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.

Эксперимент на установке ALPHA-g в ЦЕРН позволил ответить на вопрос, как гравитация воздействует на антиматерию. Более ста лет назад на этот вопрос теоретически ответил Эйнштейн, но экспериментально подтвердить его слова учёные смогли только сейчас.

Источник изображения: Pixabay

К сожалению или к счастью, чуда не случилось. Эйнштейн оказался прав. Гравитация примерно одинаково воздействует как на материю, так и на её физически зеркального двойника с противоположным зарядом — антиматерию. Почему примерно? Поставленный эксперимент не дал достаточно точных измерений. Следующая модернизация установки ALPHA-g позволит на два порядка повысить точность измерений, и тогда можно будет говорить о значимых для расчётов значениях.

Точное знание о том, как гравитация воздействует на антиматерию, может стать толчком к развитию тех или иных гипотез об эволюции вещества во Вселенной. Пока в этом есть великая тайна. Примерно 13,4 млрд лет назад произошёл Большой взрыв, в ходе которого в пространстве-времени возникло поровну материи и антиматерии. В теории вещество и антивещество должно было аннигилировать при столкновении друг с другом и это привело бы к исчезновению зародыша Вселенной вскоре после его рождения. Но всё, что мы видим вокруг опровергает такой сценарий, иначе нас не было бы тоже.

Из сказанного выше следует, что вещество и антивещество могут в чём-то неуловимо для нас отличаться по ряду физических свойств, а не только по знаку заряда. Например, это могло бы быть в отношениях с гравитацией. Если бы она по-разному воздействовала на материю и антиматерию, то это могло бы объяснить, почему после рождения вещества и антивещества не произошло их взаимного уничтожения — гравитация просто развела бы их по разным углам ринга.

Воздействие гравитации на вещество на уровне системных экспериментов провёл Галилей, роняя предметы с вершины Пизанской башни. С антивеществом такое провернуть нельзя. Его можно получать на ускорителях, но на уровне сотен атомов. И всё же, даже такого мизерного количества антиматерии оказалось достаточно для оценки воздействия на него земной гравитации.

В эксперименте на установке ALPHA-g учёные собирали в вертикально расположенной ловушке атомы антиводорода. Система магнитов компенсировала электромагнитные поля, на фоне которых воздействие гравитации вообще не было бы заметно. После накопления в ловушке около сотни атомов антиводорода ловушка открывалась, и атомы покидали её вверх и вниз. Подсчёт упавших вниз атомов и оценка их характеристик, включая скорость падения (всё это — по косвенным измерениям в процессе аннигиляции материи и антиматерии), позволили определить постоянную свободного падения антиводорода. Она оказалась равна 9,8 м/с² — как и у обычного вещества.

Чтобы окончательно убедиться в одинаковом воздействии гравитации на вещество и антивещество точность измерения будет постепенно увеличиваться, что позволит отбросить массу альтернативных теорий взаимодействия гравитации и антиматерии.

Учёные получили самый мощный в мире рентгеновский лазер — установку LCLS-II на базе американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Длившаяся около десяти лет модернизация лазера LCLS тысячекратно умножила его мощность и возможности. Частота вспышек выросла до одного миллиона раз в секунду. Это означает, что учёные в реальном времени смогут снимать «фильмы» о поведении молекул и атомов в материалах, что позволит открывать секреты мироздания.

В ряд выстроены 37 криогенных ускорителей электронов. Источник изображения: Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory

Установка LCLS, или первый в мире рентгеновский лазер на свободных электронах, начал работать в SLAC в 2009 году и обладал частотой до 120 рентгеновских импульсов в секунду. Установка представляла собой медный волновод, находящийся в обычных комнатных условиях. Короткие и относительно мощные рентгеновские импульсы, получаемые как вторичные после разгона электронов, бомбардируют исследуемый образец и дают картину его молекулярного и атомарного устройства. Чем выше энергия импульсов и их частота, тем точнее картина, вплоть до съёмки поведения молекул и атомов в реальном времени.

Новая установка получила криогенные ускорители электронов. Впрочем, старая установка с медной трубой также сохранена и будет принимать участие в новых экспериментах наряду с новой. Это позволит получать данные в расширенном диапазоне энергий, что обеспечит более полный набор данных для опытов. Однако разница между ними колоссальная: частота лазерных импульсов у новой установки в 8000 раз выше, чем у старой. Это обеспечит слежение за очень и очень быстрыми процессами в материалах и химических реакциях. Это особенно важно для квантовых исследований, которые обычно контринтуитивны или, если проще, непредсказуемы.

Учёные давно ждали этот инструмент и сейчас выстроились в очередь для проведения на LCLS-II научных работ, которые стартуют в ближайшие недели. Установка востребована в материаловедении, в квантовых науках, в биохимии, в фармакологии, в геологии и в массе других областей, где детальное знание происходящих химических процессов и строения веществ играет первостепенную роль. Научный мир на пороге новой эры в открытиях, и это не пустые слова. В России, кстати, для аналогичных исследований строится комплекс «СКИФ» и ряд установок поменьше. Но это уже другая история.

Японские учёные первыми в мире синтезировали самый тяжёлый изотоп кислорода-28 (²⁸O). На удивление исследователей, изотоп ²⁸O сразу же распался, что противоречит теориям Стандартной модели. Это подрывает основы наших знаний о мироздании — о сильном ядерном взаимодействии элементарных частиц, чему теперь предстоит найти объяснение.

Источник изображения: Pixabay

Самая распространённая на Земле форма изотопа кислорода — это кислород-16. Кислород-28 должен иметь на 12 нейтронов больше, но его до сих пор никто не смог синтезировать. Это удалось сделать учёным из Токийского технологического института. После серии ядерных преобразований на установке Riken RI в Вако (Япония) отсеянный спектрометром изотоп фтора-29 с девятью протонами направили на мишень из жидкого водорода. После столкновения водород и ²⁹F потеряли по одному протону и образовали молекулу изотопа кислорода-28.

Впрочем, о появлении ²⁸O учёные смогли судить лишь косвенно, по следам его распада. Вопреки предсказаниям теории, он разрушился чрезвычайно быстро — через зептосекунду (10^-21 с). Стандартная модель представляла, что изотоп кислорода-28 сможет существовать практически вечно, настолько он должен был оказаться стабильным.

«Это открывает очень, очень большой фундаментальный вопрос о самом сильном взаимодействии в природе — ядерной силе, — прокомментировал открытие изданию New Scientist Ритупарна Канунго, физик из Университета Святой Марии (Канада), не принимавший участия в эксперименте.

Стандартная модель утверждает, что частицы будут стабильными, если оболочки в ядре атома заполнены определенным числом протонов и нейтронов, которое называют «магическим» числом. Кислород-28 содержит 20 нейтронов и 8 протонов — оба числа являются магическими, что заставляло предположить, что эта молекула должна была быть чрезвычайно стабильной или «дважды магической». Однако этого не произошло.

Схема эксперимента по синтезу тяжёлых изотопов кислорода. Источник изображения: R. Kanungo / Nature 2023

О синтезе ²⁸O учёные узнали по продуктам его распада, который произошёл, по-видимому, за два этапа. В конечном итоге остался изотоп кислород-24 и четыре нейтрона.

«Я был удивлен, — сказал в интервью Nature Такаши Накамура, физик из Токийского технологического института и соавтор исследования. — Лично я думал, что это двойная магия. Но природа сказала своё слово».

Хотя эксперимент ещё не был воспроизведен в других лабораториях, результаты исследования позволяют предположить, что существующий список магических чисел может не давать полной картины того, насколько стабильны молекулы. В частности, ещё в 2009 году учёные показали, что изотоп кислорода-24 ведёт себя так, как будто он дважды магический, хотя у него нет магического числа протонов и нейтронов в оболочке. Подобные загадки имеют особую ценность для науки. Они указывают цель, к которой надо двигаться дальше.

В поисках альтернативы редкоземельным металлам — ключевым компонентам современных технологий — учёные обратили внимание на тетратенит. Это редкий сплав, впервые найденный в метеорите, который может стать революционным решением для производства электроники и современной техники, и даже предложить альтернативу редкоземельным металлам. Учёным удалось искусственно синтезировать данный сплав.

Источник изображения: Rob Lavinsky / iRocks.com, cam.ac.uk

27 июня 1966 года над городом Сент-Северен во Франции пронёсся метеорит весом 113,4 кг, который вскоре упал на землю, оставив после себя воронку глубиной около 61 см и шириной 76 см. Исследователи из Национального музея естественной истории Франции (NMNH) обнаружили в этом метеорите редкий металл — тетратенит.

Тетратенит — это металл с тетрагональной структурой, состоящий из тенита, сплава никеля и железа. Его свойства схожи со свойствами редкоземельных металлов, используемых для создания мощных магнитов, которые применяют в потребительской электронике, электромобилях, военной технике и системах возобновляемой энергетики. «Редкоземельные металлы идут в абсолютно жизненно важные сегменты промышленности и технологий. Они являются ключевыми компонентами для вычислительной техники, а также для всех новых технологий, которые служат топливом или поддержкой энергетического перехода», — заявил Ариэль Коэн (Ariel Cohen), старший научный сотрудник Атлантического совета (Atlantic Council).

В 2022 году команда из Университета Кембриджа (University of Cambridge) под руководством Линдси Грира (Lindsay Greer) объявила о синтезе тетратенита из железа и никеля — одних из самых распространённых металлов на Земле. Этот искусственно созданный металл может заменить редкоземельные металлы, такие как неодим и празеодим, в будущем.

Почти одновременно с этим инженеры из Северо-Восточного университета (NEU) в Бостоне также заявили о своём методе производства тетратенита. Их метод, разработанный под руководством доктора философии и профессора химического машиностроения Лоры Льюис (Laura Lewis), был аналогичен методу Грира, но с одним отличием: в процессе охлаждения расплава команда Льюис применяла «экзистенциальное напряжение», что позволило атомам внутри образовать тетрагональные структуры, характерные для тетратенита.

Спрос на редкоземельные металлы растёт, а их добыча происходит только в нескольких местах в мире и связана с экологическими рисками. Китай контролирует 70 % мирового производства редкоземельных металлов и угрожает сократить его поставки недружественным странам.

Однако благодаря исследованиям учёных, которые синтезировали тетратенит, этот металл может стать реальной альтернативой редкоземельным металлам и предложить экологически чистую альтернативу. Льюис подчёркивает: «Это больше, чем просто дефицит. Потому что методы, необходимые для переработки добываемой из земли руды, действительно экологически опасны, я бы сказала, даже вредны».

Промышленное производство тетратенита остаётся сложной задачей, которую учёные пока ещё только пытаются решить. Несмотря на значительные успехи в лабораторных условиях, на данный момент исследовательские группы, включая команду Грира и Льюис, способны получать лишь микроскопические количества этого уникального металла. Грир с оптимизмом смотрит в будущее, но также признает, что путь от лабораторных экспериментов до массового производства тетратенита ещё долог и требует дополнительных исследований и инноваций.

Тетратенит может стать ключом к созданию более устойчивого и экологически безопасного будущего в области производства электроники и технологий. Если учёные смогут преодолеть технические препятствия, связанные с его производством, этот металл может изменить глобальные цепочки поставок и уменьшить зависимость от редкоземельных металлов. Возможно, ответ на наши технологические и экологические вызовы пришёл прямо из космоса.

Свыше 40 лет физики не могли объяснить поведение «странных металлов», которые при сильном охлаждении вели себя не так, как обычные металлы. Если в обычных металлах возникала сверхпроводимость и мгновенно исчезала на какой-то чёткой температурной отметке, то сопротивление странных металлов при изменении температуры менялось линейно. Этому не было внятного объяснения, пока это недавно не сделали физики из США.

Источник изображения: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Комплексное обоснование теории поведения странных металлов — металлов, которые не подчиняются теории ферми-жидкости, — сделали руководитель проекта Аавишкар Патель (Aavishkar Patel) из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) Flatiron Institute в Нью-Йорке и физики Хаоя Гуо, Илья Эстерлис и Субир Сачдев из Гарвардского университета. Как минимум, учёные обосновали ряд характерных свойств «странных металлов». Стройная теория может помочь ответить на вопросы о достижении сверхпроводимости при высоких температурах и помочь в разработке квантовых компьютеров. Квантовая механика стала тем инструментом, который помог разобраться в вопросе.

Новая теория опирается на два ключевых свойства странных металлов. Во-первых, электроны в таких металлах могут запутываться друг с другом — переходить в абсолютно идентичные квантовые состояния — и оставаться в таком состоянии даже при удалении на значительные расстояния друг от друга. Во-вторых, странные металлы имеют неоднородное, похожее на лоскутное, расположение атомов.

«Ни одно из этих свойств по отдельности не объясняет странности “странных металлов”, но в совокупности всё становится на свои места», — пояснил глава проекта.

Неравномерность атомной структуры странного металла означает, что запутанность электронов зависит от того, в каком месте материала она произошла. Такое разнообразие вносит хаотичность в импульс электронов при их движении через материал и взаимодействии друг с другом. Вместо того чтобы течь вместе, электроны сталкиваются друг с другом во всех направлениях, что приводит к электрическому сопротивлению. Поскольку электроны сталкиваются тем чаще, чем горячее материал, электрическое сопротивление растёт вместе с температурой, что и наблюдается на практике. Там где у обычных металлов происходит скачок при переходе от сверхпроводимости к резкому увеличению сопротивления, странные металлы продолжают пропускать ток с плавным увеличением сопротивления току.

Ключевым в новой теории стало то, что физики объединили два явления — запутанность и неоднородность, что раньше не рассматривалось для одного материала, а по отдельности это не приводит к странному поведению металлов. Тем самым учёные предлагают механизм по коррекции условий сверхпроводимости в странных металлах. Искусственно созданные неоднородности могут воспроизвести сверхпроводимость в нужном месте с заданными целями, что может найти применение, например, в квантовых вычислителях. Когда вы можете на что-то влиять, это способно привести к желаемому результату.

«Бывают случаи, когда что-то хочет перейти в сверхпроводящее состояние, но не может этого сделать, поскольку сверхпроводимость блокируется другим конкурирующим состоянием, — говорит Патель. — Тогда можно задаться вопросом, не может ли присутствие этих неоднородностей разрушить эти другие состояния, с которыми конкурирует сверхпроводимость, и оставить дорогу для сверхпроводимости открытой».