Далёкие и непостижимые чёрные дыры сложно рассматривать как объекты для активных экспериментов. Поэтому для лабораторных опытов учёные создали оптический аналог чёрной и даже гипотетической белой дыры. Разработанное устройство ведёт себя как чёрная или белая дыра — поглощая или отражая свет в зависимости от поляризации. Оно может помочь в изучении космических явлений и создании технологий будущего.

Источник изображения: University of Southampton

В общей теории относительности Эйнштейна чёрные дыры известны своей способностью поглощать свет и материю, искривляя пространство-время и создавая границу, за которой даже свет не может покинуть чёрную дыру. Строго говоря, чёрные дыры всё ещё считаются гипотетическими объектами, хотя в их существовании почти не осталось сомнений. Белые дыры, которые, согласно гипотезам, не позволяют свету и материи проникнуть внутрь, известны исключительно как теоретические конструкции, «существующие» в решениях уравнений Эйнштейна.

Группа исследователей из Саутгемптонского университета (University of Southampton) разработала революционное оптическое устройство, которое одновременно имитирует физику чёрных дыр и их загадочных двойников — белых дыр, но только в оптическом диапазоне. Настоящая гравитация чёрных дыр по-прежнему остаётся недоступной для воспроизведения в лабораторных условиях.

Эти «оптические аналоги» используют принцип когерентного идеального поглощения, чтобы в зависимости от поляризации либо поглощать, либо отражать свет — подобно тому, как чёрные дыры поглощают материю, а гипотетические белые дыры её испускают. Это открывает новые возможности для изучения далёких космических явлений в лабораторных условиях и для разработки передовых технологий, таких как системы преобразования энергии и стелс-материалы.

Формируя стоячую волну и направляя её на сверхтонкий поглощающий материал, устройство может либо поглощать почти весь свет, либо пропускать его — имитируя поведение чёрных дыр или предполагаемое отражающее поведение белых. По сути, это лабораторная система, способная улавливать или отталкивать свет в зависимости от его поляризации.

Внешне устройство представляет собой двойную призму с тонкой плёнкой посередине. Плёнка имитирует оптическое поведение чёрной и белой дыры, причём делает это математически точно. Это означает, что теперь можно проводить эксперименты, которые воспроизводят поведение реальных астрофизических объектов.

Эксперименты, проведённые командой исследователей, подтвердили работоспособность концепции: устройство управляет электромагнитными волнами таким образом, что это действительно отражает поведение гравитационных чёрных и белых дыр. Моделирование показало отсутствие отражения от устройства — как в случае с аналогом чёрной дыры, — и образование стоячей волны из-за интерференции падающего и отражённого света — как в случае с белой дырой.

Учёные отмечают: «Наше оптическое устройство можно использовать как аналог для изучения физики этих далёких небесных явлений, а также как практическую основу для целого ряда потенциальных применений, связанных с адаптацией электромагнитных волн и усилением взаимодействия света и материи — таких как обнаружение, преобразование энергии, мультиспектральная маскировка, стелс-технологии и многое другое».

Явление магнетизма широко используется в электронике и запоминающих устройствах. Оба направления привлекают внимание большого круга учёных своей высочайшей практической ценностью. Очевидно, что границы возможностей и применяемых материалов постоянно нуждаются в расширении. Прорыв смогли совершить японские учёные, обнаружив уникальные магнитные свойства у материалов, которые, как считалось, не должны были их проявлять.

Поиск взаимодействия между антиферромагнетизмом, зонной топологией и сильными электронными взаимодействиями. Источник изображения: Ray et al 2025

Магнитные материалы в лице ферромагнетиков с упорядоченными спинами электронов способны демонстрировать аномальный эффект Холла. Обычный эффект Холла возникает во внешнем магнитном поле при пропускании тока через магнитный образец. В случае аномального эффекта Холла поле в образце (разность потенциалов на его концах или напряжение) возникает в магнитном материале даже без внешнего магнитного поля.

Подобного явления никто не ожидал в случае антиферромагнетиков. Спины в таких материалах неупорядочены и компенсируют друг друга при противоположной ориентации. Однако даже в антиферромагнетиках были обнаружены признаки аномального эффекта Холла. Это означает, что в качестве магнитной памяти может использоваться новый класс материалов со своими уникальными свойствами, что потенциально обещает улучшение характеристик запоминающих устройств. Теперь необходимо тщательно разобраться в этом явлении и подвести фундаментальную научную базу — именно этим и занялись учёные из Японии.

«Ранее уже сообщалось об аномальном эффекте Холла, возникающем в определённом классе коллинеарных антиферромагнетиков, — говорят исследователи. — Однако наблюдаемые сигналы были чрезвычайно слабыми. Выявление аномального эффекта Холла без намагниченности представляло большой научный и технологический интерес».

«Одной из главных задач нашего исследовательского проекта было создание последовательной научной картины на основе наших наблюдений, — заявляют авторы новой работы. — Каждый шаг требовал тщательной интерпретации, особенно из-за структурных нарушений, характерных для систем дихалькогенидов переходных металлов (TMD)».

Учёные использовали семейство материалов под названием дихалькогениды переходных металлов в качестве двумерных строительных блоков. Вставляя магнитные ионы между атомными слоями, исследователи могли управлять движением и взаимодействием электронов. Модифицированная до трёхмерного состояния структура продемонстрировала новое поведение, невозможное в двумерной форме. Только после этого исследователям удалось измерить аномальный эффект Холла в широком диапазоне температур и магнитных полей.

Кроме того, учёные из США предоставили доказательства в виде микроскопических изображений образцов, подтверждающих коллинеарную антиферромагнитную структуру материала. Затем результаты были сопоставлены с теоретическим анализом и расчётами, выполненными группой учёных из Токийского университета.

Полученные результаты стали первым убедительным экспериментальным доказательством аномального эффекта Холла, наблюдаемого в коллинеарных антиферромагнетиках. Поскольку традиционно считается, что аномальный эффект Холла связан с намагниченностью, его обнаружение в подобных материалах указывает на явления, выходящие за рамки стандартного понимания. Исследователи предполагают, что это связано с уникальной структурой электронных зон материала, которая вызывает появление так называемого «виртуального магнитного поля» и усиливает аномальный эффект Холла в отсутствие намагниченности. Работа будет продолжена, поскольку полного понимания физики этого процесса пока не достигнуто.

Одна из величайших загадок современной физики элементарных частиц — определение массы покоя нейтрино. Точнее, суммы масс, поскольку нейтрино осциллируют — превращаются по мере движения последовательно из одного типа в другой. От массы нейтрино зависят множество гипотез в космологии и понимание того, как устроена наша Вселенная. Но эта масса столь мала, а сами нейтрино настолько слабо взаимодействуют с материей, что зафиксировать их оказалось крайне сложно.

Спектрометр доставляют в институт. Источник изображения: katrin.kit.edu

Пока в США и Китае строятся новые колоссальные подземные комплексы для регистрации нейтрино, в Германии с 2019 года на базе института в Карлсруэ проводится эксперимент по измерению массы нейтрино. Этим занимается коллаборация KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment), установку для которой также помогали разрабатывать российские физики из Института ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) в Троицке.

Эксперимент KATRIN строится вокруг 200-тонного спектрометра. Учёные измеряют массу (энергию) электронного антинейтрино с высокой точностью, используя бета-распад трития. Само (анти)нейтрино, которое образуется в процессе распада, остаётся неуловимым, но его энергию, а значит, и массу можно рассчитать, вычтя из уравнения массу электрона, также испускаемого в процессе распада.

В 2022 году на основании измерений энергий 6 млн электронов верхняя граница массы покоя нейтрино была установлена на уровне 0,8 эВ (электрон-вольта). Последний пакет наблюдений продолжался 259 дней и позволил измерить энергии уже 36 млн электронов. Новые данные почти в два раза снизили потолок массы нейтрино — до 0,45 эВ. До конца года учёные получат 250 млн измерений, и это даст возможность наиболее точно экспериментально измерить массу нейтрино.

Более того, есть шанс впервые увидеть трек, оставленный нейтрино на детекторе. Возможности самой установки не позволяют определять энергию частиц менее 0,2 эВ, но учёные надеются, что масса нейтрино окажется выше этого значения.

Нейтрино считаются наиболее распространёнными после фотонов частицами во Вселенной. Их свойствами, включая массу, можно попытаться объяснить и тёмную материю, и тёмную энергию. Несмотря на свою лёгкость, плотность нейтрино настолько высока, что эти частицы вполне могут играть роль скрытого механизма многих процессов во Вселенной. Поэтому точное определение их массы поможет ответить на множество фундаментальных вопросов мироздания. И этот момент неуклонно приближается.

Группа физиков из Принстонского университета (Princeton University) провела эксперимент, в ходе которого они исследовали, можно ли использовать вращение Земли для генерации электроэнергии. Хотя измеренное напряжение оказалось крайне низким, сама концепция вызвала интерес у специалистов, поскольку представляет собой редкую попытку напрямую использовать кинетическую энергию планеты. Останется ли она перспективной основой для получения возобновляемой энергии, пока неизвестно.

Источник изображений: journals.aps.org

В марте 2025 года группа физиков под руководством Кристофера Чайбы (Christopher Chyba) представила результаты эксперимента, в рамках которого была предпринята попытка задействовать вращение Земли для генерации электроэнергии. Это направление, несмотря на его внешнюю простоту, начало серьёзно изучаться в физике лишь в последнее десятилетие. «Идея несколько контринтуитивна, и о ней спорили со времен Фарадея», — заявил Пол Томас (Paul Thomas), физик из Университета Висконсин-О-Клэр (University of Wisconsin-Eau Claire), который не принимал участия в исследовании.

Исследователи сориентировали специальное устройство, состоящее из слабого марганец-цинкового ферритового проводника с электродами на концах, под углом 57 градусов, перпендикулярно вращательному движению Земли и её магнитному полю. Такая конфигурация, по расчётам команды, могла создать условия, при которых движение устройства относительно магнитного поля приведёт к возникновению электрического потенциала.

Эксперимент по сбору энергии. Цилиндр размещён под углом, перпендикулярным магнитному полю Земли и направлению её вращения. Датчики фиксируют напряжение между концами цилиндра. Измерения проводятся в темноте, чтобы исключить влияние фотоэлектрического эффекта

В ходе эксперимента устройство сгенерировало напряжение величиной 17,84 микровольта, что составляет лишь малую долю от напряжения, выделяемого одним нейроном. Несмотря на это полученный результат был описан как «спорный, но интригующий». Стоит учитывать, что столь малое напряжение крайне сложно изолировать от других физических воздействий. Физик на пенсии Ринке Вейнгаарден (Rinke Wijngaarden), проводивший аналогичный эксперимент в 2018 году и не зафиксировавший эффекта, сообщил, что по-прежнему убеждён, что теория Чайбы и других учёных неверна.

Теоретически устройство может работать, если генератор движется сквозь магнитное поле Земли, части которого остаются неподвижными, что приводит к возникновению тока. Однако, как отмечает журнал Nature, в результате этого электроны могут перераспределиться, создавая противодействующую силу, которая нивелирует эффект. По словам Чайбы и его команды, им удалось устранить этот эффект благодаря созданию специального материала, не склонного к такому перераспределению, поскольку он поддерживает постоянную электростатическую силу внутри устройства.

Группа физиков планирует масштабировать эксперимент, чтобы генерировать практически полезное количество энергии. По их расчётам, если систему удастся довести до такого масштаба, при котором она сможет удовлетворять энергетические потребности всей планеты, вращение Земли замедлится всего на 7 миллисекунд за 100 лет — что сопоставимо с тем, насколько замедляет вращение планеты гравитация Луны за тот же период. Одним словом, предстоит ещё много исследований, прежде чем учёные смогут окончательно утверждать, что способны использовать энергию вращения Земли для выработки электроэнергии.

Новая научная работа устанавливает самые строгие ограничения на квантовую гравитацию, которая считается ключом к созданию «теории всего» — универсальной модели мироздания, охватывающей как квантовую физику, так и классическую механику. Исследование основано на изучении свойств нейтрино с помощью подводного детектора KM3NeT в Средиземном море. Выводы, сделанные на основе показаний датчиков, указали на дальнейшие направления поиска.

Визуализация эксперимента. Источник изображения: KM3NeT

Нейтринный телескоп KM3NeT — это крупная подводная обсерватория, предназначенная для обнаружения нейтрино по их взаимодействию с водой. Она состоит из двух детекторов. В эксперименте по поиску признаков квантовой гравитации использовался детектор ORCA, расположенный на глубине около 2450 метров у берегов Тулона (Франция).

Квантовая гравитация — это недостающее звено между общей теорией относительности и квантовой механикой. Пока она остаётся лишь гипотезой, потенциальным ключом к единой теории, способной объяснить как бесконечно большое, так и бесконечно малое. Решение этой головоломки может скрываться в скромном нейтрино — элементарной частице, не имеющей электрического заряда и почти невидимой, поскольку она крайне редко взаимодействует с материей, беспрепятственно проходя сквозь всё на нашей планете.

Именно поэтому нейтрино так трудно обнаружить. Однако в редких случаях частица может взаимодействовать, например, с молекулами воды на дне моря. В таком случае возникает так называемое черенковское излучение — слабое свечение, которое можно зафиксировать фотодетекторами. Толща воды отсеивает большинство элементарных частиц земного и космического происхождения, тогда как нейтрино беспрепятственно проникают на глубину.

Известно, что в процессе путешествия нейтрино осциллируют — изменяют свою массу. Однако в сумме их масса остаётся неизменной, находясь в состоянии квантовой суперпозиции. Это фундаментальное свойство нейтрино, которое также можно описать понятием когерентности. Если квантовая гравитация существует (а её предсказывают некоторые модели), то в ряде случаев она может нарушать когерентность нейтрино. Именно этот эффект — декогерентность — пытались зафиксировать детекторы KM3NeT.

Однако исследование не выявило отклонений в осцилляциях нейтрино. Они вели себя так, словно квантовой гравитации не существует. Но даже этот результат имеет важное значение, поскольку он накладывает новые, самые строгие на сегодняшний день ограничения на модели квантовой гравитации.

«Это, — объясняют учёные, — означает, что если квантовая гравитация действительно влияет на осцилляции нейтрино, то интенсивность этого влияния ниже пределов текущей чувствительности». Исследование установило верхнюю границу силы этого эффекта, которая теперь является более жёсткой, чем та, что была определена предыдущими экспериментами с атмосферными нейтрино. Оно также указывает направления для будущих исследований.

«Обнаружение декогеренции нейтрино стало бы большим прорывом, — поясняют исследователи. — До сих пор не было найдено никаких прямых доказательств существования квантовой гравитации, поэтому эксперименты с нейтрино привлекают всё больше внимания. Интерес к этой теме растёт. Люди, изучающие квантовую гравитацию, крайне заинтересованы в этом, поскольку, вероятно, декогеренцию нельзя объяснить никакими другими факторами».

16 марта начнёт работу конференция American Physical Society (APS), на которой ожидаются горячие дебаты по поводу разработанного компанией Microsoft квантового процессора Majorana 1 на не открытых физиками частицах — фермионах Майораны. Все работы Microsoft по поводу разработки были настолько сомнительными, что ряд физиков открыто обвиняют компанию в мошенничестве. В научном сообществе конференцию APS ждут с нетерпением и советуют запасаться попкорном.

Источник изображений: Microsoft

Заявления Microsoft о прорыве в разработке квантовых процессоров были сделаны в феврале, когда компания объявила, что её собственные специалисты создали «первый в мире топопроводник — революционный тип материала, который позволяет регистрировать майорановские частицы и управлять ими для создания более надёжных и масштабируемых кубитов, которые являются строительными блоками для квантовых компьютеров».

Поскольку фермионы Майораны пока ещё никто из физиков не регистрировал, множество учёных восприняли заявления Microsoft о квантовом прорыве как «ненадёжные» и «по сути мошеннические». В то же время в компании настаивают, что всё сделали правильно, и скоро поделятся ещё более впечатляющими результатами, в частности, на предстоящей конференции APS. Почему это не было сделано сразу, в компании не объясняют.

Один из аргументов Microsoft заключается в том, что статья была направлена для публикации в марте 2024 года, но вышла в печать в феврале 2025 года, хотя практика исправлять статьи широко распространена, и никто не мешал внести правки перед публикацией.

Microsoft и раньше делала громкие заявления о частицах Майораны, но ничем хорошим это не заканчивалось: в 2021 году исследователи из Редмонда отказались от статьи 2018 года, в которой они утверждали, что обнаружили эти частицы. Новая статья также изобилует пробелами и неточностями, на которые специалисты начали указывать после публикации в Nature. Развёрнутый ответ на критику компания обещает дать на конференции APS в период с 16 по 21 марта.

Генри Легг (Henry Legg), преподаватель теоретической физики в Сент-Эндрюсском университете в Великобритании (University of St Andrews), недавно опубликовал критический обзор в виде препринта на сайте arXiv.org, в котором утверждает, что работа гиганта программного обеспечения «ненадёжна и требует повторного рассмотрения».

Винсент Мурик (Vincent Mourik), физик-экспериментатор из немецкой национальной исследовательской организации Forschungszentrum Jülich, и Сергей Фролов, профессор физики и астрономии в Университете Питтсбурга в США (University of Pittsburgh), использовали YouTube, чтобы раскритиковать «отвлекающие факторы, вызванные ненадежными научными заявлениями Microsoft Quantum».

В интервью The Register Фролов пошел ещё дальше: «Эти опасения возникли довольно давно, так что [реакция сообщества] была вызвана не только этим объявлением как таковым. Оно было сделано в такой экспрессивной манере, что, я думаю, вызвало реакцию, но [не изменило] основного понимания того, что это, по сути, мошеннический проект». Фролов пояснил своё резко негативное отношение к открытию тем, что «это предполагаемая технология, основанная на фундаментальных физических законах, которые не были установлены». «Так что это довольно серьёзная проблема», — сказал учёный.

Фролов также заявил, что несколько недель назад в преддверии встречи APS на следующей неделе Microsoft уже поделилась данными с избранными исследователями, и это не укрепило уверенность приглашённых на мероприятие учёных в заявлениях компании. «Меня там не было, но я поговорил с несколькими людьми, которые были там… и они были не в восторге, и было много критики», — сказал он.

Физик уверен, что встреча APS на следующей неделе не решит этот вопрос по двум причинам. Во-первых, он считает, что Microsoft неправильно поняла науку: «Как физик я могу сказать, что этот кубит, о котором они говорят, просто не может работать, потому что топологический кубит требует майорановских частиц, а без майорановских частиц он не может существовать».

«Если все ваши результаты по Майоране будут тщательно изучены и подвергнуты критике, то это ни в коем случае не будет топологическим кубитом. Это оставляет только один вариант: это… ненадёжная демонстрация. И именно поэтому я говорю о мошенничестве, потому что на данный момент у меня нет других слов», — продолжает свои рассуждения Фролов.

По мнению профессора, формат конференции APS на следующей неделе не позволит тщательно изучить заявления Microsoft. В письме в адрес APS он пеняет организаторам за то, что они не пригласили выступить с докладом критиков Microsoft. Также в письме содержится призыв к APS раскрыть информацию о выплатах, полученных от Microsoft, и уведомить участников конференции о проблемах сообщества, связанных с заявлениями гиганта программного обеспечения. Также автор обращения желает, чтобы Microsoft поделилась исчерпывающими данными о своём исследовании, чтобы при необходимости внести исправления.

Критика со стороны Генри Легга связана с его мнением, что Microsoft опирается на тесты, которые не работают. «С этим так называемым протоколом топологического зазора возникает много проблем, — объяснил Легг. — И, в конечном счёте, он не даёт никакой информации о реальной физике, которая происходит в этих устройствах. В итоге протокол чувствителен к таким вещам, как диапазоны измерений». По мнению физика, компания в разных статьях использует разные диапазоны измерений, что она никак не объясняет в последней работе. Также учёный прослеживает несоответствия в статьях Microsoft за разные годы.

«У них было определение топологического [состояния], а потом они его изменили, — сказал он. — По сути, они превратили его в нечто почти бессмысленное и, безусловно, бессмысленное, когда дело доходит до создания топологического кубита».

Проблема, с которой столкнулась Microsoft, объяснил Легг, схожа с проблемой, из-за которой исследователи компании отозвали свою статью 2018 года. По его словам, это стало необходимым, потому что описанное в ней поведение не было доказательством существования частиц Майораны, а лишь описанием нарушения в системе.

«Суть в том, что системы, на которые они смотрят, по-прежнему так же неупорядочены, и качество устройств не улучшилось. Единственное, что улучшилось, — это качество пиар-кампании или, по крайней мере, уровень заявлений, которые они делают. И я бы сказал, что почти все в этой области [науки] согласны с этим», — отстаивает свою позицию учёный.

В Microsoft обещают дать развёрнутый ответ на предстоящей конференции, продолжая настаивать на том, что они придерживаются научного подхода, и претензий со стороны рецензентов и редакции журнала Nature не было.

Учёные провели интересный эксперимент по получению новой фазы вещества — сверхтекучего твёрдого тела (Supersolid). Но самое ценное в этом исследовании — то, что вещество было получено путём превращения в него лазерного луча. Ранее в состояние сверхтекучего твёрдого тела учёные переводили более материальные субстанции, например газы. Со светом такой эксперимент проведён впервые, что может дать новые подсказки в поиске ответов о сущностях квантового мира.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Состояние сверхтекучего твёрдого тела представляет собой сочетание твёрдых свойств с характеристиками сверхтекучей жидкости. Обычно такие состояния наблюдали у сверхохлаждённого гелия. Молекулы газа располагались в подобии кристаллической решётки, что позволяет относить supersolid-состояния к кристаллическим. В общем случае такие материалы характеризуются отсутствием вязкости, что также было подтверждено в эксперименте.

Чтобы создать сверхтекучее твёрдое вещество, исследователи направили лазер на пластину арсенида галлия, на которой были нанесены специальные бороздки. Когда свет попадал на эти бороздки, взаимодействие между ним и материалом приводило к образованию поляритонов — особых гибридных частиц, которые удерживались в бороздках заранее заданным образом. Это заставляло поляритоны выстраиваться в кристаллическую структуру и, таким образом, проявлять свойства сверхтекучего твёрдого тела, о чём учёные рассказали в свежем выпуске журнала Nature.

Источник изображения: Nature 2025

Группа исследователей планирует продолжить работу с новой фазой вещества, созданной из света, чтобы глубже изучить его структуру. Учёные отмечают, что новое состояние вещества, сформированное из света, может быть проще в исследовании, чем материалы, состоящие из атомов. Это, в свою очередь, поможет лучше понять природу материи в целом.

Кому-то это покажется странным, но в природе подтверждено существование 22 форм или фаз льда, две из которых аморфные, а остальные кристаллические. Повсеместно на Земле и в жизни человека встречается кристаллический лёд формы Ih, реже — две другие формы кристаллического льда: Ic, встречающийся только в верхних слоях атмосферы, и XI, обнаруженный в Антарктиде. Недавно учёные создали ещё одну форму — «пластичный» лёд, ранее известный только в теории.

Источник изображения: Institut Laue-Langevin

Важно отметить, что открытие не было сделано из чистого любопытства. Подобный лёд мог образовываться в недрах таких планет, как Нептун, а также в подлёдных глубинах глобального океана Европы и других спутников Сатурна и Юпитера. Синтез образцов такого льда позволил бы изучить его свойства и сопоставить с теоретическими данными, помогая нам лучше понимать иные миры, столь отличные от Земли.

При давлении выше 20 000 бар (20 000 кг/см²) ледяные кристаллы сжимаются и превращаются в лёд VII с плотной кубической структурой, в которой молекулы расположены подобно кубикам в кубике Рубика. Лёд VII был обнаружен в алмазах, образовавшихся в мантии Земли, и считается, что он может встречаться внутри других планет.

Более 15 лет назад компьютерное моделирование показало, что при нагревании и воздействии экстремального давления на лёд VII отдельные молекулы воды должны расположиться по вершинам кристаллической решётки (как в случае обычного льда), но при этом начать свободно вращаться, как в жидкости. Поскольку гипотетическая фаза имела ту же кубическую кристаллическую структуру, что и лёд VII, её назвали пластичным льдом VII. Однако в то время проведение экспериментов при таком высоком давлении было технически невозможно, и убедительных доказательств существования пластичного льда не было.

Исследователи из Института Лауэ-Ланжевена (ILL) во Франции разработали оборудование, способное обеспечивать одновременно необходимое давление и температуру. Воду нагрели до 326 °C и создали давление до 60 000 бар. С помощью квазиупругого рассеяния нейтронов (QENS) образец подвергли облучению и зафиксировали результаты с детекторов. Оказалось, что молекулы воды в вершинах гексагональной кристаллической решётки вращались, как в жидкой воде, но при этом «сохраняли строй» в решётке, оставаясь в твёрдом состоянии.

Тип вращения — прерывистый, с переключением атомарных связей — стал неожиданностью для учёных, поскольку теория такого поведения не предсказывала. В этом и ценность эксперимента: он позволяет обнаружить нечто новое, что теория не смогла предсказать.

При температуре выше 177 °C и давлении около 30 000 бар (примерно в 28 раз выше давления в самой глубокой точке Мирового океана) команда учёных наблюдала фазу льда с кубической кристаллической решёткой, в которой молекулы воды вращались примерно с той же скоростью, что и в жидкой воде. Они определили эту фазу как пластичный лёд VII, окончательно подтвердив его существование.

В Солнечной системе, вероятно, не существует условий для естественного возникновения пластичного льда. Однако уже есть предположения о существовании огромных экзопланет с глобальным океаном, где глубоко под водой могут формироваться условия для появления такой фазы льда на дне. И тогда встаёт вопрос: будет ли осуществляться обмен солями между дном и водой, что могло бы способствовать зарождению жизни? Таких вопросов много, и учёные сделали первый шаг к их изучению, создав искусственный пластичный лёд в лаборатории.

Исследователи из Университета Суррея (University of Surrey) в Великобритании не нашли в квантовой физике признаков запрета на течение времени вспять. Работа носит теоретический характер и не подтверждена экспериментами. В то же время она будоражит воображение потенциальной осуществимостью путешествий в прошлое, что, к сожалению, несовместимо с классической физикой и миром, в котором мы живём.

Источник изображения: ИИ-генерация DALL·E/3DNews

В своём исследовании, удостоенном публикации в журнале Scientific Reports, учёные рассказали о поисках истоков времени. Они стремились найти такую физическую величину или её материальное воплощение, которое бы отвечало за течение времени. Найти искомое коллективу не удалось, но время и силы были потрачены не зря. Из проведённых вычислений следует, что в мире квантовой физики — там, в самой глубине микромира, где всё устроено не так, как в макромире, — нет формального запрета на течение времени в обратном направлении.

В мире нет ничего точнее уравнений квантовой физики. При должном старании и затратах на эксперименты теоретический результат может совпасть с измерениями до двенадцатой цифры после запятой. Поэтому практически любая математически верная выкладка может быть подтверждена экспериментально. Это означает, что многие фантастические сегодня проекты, которые по разным причинам пока невозможно проверить на практике, со временем могут стать реальностью.

Отсутствие теоретического запрета на эволюцию назад во времени могло бы стать одним из таких открытий. Однако на практике это не означает возможность путешествий в прошлое. Всё дело в том, что исследователи изучали не движение и перемещение в привычном смысле, как в научной фантастике, а эволюцию квантовых свойств элементарных частиц. Важно отметить, что учёные показали: их работа не противоречит законам термодинамики. При обращении вектора времени в прошлое энтропия снижается только в пределах квантовой системы, но в классической системе при этом продолжает расти.

Для проведения расчётов учёные воспользовались так называемой цепью Маркова, или термодинамикой Маркова. Это открытая квантовая система, эволюция которой зависит только от её текущего состояния и не имеет памяти. Иными словами, её будущее состояние не зависит от прошлого. Расчёты показывают, что квантовые состояния элементов такой системы способны эволюционировать с равной вероятностью как в будущее, так и в прошлое. Для системы нет разницы, в каком направлении направлен вектор времени. В квантовом мире отсутствует механизм, который мог бы помешать «прокрутить» ход времени вспять.

Международная группа учёных впервые показала возможность простой реализации так называемого отрицательного преломления света, когда свет при переходе через границу разделения сред вопреки всем законам оптики преломляется в иную сторону. Это не чудо. Явление было теоретически обосновано около 60 лет назад. Но для его реализации использовались метаматериалы, что сложно и работает не до конца. Учёные доказали, что всё может быть намного проще.

Источник изображения: Lancaster University

Как известно, свет — фотоны — взаимодействуют с веществом в основном посредством электрической составляющей, а не магнитной. Фотоны определённой длины волны поглощаются электронами в атомах, электроны переходят на новый энергетический уровень и затем уже возбуждённые испускают фотоны, возвращаясь в прежнее состояние, а фотоны летят дальше в направлении, предписанном им природой.

Коллектив учёных из британского Университета Ланкастера (Lancaster University) и японской NTT Basic Research Laboratories атом за атомом создал такое состояние кристаллической структуры, в которой за взаимодействие с фотонами отвечал коллектив атомов, а не каждый отдельный из них, как в природе. В связь со светом вступала фактически чистая кристаллическая решётка — некий материал, а не метаматериал — конструкт, подверженный дефектам и эффектам поглощения излучения с переводом его в тепло и сопутствующими потерями. Очевидно, новый метод со всех сторон выигрышный, хотя его реализация не так проста, как представляется на первый взгляд.

По сути, речь идёт о создании атомных матриц. Они создаются под строгим контролем и управлением, обеспечивая всегда один и тот же результат. В поставленном опыте исследователи выстраивали атомы в условную периодическую кристаллическую решётку, захватывая их в ловушки стоячей волной светового излучения. Учёные описали это как «коробку из-под яиц», сделанную из света.

Профессор Янне Руостекоски (Janne Ruostekoski) из Университета Ланкастера сказал: «В таких случаях атомы взаимодействуют друг с другом через световое поле, реагируя коллективно, а не независимо. Это означает, что реакция отдельного атома больше не является простым руководством к поведению всего ансамбля. Вместо этого коллективные взаимодействия приводят к появлению новых оптических свойств, таких как отрицательное преломление [света], которые невозможно предсказать, исследуя отдельные атомы индивидуально».

Привлекательность отрицательного преломления света заключается в его потенциально революционных применениях, таких как создание совершенных линз или суперлинз, способных фокусировать и получать изображения за пределами дифракционного предела, включая полупроводниковую литографию с разрешением менее нанометра, или разработка маскирующих устройств, которые делают объекты невидимыми.

Учёные из Национального института стандартов и технологий США (NIST) сообщили о создании наиболее точного и не требующего калибровки атомного термометра, который может найти применение в науке, космосе и производстве. Работа прибора строится на принципах квантовой физики и поэтому безупречна. Современные научные термометры требуют длительной калибровки и даже в этом случае не гарантируют точных измерений, от чего свободен атомный термометр.

Источник изображения: NIST

В основе решения исследователей из NIST лежат так называемые ридберговские атомы. Таковыми часто делают атомы рубидия. Для этого необходимо крайний электрон так накачать энергией, что он на три порядка увеличивает расстояние от ядра. Для понимания масштаба представьте, что ядро атома размерами 1 мм. Тогда размер «накаченного» атома составил бы 30 м. Когда атом становится ридберговским, размеры атома увеличились бы до 1000 раз, что в нашем примере соответствовало бы 30 км. Электрон на таком удалении от ядра (в настоящем атоме) чувствителен к внешним проявлениям магнитных полей и энергий. А поскольку всё завязано на квантовую физику (свойства элементарных частиц), то все эти состояния и энергии рассчитываются с точностью до 12 знака после запятой.

Тем самым измерения с привлечением ридберговских атомов будут невероятно точными даже по умолчанию, просто опираясь на фундаментальные свойства Вселенной (с привлечением необходимого оборудования и вычислительных алгоритмов). Впрочем, эта простота, конечно же, кажущаяся. Однако оборудование для организации подобного термометра стало достаточно компактным и вполне может быть использовано на производстве.

В атомном термометре атомы рубидия охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю (до 0,5 мК). Это снижает собственные колебания атомов (их энергию) до минимально уровня. Облако атомов рубидия при этом удерживается в пространстве электромагнитным полем, не давая ему контактировать со стенками камеры. После этого облако облучают лазерами, и самые дальние электроны поглощают энергию, после чего они переходят на орбиты с 1000-кратным превышением стандартных орбит.

После этого остаётся следить за поведением удалённых электронов, которые поглощают или отдают энергию из окружающего пространства. Эта энергия эквивалентна температуре измеряемого объекта и переносится излучаемыми им фотонами. Получая и отдавая энергию, электроны меняют орбиты и по этим изменениям можно с чрезвычайной точностью рассчитать температуру объекта. Измерения производятся бесконтактным способом, что во многих случаях весьма удобно.

Этот прорыв не только открывает путь для нового класса термометров, но и особенно важен для атомных часов, поскольку их точность может пострадать от случайного нагрева. «Атомные часы исключительно чувствительны к изменениям температуры, что может привести к небольшим погрешностям в их измерениях», — пояснили учёные. — Мы надеемся, что эта новая технология поможет сделать наши атомные часы ещё более точными».

Всё это приведёт к новым возможностям в науке, в квантовых вычислениях, улучшит автономную навигацию в дальнем космосе (в первую очередь) и пригодится во многих других областях.

Получение первых экспериментальных доказательств существования бозона Хиггса около десяти лет назад позволило сделать новый шаг в понимании устройства Вселенной. Бозон Хиггса перестал быть гипотезой, и на этом основании можно продолжить строить наши знания об окружающем нас мире. Например, попытаться обнаружить гипотетическую частицу тёмной материи, для которой бозон Хиггса может оказаться единственным мостиком между видимым и невидимым веществом.

Художественное представление о тёмной материи. Источник изображения: Axel Mellinger, Central Michigan University

Так, на сайте препринтов arXiv появилась статья, которая отказывает гипотетическим частицам тёмной материи в возможности быть слишком тяжёлыми. Учёные обоснованно доказывают невозможность такого развития событий, опираясь на недавнее открытие бозона Хиггса. До получения твёрдых свидетельств его существования особого смысла в дальнейшем поиске не было, но теперь этот путь открыт. До сих пор учёные искали частицы тёмной материи в диапазоне масс 10–1000 ГэВ (гигаэлектронвольт). Это укладывалось в рамки Стандартной модели элементарных частиц и помещало частицу тёмной материи в один ряд по массе с топ-кварками и W-бозонами — самыми тяжёлыми из известных элементарных частиц.

Открытие в 2012 году на Большом адронном коллайдере бозона Хиггса с массой около 125 ГэВ позволило наложить фундаментальные ограничения на массу предполагаемых частиц тёмной материи. Большинство моделей предполагает (и это согласуется с рамками Стандартной модели), что в процессе взаимодействия с частицами бозон Хиггса придаёт им массу и изменяет собственную. Это означает, что слишком тяжёлые частицы тёмной материи оказали бы настолько разрушительное воздействие на бозон Хиггса, что это разрушило бы все наши устоявшиеся представления об устройстве Вселенной.

Сверхтяжёлые частицы тёмной материи можно было бы допустить лишь в случае их полной изоляции от взаимодействия с бозоном Хиггса и, следовательно, с видимым веществом, а также при наличии какого-либо экзотического механизма взаимодействия. Всё это заставляет отклонить путь поиска сверхтяжёлых частиц тёмной материи как маловероятный и направить поиски в сторону лёгких кандидатов, например, аксионов.

Тёмная материя стала необходимой для объяснения загадок Вселенной — ускоренного вращения звёзд вокруг центров галактик и движения галактик в скоплениях вокруг общего центра масс. Очевидно, что вокруг нас происходит нечто необъяснимое с позиций современных знаний об устройстве мира. Учёные подозревают, что в мире существует материя, которая очень слабо и редко взаимодействует с видимой материей исключительно гравитацией. Она заставляет обычное вещество собираться быстрее и влияет на эволюцию Вселенной. С поиском тяжёлых кандидатов на эту роль не сложилось, поэтому учёные теперь сосредотачиваются на поиске лёгких частиц.

Нетрадиционная сверхпроводимость выходит за рамки классической теории сверхпроводимости и открывает новые перспективы для поиска материалов с уникальными свойствами, такими как способность проводить электрический ток без сопротивления. Это особенно важно для разработки высокотемпературных сверхпроводников, которые могут повысить эффективность в энергетике, транспорте и приборостроении.

Источник изображения: Tokyo Metropolitan University

Исследователи из Токийского столичного университета (Tokyo Metropolitan University) открыли новый

сверхпроводящий материал. Они объединили железо, никель и цирконий, создав новый цирконид переходного металла с различными соотношениями железа и никеля. Хотя цирконид железа и цирконид никеля не проявляют сверхпроводящих свойств, созданные в университете соединения демонстрируют характерную для нетрадиционной сверхпроводимости «куполообразную» фазовую диаграмму, что делает их крайне перспективными.

Обычная сверхпроводимость, описанная традиционной теорией Бардина–Купера–Шриффера (BCS), пока не позволяет значительно приблизиться к созданию материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью. Идеальным вариантом стало бы обнаружение материалов, демонстрирующих сверхпроводимость при комнатной температуре. Однако даже доступные материалы, работающие при охлаждении жидким азотом (-196 ℃), уже были бы научным прорывом.

Нетрадиционная сверхпроводимость — один из путей к созданию таких материалов. Например, многообещающие результаты показали сверхпроводники на основе железа, открытые в 2008 году. Всё больше данных указывает на то, что высокотемпературная сверхпроводимость может возникать по механизму, отличному от традиционной теории BCS. Магнитная упорядоченность, присутствующая в подобных соединениях, указывает на их перспективы в области нетрадиционной сверхпроводимости. Именно в этом направлении японские учёные добились успеха.

Впервые было показано, что поликристаллический сплав железа, никеля и циркония обладает сверхпроводящими свойствами. При этом ни цирконид железа, ни цирконид никеля в кристаллической форме сверхпроводимости не демонстрируют. Используя дуговую плавку, исследователи объединяли железо, никель и цирконий в различных соотношениях. Оказалось, что полученный сплав имеет ту же кристаллическую структуру, что и циркониды тетрагональных переходных металлов — семейства перспективных сверхпроводящих материалов. Размеры ячеек кристаллической решётки плавно менялись в зависимости от соотношения компонентов, что усиливало или ослабляло признаки сверхпроводимости.

Интересно, что открытие, сделанное в Токийском столичном университете, выросло из студенческой работы, но уже подталкивает мировое научное сообщество к новому пониманию механизма нетрадиционной сверхпроводимости и созданию передовых материалов для следующего поколения сверхпроводящих устройств. Ещё одним любопытным фактом можно считать открытие в России месторождения миассита — первого обнаруженного в природе нетрадиционного сверхпроводника. Но это будет уже другая история.

Учёные из Массачусетского технологического института обнаружили материал, который под действием света на время переходит в новое метастабильное состояние. Такое свойство открывает путь к новому типу записи и хранения данных, что востребовано при поиске более ёмких и плотных носителей для будущего. Такие носители необходимы всегда, и эта нужда будет вечно сопровождать человека.

Источник изображения: MIT

Исследователи подчёркивают, что они не стали первооткрывателями фотоиндуцированных фаз в тех или иных материалах. Такие открытия давно сделаны для сегнетоэлектриков, магнитных материалов и даже для сверхпроводящих. Однако во всех предыдущих работах вновь приобретённые чудесные свойства исчезали, как только выключали источник света. В новой работе, которая исследует свойства соединения железа, фосфора и серы, FePS₃, показано, что магнитные свойства можно изменять по команде, и в новом состоянии материал будет оставаться стабильным без внешнего воздействия на протяжении 2,5 мс.

Может показаться, что это очень небольшой промежуток времени. Но для квантового мира, отмечают исследователи, это бездна времени, что способно привести к новым технологиям как в сфере квантовых вычислений, так и для классических вычислений. Например, сегодня становится всё труднее уменьшить размер области намагничивания на пластине жёсткого диска, для чего уже используется нагрев лазером или микроволновое излучение. Обычные магнитные материалы для этого уже не годятся. Необходимы антиферромагнетики, которые не боятся случайных магнитных наводок и намагниченности соседних участков. Материал FePS₃ из таких. А в определённых условиях он превращается в парамагнетик и приобретает на время совсем иные магнитные свойства.

Учёные из MIT обнаружили, что при охлаждении FePS₃ до температуры Нееля (-155 ℃ для данного соединения) его облучение импульсом терагерцового лазера вызывает возбуждение атомов в материале и переводит его в состояние парамагнетика. Это состояние остаётся метастабильным и продолжается 2,5 мс после прекращения действия импульса света. Очевидно, что этим свойством будет разумно воспользоваться для поиска ему места в будущих системах хранения данных, чем команда физиков займётся на следующих этапах работы. Не факт, что это будет самый лучший путь к памяти будущего, но чем больше таких путей, тем вернее результат.

Учёные из Северо-Западного университета США (Northwestern University) первыми в мире, как они утверждают, осуществили квантовую телепортацию по интернет-кабелю, загруженному посторонним трафиком. Им удалось передать запутанные состояния двух фотонов на расстояние 30,2 км по тому же оптоволокну, по которому шёл обмен обычными данными, а затем зафиксировать факт коллапса волновой функции и мгновенной телепортации квантового состояния.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Пока остаются серьёзные сомнения в том, можно ли использовать обычные коммуникации для передачи квантовых состояний — иначе говоря, для создания глобального квантового интернета без развёртывания новой отдельной инфраструктуры. Работа исследователей из США, опубликованная сегодня в журнале Optica, даёт основания полагать, что квантовые данные можно будет передавать по существующим линиям оптической связи.

Эксперимент проводился в лаборатории на катушке оптического кабеля длиной 30,2 км. Забегая вперёд, отметим, что на следующем этапе учёные попытаются телепортировать квантовые состояния через реальную интернет-сеть. В лабораторных условиях исследователи, насколько это было возможно, воспроизвели работу сети интернет в обычных условиях. По кабелю передавался интернет-трафик с полосой пропускания 400 Гбит/с в диапазоне C. Основной задачей было подобрать для двух запутанных фотонов такой частотный диапазон, чтобы их состояния не разрушились до измерения (до завершения передачи на другой конец линии). Также учёные разработали систему фильтров, чтобы минимизировать помехи от обычного трафика.

«Это невероятно захватывающе, потому что никто не думал, что это возможно, — заявил Прем Кумар (Prem Kumar) из Northwestern, руководитель исследования. — Наша работа показывает путь к квантовым и классическим сетям следующего поколения, разделяющим единую волоконно-оптическую инфраструктуру. По сути, это открывает дверь для вывода квантовых коммуникаций на новый уровень».

Следует уточнить, что квантовая телепортация не переносит информацию в традиционном понимании. Квантовое состояние фотона заранее неизвестно. Попытка его определить до передачи, например измерить направление спина, приведёт к коллапсу волновой функции, и тогда просто нечего будет отправлять. А раз мы не знаем, что передаём, смысла в телепортируемой информации нет. Однако можно телепортировать квантовые состояния, что лежит в основе квантовой криптографии. Если такое сообщение перехватят, об этом мгновенно станет известно, независимо от расстояния между запутанными фотонами.

Схема эксперимента. Источник изображения: Optica 2024

Учёные из Северо-Западного университета продемонстрировали, что на примере загруженной трафиком обычной волоконно-оптической линии запутанные фотоны можно передавать одновременно с обычными данными. Квантовое состояние сохраняется до конца передачи и при измерении телепортируется. Это открывает возможность для сосуществования квантовой криптографии и традиционного интернет-трафика. Но исследователи намерены идти дальше. Их интересует передача запутанных состояний другим парам фотонов, чтобы они участвовали в распределённых квантовых вычислениях. Только так можно будет наложить квантовый интернет на существующую инфраструктуру интернета.