Физические итоги года — 2020

    Привет, Хабр! Ушедший год оказался непростым, но тем не менее богатым и на фундаментальные открытия, и на технологические прорывы. Сегодня поговорим о самых запомнившихся результатах.



    Credit: scitechdaily.com


    Сверхпроводимость при комнатной температуре



    Credit: Adam Fenster


    Есть надежды, что самым простым высокотемпературным сверхпроводником может оказаться обыкновенный водород. Правда, для этого он должен быть металлическим, для чего его придется сжать до давлений свыше 500 гигапаскалей (это где-то пять миллионов атмосфер). Вообще такие огромные давления создают между алмазными наковальнями — отполированными гранями высококачественных алмазов размером в десятки микрон. Проблема в том, что при 500 ГПа наковальни начинают просто лопаться: именно это произошло вскоре после первого открытия металлического водорода. Гораздо проще стабилизировать водород, используя его соединения с другими элементами, и работать при более приемлемых давлениях около 100-200 ГПа.


    Это привело к успеху в 2015 году: тогда группа из Майнца показала, что сероводород, сжатый до 155 ГПа, становится сверхпроводящим уже при -70 градусах Цельсия. Результат несколько раз улучшался, и наконец, в ушедшем году группа из университета Рочестера в США (по иронии судьбы ею руководит тот же исследователь, что потерял единственный в мире образец металлического водорода) показала сверхпроводимость в гидриде серы с добавкой углерода при давлении 270 ГПа и комнатной температуре в +15 С! Для этого авторы помещали между наковальнями смесь углерода и серы и пропускали через нее водород в течение нескольких часов, освещая смесь зеленым лазером, который играл роль фотокатализатора. Из-за огромного давления до практических применений пока что очень далеко, однако результат, несомненно, впечатляет.


    Быстрые радиовсплески от магнетаров



    Credit: Pitris/dreamstime.com


    Время от времени радиотелескопы засекают быстрые радиовсплески — мощные импульсы внеземной природы длительностью порядка миллисекунд. До прошлого года все они приходили из-за пределов нашей Галактики, и конкретные источники оставались неуловимыми, равно как и их природа. В узких кругах ходили шутки, что теорий происхождения радиовсплесков существует больше, чем их было зарегистрировано.


    Все изменилось 27 апреля, когда два орбитальных телескопа обнаружили несколько рентгеновских и гамма-всплесков от магнетара (нейтронной звезды с огромным магнитным полем) SGR 1935+2154 в Млечном Пути и предупредили другие обсерватории о возросшей активности через The Astronomer's Telegram. К наблюдениям за ним решили присоединиться две обсерватории в Канаде и США, и уже через несколько часов увидели необычайно мощный радиовсплеск! После этого в работу сразу включились еще несколько телескопов, а через полдня, когда Земля повернулась нужной стороной, к ним присоединился и новейший китайский радиотелескоп FAST. В итоге астрономы не просто убедились, что магнетары могут испускать быстрые радиовсплески, но и четко измерили, как его излучение во всех диапазонах — от радиоволн до гамма-лучей — меняется во времени. Согласно наиболее стройной теории, описывающей эти наблюдения, магнетар периодически испускает ударные волны, и всплеск излучения происходит тогда, когда одна из волн догоняет предыдущую и сталкивается с ней.


    Намек на нарушение CP-симметрии



    Credit: Kamioka Observatory/Institute for Cosmic Ray Research/The University of Tokyo


    Наш мир соткан из материи, а вот антиматерия в нем почти не встречается. Это удивительно, ведь на заре Вселенной материи и антиматерии было поровну. Для того, чтобы баланс нарушился и мир стал таким, как сейчас, должна нарушаться CP-симметрия (charge-parity symmetry): законы физики должны меняться, если мы зеркально отобразим физическую систему и заменим все частицы на античастицы. Вообще говоря, нарушение CP-симметрии было обнаружено еще в 60-х годах при распаде К-мезонов (в 1980 году за это дали Нобелевскую премию), а позже наблюдалось в B- и D-мезонах. Однако оно было слишком слабым для того, чтобы объяснить пропадание антиматерии из ранней Вселенной.


    Но кроме кварков (из которых состоят все мезоны), существуют и другой тип элементарных частиц — лептоны. Среди них — три типа нейтрино, которые умеют превращаться из одного в другой (это называется нейтринные осцилляции), и сравнение частоты осцилляций нейтрино и антинейтрино было бы неплохой проверкой CP-симметрии. Сложность в том, что нейтрино очень сложно детектировать: они практически ни с чем не взаимодействуют и могут пролететь Землю насквозь.


    Но нет ничего невозможного. В этом году японская коллаборация подвела итоги многолетнего эксперимента, в котором пучок нейтрино генерировался на ускорителе в Токаи (для этого они облучали графитовую мишень протонами), а детектировался в знаменитом Супер-Камиоканде (отличный обзор этой работы на Элементах). Ученые зарегистрировали 90 осцилляций определенного типа с нейтрино, и только 15 — с антинейтрино. Это свидетельствует о нарушении лептонной CP-симметрии с достоверностью 95%, чего пока что недостаточно для открытия. Тем не менее, это серьезная заявка на успех, и эксперимент наверняка будет продолжаться.


    Максимальная скорость звука



    Credit: Gerd Altmann


    Мы хорошо знаем, что звук — это продольная волна, в которой сжатия упругой среды чередуются с ее растяжениями. Скорость звука сильно зависит от среды. С одной стороны, звук быстрее распространяется в плотных материалах. С другой, чем легче атомы вещества, тем меньше их инерция и тем проще сдвинуть их с места. Поэтому скорость звука в алюминии выше, чем в стали, а самая большая из известных скоростей звука — 18 км/с — наблюдается в алмазе. В этом году коллаборация из Москвы, Лондона и британского Кембриджа предложила на удивление простую модель для скорости звука в элементарных веществах, в которую входит всего один параметр (атомная масса элемента $A$) и четыре фундаментальные константы: масса электрона $m_e$, масса протона $m_p$, постоянная тонкой структуры $\alpha$ и скорость света $с$:


    $v = \alpha\sqrt{\frac{m_e}{2m_p}}с \cdot \frac{1}{\sqrt{A}}$


    Результат удивителен тем, что фундаментальные константы, которые обычно описывают микромир и квантовые эффекты, оказались определяющими для описания звука, классического эффекта, проявляющегося на несоизмеримо больших масштабах. А еще из этой модели следует, что самая высокая скорость звука должна наблюдаться в уже известном нам металлическом водороде. Она составляет около 36 км/с, что хорошо согласуется с моделированием твердого водорода при давлениях до 1000 ГПа. Как мы помним из заметки про сверхпроводимость, таких давлений достичь пока что нереально; тем не менее, это может быть интересным планом для будущих исследований металлического водорода.


    Открытие абелевских энионов



    Credit: 5W Infographics/Quanta Magazine


    Все частицы вокруг нас делятся на два типа: фермионы и бозоны. У бозонов целый спин, у фермионов — полуцелый; одинаковые фермионы отталкиваются, бозоны — нет. Есть еще одно важное отличие, понятное из очень мысленного эксперимента. Возьмем две частицы и сделаем одной из них круг вокруг другой как на левой картинке. В трехмерном мире сделать круг вокруг второй частицы — это то же самое, что сделать небольшой кружок, не долетая до нее, или же вовсе ничего не делать. Результат будет одним и тем же: частица вернется на свое место, вероятность встретить ее там равна единице. В квантовом мире вероятность — это квадрат амплитуды, поэтому амплитуда может равняться только +1 (это бозоны) или -1 (фермионы). Третьего не дано.


    Все меняется в двумерном мире на правой картинке. Сделать круг вокруг другой частицы — это не то же самое, что просто стоять на месте: у нас больше нет третьего измерения чтобы схлопнуть виток в точку. Сделав виток, частица может вернуться, будучи не фермионом и не бозоном, а чем угодно другим. Отсюда и происходит название энион (any-on).


    Двумерный мир полон неожиданностей. Например, дробный квантовый эффект Холла (хитрое поведение сопротивления двумерных структур в огромных магнитных полях) вызывается композитными возмущениями, ведущими себя как частицы с дробным зарядом. В прошлом году группа из Парижа смогла наглядно показать, что именно такие возмущения являются яркими представителями семейства энионов. Для этого авторы подготовили «энионный коллайдер»: двумерный образец с разрезами поместили в магнитное поле, чтобы энионы распространялись вдоль границ разрезов. Там, где разрезы подходили близко друг к другу, наблюдалось туннелирование заряда, свойства которого превосходно подтверждали природу энионов. Несмотря на сложность и неинтуитивность подобных работ, это очень многообещающее направление: энионы могут использоваться в топологических квантовых компьютерах для непревзойденно надежной квантовой памяти.


    Прямозонный кремний



    Credits: nature.com


    Мечты об интегрированной оптоэлектронике — например, встроенных в процессор оптоволоконных приемниках или видеокамерах на одном чипе с GPU — остаются мечтами по весьма фундаментальной причине: вся современная электроника основана на кремнии, который на редкость плохо подходит для работы со светом. Проблема кроется в кубической кристаллической решетке кремния и законе сохранения импульса. При излучении света электрон в кремнии переходит из валентной зоны в зону проводимости, при этом сильно изменяя свой импульс. Фотон не может скомпенсировать такой большой импульс, и это приходится делать самой кристаллической решетке, что на порядки понижает вероятность излучения или поглощения света. В отличие от кремния и подобных ему непрямозонных материалов, в оптоэлектронике используют прямозонные полупроводники, в которых импульс электрона мал и легко компенсируется импульсом фотона.


    В прошлом году прорыв совершила группа из Эйндховена: они смогли получить прямозонный сплав кремния и германия не с кубической, а с гексагональной кристаллической решеткой (справа на картинке). Для этого они вырастили нанопроволоки из арсенида галлия, которые служили затравками для роста кремний-германиевого сплава с нужной кристаллической решеткой. Получившийся сплав излучал свет с длиной волны около 2 микрон (это перспективный диапазон для оптоволоконной связи), при этом длину волны можно было подстраивать, изменяя содержание германия в сплаве. Пока что эта технология не очень совместима с кремниевой промышленностью, однако возможность вырастить множество излучателей/детекторов рядом друг с другом делают это открытие весьма многообещающим для практических задач.


    Фотонный квантовый компьютер



    Credit: Hansen Zhong


    Одним из прорывов 2019 года стала демонстрация квантового превосходства: квантовый чип с 53 сверхпроводниковыми кубитами за несколько минут решил задачу, на которую классический компьютер потратил бы несоизмеримо больше времени. Разработка таких квантовых чипов для работы при сверхнизких температурах — это очень непростая задача, которая становится в разы сложнее при добавлении новых кубитов. Поэтому хоть сверхпроводниковые кубиты и остаются лидерами квантовой гонки, много усилий прикладывается для поиска альтернативных систем.


    Под конец года новости пришли из Китая: группа профессора Пэна (который создал квантовый спутниковый интернет) продемонстрировала квантовое превосходство на фотонном квантовом компьютере. Роль квантовой памяти в нем играет специальным образом подготовленный свет. Все компоненты такого устройства — источники квантового света, интерферометры, фотодетекторы — хорошо известны, но была нужна поистине китайская скрупулёзность, чтобы собрать и отъюстировать всю оптику для эмуляции 50 кубитов. Среди неоспоримых преимуществ фотонного компьютера — работа при комнатной температуре и возможность сравнительно простого добавления новых кубитов. А еще для света можно использовать оптоволокна или волноводы на чипе, что позволит значительно упростить наладку и увеличить размерность такого устройства.


    Вот такими достижениями нам запомнится ушедший год. Надеюсь, в этом году мы тоже узнаем немало интересного о мире вокруг нас.


    По материалам Nature, Science, Quanta Magazine и Physics World.

    Ads
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More

    Comments 39

      +20
      «Максимальная скорость звука» это просто вау. Красивая простая формула, описывает одно из фундаментальных явлений. Невероятно, что это сделано на исходе первой четверти XXI века. Очень красиво.
        0
        Красиво, а главное — понятно. Такими темпами формулу, с которой мы сами познакомились только что, в учебниках по физике будем лицезреть у наших детей)
          0
          неожиданно право, надо проверить на имеющихся материалах!
        +1
        Поэтому скорость звука в алюминии выше, чем в стали, а самая большая из известных скоростей звука — 18 км/с — наблюдается в алмазе. А еще из этой модели следует, что самая высокая скорость звука должна наблюдаться в уже известном нам металлическом водороде. Она составляет около 36 км/с, что хорошо согласуется с моделированием твердого водорода при давлениях до 1000 ГПа.

        Отношение скоростей звука в металлическом водороде и алмазе равно 2 — отношение корней квадратных из атомных масс углерода и водорода ~3.5
        Формула не работает?
          0

          Так она и не претендует на абсолютную точность. Она про то, насколько бескомпромиссно фундаментальные константы определяют жесткость химических связей в материалах и задают скорость звука. Отклонение меньше, чем в два раза для такой простой модели — это невероятнейший успех.

            +2

            Так это просто подгонка? А я-то уж думал, что нечто истинно фундаментальное...

              0

              Как раз видимо истинно фундаментальное. Подгонка именно что даёт бо́льшую точность, чем формулы, полученные из первых принципов.

            +1

            Посмотрел статью по диагонали, это какая-то теоретическая скорость звука, которая учитывает не все эффекты. Да и там есть график, на котором нанесены экспериментальные замеры скорости и значение, рассчитанные по этой формуле — визуально отличия сильные. Конечно если в среднем посчитать отклонение, то может все будет не так плохо:)

              +1

              А давайте вместе посмотрим на картинку из их работы:



              График в логарифмическом масштабе, но за последний год к нему наверняка все привыкли. Главная фишка логарифмического масштаба в том, что одинаковые расстояния на нем соответствуют изменению в одинаковое число раз. Я дорисовал красную стрелку, которая показывает изменение скорости звука в 3 раза, и две красные линии — одна в три раза ниже теории, другая в три раза выше. Все известные нам материалы (синие точки) идеально ложатся в эти пределы.


              Для простой модели, которая связывает привычный нам звук с фундаментальными константы микромира, отклонение меньше чем в три раза — это просто феноменальный успех. Сами отклонения могут вызываться много чем: конкретной кристаллической решеткой вещества, ее дефектами, содержанием примесей.

                –1

                Само по себе это отклонение ничего не говорит. Я могу ещё и число ПИ и Е туда как-нибудь впихнуть. Вопрос насколько это их модель получена из здравых физических соображений.

                  0
                  Я тоже прочитал статью — у них много допущений, но «самое грубое»
                  We now recall that the bonding energy in condensed phases is given by the Rydberg energy on the order of several electron volts (1) as

                  То-есть они аппроксимируют энергию связи в твердом теле энергией ионизации атома водорода.
                  Через энергию связи они аппроксимируют объёмный модуль упругости, там тоже константа порядка от 1 до 4, но в скорость звука она входит по корнем.
                    0

                    Есть такое. Вроде бы энергии связи в ТТ заметно меньше 13.6 eV. Но вообще они честно говорят, что оценивают только порядок величин.

                    –1
                    Я дорисовал красную стрелку, которая показывает изменение скорости звука в 3 раза, и две красные линии — одна в три раза ниже теории, другая в три раза выше. Все известные нам материалы (синие точки) идеально ложатся в эти пределы.

                    Вы уж извините, но при таких "допусках" использовать слово "идеально" как-то совершенно не к месту.

                      0

                      К месту, к месту.


                      Во всех основных разделах современной научной работы – во введении, изложении экспериментальных результатов и т. д. – встречаются традиционные, общеупотребительные выражения. Ниже мы раскрываем их тайный смысл (в скобках).
                      <...>
                      Согласие теоретической кривой с экспериментом:
                      Блестящее… (Разумное…)
                      Хорошее… (Плохое…)
                      Удовлетворительное… (Сомнительное…)
                      Разумное… (Вымышленное…)
                      Удовлетворительное, если принять во внимание приближения, сделанные при анализе… (Согласие вообще отсутствует.)

                      (Из "Физики шутят")

                        0

                        Юмор юмором, но я бы к такому при рецензии придрался. Различие до x3 в обе стороны — это ни разу не "идеально".

                          +1
                          ну это если у вас строгая теория. на практике как раз эмпирический закон так и выводится. тут вопрос больше к тем точкам, что больше отошли от медианной кривой. возможно это группа обладающая дополнительными отличительными свойствами, к примеру формой ребра, или площадью свободной поверхности… нужна дополнительная классификация всех образцов, по третьему параметру
                +8
                Вообще удивительно, сколько всего произошло крутого в науке за этот год! И когда только успели, все по домам сидели.

                Из итогов я бы еще добавил прорывные вычисления энтропии черных дыр и возможное решение информационного парадокса (Quanta писала об этом тут, а интересный эпизод Mindscape по мотивам тут)

                А еще в LIGO были измерены квантовые корреляции между 40кг зеркалами и светом (т.е. массивные зеркала находились в квантовом состоянии).
                  +1
                  Так когда сидишь дома, самое время заняться наукой, ну или хотя бы изучением чего-то нового. Я за прошедший год тоже много чего узнал. Куда больше чем за предыдущие пять.
                    0
                    Это да, но тут-то все результаты экспериментальные, вот в чем загадка)
                      0

                      Вообще при стандартном таймлайне "год на работу + полгода на публикацию" это неудивительно. Меня скорее пугает что будет в следующем году: у нас на одно восстановление эксперимента после локдауна месяца полтора ушло.

                        0
                        а у нас до сих пор локдаун и лабы закрыты все… жесть, конечно, особенно для студентов, у которых год на выполнение эксперимента для мастерской степени…
                          0

                          А у вас кто-то задумывался про удаленное управление экспериментом? Если он уже собран, то в вашем случае это наверное реально.


                          У нас в департменте коллеги подсуетились за время локдауна и перевели несколько экспериментов на удаленку. Теперь не нарадуются: без людей в комнате все работает гораздо стабильнее, да и ночное время теперь можно использовать

                            0
                            У нас не очень реально, к сожалению… Потому что эксперименты по большей части single-shot: долго что-то настраиваешь, чтобы один раз получить результат и разобрать эксперимент. А настройка с удаленкой сложна.
                    +1

                    Вот я не очень понял, в чем прорыв с черными дырами. Там вроде бы учли несколько ранее неучтенных вещей, но механизмы утечки информации остаются непонятными. Может быть ты сможешь на пальцах рассказать?


                    Корреляции в LIGO — это огонь, и слияние двух черных дыр сильно разных масс это тоже здорово. Но LIGO и так каждый раз попадает в итоги года, плюс эта корреляция — прямое следствие из апгрейда со сжатым светом, который попал в результаты прошлого года.

                      +1
                      Может быть ты сможешь на пальцах рассказать?
                      На пальцах — вряд ли, если честно. Я сам довольно далек от этого. Я видел классный пост про это, но не могу сходу найти (запосчу позже, если найду вечером). Мне самым интересным видится то, что наконец нашли переход от Ads/CFT вычислениям к нормальной физике и смогли что-то посчитать. Т.е. взяли расчет из AdS/CFT и применили его к нашей вселенной. А сам парадокс решается типа через червоточины: утверждается, условно, что ER=EPR, а потому запутанность никуда не пропадает и информация может утекать через эти червоточины. Точнее, не так: два разных вычисления: одни строго показывают, что информация может выходить из ЧД, а другие — что по идее это может происходить через червоточины. В общем, ужасно интересно, потому что наконец какой-то прогресс в области, после стольких лет застоя.

                      Но LIGO и так каждый раз попадает в итоги года, плюс эта корреляция — прямое следствие из апгрейда со сжатым светом, который попал в результаты прошлого года.
                      Да я понимаю, конечно) Я не к тому, что это ты зря не выбрал, это скорее с моей колокольни добавка.
                        0
                        Прошу прощения за мою наглость. Удалось ли найти пост про это?
                        Я видел классный пост про это, но не могу сходу найти (запосчу позже, если найду вечером).
                          0
                          Я искал, но именно ту не нашел. Тем не менее, вот эта статья неплохо описывает часть про решение, а вот эта — дает некоторую перспективу.
                    0
                    Спасибо большое за статью, Вы как и в прошлые года собрали лучшее))
                      0

                      Спасибо!

                      0
                      Формула для скорости звука не работает для нейтронных звёзд. Там скорость звука может достигать около световой.

                      А вот из того, что представлено в статье, я считаю наиболее важным возможное обнаружение нарушение CP-симметрии. 95% это не «пять сигма», конечно, но если статистика продолжит набираться, это серьёзный повод пересмотреть стандартную модель, или же придумать новую теорию…
                        0

                        Вы что-то очень странное пишете.
                        Модель для звука и не должна работать для нейтронных звезд.
                        А нарушение лептонной CP-симметрии не мешает Стандартной модели. В рассказе на Элементах об этом хорошо написано.

                        –1
                        1. По звуку. Эта модель, как правильно написано, описывает скорость в «элементарных веществах». Естественно она не подходит для экзотической материи (плазма, Ферми-газ), но СМИ слишком часто вдалбливают «максимальная скорость звука», а то, что это только в обычном веществе не уточняется. Потому и написал, что в экстремальных средах(в качестве примера — нейтронная звезда) всё совсем по другому.

                        2. Цитата из вашей же ссылки:
                        Например, нарушения сохранения барионного числа должны быть количественно весьма велики, и то же самое требуется от нарушений CP-симметрии. Ничего такого из Стандартной модели не вытекает. В этом и состоит ключевая проблема.
                        Именно поэтому стандартная модель, при подтверждении нарушения CP-симметрии будет нуждаться либо в корректировке, либо вообще в изобретении чего либо нового. Пример теории относительности весьма сильно ограничил ньютоновскую теорию тяготения и, фактически, Эйнштейн открыл «новую физику» для своего времени.
                          0

                          Вы вырываете цитаты из контекста, не надо так.
                          Чем лептоны отличаются от барионов (а лептонная CP-симметрия от барионной) вы можете прочитать даже на википедии.

                            –2
                            Я показал в чём проблема стандартной модели: она не может описать причины наличия асимметрии вообще. Как только будет опытная база и будут изучены эти нарушения симметрии, то сразу в стандартную модель будут вноситься серьёзные поправки, если вообще удастся описать это в её рамках. Стандартная модель допускает нарушение электрослабой симметрии, но не описывает его. Механизма-то нет. Как именно и по какой причине идёт это нарушение? Был бы рад почитать про это…
                          0
                          Простите не понял по последней новости:

                          нужна поистине китайская скрупулёзность, чтобы собрать и отъюстировать всю оптику для эмуляции 50 кубитов.
                          и
                          А еще для света можно использовать оптоволокна или волноводы на чипе, что позволит значительно упростить наладку и увеличить размерность такого устройства.

                          Если юстировка была такая сложная, то о каком упрощение идёт речь?
                            +2
                            Если юстировка была такая сложная, то о каком упрощение идёт речь?
                            На сколько я понял, упрощение прежде всего в том, что не потребовалось криогенное охлаждение.
                            Среди неоспоримых преимуществ фотонного компьютера — работа при комнатной температуре и возможность сравнительно простого добавления новых кубитов. А еще для света можно использовать оптоволокна или волноводы на чипе, что позволит значительно упростить наладку и увеличить размерность такого устройства.
                              +1

                              Верно. И масштабироваться такой подход должен гораздо лучше.

                              0

                              Так ведь авторы собрали прототип, то есть демонстрацию того, что задача вообще решаема. Такие штуки собираются из стандартных лабораторных компонентов: зеркал на юстировочных столиках, светоделителях итд. Её действительно сложно юстировать: если луч лазера отклонится в самом начале пути, перенастраивать придется все с нуля.


                              Но потенциально этот девайс можно либо собрать на оптоволокнах, либо вытравить волноводы в куске кремния, либо на худой конец намертво приклеить зеркала к основанию. Все эти подходы решают проблему разъюстировки и потенциально могут масштабироваться до гораздо большего количества кубитов.

                              0

                              Меня поражает, что фотонному квантовому компьютеру Jiuzhang потребовалось всего 200 секунд времени на решение задач, что является очень ярким и убедительным доказательством квантового превосходства.

                              Only users with full accounts can post comments. Log in, please.