Главная » Хабрахабр » Физические итоги года

Физические итоги года

Год выдался интересным по всем фронтам – и фундаментальными открытиями, и техническими достижениями. Новогодние праздники подходят к концу, а значит самое время подвести итоги года вместе с Американским физическим сообществом.

Суть проста: берется лист графена, на него кладется еще один лист, повернутый под небольшим углом. Пожалуй, главным открытием года стала сверхпроводимость двухслойного графена. 1º структура становится сверхпроводящей при температуре около 1 К. При «магическом» значении угла около 1. Это слишком низкая температура для каких-либо практических применений, и мякотка открытия совершенно в другом: оказалось, что сверхпроводящий двуслойный графен ведет себя точно так же, как и высокотемпературные сверхпроводники.

Смоделировать такое вещество чтобы понять, что же в нем происходит – задача почти неподъемная. Тут стоит напомнить, что природа высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор непонятна, а наблюдалась она только в сложных кристаллах типа YBaCuO. А еще с графеном гораздо удобнее работать – его можно помещать в магнитные/электрические поля, поворачивать на разные углы, все это не раз делалось и хорошо изучено, поэтому есть, с чем сравнивать. Поэтому тот факт, что несравненно более простой графен может пролить свет на полувековую загадку природы – это более чем приятный сюрприз.

Это создает периодическую сверхрешетку, которая влияет на энергетические зоны графена и приводит к сверхпроводимости при «магическом» угле. Четкого понимания происходящего пока нет, но основная идея понятна: наложение двух листов графена образует сложный узор, который повторяется на расстоянии в десятки атомов (желтые линии на картинке). Работу с двуслойными материалами уже подхватили десятки научных групп по всему миру, и по всей видимости, в ближайшие годы нас ждут действительно интересные результаты.

На сегодня нам известны три типа нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино). Нейтрино – это сверхлегкие элементарные частицы, которые часто появляются при ядерных реакциях. А еще они могут на лету «превращаться» из одного типа в другой – этот чудесный эффект называется нейтринные осцилляции (на Хабре был хороший обзор), а его открытие было отмечено Нобелевской премией 2015 года.

В эксперименте MiniBooNE генерировались мюонные нейтрино и исследовалось их превращение в электронные. На этот раз интересные новости пришли из Фермилаба. Одним из простейших объяснений является существование четвертого типа нейтрино – так называемых стерильных нейтрино. Оказалось, что нейтринные осцилляции случались гораздо чаще, чем предполагалось. В отличие от остальных типов, стерильные нейтрино взаимодействуют с окружающей материей только через гравитацию (поэтому их почти невозможно детекторовать напрямую), зато могут влиять на частоту нейтринных осцилляций.

Сейчас планируются уточняющие эксперименты (MicroBooNE в Фермилабе, DANSS на Калининской АЭС), а вопрос со стерильными нейтрино пока что остается открытым. В принципе, подобные теории известны давно; однако введение нового типа нейтрино довольно сильно меняет Стандартную модель элементарных частиц.

Долгое время основным кандидатом на роль темной материи являлись вимпы – неизвестные массивные элементарные частицы, взаимодействующие с окружающим миром только через гравитацию (как, например, вышеупомянутые стерильные нейтрино). Как мы знаем, значительная часть Вселенной состоит из темной материи – невидимого вещества непонятной природы, которое составляет основную массу галактик. Для их поиска было построено много разных детекторов, но ни один из них так и не принес положительных результатов, поэтому сейчас интерес плавно смещается в сторону других возможных объяснений.

Например, первичные черные дыры массой от 10-8 до 10 масс Солнца могли образоваться еще на заре Вселенной, до появления атомов. Наиболее простой альтернативой, выдвинутой еще полвека назад Хокингом, были бы черные дыры – они как раз массивны и невидимы. Если такие объекты существуют, то время от времени мы должны наблюдать, как они проходят по видимым дискам звезд, искажая их форму и яркость за счет гравитационного линзирования.

Безуспешно. В одной из работ прошлого года авторы искали подобные искажения наблюдаемых сверхновых типа 1а. 01 массы Солнца явно недостаточно для объяснения всей наблюдаемой темной материи. Это означает, что первичных черных дыр массой свыше 0. Впрочем, какую-то ее часть они составлять могут.

Оказалось, что на некоторых из ранних стадий Вселенной водород был гораздо холоднее, чем предсказывают модели. Другой интересный результат принесло изучение поглощения межзвеждного водорода. Света на ее природу это не проливает, но скорее свидетельствует против гипотезы с черными дырами. Наиболее логичным объяснением этого было бы охлаждение межзвездного газа за счет взаимодействия с частицами темной материи. Короче говоря, пока что поиски темной материи остаются классической научной загадкой: ничего не понятно, но жутко любопытно.

Задача была не из простых, еще сложнее оказалось проверить, правильно ли мы понимаем его роль в Стандартной модели и особенности взаимодействия с другими элементарными частицами. Про открытие бозона Хиггса в 2012 году слышали все. Собственно, ушедший год отметился аж двумя результатами по этой теме. Согласно теории, сила взаимодейстия с фермионами растет с ростом массы последних, поэтому проще всего наблюдать взаимодействие с самыми тяжелыми из них.

Путь к этому был тернист, одно время казалось, что ttH-процесс более вероятен, чем предсказывалось (хороший обзор), однако результаты 2018 года показывают, что все находится в полном согласии со Стандартной моделью. Во-первых, коллаборации ATLAS и CMS из CERN продемонстрировали рождение бозона Хиггса вместе с парой из топ-кварка и топ-антикварка (так называемый ttH-процесс).

Здесь принцип тот же: чем тяжелее продукты распада, тем он вероятнее. Второй результат от тех же коллабораций – распад бозона Хиггса на кварк и антикварк. Проблем добавляло то, что на такие же кварк-антикварковые пары любят распадаться сталкиваемые в коллайдере протоны, поэтому пришлось подбирать хитрые экспериментальные условия, при которых шум от столкновения протонов оказывался минимален. Однако для распада на самые тяжелые топ-кварк и топ-антикварк у бозона Хиггса не хватает энергии, поэтому наиболее вероятен (58%) распад на b-кварк и b-антикварк. И вновь результат совпал с предсказаниями Стандартной модели – так что по-видимому новой физики в этой области ожидать не приходится.

За это время он успешно проложил дорогу к спутниковому квантовому интернету, продемонстрировав квантовое распределение ключа между Пекином и Веной. Пару лет назад я рассказывал про запуск китайского квантового спутника Micius. Ключ генерируется во время пролета спутника над наземной станцией, битрейт составляет 3–9 кб/с, что за один пролет дает ключ длиной от 50 до 100 килобайт.

Как вы помните, первым сообщением, переданным по радио, было отбитое морзянкой имя «Генрих Герц». Демонстрация квантового интернета получилась не менее красивой. Продолжая традицию, первыми сообщениями в спутниковом квантовом интернете стали фотографии китайского философа Мо-Цзы (в честь него назван спутник) и Эдвина Шредингера (который жил в Вене).

Видео шифровалось алгоритмом AES, 128-битный ключ которого менялся каждую секунду. Следующей демонстрацией стало шифрование видеоконференции между академиями наук Китая и Австрии. В итоге на видеоконференцию длительностью 75 минут было использовано всего 72 килобайта секретного ключа.

Он будет генерировать запутанные фотоны на длине волны 1550 нм, где засветка от Солнца будет чуть меньше, а пропускание атмосферы – чуть выше, чем на нынешних 850 нм. В недалеком будущем дело Micius’а продолжит новый спутник. Пока что все идет как нельзя лучше, остается только пожелать создателям попутного ветра. Вместе с новыми наземными детекторами (их уже успешно тестировали) это позволит принимать сигнал со спутника не только ночью, но и днем; а запуск на более высокую орбиту увеличит время видимости спутника.

Вместе с ним изменятся определения градуса Кельвина (который привяжут к постоянной Больцмана), ампера (его выразят через заряд электрона) и моля (в котором будет ровно 6,02214076 х 1023 атомов). Эталон килограмма – тот самый платиново-иридиевый цилиндр из Палаты мер и весов – сложит свои полномочия 20 мая 2019 года. Таким образом, с этого момента все величины системы СИ будут определяться через фундаментальные физические константы.

Например, один метр – это ровно столько, сколько свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Новая система единиц СИ прекрасна тем, что мы больше не измеряем физические величины в удобных нам единицах, а наоборот, привязываем единицы к физическим сущностям, одинаковым во всем мире. В свою очередь, секунда задается через два энергетических уровня в атоме цезия, расстояние между которыми в точности равно 9 192 631 770 Гц. Число 299 792 458 – точное, так как задали его мы сами. Таким образом, метрология из поклонения эталонам превращается в рецепт: атомы цезия, скорость света и постоянная Планка везде одинаковы, и если вас внезапно занесет на Марс, то вы сможете восстановить всю систему единиц.

Другое дело – видео, да еще какое! Фотографией с электронного микроскопа с атомарным разрешением уже никого не удивишь. Группа из Парижа удалось заснять, как из перенасыщенного раствора атом за атомом, слой за слоем вырастает кристалл арсенида галлия:

Но видео, согласитесь, завораживает. В принципе, здесь нет ничего нового – особенности роста кристаллов давно хорошо изучены и активно используются в полупроводниковой промышленности.

Для этого наночастицы – стеклянные капли или гантельки размером 100–200 нанометров – захватывались в оптический пинцет, образованный сфокусированным лазером. Две группы – из Высшей технической школы Цюриха и университета Пердью – продемонстрировали способ раскручивания наночастиц до скоростей свыше миллиарда оборотов в секунду. Если поляризация лазера была круговой, то лазерный луч обладал вращательным моментом, который мог передаваться частице, таким образом закручивая ее.

Мешало и торможение наночастиц об окружающий воздух, поэтому максимальных скоростей удалось достичь только в глубоком вакууме (10-5 миллибар). Разумеется, вращательный момент фотона очень мал, поэтому раскручивание шло очень медленно – на протяжении минут. А еще на таких оборотах может проявить себя эффект Казимира – фундаментальное квантовое явление, вызываемое присутствием в вакууме виртуальных частиц. Зато результат оказался внушительным: на максимальных оборотах центробежные силы были близки к тому, чтобы разорвать наночастицу, поэтому эта технология может быть интересна для измерения прочности материалов.

На этот раз редакторам приглянулась работа о свойствах вязаной ткани. APS очень любит заканчивать итоги года чем-нибудь необычным. Причина этого, разумеется, в петлях, которые могут менять свою форму, позволяя ткани растягиваться. Все мы знаем, что шерсть из клубка почти не растягивается, зато вязаный свитер с легкостью налезет на вас даже если вы набрали килограмм пять после новогодних праздников.

Вполне очевидно, что это не так: если вы растянете шарф, то он сильно сожмется посередине, и почти не сожмется там, где вы его держите. Ранние модели вязаной ткани предполагали, что все петли деформируются более-менее одинаково. А еще нить может немного уходить из одной петли в другую, меняя их периметр.

Основных положения было два: нить нерастяжима, а ткань старается минимизировать суммарную энергию, вызванную изгибом нити в петлях. Все эти вопросы настолько заинтриговали трех ученых из Франции, что они решили создать аккуратную модель вязаной ткани. Ах да, параллельно с этим они связали нейлоновое полотно и стали его по-всякому растягивать. В результате получилась довольно простая модель, которая описывает деформацию петель в зависимости от их положения в ткани. Разумеется, оказалось, что модель замечательно согласуется с результатами эксперимента.

А теперь за работу, и постараемся сделать год наступивший не менее интересным ;). Вот таким нам запомнится ушедший год.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

[Из песочницы] Прибыльность сайтов и сервисов

Эта статья будет полезна всем, кто хочет сделать собственный бизнес на веб-сайтах и сервисах. Здесь приведены примеры прибыльности и средней посещаемости сайтов через год работы. Основная цель статьи — дать приблизительное представление о сложности развития проектов для тех, кто задумал ...

Прошлое и будущее Java в интервью с Саймоном Риттером из Azul

Представляем вам интервью с Саймоном Риттером — человеком, который работал над Java с самого начала и продолжает делать это в роли заместителя технического директора Azul — компании, работающей над виртуальной машиной Zing JVM и одним из лучших сборщиков мусора, C4 ...