Науке давно известен туннельный эффект, когда частицы преодолевают энергетический барьер, не имея для этого энергетических оснований. Это явление из квантового мира, которое нашло широкое применение в электронике. Теперь учёные расширили возможности туннелирования до группового поведения частиц, что стало повторением опыта 100-летней давности на квантовом уровне. Оказалось, группы электронов могут подталкивать одна другую к коллективному туннелированию.

Образец «квантового» материала для эксперимента. Источник изображения: Lance Hayashida/Caltech

В 1919 году немецкий физик Генрих Баркгаузен (Heinrich Barkhausen) поставил опыт, впоследствии названный его именем. На примере помещённого в катушку ферромагнитного материала он показал, что в процессе внешнего воздействия на материал происходит скачкообразное изменение его намагниченности. В процессе опыта Баркгаузена в подсоединённом к катушке громкоговорителе, например, возникал треск, когда к ферромагнетику подносили магнит. Намагниченность отдельных доменов затрагивала соседние, и это распространялось как лавина и, в то же время, скачками, пока материал полностью не становился намагниченным.

Учёные из Калтеха (Технологического института Калифорнии) решили обнаружить такой же эффект на квантовом уровне без внешних воздействий чисто за счёт квантовых явлений. Фактически это была проверка на спонтанное групповое туннелирвоание. Они поместили в катушку такой ферромагнитный материал, как литий-гольмий-иттрий фторид, и охладили его до температуры вблизи абсолютного нуля. Катушка нужна была для измерения напряжения, которое там возникнет в случае, если в материале начнёт меняться намагниченность.

После старта эксперимента учёные начали регистрировать скачки напряжения, аналогичные по природе шумам Баркгаузена. Это указало на то, что квантово-механическое туннелирование отдельных электронов привело к групповому или совместному туннелированию частиц.

«Классически каждая из мини-лавин, в которых группы спинов меняют направление, происходит сама по себе, — говорят авторы работы. — Но мы обнаружили, что благодаря квантовому туннелированию две лавины синхронизируются друг с другом. Это результат взаимодействия двух больших групп электронов друг с другом, и благодаря своему взаимодействию они производят эти изменения. Этот эффект совместного туннелирования стал неожиданностью».

Открытие даёт надежду на создание квантовых датчиков и других электронных приборов. Фактически квантовые явления в виде группового взаимодействия электронов можно использовать как макрообъекты, что упростит эксперименты в области квантовой физики и позволит использовать эти явления в обычной электронике и не только.

Международная группа учёных во главе с китайскими исследователями поставила эксперимент, в ходе которого впервые удалось обнаружить признаки существования кванта гравитационного поля — гравитона, который также может служить переносчиком гравитационного взаимодействия. Концепция гравитона сформировалась без малого 100 лет назад, но лишь теперь учёные получили шанс приблизиться к его открытию.

Источник изображения: SCMP

В подготовке эксперимента и в анализе его результатов участвовали учёные из Китая, США и Германии. Установка создавалась в Нанкинском университете, на что ушло три года. Анализируемый материал необходимо было охладить до температуры вблизи абсолютного нуля и обеспечить воздействие на него тонко настроенным лазером для оценки возбуждения электронов в образце. Фактически это взаимоисключающие требования, ибо возникает мостик тепла между экспериментальной средой и измерительными инструментами.

Китайцы справились. Полученный из США образец высокочистого арсенида галлия был охлаждён до -273,1 °C и помещён в магнитное поле на шесть порядков сильнее, чем магнитное поле Земли. Задача стояла создать в материале толщиной с атом эффект конденсированного состояния электронов, поток которых начинал вести себя как жидкость. Затем с помощью лазера оценивались возбуждённые состояния электронов и, в итоге, измерялся их спин.

Как известно, спин электрона не целый и равен 1/2. У гравитона же спин должен быть равен 2, что делает его уникальным, если таковой вообще существует в природе. Анализ данных эксперимента показал, что отдельные частицы характеризовались спином со значением 2. Такая регистрация проведена впервые в мире и оставляет место для дальнейшего поиска гравитонов.

Если гравитон будет обнаружен, а это безмассовая частица не имеющая также зарядов, то это даст надежду на создание единой теории поля. До сих пор нет полной связи между классической физикой и квантовой. Именно отсутствие понимания сути гравитационного взаимодействия не позволяет соединить эти два мира.

Группа британских учёных опубликовала в журнале Nature статью, в которой сообщила о создании наиболее точной модели чёрной дыры. Прямое наблюдение этих объектов в природе крайне затруднено, поскольку чёрные дыры блокируют электромагнитное излучение. Поэтому лабораторное моделирование — это один из путей изучить их свойства и сопоставить с теоретическими представлениями.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

В качестве основы лабораторной модели чёрной дыры учёные из Ноттингемского университета, Королевского колледжа Лондона и Университета Ньюкасла представили охлаждённый до сверхтекучего состоянии изотоп гелий-4. Вещество охладили до -271 °C и закрутили в воронку.

В одном из ранних исследований учёные обратили внимание на то, что воронка воды сильно напоминает гравитационные явления искажения пространства-времени вблизи чёрных дыр. Использование для моделирования жидкости в сверхтекучем состоянии с охлаждением едва ли не до абсолютного нуля привносит в процесс квантовые свойства, а это — путь к квантовой теории поля и сути квантового поведения чёрных дыр. По крайней мере, на уровне квантовой механики ряд процессов должны проходить одинаково и это можно соотнести с теорией.

«Использование сверхтекучего гелия позволило нам изучить крошечные поверхностные волны с большей детализацией и точностью, чем в наших предыдущих экспериментах в воде, — пояснил физик Патрик Шванчара (Patrik Švančara) из Ноттингемского университета, который руководил исследованием. — Поскольку вязкость сверхтекучего гелия чрезвычайно мала, мы смогли тщательно исследовать их взаимодействие со сверхтекучим торнадо и сравнить полученные результаты с нашими собственными теоретическими прогнозами».

Источник изображения: Leonardo Solidoro

Изучая «торнадо в стакане», исследователи смогли выявить сходство между вихревым потоком и влиянием вращающейся чёрной дыры на искривленное пространство-время вокруг нее. В частности, исследователи наблюдали стоячие волны, аналогичные связанным состояниям чёрной дыры, и возбуждения, аналогичные кольцевому замыканию новообразованной чёрной дыры. И это только начало. Теперь, когда исследователи продемонстрировали, что их эксперимент работает так, как они задумали, «вихрь» готов открыть новую область науки о чёрных дырах.

При поддержке Госкорпорации «Росатом» в рамках научной программы Национального центра физики и математики (НЦФМ) российские учёные создали новую адаптивную оптическую систему, которая с рекордным быстродействием компенсирует влияние атмосферных искажений на лазерное излучение. По результатам исследований опубликована статья в журнале Photonics.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Обычно обработка данных в адаптивной оптической системе происходит с помощью цифровых процессоров общего назначения. В созданной российскими учёными системе данные обрабатываются намного быстрее за счёт использования программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Исходя из контекста, реализовано распараллеливание вычислений, но это не точно.

«Применение ПЛИС позволило нам достигнуть рекордного быстродействия адаптивной системы до 4 кГц в экспериментах в закрытом пространстве, на 200-300-метровой павильонной трассе. В условиях реальной трассы до космического аппарата мы достигли быстродействия больше 2 кГц, что представляет интерес, например, в получении чётких изображений в ходе астрономических наблюдений. Несколько килогерц — это тот уровень, который позволяет нам корректировать искажения излучения в условиях реальной, постоянно меняющейся атмосферы, поэтому и идёт гонка за этими килогерцами», — отметил научный руководитель НЦФМ, сопредседатель направления НЦФМ «Физика высоких плотностей энергии» академик РАН Александр Сергеев.

Источник изображения: «Росатом»

Кроме компенсации атмосферных искажений, что необходимо для астрономических наблюдений с поверхности Земли, система позволяет более эффективно фокусировать лазерное излучение в обычных условиях на земле. В России к 2030 году планируется создать лазерную установку экзаваттной мощности. В одной точке должны будут фокусировать одновременно 12 лазеров. Предложенная система адаптивной оптики сможет так задать фронты волны каждого лазера, что они придут к мишени одновременно. Это создаст наиболее интенсивное воздействие на мишень, что позволит реализовывать передовые лазерные технологии и решать фундаментальные вопросы науки, связанные с пониманием, как ведёт себя вещество в экстремальных, недостижимых ранее условиях.

Группа российских учёных из Санкт-Петербургского государственного университета и Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева-КАИ разработала теоретическую модель для описания условий формирования плазмы СВЧ-разрядов в молекулярных газах, что открывает путь к управляемому аэродинамическому полёту на сверхзвуковых скоростях в атмосфере Земли и других планет.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

При движении в плотных слоях атмосферы сверхзвуковое воздушное судно или космический спускаемый аппарат омывается потоками газа на сверхвысоких скоростях. Очевидно, что управляемое изменение плотности газа по курсу судна приведёт к его отклонению в ту или иную сторону. Сделать этот процесс управляемым означает добиться возможности управлять направлением полёта или, по крайней мере, повысить его устойчивость, а значит, безопасность.

Как известно, вблизи движущихся со сверхзвуковой скоростью летательных аппаратов возникают зоны точечного нагрева и изменения плотности газа. Для контроля движения аппарата необходимо уметь управлять потоками нагретого газа. Это возможно сделать с помощью заряженных газовых областей — плазменных структур, которые с помощью сверхвысокочастотных (СВЧ) разрядов будут формироваться на некотором расстоянии от поверхности летательного аппарата.

При этом СВЧ-разряд может возникнуть в двух режимах — в виде диффузного облака заряжённых частиц, либо в виде нитевидного разряда. Нетрудно догадаться, что нитевидный разряд приводит к наибольшему нагреву газа, как более плотное образование, что, в свою очередь, оказывает наибольшее воздействие на плотность набегающего воздушного потока. Плотность воздуха перед аппаратом снижается и это облегчает его движение в атмосфере.

Учёные создали модель для описания физики явления. «Моделирование показало, что диффузный разряд сначала вытягивается в виде “облака” заряжённых и возбуждённых частиц, а затем переходит в форму нитевидного плазмоида — более плотного “сгустка”. При таком переходе резко возрастает концентрация заряжённых частиц преимущественно вдоль центральной оси плазмоида», — говорится в отчёте по работе, опубликованной в журнале Plasma Sources Science and Technology.

Согласно модели, температура плазмоида увеличивается по мере его роста от 185 °С до 830 °С за 10–15 мкс. Это объясняется тем, что при взаимодействии возбуждённых частиц азота выделяется большое количество энергии, которая используется для нагрева газа, что также снижает его плотность. Азот был выбран для моделирования по той причине, что это один из основных компонентов земной атмосферы. При включении в модель молекул кислорода, кстати, процесс ускорялся ещё на 4 мкс. В дальнейшем учёные более плотно займутся влиянием молекул кислорода на формирование СВЧ-разрядов.

Результат моделирования: распределение электрического поля в СВЧ-антенне. Источник изображения: Saifutdinov and Kustova / Plasma Sources Science and Technology, 2023.

«Предложенная модель интересна как с фундаментальной точки зрения, поскольку позволяет описать, как меняются параметры СВЧ-разрядов, и воспроизвести их различные формы, так и с прикладной, потому что помогает прогнозировать оптимальные условия для снижения плотности газа в сверхзвуковых потоках. Это даст возможность управлять скоростью и направлением движения летательных аппаратов, а значит, снизить вероятность их крушения», — пояснил участник проекта доктор физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева-КАИ Алмаз Сайфутдинов.

Когда-нибудь на сверхзвуковых самолётах появятся формирующие плазменные разряды накладки, экономящие топливо и повышающие управляемость судами, что сегодня кажется образом будущего. Останется только придумать антигравитацию. Но это уже другая история.

Исследователи из Стэнфордского университета разработали и создали крошечный ускоритель электронов, который может быть собран в корпусе размером с коробку из-под обуви. Когда-нибудь они заменят мегадорогие ускорители для передовых исследований в физике и внесут кардинальные перемены в медицинское обслуживание, промышленность и даже повседневную жизнь.

Источник изображения: Moore Foundation / Payton Broaddus

Исследователи показали, что кремниевый диэлектрический лазерный ускоритель (DLA) способен как ускорять, так и направлять электроны, создавая сфокусированный пучок электронов высокой энергии. «Если бы электроны были микроскопическими автомобилями, мы бы как будто впервые сели за руль и нажали на газ», — пояснила 23-летняя Пейтон Броддус (Payton Broaddus), кандидат наук в области электротехники и ведущий автор статьи, опубликованной 23 февраля с подробным описанием прорыва в журнале Physical Review Letters.

Сегодня ускорители частиц не отличаются компактностью, начинаясь от размеров с приличный рабочий стол и заканчивая Большим адронным коллайдером с кольцом длиной почти 27 км. Это дорогостоящие научные приборы, использовать которые полноценно могут в основном академические учёные. Создание компактных и относительно недорогих или вовсе недорогих ускорителей позволит применять их в медицине для детальной визуализации внутренних тканей органов человека и для лечения опухолей. Ускорители помогут с анализом материалов, веществ и с неразрушающим контролем качества. Наконец, появятся приборы, по-настоящему показывающие нитратный и даже молекулярный состав купленных в магазине фруктов и овощей.

Около 10 лет назад исследователи из Стэнфорда начали экспериментировать с наноразмерными структурами, изготовленными из кремния и стекла, которые без деформаций выдерживали большие перепады температур, чем металлические части ускорителей. В 2013 году был создан прототип крошечного ускорителя из стекла на основе импульсных инфракрасных лазеров, который успешно разгонял электроны. Под эту разработку Фонд Гордона и Бетти Мур в рамках международного сотрудничества Accelerator on Achip (ACHIP) выделили средства на создание мегаэлектронвольтового ускорителя размером с обувную коробку.

Изображение трека для создания сфокусированного пучка электронов. Источник изображения: Physical Review Letters

В результате исследований была разработана микроструктура, которая оказалась способна фокусировать пучок электронов в двух плоскостях, ускоряя и направляя их вдоль горизонтальной плоскости. Электроны вводятся с одной стороны субмиллиметрового трека, а с обоих его концов происходит импульсное освещение лазерами. Предложенное решение позволило придать электронам дополнительно 25 % энергии — ускорить их до 23,7 кэВ. Это ускорение сопоставимо с возможностями классических настольных ускорителей, но реализовано в «коробке из-под обуви».

Дальнейшее совершенствование схемы позволит поднять энергию ускорения до запланированного уровня в 1 МэВ. Каскад таких ускорителей или использование на начальном этапе других схем, например, этой, созданной коллегами из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене и Нюрнберге (FAU), позволит изготавливать компактные усилители с разгоном электронов до субсветовых скоростей. Но это работа для далёкого будущего. Сейчас в этом направлении сделаны хоть и успешные, но только первые шаги.

Американские учёные только что прорубили окно в новую область экспериментальной физики. Они смогли получить энергетический образ движения электрона вокруг атома водорода в капле воды ещё до того, как атом пришёл в движение. До сих пор у учёных не было инструментов для подобной детализации процессов в веществе, что раскроет больше деталей о физике и химии многих процессов и, особенно, о радиационном воздействии на живые клетки.

Источник изображений: PNNL

В эксперименте, отдалённо похожем на съёмку замедленного видео, учёные выделили энергетическое движение электрона, одновременно «заморозив» движение гораздо более крупного атома, вокруг которого вращался целевой электрон, сделав это в образце обычной жидкой воды. О своей работе учёные сообщили в статье в журнале Science. Работа в основном была направлена на изучение высокоэнергетического излучения на живые клетки, что нужно для космоса, радиотерапии опухолей и не только.

«Химические реакции, вызванные излучением, которые мы хотим изучить, являются результатом электронного отклика мишени, который происходит в аттосекундном масштабе времени», — пояснила Линда Янг (Linda Young), старший автор работы и заслуженный научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. — До сих пор радиохимики могли определять события только в пикосекундном масштабе времени, что в миллион раз медленнее, чем аттосекунда. Это всё равно, что сказать "я родился, а потом умер". Вы хотели бы знать, что происходит в промежутке? Это то, что мы сейчас можем сделать».

Чтобы добиться результата, межведомственная группа учёных из нескольких национальных лабораторий Министерства энергетики США, а также университетов США и Германии объединила эксперименты и теорию, чтобы в режиме реального времени выявить последствия воздействия ионизирующего излучения от источника рентгеновского излучения на вещество. Исследование проводилось при поддержке Центра пограничных энергетических исследований межфазной динамики в радиоактивных средах и материалах (IDREAM), с финансовой поддержкой Министерства энергетики США в штаб-квартире в Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории (PNNL).

Не секрет, что субатомные частицы, например, электроны, движутся так быстро, что для фиксации их действий требуется датчик, способный измерять время в аттосекундах. Это настолько быстро (или мало), что в каждой секунде, например, больше аттосекунд, чем прошло секунд за всю историю Вселенной.

Проведённое авторами исследование опирается на открытие и создание аттосекундных рентгеновских лазеров на свободных электронах, за что в прошлом году, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике. В Национальной ускорительной лаборатории SLAC есть источник такого света (LCLS), чем воспользовались экспериментаторы.

Экспериментальная установка, создающая тончайшую плёнку воды шириной около 1 см

В качестве тестового образца для эксперимента была выбрана обычная жидкая вода. Первый аттосекундный импульс возбуждал электроны, а второй измерял отклик. Это позволило отреагировать датчикам настолько быстро, что возбуждённое состояние электрона проявило себя ещё до того, как атом водорода в молекуле пришёл в движение. Раньше в процессе подобного наблюдения с помощью импульсов большей длительности картина была настолько смазанной, что учёные предполагали существование ряда промежуточных состояний. Аттосекундный лазер показал, что промежуточных состояний нет — это всё миражи или помехи.

«Теперь у нас есть инструмент, с помощью которого, в принципе, вы можете следить за движением электронов и видеть только что ионизированные молекулы по мере их образования в режиме реального времени», — резюмировали достижение авторы исследования.

Несмотря на климатическую повестку, Европейская организация по ядерным исследованиям (CERN) настаивает на необходимости построить в Европе более мощный кольцевой коллайдер. Возможности Большого адронного коллайдера себя почти исчерпали. Чтобы продвинуться в изучении тайн мироздания, необходимо сталкивать частицы с намного большими энергиями. Но ряд европейских учёных требуют остановиться и направить финансы на решение насущных проблем.

Сравнение БАК (LHC) и Future Circular Collider (FCC). Источник изображения: CERN

По мере продвижения в процессе технико-экономического обоснования проекта будущего коллайдера Future Circular Collider (FCC) его стоимость понемногу растёт. На нынешнем этапе проект оценивается примерно в $17 млрд. Если он будет утверждён, то платить придётся из бюджета ЕС и Великобритании. Причём для этого придётся экономить на определённых научных программах и довольно долго — не одно десятилетие. Поэтому учёных понять можно. Они живут и работают сейчас, и что произойдёт в 2050 году, когда заработает первая очередь FCC и, тем более, в 2070 году, когда планируют запустить вторую очередь — это волнует немногих.

Бывший главный научный советник правительства Великобритании, профессор сэр Дэвид Кинг (David King), назвал расходы на FCC «безрассудными», призвав перенаправить эти средства на решение неотложных глобальных проблем, таких как чрезвычайная ситуация с климатом. Ему вторит немецкий физик и популяризатор наук Сабина Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder), которая не верит в способность FCC добавить что-то новое к уже известной физике элементарных частиц.

Генеральный директор ЦЕРН, профессор Фабиола Джанотти (Fabiola Gianotti), в защиту проекта назвала коллайдер «прекрасной машиной», которая поможет человечеству добиться значительных успехов в понимании фундаментальной физики и внутреннего устройства Вселенной.

Большой адронный коллайдер начал работать с 2008 году. В 2012 году он, наконец, помог обнаружить неуловимую раньше частицу, бозон Хиггса, что формально завершило построение Стандартной модели в физике элементарных частиц. Диаметр кольца БАК составляет 27 км. Диаметр кольца коллайдера FCC будет 91 км. Это на несколько порядков увеличит энергию столкновений частиц, обещая обнаруживать неизвестные ранее взаимодействия между частицами и новые частицы. Даже тот самый бозон Хиггса будет производиться в большем объёме, что поможет лучше изучить его характеристики. Собственно будущий коллайдер уже называют «хиггсовской фабрикой».

Решение ЦЕРН создать FCC последовало после тщательных консультаций с участием физиков со всего мира. Целью процесса было оценить реакцию стран-членов, включая Великобританию, которая как и другие участники проекта оплатит счета за это монументальное научное начинание. Параллельно разрабатываются ещё четыре проекта перспективных коллайдеров, три из которых относятся к линейным. В ЦЕРН подсчитали, что только проект FCC окажется самым предпочтительным с точки зрения климатической повестки. Он будет меньше всего вырабатывать CO₂ в пересчёте на каждый полученный на нём бозон Хиггса.

Утверждение плана строительства FCC ожидается в 2025 году. Строительство тоннеля под кольцо коллайдера начнётся в 2033 году. Электрон-позитронный коллайдер начнёт работать в 2048 году. Ещё 20 лет спустя по кольцу FCC запустят более тяжёлые частицы — протоны, что ещё сильнее повысит энергию столкновений.

В квантовом мире царит неопределённость, которая в момент нарушается фактом наблюдения (измерения). Достигается это на сложных установках. Можно ожидать, что в нашем обычном мире больших и тяжёлых объектов тоже есть место для квантовой неопределённости, но доказать это прямым наблюдением очень и очень сложно. Однако учёные не сдаются.

Одно из зеркал детектора LIGO. Источник изображения: Caltech/MIT/LIGO Lab

Принцип квантовой неопределённости часто иллюстрируют с помощью мысленного эксперимента с кошкой Шрёдингера (в оригинале это кошка, а не кот), когда до открытия коробки с животным оно ни живо, ни мертво. Это позволяет понять контринтуитивные законы квантовой механики, но это не приближает нас к детектированию квантовых явлений на макроуровне.

Свой вариант натурного эксперимента по фиксации квантовой неопределённости в больших объектах предложили учёные из Университетского колледжа Лондона (UCL), Университета Саутгемптона в Великобритании и Института Бозе в Индии. Для исследования учёные предложили использовать систему гравиметрической обсерватории LIGO в США. Это два тоннеля по 4 км, соединённых под прямым углом (буквой Г). По тоннелям многократно с отражением курсирует луч лазера, который способен фиксировать искажения пространства-времени при прохождении через детектор гравитационной волны. Эту же систему можно использовать для выявления квантовой неопределённости с макрообъектами без строгих ограничений по массе и энергии, считают учёные.

В каждом из тоннелей можно подвесить зеркала на концах маятников (или мишени, заслоняющие основные зеркала датчика) и запускать в них по паре вспышек лазера с заданным интервалом. Если квантовая неопределённость в нашем большом мире есть, то первый импульс нарушит движение маятника — в этом проявится так называемый эффект наблюдателя, а второй импульс зафиксирует отклонение от расчётной траектории.

С математической точки зрения эксперимент должен подтвердить или опровергнуть соблюдение двух условий неравенства Леггетта-Гарга. Оно должно выполняться для всех условий классического мира. Если при взаимодействии с 10-кг зеркалами одно из этих условий не выполнится, значит, объект проявит свойства квантовой неопределённости.

С точки зрения математики это будет означать, что вы в данный момент с большой вероятностью сидите на стуле перед монитором, но также с бесконечно малой (но отнюдь не нулевой) вероятностью можете находиться на Луне, Марсе или в галактике Андромеда. Главное, что для доказательства подобной возможности не придётся рисковать жизнью кошки, хотя сам по себе эксперимент с зеркалами в установке LIGO потребует нетривиального оборудования и условий.

Статья об исследовании опубликована в журнале Physical Review Letters. Также она доступна на сайте arxiv.org.

Предсказанный в 1931 году Полем Дираком магнитный монополь — гипотетическая частица с одним единственным магнитным полем — до сих пор не получил наблюдательного подтверждения. Столетие поиска магнитного монополя не дали никакого результата. В то же время подтверждение его существования открыло бы дорогу к проработке «теории всего» — единой физико-математической теории функционирования нашей Вселенной.

Источник изображения: Anthony Tan / Michael Hoegen

«Если бы монополи действительно существовали, и мы смогли бы их изолировать, это было бы похоже на поиск недостающего фрагмента головоломки, который считался утерянным», — пояснил физик Мете Ататюр (Mete Atatüre) из Кембриджского университета, один из авторов новой работы по поискам признаков магнитного монополя.

В этой работе, опубликованной в журнале Nature Materials, международная группа исследователей во главе с учёными из Кембриджского университета в Великобритании наблюдала монопольное поведение магнитных полей при прохождении через гематит, материал, похожий на обычную ржавчину.

Сразу уточним, что это не наблюдение за поведением гипотетической частицы. Это попытка оценить закономерности, которые можно было бы выявить в процессе наблюдения настоящего магнитного монополя. На практике учёные обнаружили и изучили связь между спиновыми паттернами в антиферромагнитных материалах под воздействием точечного приложения магнитного поля, которое имитировало магнитный заряд монополя.

«Проблемой всегда было прямое отображение этих структур в антиферромагнетиках из-за их более слабого магнитного притяжения, но теперь мы можем сделать это с помощью забавного сочетания алмазов и ржавчины», — сказал физик Энтони Тан (Anthony Tan) из Кембриджского университета.

Источник изображения: Nature Materials, 2023

Использовать слово ржавчина в сочетании с алмазами учёные считают забавным. Но это лишь гематит — широко распространённый минерал железа Fe₂O₃, обычная железная руда. Это антиферромагнетик с нейтральным магнитным полем в обычном состоянии. Упорядоченная и нейтральная структура магнитных доменов в этом материале легко локализуется на очень и очень маленьких масштабах. Для вывода её из равновесия использовалась тончайшая алмазная игла, точнее — алмазная квантовая магнитометрия. С помощью детектирования ориентации спина электронов в игле можно измерять слабые магнитные поля в образце не нарушая их.

По сути, учёные создали имитацию воздействия гипотетической частицы на магнитную решётку образца и смогли увидеть это воздействие прибором. Это открывает путь к новым методам поиска неуловимой частицы, обнаружение которой невозможно переоценить для современной физики.

В дальнейшем результаты этого исследования могут быть использованы для разработки компьютерных технологий, которые будут быстрее, чем те, что мы имеем сегодня, и более бережны к окружающей среде (за счет более низкого энергопотребления), за что нужно будет благодарить особые свойства антиферромагнитных материалов.

«Мы показали, как алмазная квантовая магнитометрия может быть использована для разгадки таинственного проявления магнетизма в двумерных квантовых материалах, что может открыть новые области исследований в этой сфере», — пояснил Тан.

Один из постулатов квантовой физики говорит, что материя может возникать с помощью одного только света (фотонов). На практике проверка этого требует колоссальных энергий и ещё ни разу не проверялось в лаборатории. Группа учёных из США и Японии нашла условия, при которых такой эксперимент становится возможным с использованием современных лазеров.

Источник изображения: SciTechDaily.com

Следует сказать, что косвенно синтез материи из энергии света был реализован в лаборатории и не один раз за последние два–три года. Учёные разгоняли ионы золота и других тяжёлых металлов до релятивистских скоростей. На такой скорости ионы были окружены облаками фотонов, что вело к столкновениям между фотонами при сближении ионов металлов. В этих столкновениях рождались частицы и античастицы (обычно электроны и позитроны). Иначе говоря, фотон-фотонные взаимодействия порождали материю, что прекрасно регистрировалось научными приборами.

Повторить подобный эксперимент с одними только лазерными лучами — воспроизвести чистый эксперимент перехода энергии в материю — это подняться на другой уровень науки. Как это сделать, рассказала группа исследователей из Университета Осаки и Калифорнийского университета в Сан-Диего. Они использовали моделирование, чтобы продемонстрировать, как можно экспериментально производить материю исключительно из света, что в будущем может помочь проверить давние теории об эволюции Вселенной.

«Наше моделирование демонстрирует, что при взаимодействии с интенсивными электромагнитными полями лазера плотная плазма может самоорганизовываться, образуя фотон-фотонный коллайдер, — объяснил доктор Сугимото (Sugimoto), ведущий автор исследования, ранее опубликованного в журнале Physical Review Letters. — Этот коллайдер содержит плотную популяцию гамма-лучей, в десять раз более плотных, чем плотность электронов в плазме, и энергия которых в миллион раз превышает энергию фотонов в лазере».

При столкновениях фотона с фотоном в коллайдере образуются электрон–позитронные пары, а позитроны ускоряются электрическим полем плазмы, создаваемым лазером. В результате получается позитронный пучок.

«Это первое моделирование ускорения позитронов в рамках линейного процесса Брейта–Уилера в релятивистских условиях, — сказал профессор Арефьев, соавтор исследования. — Мы считаем, что наше предложение экспериментально осуществимо, и с нетерпением ждем реализации в реальном мире». Доктор Вячеслав Лукин, директор программ Национального научного фонда США, который поддержал работу, добавил: «Это исследование показывает потенциальный способ исследовать тайны Вселенной в лабораторных условиях. Будущие возможности сегодняшних и будущих мощных лазерных установок стали еще более интригующими».

Физика процесса. Источник изображения: Yasuhiko Sentoku

Суть процесса в том, что облучаемая доступными сегодня лазерами плазма в состоянии близком к критическому, способна самоорганизоваться и не только произвести позитроны (и электроны), но также ускорить их до ультрарелятивистских энергий. Лазерный импульс накапливает электроны на своем переднем крае, создавая сильное продольное электрическое поле плазмы. Поле создает движущийся гамма-коллайдер (своеобразный фронт волны, где происходят столкновения гамма-квантов), который генерирует позитроны с помощью линейного процесса Брейта-Уилера — аннигиляции двух гамма-квантов в электрон-позитронную пару. В то же время ускорителем для позитронов служит плазменное поле, а не лазер, как показано на иллюстрации выше.

Именно открытие позитронного ускорения обещает возможность создать установку для первого в истории преобразования чистой энергии в материю. Для этого будет достаточно использовать доступные лазеры с интенсивностью 10²² Вт/см². Моделирование показало, что позитронный пучок приобретёт энергию уровня гигаэлектрон-вольт с углом расхождения около 10 ° с зарядом 0,1 pC (10⁶ электронов в импульсе). Ранее считавшееся фантастикой станет реальностью, но совсем не так, как в кино. Репликаторы из этого вряд ли получатся. Но подтверждение Стандартной модели и, не исключено, новая физика — это достойная награда за открытие.

Загадочная физика так называемых странных металлов 40 лет ставит учёных в тупик. Проблески в понимании вопроса уже есть, но исследования продолжаются и открывают всё новые и новые необъяснимые свойства вещества. Свежее исследование показало, что электрический ток в странных металлах течёт с нарушением известной нам физики и учёные пока не понимают, почему это происходит.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2/3DNews

Странные металлы условно занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. У них уже есть свободные электроны, способные переносить электрический заряд (обеспечить течение тока), но они пока ещё не становятся проводниками в полном смысле этого слова. Начать понимать природу странных металлов помог синтез квантовой и классической физики. В то же время он показал, что тот же эффект электрического тока, например, мы понимали, скорее всего, неправильно.

В основе современной теории электрического тока лежит перенос заряда квазичастицами, представленными коллективными действиями электронов. Дискретная природа электрического тока проявляется в случае так называемого дробного шума, когда ток в сети проявляется всплесками, а не в виде равномерного переноса заряда постоянной величины. Чтобы узнать, как ток течёт в странных металлах, учёные создали такие условия, чтобы можно было следить едва ли не за каждым электроном.

В основе измерительного стенда лежали нанопроводники из соединения иттербия, родия и кремния (YbRh₂Si₂) шириной 200 нм и длиной 600 нм. Это соединение относится к странным металлам и, как и прочие странные металлы, обладает нетипичными свойствами вблизи абсолютного нуля. Если бы электрический ток тёк через этот материал так, как мы представляем — дискретно группами коррелированных электронов в виде квазичастиц, то ничего странного не произошло бы. Однако в ходе эксперимента учёные убедились, что ток продолжал течь плавно без свойственных дробному шуму флуктуаций как вода по широкому жёлобу.

Говоря иначе, заряд отчасти передавался как будто без участия электронов, что представляется невероятным. Возможно, в металлах происходит всё то же самое, и носителем заряда служит нечто другое помимо электронов. Несомненно в этом проявляются квантовые эффекты, но каким образом, физикам ещё предстоит объяснить.

Ответ на этот вопрос поможет приблизить открытие сверхпроводимости при обычной температуре, ведь одним из коренных свойств странных металлов является совершенно отличное от металлов поведение удельного сопротивления вблизи абсолютного нуля. У металлов оно меняется скачком от нуля до высокого, а у странных металлов вместо скачка оно растёт постепенно и линейно. Дотянуть бы его небольшим до высоких температур, и будет всем счастье в энергетике.

Учёные из коллаборации Telescope Array сообщили о регистрации «божественной» частицы, прилетевшей к нам из космоса. Поскольку частица прилетела из войда — из пустой области Вселенной — её источником может оказаться неизвестная нам физика, что делает открытие невообразимо ценным для учёных.

Ливень из вторичных частиц на массив датчиков телескопа TA в представлении художника. Источник изображения: Osaka Metropolitan University/L-INSIGHT, Kyoto University/Ryuunosuke Takeshige

Зарегистрированная энергия космической частицы достигла 244 эксаэлектронвольта (10¹⁸ электронвольт). Она стала одной из мощнейших по величине заряда из всех зарегистрированных нашей наукой. Первая подобная частица была детектирована в 1991 году, и её энергия составила 320 эксаэлектронвольт, за что она получила прозвище «Oh-My-God». В 1993 и 2001 годах были зарегистрированы ещё две частицы с энергиями, соответственно, 213 и 280 эксаэлектронвольт. Происхождение всех их остаётся невыясненным.

Последняя частица была детектирована на установке Telescope Array утром 27 мая 2021 года, за что её потом назвали в честь японской богини Солнца Аматэрасу (в коллективе присутствовал японец). Телескоп TA представляет собой массив датчиков со сторонами около 700 км с шагом в 1,2 км. Считается, что космические частицы максимальных энергий прибывают на Землю с частотой менее одной в сто лет на 1 км². И чем больше массив датчиков, тем выше вероятность засечь такую частицу.

Саму частицу Аматэрасу массив датчиков увидеть не может. Она разрушается в атмосфере при столкновении с атомами в воздухе и создаёт ливень обломков — частиц с меньшими энергиями, которые, собственно, обнаруживают детекторы. Данные с датчиков позволяют восстановить параметры исходной частицы и дают информацию для расчёта её траектории. Узнать откуда она прилетела — это главная задача в таких исследованиях.

Считается, что частицы с высочайшими уровнями энергии рождаются вне нашей галактики. Их источниками могут быть релятивистские процессы в чёрных дырах или невообразимые по мощности гравитационные возмущения. Наконец, причиной появления таких частиц может оказаться неизвестная нам физика вне рамок Стандартной модели. Частица Аматэрасу может оказаться одной из таких, поскольку она пришла из области Вселенной, где нет никаких видимых источников. Для учёных это редкая возможность буквально пощупать нечто неизвестное науке, и они обещают в полной мере воспользоваться этим.

Немецкие учёные из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене и Нюрнберге (FAU) создали и испытали самый крошечный в мире ускоритель элементарных частиц. Длина вакуумной трубы, в которой происходит ускорение электронов, всего 0,5 мм, что в 54 млн раз меньше размеров другого ускорителя — Большого адронного коллайдера, который расположен на другом конце шкалы этих научных приборов. Но малютка нужна не для науки. Она необходима для медицины и не только.

Источник изображения: FAU/Laser Physics, Stefanie Kraus, Julian Litzel

Учёные хотели бы увидеть свой прибор в качестве инструмента для борьбы с опухолями внутри тела человека. Это была бы намного более щадящая терапия, чем традиционная радиационная. Крошечный ускоритель мог бы располагаться на конце эндоскопа и стать своеобразным оружием в борьбе с этим смертельным заболеванием непосредственно на месте.

Идея миниатюрного ускорителя электронов или нанофотонного ускорителя электронов (NEA), как назвали его учёные, была предложена в 2015 году. Кроме учёных из Германии свой нанофотонный ускоритель электронов создали исследователи из Стэнфордского университета. Однако учёные из Университета им. Фридриха-Александра первыми прошли этап рецензирования статьи и сообщили об успехе в журнале Nature.

«Впервые мы действительно можем говорить об ускорителе частиц на [микро]чипе», — поделился достижением соавтор исследования физик из FAU Рой Шилох (Roy Shiloh).

В микроскопической вакуумной трубке ускорителя диаметром всего 225 нм, что многократно тоньше человеческого волоса, содержатся тысячи отдельных «столбиков», на которые направляются лазерные импульсы соизмеримой мощности. Импульсы возбуждают в гребёнке электромагнитное поле, которое и ускоряет электроны.

Представленный экземпляр ускорителя разгоняет электроны всего на 43 %, придавая им энергию 40,7 кэВ с изначальных 28,4 кэВ (килоэлектронвольт). Для практических целей этого мало, но учёные находятся только в начале пути и рассчитывают создать ускорители с более высокими энергиями, хотя до БАКа, конечно же, они не дотянутся. Но будет любопытно наблюдать, как приборы из фундаментальной физики начнут проникать в повседневную жизнь. Это ли не фантастика?

В 2023 году Нобелевская премия по физике присуждена Анн Л'Юилье (Anne L’Huillier), Ференцу Краусу (Ferenc Krausz) и Пьеру Агостини (Pierre Agostini) «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электрона в материи».

Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л'Юилье (слева направо). Источник изображения: nobelprize.org

Шведская королевская академия наук подчеркнула заслуги этих учёных в генерации коротких световых импульсов, которые помогут в изучении электронов — в этом масштабе события происходят за несколько десятых долей аттосекунды, или 10^-18 с. В одной секунде столько же аттосекунд, сколько секунд прошло с момента рождения Вселенной. Лауреатам удалось создать аттосекундные импульсы, которые помогут фиксировать изображения процессов внутри атомов и молекул — «открыть дверь в мир электронов», как выразилась глава нобелевского комитета по физике Ева Олссон (Eva Olsson). На практике эти импульсы окажутся полезными в электронике и медицине.

Анн Л'Юилье служит профессором физики в Лундском университете (Швеция). В 1987 году она открыла образование обертонов света при прохождении инфракрасного лазерного излучения через инертный газ — лазер сообщает электронам дополнительную энергию, которая излучается в виде света. В 2003 году это открытие помогло профессору сгенерировать рекордно короткий импульс продолжительностью 170 аттосекунд.

Пьер Агостини из университета штата Огайо (США) в 2001 году запустил серию импульсов продолжительностью по 250 аттосекунд. Ференц Краус, работающий в Мюнхенском университете имени Людвига и Максимилиана (ФРГ) сгенерировал и измерил первый в истории искусственный аттосекундный импульс, положивший начало аттофизике — его продолжительность составила 650 аттосекунд.