，各种因素结合在一起，导致月球的轨道角动量与地球的旋转角动量具拥有相同量级。

换句话说，拥有一个大月亮意味着地月系统的角动量大约是地球单独时的两倍。这就意味着要改变地球的旋转特性要比地球单独存在时困难得多。

如果还有不明白，想象一下一个旋转的陀螺，它旋转得越快（因此角动量越大），它就越稳定。

地月系统也是如此：如果没有月球，地球自身的角动量将足以受引力扰动，从长远来看会对其旋转轴产生显著的扰动。

​就像旋转的陀螺一样，如果它旋转不太快，一个小的扰动将都是很明显的，旋转顶轴将开始越来越振荡。

科学家们通过整合地球的进动方程，研究了所有可能影响初始倾角值下地球方向的稳定性。

他们发现了一个巨大的混沌区，其倾角从60度扩展到90度，由于月球的存在，地球避开了这一混沌地带，其倾角基本上稳定。

但如果月球不存在，施加在地球上的扭矩还会更小，而混沌区就会从接近从0度扩展到大约85度。

因此，如果地球没有获得月球，地球的气候将会剧烈变化。从这个意义上说，月球是地球潜在的气候调节器。

从人造自旋冰(ASI)上散射的x射线光子获得了轨道角动量。x射线束可以随温度和磁场的变化而开关。插图:实验x射线衍射图。 人工自旋冰(ASIs)是一种具有奇异性质的磁性超材料，其性质取决于其几何形状。在过去的几年中，许多物理学家研究了这些材料，因为它们独特的特性可能有利于一些应用。 美国肯塔基大学、阿贡国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室和其他研究机构的研究人员最近介绍了一种在ASI磁系统中实现可切换x射线轨道角动量(OAM)的方法。他们的方法发表在《物理评论快报》上，可以为研究磁性系统、铁电性、手性系统和纳米结构的新研究铺平道路。 “我对携带轨道角动量(OAM)的光子这个主题非常感兴趣，”开展这项研究的研究人员之一苏乔伊·罗伊(Sujoy Roy)告诉。“在可见光领域，人们已经在这一领域做了很多工作，但在x射线方面的报道有限。所以，我们开始研究它，我们是第一个成功产生携带软x射线束的OAM。” 罗伊和他的同事在之前发表在《自然·光子学》上的一篇论文中指出，通过制造一种带有叉位错的特殊光栅，他们可以成功地产生携带oam的软x射线光束。随后，当他们在研究二维正方形的ASIs时，他们开始研究在材料的正方形晶格有分叉缺陷的情况下OAM光束的产生。 “这特别有趣，因为我们的晶格具有磁性;因此它以低于定序温度的反铁磁性排列。”罗伊说。“现在的问题是，如果我们引入一个叉，反铁磁会发生什么?样本还会进入反铁磁状态吗?经过一系列的讨论和头脑风暴后，我们得出的结论是，通过插入双位错，样品仍然能够进入反铁磁状态。” ASIs是由纳米磁铁组成的图形阵列，它们与水冰有一些共同的特性。ASIs经常会“受挫”，这本质上意味着包含在它们内部的磁铁不能以将相互作用中涉及的能量最小化的方式与它们的邻居对齐。正如莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)在1935年观察到的，水冰中的氢原子通常以类似的方式排列。 大约十年前，物理学家们发现，最初由宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组研究的方形ASIs实际上并没有“受挫”，而是进入了一个有序的反铁磁基态。2006年Möller和Moessner首次预测到这一点，2011年利兹大学的Christopher Marrows和他的同事通过实验证明了这一点。当它们处于反铁磁基态时，晶格中的磁铁以这样一种方式相互抵消，因此ASI没有净磁化。 “我们与肯塔基大学的兰斯·德隆教授合作，在人造自旋冰(ASIs)领域工作了一段时间，”另一位参与了这项最新研究的研究员托德·黑斯廷斯(Todd Hastings)告诉。马里兰大学的John Cumings领导的另一个研究小组显示，在正方形ASI中引入叉位错(拓扑电荷1)会重新引入挫败感，并阻止单一反铁磁基态的形成。我们的团队认识到，引入双叉位错(拓扑电荷2)可能会允许反铁磁基态发生重组。” 在Roy, Hastings和他们的同事研究的ASI中，结构中的拓扑电荷(即分叉缺陷的数量)为2，而反铁磁的拓扑电荷为1，导致一个系统中有两个不同的拓扑电荷。除了 探索 挫折的引入和消除如何改变正方形ASI系统中单个缺陷的电荷外，研究人员还观察了x射线如何从这些结构散射。 黑斯廷斯解释说:“有一段时间，我们一直在思考如何用OAM来制造可以开关的x射线束。”“携带光的OAM可以使小物体绕光束中心旋转，并使各种应用成为可能，如量子密码学、光镊和电信。虽然x射线OAM并不常见，但它可以由带有叉形缺陷的结构衍射产生。因此我们假设，从带有叉形缺陷的方型ASIs散射的x射线也会携带OAM。” 苏黎世联邦理工学院的劳拉·海德曼和保罗·谢勒研究所领导的一个研究小组表明，通过对平方的ASIs施加外部磁场，它们可以被置于铁磁状态，在这种状态下所有纳米磁铁都朝向相同的方向。受之前工作的启发，Roy和Hastings假设一个外加磁场也可以关闭磁性散射的OAM束，当系统回到基态时，这些束会重新打开。 黑斯廷斯说:“有了这个系统，整个系统就可以产生具有不同轨道角动量的x射线束，在这个系统中，磁性散射束可以开启和关闭。” x射线对物质的密度很敏感，但对磁矩不太敏感。为了获得对磁信号敏感的x射线，研究人员采用了一种称为共振x射线磁散射(RXMS)的技术，该技术使用了一种相干光束(即具有明确振幅和相位的光束)。通过将入射光束的能量调整到元件的吸收边缘，这种技术使他们能够获得更高的磁灵敏度。 图2:(a)双位错波莫合金方形人造自旋冰的扫描电子显微图(电荷2的拓扑缺陷)。(b) XMCD-PEEM显微图揭示了反铁磁基态顺序。明亮的区域沿x射线束被磁化，暗的区域在射线束的对面被磁化。蓝色的盒子描绘了一个伯格斯电路。 “在我们的案例中，我们调谐到铁的L3边缘，这是707 eV(作为参考，Cu K alpha辐射是8 keV)，然后我们使用相干x射线束衍射，”罗伊解释说。“由于光束的相干性，衍射光束的相位具有相干性，因此整个出射光束获得螺旋相位锋，从而产生OAM。” 当研究人员使用RXMS技术进行衍射实验时，他们可以在满足布拉格条件的特定角度观察到强峰，在布拉格条件下，散射的x射线相互干扰。由于反铁磁体的晶格间距是结构晶格的两倍，反铁磁峰一般出现在不同的位置。这种位置上的差异有助于研究人员区分电荷峰和磁衍射峰。 罗伊说:“当我们在分叉的二维阵列上衍射时，我们得到了结构布拉格峰和磁性布拉格峰的OAM光束。”“然而，由于两种不同的拓扑电荷，我们在结构和磁布拉格峰中看到了不同的OAM含量。此外，由于我们可以通过应用场控制人造自旋冰，这意味着我们将能够控制束流中OAM的含量。” 罗伊、黑斯廷斯和他们的同事使用的ASIs中的纳米磁铁是由波莫合金制成的，波莫合金是一种镍和铁的合金。为了创建他们所检测的系统，研究人员使用一种叫做电子束光刻的技术，在硅片上的聚合物上写了一个图案。 黑斯廷斯说:“我们的样品在真空中通过蒸发材料(电子束蒸发)使其沉积在图案上，然后涂上一层坡莫合金。”“随后，我们移除了聚合物和位于非图形区域上的坡马合金(所谓的剥离过程)。每个纳米磁铁有470纳米长，170纳米宽，只有3纳米厚。一根人类头发的直径约为10万纳米，所以如果你把这些磁体竖立起来，大约1500万个磁体可以安装在一根头发上。” 当x射线束以适当的角度衍射，当射线束被调谐到铁的L3磁性边缘时，研究人员发现他们检测的ASI系统进入了反铁磁基态。随后，他们利用x射线磁性圆二色性光电发射电子显微镜(XMCD-PEEM)技术，直接成像系统中纳米磁体的磁化情况，证实了这种状态的存在。利用这种技术，他们用x射线照亮ASI，并在电子显微镜中捕获纳米磁铁发出的电子。 哈斯廷斯说:“在x射线散射实验中，我们将样品加热到大约100 C，以表明当ASI从反铁磁顺序切换到顺磁状态时，磁散射光束可以随着温度的变化而关闭。”“有趣的是，坡马合金本身直到大约600 C才变成顺磁性，所以ASI是在模仿顺磁性，而坡马合金仍然是铁磁性的。” 研究人员还在他们所检测的ASI上施加了一个磁场，以使其所有的磁铁指向同一个方向。纳米磁铁在内部改变其磁化方向，而不是在外磁场中旋转。研究人员发现，一旦ASI不再处于反铁磁基态，磁散射x射线OAM束就消失了。 罗伊说:“到目前为止，在x射线系统中产生OAM束是一项艰巨的任务。”“现在我们可以产生这些光束，也有办法控制它们，这开辟了新的可能性。例如，这些光束可以用于研究磁系统中的拓扑自旋结构、铁电系统中的极涡、手性系统和纳米结构。” 罗伊、黑斯廷斯和他们的同事设计的从ASIs生成可切换x射线OAM的方法可能有许多有趣的应用。除了为检验各种材料的新研究提供信息外，它还可能为x射线在量子信息科学中的应用开辟新的可能性。此外，利用这个研究小组所采用的方法，物理学家可以确定其他可以用来产生定制x射线束的材料。 “产生可控x射线OAM的能力为研究其他材料提供了一个令人兴奋的新工具，”Hastings说。“我们的研究还提供了一些关于人工自旋冰在所谓拓扑缺陷存在下表现的见解。也就是说，现在我们知道了缺陷自由平方ASIs是不挫败和有序反铁磁，缺陷拓扑电荷为1引入挫败，缺陷拓扑电荷为2消除挫败。 罗伊、黑斯廷斯和他们的合作者现在正试图确定在他们的实验中产生的光束是否对其他材料的特定特性敏感。如果是这样的话，他们的发现可以为 探索 不同材料系统的研究创造新的途径和视野。 黑斯廷斯说:“除了应用x射线OAM束来研究其他材料，我们还在研究更复杂的能够产生不同OAM束的ASIs， 探索 切换OAM的新方法，并试图更详细地了解拓扑缺陷如何影响ASIs的行为。”

建议你把太阳系中每种星体形成过程写一下，从星云开始写，然后是物质开始聚集，内部发生聚变，初始太阳系形成，行星开始形成，太阳系冷却。只是告诉你一下思路望采纳