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.

Теоретически предсказанное явление альтермагнетизма (altermagnetism) впервые получило подтверждение в научном эксперименте. Международная группа учёных наблюдала магнитный вихрь в материале, который никогда не проявлял магнитных свойств. Таких материалов может быть сотни, и это — возможность тысячекратно уплотнить магнитную запись данных и совершить новый прорыв в вычислениях.

Источник изображения: Oliver Amin/University of Nottingham

Альтермагнетики сочетают в себе — в едином материале — полезные свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков. Они потенциально могут привести к тысячекратному увеличению быстродействия микроэлектронных компонентов и цифровой памяти, будучи при этом более надёжными и энергоэффективными. Это третий класс магнетизма, который до этого года существовал лишь в моделях.

Старший научный сотрудник Оливер Амин (Oliver Amin), возглавлявший эксперимент и являющийся соавтором исследования, сказал: «Наша экспериментальная работа обеспечила связь между теоретическими концепциями и реализацией в реальной жизни, что, как мы надеемся, откроет путь к разработке альтернативных магнитных материалов для практического применения».

Магнитные свойства материала зависят от ориентации спина его электронов. В ферромагнитных материалах, таких как железо, которые обладают сильной реакцией на магнитные поля, спины всех электроны выровнены в одном направлении. В антиферромагнетике, в случае другого типа магнетизма, спины соседних электронов направлены в противоположных направлениях и, следовательно, нейтрализуют друг друга, поэтому материал в целом не реагирует на внешнее поле. В случае нового типа магнетизма спины электронов на соседних позициях также разнонаправлены, но эти направления постоянно и симметрично поворачиваются.

Новое экспериментальное исследование было проведено на международной установке MAX IV в Швеции. Это ускоритель электронов или синхротрон, который генерирует рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи направляются на магнитный материал, и электроны, испускаемые поверхностью образца, регистрируются с помощью специального микроскопа. Это позволяет получить изображение магнетизма в материале с разрешением вплоть до наноразмерных. В образце теллурида марганца — на его поверхности — учёные обнаружили циркулирующие магнитных вихри, которые укладываются в теоретические предсказания по альтермагнетизму.

Теллурид марганца, вероятно, не подойдёт для промышленного применения явления, хотя другой немагнитный полупроводник — антимонид хрома — вполне может им стать. Физики предсказывают, что более 100 соединений будут проявлять немагнитное поведение. За последний год опубликовано около 200 работ по альтермагнетизму, что говорит об интересе и нужде в новой и более плотной технологии записи данных. С такой активностью учёных нельзя исключать, что уже через 10 лет альтермагнетизм заявит о себе в виде коммерческого продукта. А вдруг?

ЦЕРН сообщил, что научная коллаборация ALICE впервые обнаружила самые тяжёлые на сегодня экзотические частицы и их антиподы из антивещества. Учёных давно волнует проблема, по какой причине в нашем мире много материи и практически полностью отсутствует антиматерия. Материя и антиматерия должны были появиться в равных пропорциях, но в какой-то момент после Большого взрыва что-то пошло не так и антивещество почти исчезло из Вселенной. Ответ ищут в БАКе.

Источник изображения: Janik Ditzel / ALICE collaboration

Ранее в этом году коллаборация STAR на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) наблюдала антигиперводород-4 (antihyperhydrogen-4). Это связанные состояния антипротона, двух антинейтронов и антилямбды. Всё это антиматерия, эксперименты с которой позволяют разобраться в причинах дисбаланса вещества и антивещества во Вселенной. В коллаборации ALICE, работающей в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере (БАК), решили пойти дальше и найти следующий по тяжести атом и его версию в виде антивещества.

Примечательно, что обнаружить следы новых частиц помог искусственный интеллект. Учёные взяли данные по экспериментам 2018 года, где на БАК сталкивались два пучка ионов свинца. Программа впервые смогла выявить признаки антигипергелия-4 (antihyperhelium-4) — антиматерии по отношению к экзотическому гипергелию-4. Атом антигипергелия-4 состоит из двух антипротонов, антинейтрона и антилямбды. Полученный результат имеет значение в 3,5 стандартных отклонения (сигма), а также представляет собой первое свидетельство существования самого тяжёлого гиперядра из антивещества, когда-либо полученного на БАКе.

Также в данном разборе было обнаружено ядро антигиперводорода-4 со стандартным отклонением на 4,5 сигма. Сотрудники ALICE подтвердили открытие своих коллег и смогли измерить выходы и массы обоих гиперядер. Надо сказать, что впервые гиперядра были обнаружены около 70 лет назад при распаде в атмосфере космических частиц. Учёные могут только завидовать космической энергии таких частиц, уровень которой едва ли возможно повторить в земных лабораториях.

К слову, антигипергелий-4 возник на БАК при энергии столкновений 5,02 ТэВ (тераэлектронвольт), что просто меркнет на фоне рекордных регистраций космических частиц с энергией в сотни эксаэлектронвольт, а это разница до восьми порядков.

Зарегистрированный учёными выход антигипергелия-4 равен единице, что означает, что он поровну образуется с атомами гипергелия-4. Учёные снова убедились, что вещества и антивещества во Вселенной должно быть поровну. Ищем причину асимметрии дальше.

Швейцарские учёные впервые придали кубиту осязаемые физические черты. Вместо ионов, атомов и электромагнитных ловушек они предложили кубит на основе резонирующей пьезоэлектрической мембраны. Тем самым учёные значительно повысили время когерентности кубита, в течение которого он дольше остаётся в состоянии суперпозиции. Это открывает возможность проводить с ним квантовые вычисления или использовать его в качестве сверхчувствительного датчика

Два серых прямоугольника слева — это сверхпроводящий кубит, а точка справа — резонатор. Источник изображения: ETH Zürich

Учёные давно научились транслировать квантовые свойства элементарных частиц и атомов в состояния кубитов для вычислений или измерений. Однако эти методы страдают от высокой вероятности ошибок и крайне малого времени удержания квантовых состояний, что затрудняет свободное манипулирование ими. Было бы заманчиво воспроизвести квантовые состояния на макроскопическом уровне, обучив систему реагировать на изменения на микроуровне. Этого удалось добиться исследователям из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich).

Учёные объединили сверхпроводящий кубит и пьезоэлектрический резонатор. Предложенное решение позволило транслировать состояние суперпозиции в резонансные колебания мембраны. По сути, это первый полностью механический кубит, утверждают исследователи. В ходе серии экспериментов они доказали, что устройство способно реагировать на одиночные фотоны. Время когерентности механического (точнее, акустического) кубита значительно превышает время когерентности «бозонных» кубитов и напрямую зависит от типа используемых сверхпроводящих материалов.

На следующем этапе учёные намерены проверить предложенный ими механический кубит в составе вычислительных схем квантового компьютера, а также использовать его в качестве сенсора для различных измерений.

Перевод сверхвысоких и высоких частот в слышимые ухом человека звуки — это не просто развлечение или новый вид искусства. Для учёных это возможность по-новому изучить массив тех или иных данных, что может привести, если не к новым открытиям, то к лучшему пониманию процессов. Поэтому мы можем натурально услышать пение звёзд, чёрных дыр и ветра из плазмы. Теперь мы также можем услышать пение магнитного поля Земли во время странного события 41 тыс. лет назад.

Источник изображения: European Space Agency

Тогда, в самом начале верхнего палеолита, магнитное поле Земли «внезапно» — в течение нескольких сотен лет — совершило обратимую смену полюсов. Происшествие получило в науке название «событие Лашамп». В самый критический момент перехода магнитное поле ослабело примерно до 6 % или даже сильнее, что позволило космическим лучам без помех достигать поверхности планеты и её недр, оставляя свой след в виде ряда изотопов. Собственно, по соотношению этих изотопов учёные теперь реконструируют кратковременный переворот магнитного поля Земли.

Исследователи из Технического университета Дании (Technical University of Denmark) и Немецкого исследовательского центра геонаук (German Research Center for Geosciences) преобразовали динамику и интенсивность смены полюсов в звук, представив его в виде скрежета валунов и скрипа дерева. Они утверждают, что это даёт лучше понять, как происходил этот процесс. Для этого учёные использовали данные наблюдений за полем Земли европейской миссии Swarm и другие, например, геологические.

Звук магнитного поля Земли — это первый случай озвучивания магнитного поля планеты, полученного с использованием данных миссии Swarm. Впервые эту «симфонию» учёные воспроизвели на городской площади в Копенгагене через систему из 32 динамиков. При этом каждый динамик воспроизводил изменения магнитного поля в разных точках мира за последние 100 000 лет.

Нейтрино были теоретически предсказанные ещё в 1934 году. Но эти элементарные частицы продолжают оставаться средоточием научных тайн для учёных. Для углублённого понимания физики этих частиц в США создают гигантский комплекс с системой подземных тоннелей. Чуть больше месяца назад завершились масштабные земляные работы, в ходе которых было извлечено 800 тыс. тонн породы. На очереди подготовка помещений к развёртыванию оборудования, на что уйдут годы.

Источник изображений: techspot.com

Эксперимент Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) будет включать два детектора нейтрино: ближний и дальний. База между источником мюонных нейтрино в Фермилаб и дальним детектором составит 1300 км. Ближний детектор будет размещён недалеко от источника, а дальний — в Южной Дакоте под Сэнфордской лабораторией. В августе рабочие закончили извлекать грунт под Сэнфордской лабораторией, создав, в том числе под землёй пространство для детектора высотой с 7-этажный дом.

Впечатляющий объём грунта между лабораторным источником нейтрино и дальним детектором, а также специальные камеры для них, содержащие по 17 тыс. т жидкого аргона, нужны для отсеивания нейтрино из других источников (космические и, особенно, солнечные), а также для фильтрации иных элементарных частиц. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом. Им нужны хорошие фильтры и особые детекторы. Например, чтобы повысить вероятность столкновения нейтрино с веществом до 50 % необходимо направить его сквозь сплошную стену свинца толщиной в один световой год. Толща земли, жидкий аргон и другие технические решения призваны создать для детектирования нейтрино в эксперименте наиболее благоприятные условия.

Схема эксперимента. Источник изображения: Wikipedia

Как сообщило недавно Министерство энергетики США, финансирующее проект из бюджета, установка детекторов в дальней части проекта намечена на 2028 год и лишь после этого будет смонтирован ближний детектор. Ранее предполагалось завершить последнюю фазу ввода детектора в строй в 2027 году. Похоже, планы растянутся ещё на годы: от 3 до 5 лет.

В основе ряда нейронных сетей, алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта лежат глубокие открытия в области физики, о чём сегодня заявили представители Нобелевского комитета Каролинского института Стокгольма. Премия 2024 года за эти заслуги присуждена физику Джону Хопфилду (John Hopfield) и математику Джеффри Хинтону (Geoffrey Hinton).

Источник изображения: nobelprize.org

Джон Хопфилд родился 15 июля 1933 года, а докторскую степень по физике он получил в 1958 году в Корнеллском университете. Джеффри Хинтон родился 6 декабря 1947 года, а в 1978 году получил докторскую степень в Эдинбургском университете в сфере ИИ. Интересно отметить, что Хинтон приходится правнуком известному британскому математику Джорджу Булю (1815–1864). Сейчас он сотрудник Университета Торонто, Канада.

Оба начали плотно работать над нейронными сетями с начала 80-х годов прошлого века. Джон Хопфилд стал известен в 1982 году как изобретатель ассоциативной нейронной сети, получившей его имя. Хинтон изобрёл метод, который позволял автоматизировать процесс извлечения данных для идентификации элементов изображений. Где во всём этом физика?

Для создания нейросети Хопфилд воспользовался известным свойством атомов стремиться к наименьшему значению их энергии. Сеть Хопфилда описывается способом, эквивалентным поведению энергии в системе атомных спинов. Обучение происходит путем нахождения таких значений для соединений между узлами сети, чтобы сохранённые изображения имели низкую энергию. Тогда поиск сводится к такой обработке соединений между узлами, после которой энергия сети снижалась, и это вело бы к обнаружению наилучшего соответствия.

Джеффри Хинтон использовал сеть Хопфилда в качестве основы для новой сети, использующей другой метод: машину Больцмана. С её помощью можно научиться распознавать характерные элементы в данных конкретного типа. Для этого Хинтон использовал инструменты статистической физики, науки о системах, построенных из множества похожих компонентов. Машина обучается путем подачи ей примеров, которые с большой вероятностью могут возникнуть при запуске машины. Машина Больцмана может использоваться для классификации изображений или создания новых примеров (рисунков), на которых она была обучена.

«Работа лауреатов уже принесла наибольшую пользу. В физике мы используем искусственные нейронные сети в широком спектре областей, таких как разработка новых материалов с определенными свойствами», — прокомментировала награждение Эллен Мунс (Ellen Moons), председатель Нобелевского комитета по физике.

Учёные из Университета Торонто обнаружили очередное свидетельство контринтуитивного восприятия квантового мира. В серии экспериментов было доказано, что в определённых условиях атомы и фотоны могут вести себя так, как будто время идёт вспять. Работа учёных пока не прошла рецензирование и с сентября находится на сайте arxiv.org.

Источник изображения: www.techspot.com

В ходе опытов исследователи пропускали свет (фотоны) через облако охлаждённых почти до абсолютного нуля атомов. Через такую среду свет проходит с некоторой задержкой, называемой групповой. Это связано с тем, что некоторые фотоны поглощаются атомами и возбуждают их. Это происходит вследствие поглощения энергии фотонов электронами атомов и их переходом на более высокий уровень. Затем электроны испускают фотоны и возвращаются на прежний энергетический уровень, а атомы выходят из возбуждённого состояния. Свет выходит как ни в чём не бывало, но спустя какое-то детектируемое время.

Интересное начинается, когда частота фотонов приближается к резонансной частоте атомов. В таких ситуациях групповая задержка становится отрицательной. В эксперименте учёные определяли это по фазовому сдвигу между опорным лучом и зондирующим — это так называемый эффект Керра. Согласно проделанным наблюдениям и расчётам, отрицательная групповая задержка света — это не ошибка измерений, а данность. Атомы вещества как бы возбуждались заранее ещё до прохождения фотонов, что, судя по всему, можно объяснить их суперпозицией в квантовом мире. Как это может происходить в нашем мире, объяснил Шрёдингер на примере кошки.

«Отрицательная временная задержка может показаться парадоксальной, но это означает, что если бы вы построили "квантовые" часы для измерения того, сколько времени атомы проводят в возбужденном состоянии, стрелка часов при определенных обстоятельствах двигалась бы назад, а не вперёд», — объяснил автор исследования Джозайя Синклер (Josiah Sinclair) из Университета Торонто.

По крайней мере, для групповой задержки прохождения света через вещество «отрицательное время» имеет ощутимое физическое значение, что необходимо будет учитывать в будущих исследованиях. Для мечтающих попасть в прошлое или будущее это не поможет осуществить их заветное желание, но лишний раз даёт убедиться, что в квантовом мире происходят настоящие чудеса.