Группа учёных из США в серии экспериментов с отдалённо похожим на сверхпроводящие материалы рутенатом стронция случайно обнаружила квазичастицу, предсказанную 67 лет назад. Квазичастица под именем «демон Пайнса» не имеет массы и нейтральна, а значит, напрямую себя не обнаруживает. Между тем, свойства частицы-демона могут помочь в определении сверхпроводимости, природа которой до сих пор до конца не изучена. Открытие «демона» может многое изменить.

Источник изображения: Pixabay

Современная теория сверхпроводимости в основном опирается на тесные взаимодействие электронов и фононов в атомарной структуре материалов. В то же время ряд проявлений сверхпроводимости плохо согласуется с этой теорией и оставляет место для экзотических и пока не открытых процессов. Квазичастица демон Пайнса — одно из таких явлений, которое почти 70 лет считалось игрой ума физика Дэвида Пайнса, который предложил её в 1956 году. По его мнению, это безмассовая и нейтральная квазичастица, обнаружить которую по этой причине очень и очень трудно. Её и не искали, если честно.

Физики из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне обнаружили неуловимую квазичастицу совершенно случайно. Они изучали свойства рутената стронция, который не является сверхпроводником, но в ряде аспектов очень сильно его напоминает. Рутинные измерения показали наличие «частиц», которые не были ни поверхностными плазмонами, ни акустическими фононами. Первые результаты измерений были приняты за ошибочные, и лишь их повторение заставило плотнее заняться вопросом: а что это было?

Моделирование показало, что учёные обнаружили плазмон со свойствами, предсказанными Дэвидом Пайнсом. Это особое коллективное движение электронов в твёрдом теле. По сути — это дискретная волна или групповое колебание в электронной плазме. Это не частица в чистом виде, поэтому такие конденсированные явления называют квазичастицами. Данные измерений показали, что обнаруженный плазмон не имеет массы и нейтрален по заряду. Иначе говоря, он отвечает требованиям демона Пайнса. Слово «демон» в данном случае означает «отчетливое движение электрона» с любимым физиками суффиксом «-он». В отличие, скажем, от демона Максвелла, который действительно демон при рогах и копытах, хоть и воображаемый.

Наличие в природе демона Пайнса в виде безмассовой частицы означает потенциальную возможность эффекта сверхпроводимости при любой температуре. Этой частицей можно попытаться объяснить сверхпроводимость в целом списке полуметаллов. Понять и объяснить означает открыть новые пути к осуществимости этого явления, что сделает наш мир чуть более приятным местом для жизни.

Два финских физика выяснили условия, при которых звук может передаваться через идеальный вакуум. Эффект сродни квантовому туннелированию, но в дело вступает обычная физика и кое-какое оборудование. Открытие может помочь в разработке MEMS-электроники и в системах теплоотвода.

Источник изображения: Pixabay

Жуоран Генг (Zhuoran Geng) и Илари Маасилта (Ilari Maasilta) из Университета Ювяскюля (Финляндия) утверждают, что их работа отражает первое строгое доказательство полного акустического туннелирования в вакууме. Всё, что нужно для эксперимента, — это два пьезоэлектрических датчика, каждый из которых способен превращать звуковые волны в электрическое напряжение (и наоборот). При этом пьезоэлементы должны быть разделены зазором, меньшим, чем длина волны передаваемого звука. В результате звук «перейдёт» от одного элемента к другому с полной силой, если соблюсти необходимые условия.

Как мы знаем, для распространения звука необходима среда. Звук передаётся за счёт последовательной передачи колебаний атомов и молекул среды соседним частицам. Непосредственно люди слышат (ощущают) колебания воздуха чувствительной мембраной в ушах. Таких условий, очевидно, нет в чистом вакууме — там нечему колебаться и, следовательно, нечему распространять звуковые волны. Но есть лазейка — в вакууме могут распространяться электромагнитные поля, а это шанс для пьезоэлектрических кристаллов, которые в процессе деформации (под воздействием акустических волн) вырабатывают электричество. А где электричество, там и поля.

Учёные использовали в качестве пьезоэлементов оксид цинка. Звуковое колебание создавало механическое напряжение в материале, и это порождало в нём электрическое напряжение и, при определённых условиях, вело к появлению электромагнитного поля. Если в радиусе действия поля первого кристалла находился второй кристалл, то он преобразовывал поле в электрическую энергию и обратно в механическую — фактически в исходный акустический сигнал, который, таким нехитрым (или хитрым) образом преодолевал чистый вакуум. Ширина зазора при этом не должна превышать длины передаваемой звуковой волны.

Источник изображения: Geng and Maasilta, Commun. Phys., 2023)

Также учёные показали, что эффект не зависит от частоты звука. При соблюдении необходимого зазора он работает и для ультразвука и для сверхзвуковых частот. Обнаруженное явление может использоваться как для практических решений, так и для имитации квантового туннелирования, чтобы помочь в развитии квантовой связи, например.

«В большинстве случаев эффект невелик, но мы также обнаружили ситуации, когда полная энергия волны переходит через вакуум со 100 % эффективностью, без каких-либо отражений, — рассказал Маасилта. — Таким образом это явление может найти применение в микроэлектромеханических компонентах (MEMS, технология смартфонов) и в управлении теплом».

В последнем случае, очевидно, учёный имеет в виду отвод тепла от приборов, находящихся в вакууме, что может найти применение в космической технике и не только. О самой работе учёные рассказали в статье в журнале Communications Physics.

Физики из Fermilab представили результаты эксперимента по измерению аномалии магнитного момента мюона (АМММ) — крайне нестабильной элементарной частицы. Набор данных двух наблюдений показал достоверно значимые отклонения в измеренных параметрах АМММ, природу которых нельзя объяснить в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц. Это означает, что на магнитный момент мюона влияет нечто науке неизвестное.

Мюонное накопительное кольцо. Источник изображения: Muon g-2 collaboration

Мюон нестабилен, но он очень массивен — в 207 раз тяжелее электрона. И если такая тяжёлая штука имеет магнитный момент, то следить за ним и измерять его будет проще, чем в случае детектирования магнитного момента электрона, а аномалию магнитного момента электрона учёные смогли измерить с высокой точностью. Но с электроном всё просто. Источник его аномалии магнитного момента известен — это взаимодействие с квантами электромагнитного поля — и это отклонение согласуется с теоретическими выкладками.

Что касается аномалии магнитного момента мюона, то она не находит объяснения в рамках Стандартной модели. Помимо известных нам полей и частиц магнитный момент мюона отклоняет что-то такое, о чём современная физика не имеет представления. Если бы учёные смогли измерить это неизвестное воздействие с достаточной точностью — банально показать, что оно существует, то это открыло бы путь в так называемую Новую физику, поскольку означало бы присутствие в природе неизвестных сил (полей) или элементарных частиц. Тяжёлый мюон идеален для проведения таких экспериментов и свежие данные учёных из Fermilab — это один из новых шагов на этом пути.

Два сеанса длительных наблюдений на установке в Fermilab в рамках эксперимента Muon g-2 дало впечатляющий, но всё же пока спорный результат. Учёные сообщили, что достоверность измеренной аномалии магнитного момента мюона составил 5 сигма, чего достаточно для заявления об открытии. Иными словами, учёные с признанной в науке достоверностью доказали, что в мире есть поля или частицы, выходящие за пределы Стандартной модели (на что сразу же «обиделись» тёмная материя и тёмная энергия, которые давно за рамками наших знаний о физике Вселенной).

Но есть тонкость. В научной работе по измерению АМММ учёные «Фермилаб» использовали теоретические данные до 2020 года, а они устарели, в том числе, благодаря работам российских физиков. Учёные из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели эксперименты, которые поставили под сомнение расчёты 2020 года. Если это учитывать, то достоверность измерения АМММ в Fermilab снижается ниже достоверно значимой отметки 5 сигма и открытием считаться не может.

Американские учёные это признают и продолжат набирать статистику в дальнейших измерениях АМММ на своей установке и намерены к концу 2025 года превзойти теоретические границы измерения аномалии магнитного момента мюона, чтобы доказать или опровергнуть существование в мире «пятой» неизвестной силы или никому неведомой элементарной частицы. Но что-то заставляет учёных подозревать, что Новая физика есть и со Стандартной моделью, рано или поздно, придётся распрощаться.

Квантовые технологии находят применение не только в сфере вычислений и защищённой связи. Радарные технологии тоже ждут квантового превосходства. Классические радары слепнут в условиях сильных помех, тогда как эффект квантовой запутанности способен прорвать эту пелену. Французские учёные заявили, что они добились успеха на новом направлении и показали 20-процентное превосходство квантовых радарных технологий над классическими.

Источник изображения: Quantum Circuit Group (ENS de Lyon)

О разработке в журнале Nature Physics сообщила группа исследователей из Высшей нормальной школы Лиона (Ecole Normale Supérieure de Lyon, CNRS). Учёные создали схему, в которой происходит запутывание двух микроволновых фотонов (квантов энергии), один из которых летит к цели, отражается от неё и в окружении шумов возвращается к источнику, где сравнивается с «холостым» фотоном, с которым он находится в состоянии квантовой запутанности. Эффект запутанности позволяет с большой точностью детектировать сигнал и выделяет его даже на фоне очень сильных помех.

Измерение характеристик квантового радара показало, что опытная установка на 20 % превосходит возможности классических радаров определять цели. В теории эта разница может достигать четырёхкратного превосходства квантовых радаров, но для эксперимента даже такого преимущества достаточно, чтобы дальше работать в этом направлении.

Схема экспериментальной установки

Следует сказать, что до этого никто не заявлял о создании схемы квантового радара для микроволнового диапазона. Предыдущие эксперименты были основаны на запутывании пар фотонов видимого или близкого к нему диапазонов, что наука освоила довольно хорошо. Но фотоны видимого или инфракрасного света, как нетрудно догадаться, будут бесполезны в дождь, снег и в густой облачности. Поэтому работающая схема квантового радара с фотонами микроволнового излучения в гигагерцовом диапазоне, где работают классические радары, это определённый прорыв, которым можно гордиться.

Но также не следует забывать о разработках китайцев, которые тоже заняты серьёзными исследованиями в области квантовых радаров. Они также преуспели в экспериментах с запутыванием фотонов в оптическом диапазоне и представили альтернативу микроволновым фотонам в виде излучения запутанных электронов, разогнанных до скорости, близкой к световой. Во всех случаях серьёзным недостатком таких решений было и остаётся необходимость сильнейшего охлаждения запутанных частиц, что было также в случае схемы французских учёных.

Учёные из Университета Колорадо установили самые жёсткие на сегодня ограничения на потенциальное разнесение электрических зарядов в электроне. В рамках современных возможностей науки удалось определить, что заряд электрона абсолютно симметричен. Это позволит отбросить пустые теории о причинах дисбаланса материи и антиматерии в нашей Вселенной, которые, например, можно было бы подкрепить асимметрией заряда электрона. Но таковая, увы, не обнаружена.

Источник изображения: University of Colorado

Стандартная модель физики частиц предсказывает равное количество материи и антиматерии вокруг нас, что на самом деле не так. Частицы материи и антиматерии должны были аннигилировать вскоре после Большого взрыва — они идентичны по всем характеристикам за исключением знака заряда. Тем самым сегодня Вселенная была бы пуста, и нас бы в ней не было. Следовательно, есть вероятность, что частицы и античастицы могут отличаться чем-то пока неуловимым, поэтому так важно измерить все доступные для этого свойства частиц. Отсутствие симметрии заряда у электрона — если у него обнаружится электрический дипольный момент, пусть даже слабый — могло бы дать пищу для новых теорий о дисбалансе вещества и антивещества во Вселенной.

В эксперименте характеристики электронов измерялись лазерами, а сам подопытный электрон был помещён внутрь ионизированной молекулы (или обнаружен там). Затем на систему наводилось мощнейшее электромагнитное поле. Если бы заряд электрона был растянут, а не сосредоточен в одной точке, то он упал бы на бок «как яйцо на столе» при смене направления магнитного поля, поясняют учёные. Но электрон оставался в стабильном положении «как теннисный мячик», которому некуда и незачем катиться.

Новая точность измерений магнитного диполя электрона в 2,4 раза превысила точность измерений в предыдущем эксперименте. И эта точность была в 1 млрд выше предсказанной Стандартной моделью. Если бы электрон был размером с Землю, то учёные смогли бы увидеть асимметрию заряда размерами с радиус одного атома. Похоже, дальше нет смысла искать дипольный момент у электрона. Даже если он обнаружится, то его влияние на дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной будет настолько небольшим, что его можно будет не учитывать.

В журналах Nature и Science группа учёных из Вашингтонского университета сообщила об обнаружении признаков теоретически перспективных топологических кубитов — энионов (не путать с анионами). В своё время топологические квантовые вычисления и энионы как кубиты предложил использовать российский физик Алексей Китаев, но с практической и даже экспериментальной реализацией этих возможностей так и не сложилось. Новое открытие обещает с этим помочь.

Дробление заряда электрона на три части в представлении художника. Источник изображения: Eric Anderson/University of Washington

В общем случае топологические квантовые вычисления предполагают использовать топологические кубиты, которые от обычных кубитов отличаются очень высокой устойчивостью к внешним возмущениям. Это означает, что квантовая система будет свободна от ошибок даже при довольно большом числе кубитов в системе. Китаев предложил на роль топологических кубитов двумерные топологические фазы с анионами в которых наблюдается дробный квантовый эффект Холла (FQAH, fractional quantum anomalous Hall).

И вот теперь о надёжном обнаружении признаков дробного эффекта Холла сообщили американские учёные. Открытие знаменует собой первый и многообещающий шаг в создании отказоустойчивого кубита, потому что состояния FQAH могут содержать энионы — странные «квазичастицы», которые имеют лишь часть заряда электрона. Некоторые типы анионов, как предсказывал Китаев, можно использовать для создания так называемых «топологически защищённых» кубитов, устойчивых к любым небольшим локальным возмущениям.

«Это действительно устанавливает новую парадигму для изучения в будущем квантовой физики с дробными возбуждениями», — сказал Сяодун Сюй (Xiaodong Xu), ведущий автор работ, который также является заслуженным профессором физики Boeing и профессором материаловедения и инженерии в Университете Вашингтона.

Добиться заявленного эффекта учёные смогли при постановке эксперимента с двумя «чешуйками» такого двумерного полупроводникового материала, как теллурид молибдена (MoTe₂). Одну пластинку толщиной в атом наложили на другую и слегка повернули, чтобы атомные решётки образовали муар. В результате электроны выстроились в структуру, которая воспроизвела новую экзотическую форму материи со своими свойствами.

Например, структура проявила магнетизм без приложения внешнего магнитного поля. И если в обычных условиях для возникновения квантового эффекта Холла требуются сильнейшие магнитные поля, что ставит крест на практической ценности явления, то в новом состоянии вещества внутренний магнетизм привёл к возникновению этого эффекта и к появлению энионов (к «расщеплению» заряда взаимодействующих электронов на дробные и устойчивые части). Из этого возникает устойчивость кубитов и возможность их связанного или запутанного состояния — всё, что нужно для устойчивых квантовых вычислений.

Более того, предложенная платформа обещает помочь в исследовании других не менее экзотических квазичастиц, также предложенных Китаевым в кандидаты топологических кубитов — неабелевых энионов.

«Этот тип топологического кубита будет принципиально отличаться от тех, которые могут быть созданы сейчас, — сказал докторант физики Университета Вашингтона Эрик Андерсон (Eric Anderson), ведущий автор статьи в Science и соавтор статьи в Nature. — Странное поведение неабелевых энионов сделало бы их гораздо более надежными в качестве платформы квантовых вычислений».

Состояние вещества определяет тип взаимодействия элементарных частиц, который свой для твёрдой, жидкой и газообразной фазы. Но на уровне квантовых явлений всё настолько необычно, что «ни в сказке сказать, ни пером описать». В квантовом мире скрыто так много всего непознанного, что каждое открытие предоставляет горизонты возможностей. Так, недавно обнаруженное новое квантовое состояние вещества обещает помочь в создании квантовой памяти и не только.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте и их коллеги из Китая воспроизвели условия, при котором вещество приобрело хиральное бозе-жидкостное состояние. Хиральность указывает на отсутствие левой и правой симметрии в структуре вещества, а отношение к бозе-жидкости говорит о чрезвычайной текучести или сверхпроводимости при температурах, близких к абсолютному нулю.

Новое состояние вещества было получено в образце из двух наложенных один на другой слоёв полупроводника. В верхнем слое был избыток электронов, а в нижнем — определённый дефицит дырок. Тонкость эксперимента была в том, что на всех электронов дырок не хватало. Приложив к образцу сверхсильное магнитное поле, учёные начали следить за движением электронов. По мере увеличения силы поля образец переходил в состояние хиральной бозе-жидкости с демонстрацией ряда уникальных свойств.

«На краю двух полупроводниковых слоёв электроны и дырки движутся с одинаковыми скоростями, — сказал физик Линьцзе Ду (Lingjie Du) из Нанкинского университета в Китае. — Это приводит к спиралевидному транспорту, который можно дополнительно модулировать внешними магнитными полями, так как при более высоких полях каналы электронов и дырок постепенно разделяются».

Например, при охлаждении до температуры близкой к абсолютному нулю электроны в веществе «зависали в предсказуемом порядке и с фиксированным направлением спина» и не реагировали на другие частицы или на магнитные поля. Подобная стабильность может найти применение в цифровых системах хранения данных на квантовом уровне.

Другой интересный момент заключался в том, что воздействие внешней частицы на один из электронов в системе проявлялось реакцией на всех электронах в системе, что объяснили эффектом квантовой запутанности частиц в бозе-жидкости. Это открытие тоже обещает быть полезным в будущих квантовых системах.

Международная группа физиков впервые смогла получить убедительные доказательства локализации электромагнитной волны в трёхмерных материалах. Грубо говоря, свет «заморозили» в объёме материала. Открытие сделано на цифровой модели благодаря значительно возросшим вычислительным мощностям и в перспективе позволит поставить физический эксперимент, а это путь к прорывам в оптике, лазерах и в других областях.

Источник изображения: Pixabay

Строго говоря, исследователи искали доказательства существования так называемого перехода или локализации Андерсона. Это явление ещё в 1958 году теоретически обосновал американский физик-теоретик Филип В. Андерсон, за что в 1977 году он был награждён Нобелевской премией по физике. Явление стало важнейшим в описании физики конденсированных сред как для квантовой, так и для классической механики.

Учёный объяснил, что в зависимости от случайного распределения дефектов в материале электроны будут либо двигаться, создавая электрический ток, либо попадут в ловушки из дефектов и остановятся там (станут локализированными) и тогда материал будет демонстрировать свойства изолятора (диэлектрика). Как в аналогичных условиях ведут себя электромагнитные волны, до конца было неясно. В одном или двух измерениях свет демонстрировал похожие свойства, но для объёмных материалов это явление не было обнаружено.

Новые компьютеры и оптимизированное программное обеспечение (FDTD Software Tidy3D) позволили проводить колоссальные по объёму расчёты всего за 30 минут вместо многих дней. Модель показала, что для стекла и кремния явление не обнаруживается, что стало простым объяснением, почему десятилетия экспериментов с этими материалами на дали результата. Зато для объёмного материала из металлических наносфер расчёты неожиданно показали, что электромагнитная волна действительно локализуется в пространстве.

Свет, «замороженный» в объёме материала. Цифровая модель явления. Источник изображения: Йельский университет

Моделирование подтвердило, что свет (как частный случай электромагнитных волн) можно заставить взаимодействовать с объёмным материалом. Это позволит открыть новые фотокатализаторы, продвинуться в области лазеров (создавая продвинутые резонаторы и прочее), а также совершить открытия в области накопления и хранения энергии.

«Трёхмерное удерживание света в пористых металлах может усилить оптическую нелинейность, взаимодействие света и материи, позволит управлять случайным свечением и целенаправленным осаждением энергии, — говорят исследователи. — Мы ожидаем, что у этого явления может быть множество применений».

Если квантовые компьютеры пойдут по пути развития классических систем, то следующим шагом для них станет объединение в сети, включая глобальные. Необходимо будет передавать квантовые состояния, в частности — запутывать кубиты одного компьютера с кубитами другого. На небольших расстояниях это ещё можно сделать, но обеспечить такую передачу на десятки, сотни и тысячи километров — это задача, требующая особых ретрансляторов. Работу такого показали в Австрии.

Источник изображения: Harald Ritsch/University of Innsbruck

Проблема с ретрансляторами квантовых состояний в том, что любое измерение квантовых характеристик объекта ведёт к коллапсу всех остальных состояний. Такая физика сильно затрудняет квантовое распределение ключей и квантовую криптографию на этой основе. Дополнительно проблему усугубляет тот факт, что передачу квантовых состояний необходимо втиснуть в существующую кабельно-волоконную инфраструктуру — обеспечить работу как на пассивном, так и на активном оборудовании. Если проще — переносящий квантовое состояние фотон требуется сначала перевести в фотон со стандартной для современной телекоммуникации частотой для его передачи по оптике, где свои требования к длинам волн, а затем сделать обратное преобразование.

Осуществить подобный трюк удалось учёным из австрийского Университета Инсбрука. Исследователи собрали ретранслятор запутанности фотонов и показали её «телепортацию» на 50 км. Уточним, речь идёт не о передаче информации, которую можно расшифровать тем или иным способом, а о передаче квантового состояния (обычно речь идёт об измерении спина — ориентации магнитного вектора элементарной частицы). Один из фотонов мог быть 0, 1 или бесконечным множеством промежуточных значений, но при измерении характеристик одного из них, второй мгновенно показывал противоположное значение по измеряемому параметру.

На самом деле, учёные не выносили оптоволокно из лаборатории и использовали бобины с двумя отдельными 25-км отрезками оптического кабеля. Ретранслятор с квантовой памятью соединял эти отрезки посредине. Квантовая память в виде ионов кальция в оптической ловушке (в оптическом резонаторе) играла роль запоминающего устройства на случай потери фотонов в процессе передачи, но главное — она была ключевым элементом в обмене запутанными состояниями между фотонами в одном и другом отрезке оптоволокна.

Каждый из ионов кальция испускал по фотону. Эти фотоны разлетались по своим кабелям (сегментам сети) и при этом оставались спутанными каждый со своим ионом. Перед отправкой фотона в другой конец оптоволокна его преобразовывали в фотон с длиной волны 1550 нм, чтобы он соответствовал действующему стандарту в телекоммуникации. Затем ионы кальция запутывали между собой. Эксперимент показал, что запутывание ионов в ретрансляторе вело к синхронному запутыванию фотонов или, проще говоря, к мгновенной передачи запутанности по оптическому кабелю длиной 50 км.

Согласно проделанным экспериментам, учёные сделали вывод о необходимости ретрансляции квантовых состояний каждые 25 км. Это будет наилучшим образом соответствовать требованиям для сохранения высокой пропускной способности и наименьшей вероятности появления ошибок.

Наши телескопы дотягиваются до края Вселенной, но мы всё еще не до конца понимаем процессы, происходящие на нашей звезде по имени Солнце. Зонд NASA Parker Solar Probe стал самым передовым инструментом по изучению физики Солнца, и он, наконец, смог проследить солнечный ветер до истоков его рождения.

Источник изображения: NASA

Солнечный ветер — это поток заряжённых частиц или солнечной плазмы, который время от времени вырывается за пределы его атмосферы и разлетается в разные стороны со скоростями до 800 км/с. Когда Солнце неактивно, солнечный ветер вырывается с полюсов звезды, но по мере приближения к пику активности в своём 11-летнем цикле Солнце может испускать потоки плазмы в любых направлениях и часто в сторону Земли.

Магнитное поле Земли взаимодействует с облаками заряжённых частиц, и мы видим это взаимодействие в полярных сияниях, а также можем обнаруживать в проблемах со связью и в сбоях работы спутников. Поэтому понимание процессов на Солнце и, в частности, отслеживание образования солнечного ветра позволит более точно прогнозировать космическую погоду и обеспечивать безопасность космических полётов.

Зонд NASA Parker Solar Probe вооружён приборами для детектирования заряжённых частиц, и он приблизился к Солнцу настолько близко, что стал на короткое время погружаться в его атмосферу. В один из предыдущих проходов рядом с Солнцем — в ноябре 2021 года — зонд пролетел рядом с корональной дырой. Мы знаем, что солнечный ветер вырывается в космос из корональных дыр — разрывов в его атмосфере, которые возникают при размыкании линий магнитного поля Солнца.

Обычно линии магнитного поля замкнуты — выходят из звезды и, изогнувшись дугой, входят в него в другом месте. Но по мере нарастания активности Солнца, линии магнитного поля могут размыкаться и другим концом уходить в свободное пространство. Образуется магнитная воронка, горловина которой открывается в никуда и иногда в сторону Земли. Такая дыра не видна невооружённому глазу. Она будет дырой на изображении только в рентгеновском диапазоне. Однако именно в это окно устремится солнечная плазма, удерживаемая до этого магнитными полями.

Оставалось загадкой, какие процессы приводят к размыканию магнитных линий и что даёт энергию для ускорения заряжённых частиц. На этот счёт существует две популярные теории. Согласно одной из них, плазма ускоряется за счёт так называемых альвеновских волн. По другой теории энергия для ускорения частиц появляется в процессе пересоедининия линий магнитного поля. Собранные зондом Parker данные указывают на то, что солнечный ветер действительно зарождается в процессе хаотического пересоединения линий магнитного поля звезды.

Пример обычных «гранул» — конвективных ячеек на Солнце. Источник изображения: NSO/AURA/NS

Зонд обнаружил на стыках так называемых супергрануляционных ячеек на Солнце процессы, в ходе которых частицы двигались с невероятно высокими скоростями — в 10–100 раз превышающими скорость солнечного ветра средней силы. Такое можно объяснить лишь пересоединеннием линий магнитного поля, но никак не ускорением волнами Альвена.

Фактически солнечный ветер рождался по границам ячеек размерами около 30 тыс. км, где магнитное поле было предельно сильное и переключение его линий высвобождало огромную энергию. Солнечный ветер вырывался как струи воды из лейки — равномерно и с одинаковыми промежутками.

На днях представители Института ядерной физики СО РАН сообщили об успешных испытаниях ключевого компонента синхротрона — клистрона. Для российских ускорителей клистроны закупались за границей, но в условиях санкций контракты на поставку были разорваны. Пришлось срочно восполнять пробел, что сделано с успехом — первый отечественный прототип клистрона завершил испытания, и на его основе начали изготавливать серийные изделия.

Источник изображения: Naked Scienc

Клистрон — это базовый элемент линейного ускорителя электронов и позитронов. Например, для синхротрона «СКИФ» необходимо три клистрона в составе ускорителя (линака) и один запасной. Контракт на поставку клистронов был заключён с японской компанией Canon. Первый клистрон был получен до введения санкций, но в поставке трёх оставшихся было отказано. К счастью, задолго до этого российские физики получили работающий клистрон в подарок от Национальной ускорительной лаборатории SLAC в ответ на некую помощь со стороны России, поэтому с конструкцией клистрона российские учёные понемногу знакомились и, вероятно, готовились повторить.

«Мы занимаемся этим направлением более 30 лет, — отметил директор ИЯФ СО РАН академик РАН Павел Логачев, которого цитирует портал Naked Science. — Всё началось с того, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC (Стэнфордский университет) отблагодарила нас за то, что мы выручили их в тяжёлой ситуации, и подарила нам свой клистрон. Мы стали учиться с ним работать. Благодаря этим наработкам, а также новым, сейчас, когда возникла необходимость, мы создали собственный клистрон. Это позволило нам стать самостоятельным игроком и ни от кого не зависеть при создании линейных ускорителей, которые востребованы в физике высоких энергий, при создании источников синхротронного излучения и других приложений, где необходима СВЧ-мощность более 50 мегаватт».

По-сути клистрон — это большая электровакуумная лампа, в которой ток электронов от катода к аноду усиливается в 100 тыс. раз. На вход подаётся 500 Вт СВЧ-мощности, а на выходе снимается 50 МВт с током частотой 3 МГц. Изготовленный в России прототип два месяца испытывался с выходом на требуемые 50 МВт и признан готовым для серийного производства. Сам линейный ускоритель для «СКИФА» также испытан работой с клистроном, но для запуска был использован японский клистрон, который, скорее всего, в будущей установке будет резервным.

Клистроны понадобятся не только для «СКИФА». В России будет создано множество синхротронов, для каждого из которых будет необходимо изготовить линейный ускоритель со своими клистронами. В частности, такие установки понадобятся Курчатовскому специализированному источнику синхротронного излучения «КИСИ-Курчатов» (Москва), синхротрону «Русский источник фотонов» («РИФ») на базе Дальневосточного федерального университета, синхротрону «СИЛА» на базе Института физики высоких энергий имени А. А. Логунова (Москва), а также для коллайдера Супер С-тау фабрики, источника комптоновского излучения в Сарове и источника нейтронов в Дубне.

Источник изображения: ИЯФ СО РАН

Добавим, рабочим инструментом в синхротронах является не поток (пучки) электронов и позитронов, а генерируемое ими интенсивное рентгеновское излучение. В процессе рассеяния вторичного рентгеновского излучения в изучаемых образцах — материалах и биологических образцах — удаётся с высокой детализацией изучать их строение. Это необходимо для поиска перспективных материалов и разработки лекарств, а также для множества других приложений.

Также каждый клистрон стоит приличных денег — до $20 млн за каждый. Теперь Россия может не только обеспечить себя этими инструментами, но и выставит их на мировом рынке по ценам ниже конкурирующих предложений.

Обнаружение бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в 2012 году стало завершающим в череде исследований, подтвердивших правильность Стандартной модели. Все фундаментальные частицы были найдены экспериментально, а их характеристики были измерены и согласованы с теорией. Впрочем, остаются небольшие расхождения между теорией и практикой, что заставляет продолжать эксперименты, и особенно это касается такой «молодой» частицы, как бозон Хиггса.

Источник изображения: ATLAS

На стартовавшей на днях конференции «Физика большого адронного коллайдера» (LHCP) представители коллабораций ATLAS и CMS рассказали, как они сообща обнаружили редчайшее событие — распад бозона Хиггса на электрически нейтральный носитель слабого взаимодействия (Z-бозон) и носитель электромагнитной силы (фотон). Бозон Хиггса в столкновениях частиц на ускорителе может распадаться по целому ряду каналов и распад на Z-бозон и фотон в рамках Стандартной модели — это очень и очень редкое событие, которое должно случаться с вероятностью всего 0,15 %.

Следует сказать, что в данных БАК учёные ещё не встречали распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон, что косвенно подтверждает редкость такого явления. Обнаружить явление смогли комбинированные данные коллективов ATLAS и CMS, собранные на БАК в период с 2013 по 2018 год, а также использование машинного обучения для поиска интересующих событий.

По-отдельности статистическая точность обнаружения указанного канала распада в данных ATLAS составила 2,2σ (сигма — стандартное отклонение), а в данных CMS — 2,6σ. В сумме статистическая значимость события достигла величины 3,4σ, чего не хватило для заявки на открытие (для этого требуется величина отклонения не менее 5 сигм), но этого оказалось достаточно для почти надёжного подтверждения события.

Учёные подтвердили, что бозон Хиггса действительно может распадаться на Z-бозон и фотон. Дальнейшие наблюдения за подобным каналом распада или подтвердит физику в рамках Стандартной модели, или заставит усомниться в её завершённости. Новые наблюдения за бозоном Хиггса будут проводиться на модернизированном БАК, возможности которого улучшались поэтапно и теперь достигли максимального значения — в прошлом году энергию столкновений подняли до 13,6 ТэВ. В ближайшие годы статистика по распаду бозона Хиггса на Z-бозон и фотон будет набираться и даст чёткий ответ на вопрос: понимаем ли мы устройство нашего мира, или нет?

Одна из важнейших нерешённых задач в физике — это нахождение связи между квантовой механикой и общей теорией относительности. Для её решения необходима сложнейшая математика и невообразимые эксперименты. И если на бумаге ничего невозможного нет, то с опытами всё плохо — либо кванты, либо классика. Но надежда есть. Группа европейских и сингапурских учёных предложила квантовый симулятор, который воспроизводит эффект квантовой гравитации и не только.

Источник изображения: NASA / TU Wien

В физике и не только симуляция на одних системах может быть транслирована на другие, казалось бы, совершенно иные по свойствам системы. Учёные из Венского технологического университета, Университета Крита, Наньянского технологического университета (Сингапур) и Берлинского университета опубликовали в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS) статью, в которой рассказали об успешной симуляции гравитационного линзирования на квантовом симуляторе. Фактически они утверждают о симуляции квантовой гравитации, обоснованием которой занимаются все физики-теоретики и никак не могут это сделать.

В качестве основы для квантового симулятора исследователи взяли облака сверхохлаждённых атомов — это определённо квантовые структуры с соответствующим математическим аппаратом и массой решений по управлению ими (вспомним многочисленные квантовые вычислители-симуляторы). Вместо света учёные взяли за основу звук и представили его как релятивистский объект из общей теории относительности. Получился квантовый симулятор распространения света в пространстве, который работал в точном соответствии как с ОТО, так и с квантовой теорией. В частности, эксперимент показал осуществимость эффекта гравитационного линзирования на симуляторе.

Эксперименты показывают, что форма световых конусов, эффекты линзирования, отражения и другие явления могут быть продемонстрированы в атомных облаках именно так, как это ожидается в релятивистских космических системах. Постановка экспериментов и полученные результаты могут помочь открыть неизвестные доселе явления и эффекты и, в конечном итоге, могут привести к созданию общей теории функционирования нашей Вселенной.

Чёрные дыры манят своей фантастической загадочностью — это колоссальные источники энергии и даже тоннели для межзвёздных перелётов. Такое необходимо изучать в подробностях и моделирование для этого — это правильный подход. Учёные из Имперского колледжа Лондона поставили эксперимент по моделированию аккреционных дисков чёрных дыр. Это поможет разобраться с питанием этих объектов и согласовать астрономические наблюдения с экспериментами.

Первое прямое наблюдение чёрной дыры. Источник изображения: Event Horizon Telescope

Во-первых, аккреционные диски вокруг чёрных дыр — это то, что позволяет нам видеть их нашими приборами. Четыре года назад благодаря этому феномену впервые было получено прямое изображение чёрной дыры в галактике Messier 87 (M87). Оранжевое кольцо на изображении — это раскрашенный компьютером диск из сверхразогретой плазмы вокруг чёрной дыры. Это относительно устойчивое образование. Вещество падает на чёрную дыру и испаряется в этом процессе — превращается в плазму.

Электроны отрываются от атомов, и атомы становятся ионами. И всё это кружит с огромными скоростями вокруг чёрной дыры, пока не упадёт на неё. Упасть всему и сразу не даёт центробежная сила, которая выталкивает частицы вещества наружу. Эти процессы в целом сбалансированы и остаются более-менее стабильными миллионы и даже миллиарды лет. Но всё же вещество падает на чёрную дыру и она этим питается. Как это происходит в деталях, учёные не знают — теория и существующие модели процесса очень приблизительные. Поставленный эксперимент помог и ещё поможет разобраться в нюансах процесса питания чёрной дыры, что важно для понимания физики этих явлений.

Опыт был поставлен на установке Mega Ampere Generator for Plasma Implosion Experiments (MAGPIE). Этот прибор генерирует импульсы огромной силы тока — до 1,8 млн А. Ток такой силы ионизирует рабочее вещество — превращает его в плазму. Из минусов — импульсы тока очень короткие и не позволяют обеспечить длительные наблюдения. Возможностей установки хватило только на один полный оборот модели аккреционного диска, что очень мало для получения полной картины о динамике плазмы в диске.

В эксперименте восемь плазменных струй били в центр, создавая плазменное «торнадо» — модель аккреционного диска чёрной дыры. Источник изображения: Physical Review Letters

Но даже этого хватило, чтобы понять — модель работает и в целом отражает физику процессов плазмы в аккреционном диске настоящей чёрной дыры. Так, плазма ближе к центру вращалась быстрее, чем на периферии аккреционного диска — это соответствует астрономическим наблюдениям за чёрными дырами. Учёные рассчитывают, что смогут увеличить длительность импульса и дольше удерживать модель в работе, что поможет продвинуться ещё на шаг в изучении чёрных дыр, о чём они сообщили в статье в журнале Physical Review Letters.

Швейцарские физики поставили эксперимент, который может служить почти абсолютным доказательством существования эффекта квантовой запутанности. Этот вопрос крайне смущал многих физиков прошлого века, включая Альберта Эйнштейна, и был предметом постоянных споров. Для нового эксперимента построили 30 метров вакуумной трубы с криогенным охлаждением, чтобы фотон как можно дольше летел от одной запутанной частицы к другой и не успел вмешаться в измерения.

Устройство 30-м трубы из эксперимента с волноводом посередине. Источник изображения: ETH Zurich/Daniel Winkler

Эйнштейн не мог смириться с мыслью, что квантово запутанные частицы мгновенно влияют друг на друга на условно бесконечных расстояниях. В таком случае они должны «передавать информацию» быстрее скорости света. По его мнению, мы просто не всё знаем о квантовой физике, и могут быть какие-то скрытые параметры, которые уже содержатся в характеристиках частицы и выдаются в ответ на измерение свойств одной из запутанных частиц.

Например, если мы измерили направление спина одного из пары запутанных фотонов, то информация о спине второго (оно будет противоположным по направлению) становится известна мгновенно, где бы этот второй фотон из пары не находился. Это также называют эффектом квантовой телепортации.

Для определения системы на наличие скрытых параметров в 60-х годах прошлого века физик Джон Белл предложил мысленный эксперимент, который уже в семидесятые годы поставил Джон Клаузер (за что ему, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2022 год). В классической системе (нашем с вами мире) неравенства Белла соблюдаются всегда, тогда как в квантовом мире они нарушаются.

Если применить неравенства Белла к запутанным частицам, то случайное измерение двух запутанных частиц одновременно должно либо удовлетворять неравенствам, либо нарушать их. В последнем случае это будет доказательством, что никаких скрытых параметров нет и частицы «передают информацию» по законам квантовой физики — быстрее скорости света.

Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) создали криогенную установку, в которой фотон путешествует дольше, чем ведутся локальные измерения связанных частиц. По 30-м трубе в вакууме с охлаждением до -273°C микроволновый фотон пролетает с одного конца в другой за 110 нс. Измерения длились на несколько наносекунд быстрее. Никакая информация по классическим законам не могла передаться за это время, тогда как эффект квантовой запутанности частиц себя полностью проявил.

До этого применение неравенств Белла предполагало лазейки в постановке экспериментов. Устранить все спорные места мог только эксперимент, в ходе которого измерения должны проводиться за меньшее время, чем требуется свету, чтобы пройти от одного конца к другому — это доказывает, что между ними не было обмена информацией.

«В нашей машине 1,3 [тонны] меди и 14 000 винтов, а также огромное количество знаний по физике и инженерных ноу-хау», — сказал квантовый физик из ETH Zurich Андреас Валлрафф (Andreas Wallraff).

У поставленного эксперимента была и другая цель — убедиться, что сравнительно большие сверхпроводящие системы могут обладать квантовыми свойствами. В опыте участвовали две сверхпроводящие схемы, которые играли роль связанных частиц, тогда как обычно речь идёт о запутывании элементарных частиц типа электронов, фотонов или атомов. В эксперименте использовались объекты нашего большого мира, и они отыграли по законам квантовой физики.

Это означает, что на основе сверхпроводящих макросистем можно строить квантовые компьютеры, осуществлять квантовую связь и делать много другого интересного не углубляясь до таких тонких и пугливых (сверхчувствительных) материй, как элементарные частицы. В этом скрыт небывалый потенциал, который учёные намерены разрабатывать дальше.