Физические итоги года
Новогодние праздники подходят к концу, а значит самое время подвести итоги года вместе с Американским физическим сообществом. Год выдался интересным по всем фронтам — и фундаментальными открытиями, и техническими достижениями.
Пожалуй, главным открытием года стала сверхпроводимость двухслойного графена. Суть проста: берется лист графена, на него кладется еще один лист, повернутый под небольшим углом. При «магическом» значении угла около 1.1º структура становится сверхпроводящей при температуре около 1 К. 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.
Тут стоит напомнить, что природа высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор непонятна, а наблюдалась она только в сложных кристаллах типа YBaCuO. Смоделировать такое вещество чтобы понять, что же в нем происходит — задача почти неподъемная. Поэтому тот факт, что несравненно более простой графен может пролить свет на полувековую загадку природы — это более чем приятный сюрприз. 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.
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). Это создает периодическую сверхрешетку, которая влияет на энергетические зоны графена и приводит к сверхпроводимости при «магическом» угле. Работу с двуслойными материалами уже подхватили десятки научных групп по всему миру, и по всей видимости, в ближайшие годы нас ждут действительно интересные результаты.
Нейтрино — это сверхлегкие элементарные частицы, которые часто появляются при ядерных реакциях. На сегодня нам известны три типа нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино). 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.
На этот раз интересные новости пришли из Фермилаба. В эксперименте MiniBooNE генерировались мюонные нейтрино и исследовалось их превращение в электронные. Оказалось, что нейтринные осцилляции случались гораздо чаще, чем предполагалось. Одним из простейших объяснений является существование четвертого типа нейтрино — так называемых стерильных нейтрино. 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.
В принципе, подобные теории известны давно; однако введение нового типа нейтрино довольно сильно меняет Стандартную модель элементарных частиц. Сейчас планируются уточняющие эксперименты (MicroBooNE в Фермилабе, DANSS на Калининской АЭС), а вопрос со стерильными нейтрино пока что остается открытым.
Как мы знаем, значительная часть Вселенной состоит из темной материи — невидимого вещества непонятной природы, которое составляет основную массу галактик. 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). 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.
Наиболее простой альтернативой, выдвинутой еще полвека назад Хокингом, были бы черные дыры — они как раз массивны и невидимы. Например, первичные черные дыры массой от 10–8 до 10 масс Солнца могли образоваться еще на заре Вселенной, до появления атомов. 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.
В одной из работ прошлого года авторы искали подобные искажения наблюдаемых сверхновых типа 1а. Безуспешно. Это означает, что первичных черных дыр массой свыше 0.01 массы Солнца явно недостаточно для объяснения всей наблюдаемой темной материи. Впрочем, какую-то ее часть они составлять могут.
Другой интересный результат принесло изучение поглощения межзвеждного водорода. Оказалось, что на некоторых из ранних стадий Вселенной водород был гораздо холоднее, чем предсказывают модели. Наиболее логичным объяснением этого было бы охлаждение межзвездного газа за счет взаимодействия с частицами темной материи. Света на ее природу это не проливает, но скорее свидетельствует против гипотезы с черными дырами. Короче говоря, пока что поиски темной материи остаются классической научной загадкой: ничего не понятно, но жутко любопытно.
Про открытие бозона Хиггса в 2012 году слышали все. 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. Согласно теории, сила взаимодейстия с фермионами растет с ростом массы последних, поэтому проще всего наблюдать взаимодействие с самыми тяжелыми из них. Собственно, ушедший год отметился аж двумя результатами по этой теме.
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). 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.
Второй результат от тех же коллабораций — распад бозона Хиггса на кварк и антикварк. Здесь принцип тот же: чем тяжелее продукты распада, тем он вероятнее. 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. 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. И вновь результат совпал с предсказаниями Стандартной модели — так что по-видимому новой физики в этой области ожидать не приходится.
Пару лет назад я рассказывал про запуск китайского квантового спутника Micius. За это время он успешно проложил дорогу к спутниковому квантовому интернету, продемонстрировав квантовое распределение ключа между Пекином и Веной. 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.
Демонстрация квантового интернета получилась не менее красивой. Как вы помните, первым сообщением, переданным по радио, было отбитое морзянкой имя «Генрих Герц». 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).
Следующей демонстрацией стало шифрование видеоконференции между академиями наук Китая и Австрии. Видео шифровалось алгоритмом AES, 128-битный ключ которого менялся каждую секунду. В итоге на видеоконференцию длительностью 75 минут было использовано всего 72 килобайта секретного ключа.
В недалеком будущем дело Micius«а продолжит новый спутник. 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. 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. Пока что все идет как нельзя лучше, остается только пожелать создателям попутного ветра.
Эталон килограмма — тот самый платиново-иридиевый цилиндр из Палаты мер и весов — сложит свои полномочия 20 мая 2019 года. Вместе с ним изменятся определения градуса Кельвина (который привяжут к постоянной Больцмана), ампера (его выразят через заряд электрона) и моля (в котором будет ровно 6,02214076×1023 атомов). Таким образом, с этого момента все величины системы СИ будут определяться через фундаментальные физические константы.
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. Например, один метр — это ровно столько, сколько свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Число 299 792 458 — точное, так как задали его мы сами. В свою очередь, секунда задается через два энергетических уровня в атоме цезия, расстояние между которыми в точности равно 9 192 631 770 Гц. 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.
Фотографией с электронного микроскопа с атомарным разрешением уже никого не удивишь. Другое дело — видео, да еще какое! Группа из Парижа удалось заснять, как из перенасыщенного раствора атом за атомом, слой за слоем вырастает кристалл арсенида галлия:
В принципе, здесь нет ничего нового — особенности роста кристаллов давно хорошо изучены и активно используются в полупроводниковой промышленности. Но видео, согласитесь, завораживает.
Две группы — из Высшей технической школы Цюриха и университета Пердью — продемонстрировали способ раскручивания наночастиц до скоростей свыше миллиарда оборотов в секунду. Для этого наночастицы — стеклянные капли или гантельки размером 100–200 нанометров — захватывались в оптический пинцет, образованный сфокусированным лазером. Если поляризация лазера была круговой, то лазерный луч обладал вращательным моментом, который мог передаваться частице, таким образом закручивая ее.
Разумеется, вращательный момент фотона очень мал, поэтому раскручивание шло очень медленно — на протяжении минут. Мешало и торможение наночастиц об окружающий воздух, поэтому максимальных скоростей удалось достичь только в глубоком вакууме (10–5 миллибар). 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. А еще на таких оборотах может проявить себя эффект Казимира — фундаментальное квантовое явление, вызываемое присутствием в вакууме виртуальных частиц.
APS очень любит заканчивать итоги года чем-нибудь необычным. На этот раз редакторам приглянулась работа о свойствах вязаной ткани. 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. Причина этого, разумеется, в петлях, которые могут менять свою форму, позволяя ткани растягиваться.
Ранние модели вязаной ткани предполагали, что все петли деформируются более-менее одинаково. Вполне очевидно, что это не так: если вы растянете шарф, то он сильно сожмется посередине, и почти не сожмется там, где вы его держите. А еще нить может немного уходить из одной петли в другую, меняя их периметр.
Все эти вопросы настолько заинтриговали трех ученых из Франции, что они решили создать аккуратную модель вязаной ткани. Основных положения было два: нить нерастяжима, а ткань старается минимизировать суммарную энергию, вызванную изгибом нити в петлях. В результате получилась довольно простая модель, которая описывает деформацию петель в зависимости от их положения в ткани. Ах да, параллельно с этим они связали нейлоновое полотно и стали его по-всякому растягивать. Разумеется, оказалось, что модель замечательно согласуется с результатами эксперимента.
Вот таким нам запомнится ушедший год. А теперь за работу, и постараемся сделать год наступивший не менее интересным ;).
