Десять значимых событий прошедшего года в области физики и астрономии

Наука и жизньНаука

Десять значимых событий 2020 года в физике и астрономии

Авторы исследования сравнили движение сгустков электронов по материалу при баллистической проводимости с движением автомобилей по шоссе. Рисунок: Yun-Yi Pai

1Новый вид проводимости

Физики из Питтсбургского университета (США) открыли, что в одномерных проводниках электроны могут образовывать сгустки из двух, трёх, четырёх и даже пяти экземпляров с разными спинами, которые ведут себя как новые типы частиц. При протекании тока они движутся по проводнику очень быстро, не сталкиваясь и не рассеиваясь на атомах. Благодаря этому проводник не выделяет тепло. Такое явление получило название баллистической проводимости. Статья об открытии опубликована в феврале в журнале «Science».

Новое электронное состояние материи исследователи обнаружили в каналах материала, состоящего из алюмината лантана и титаната стронция. Они сравнили это квантовое явление с тем, как кварки связываются вместе, образуя нейтроны и протоны. До этого спаривание электронов наблюдалось при переходе к сверхпроводимости, в данном же случае их объединение происходит без перехода в сверхпроводящее состояние. Авторы работы заявляют, что новые частицы могут также найти применение в области квантовых вычислений, а само открытие — новый шаг к следующему этапу квантовой физики.

2Электрическое поле управляет спинами ядер

Способ управлять спинами атомных ядер с помощью внешнего электрического поля нашли физики из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) — об этом они сообщили в марте в журнале «Nature».

Контроль и обнаружение ядерных спинов с помощью магнитного резонанса широко используются для анализа материалов и полей в химии, медицине, материаловедении и горном деле. Ядерные спины также фигурировали в ранних предложениях по твердотельным квантовым компьютерам.

Однако управлять отдельными ядрами с помощью магнитного поля трудно, поскольку его сложно как локализировать, так и экранировать. К тому же генерация нужного магнитного поля требует сложного оборудования и значительных токов. Управление с помощью электрических полей решает эту проблему. Их можно создавать на кончике микроскопического электрода и достаточно точно концентрировать в нужном месте.

Художественное изображение того, как электрод нанометрового размера можно использовать для локального управления квантовым состоянием одиночного ядра внутри кремниевого чипа. РисунокUW/TonyMelov

Новый метод основан на идее, предложенной ещё в 1961 году нобелевским лауреатом Николасом Бломбергеном. Ядерный электрический резонанс изменяет связи вокруг ядра в кристаллической решётке, приводя к его переориентации. Такие ядра можно использовать в качестве особо точных датчиков деформации, а также электрических и магнитных полей.

3Необычное поведение ядерных сил на сверхмалых расстояниях

В феврале большая международная команда физиков коллаборации CLAS, работающая с данными, полученными ускорителем частиц Лаборатории Джефферсона (США), сообщила в журнале «Nature» о необычном взаимодействии нуклонов (протонов и нейтронов). Оказалось, что сильное взаимодействие, связывающее нуклоны в ядрах атомов, может их не только притягивать, но и отталкивать, когда расстояние между ними крайне мало. Открытие имеет огромное значение для понимания ядерных систем в целом и компактных космических объектов вроде нейтронных звёзд в частности.

Особенность ядерных сил — крайне малый радиус действия (10–13 см), что на порядок меньше размера тяжёлых ядер. Так что, с точки зрения этих сил, большинство нуклонов даже в крошечном ядре атома расположены достаточно далеко друг от друга. В данном исследовании физики впервые смогли подробно изучить, что происходит с сильным взаимодействием на сверхкоротких расстояниях.

Признаком взаимодействия пары нуклонов на очень малых расстояниях служит их движение с большой скоростью. Обнаружить эти редкие случаи можно, бомбардируя атомы огромным количеством электронов чрезвычайно высокой энергии. После столкновения энергия электрона, с которой он рассеивается, пропорциональна импульсу соответствующего нуклона. Просмотрев столкновения квадриллионов электронов, исследователи сумели выделить и вычислить импульсы нескольких сотен подходящих пар нуклонов. Это и позволило проследить трансформацию ядерного взаимодействия.

Детектор CLAS диаметром 9 м окружает мишень, в которую попадают ускоренные электроны. Вылетающие из мишени частицы измеряются слоями детекторов частиц разных типов. Фото: JLab

Физики также обнаружили, что вопреки ожиданиям поведение нуклонов на таких малых расстояниях описывается достаточно простой моделью на уровне протонов и нейтронов, не учитывающей чрезвычайно сложные взаимодействия между кварками и глюонами. Ранее они полагали, что придётся рассматривать «суп» из них.

Россию в коллаборации CLAS представляют Институт теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова (ИТЭФ) и НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына (НИИЯФ) МГУ.

4Лазеры достигли аттосекундного диапазона

Для изучения очень быстрых процессов, подобных движению электронов в веществе, нужен инструмент, работающий на порядок быстрее. Движения электронов в атомах происходят за время порядка нескольких аттосекунд (1 ас = 10–18 с). Это время настолько мало, что свет за 1 ас проходит расстояние, соответствующее всего лишь размеру атома.

Такие процессы физики исследуют и управляют ими с помощью коротких лазерных импульсов. Для этого излучение лазера должно иметь очень высокую частоту и малую длину волны. Подходящие импульсы генерируют так называемые рентгеновские лазеры на свободных электронах, но их длительность до сих пор превышала 10 фемтосекунд (1 фм = 1000 ас). Трудную задачу заставить их генерировать более короткие импульсы с заданными свойствами решила международная команда исследователей, в которую вошли и российские физики. Результаты работы опубликованы в феврале в журнале «Nature». Сотрудники НИИЯФ МГУ Алексей Грум-Гржимайло и Елена Грызлова внесли определяющий вклад в теоретическое обоснование метода, экспериментально реализованного на рентгеновском лазере на свободных электронах FERMI (Триест, Италия).

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Неизвестный минерал из вулкана Толбачик Неизвестный минерал из вулкана Толбачик

Сотрудники СПбГУ обнаружили новый минерал на территории вокруг вулкана Толбачик

Наука и жизнь
Буль-буль Буль-буль

Фантастический рассказ Владислава Кулигина «Буль-буль»

Знание – сила
Конец эпохи Аресибо Конец эпохи Аресибо

Cамый известный в мире радиотелескоп разрушился

Наука и жизнь
Александр Лабас: не авангардист, не соцреалист Александр Лабас: не авангардист, не соцреалист

Голос А. Лабаса — сложный, полифоничный, подчас ускользающий от прямых смыслов

Монокль
Надышаться ветром Надышаться ветром

Мозаичное панно из рассказов жителей Хабаровска о приметах разных времен

Вокруг света
10 неожиданных вопросов Кате Гусевой 10 неожиданных вопросов Кате Гусевой

Расспросили королеву ремиксов Катю Гусеву о вере в приметы и любви к собакам

VOICE
Кремний с нанопорами — материал с неисчерпаемыми возможностями Кремний с нанопорами — материал с неисчерпаемыми возможностями

Нанопористый кремний — перспективный материал для микроэлектроники и биомедицины

Наука и жизнь
Вот оно какое, наше лето Вот оно какое, наше лето

Чем занять ребенка на даче: советы для детей любого возраста

Лиза
Верные слуги короля Верные слуги короля

С XVII века королевские мушкетёры стали привилегированными войсками

Дилетант
Кнут Гамсун Кнут Гамсун

Кнут Гамсун говорил от имени нации и тем сильно её скомпрометировал

Дилетант
Открытие, получившее признание через век Открытие, получившее признание через век

Владимир Буткевич первым задался проблемой соотношения бактерий

Наука и жизнь
Мурат Абулкатинов: Не надо пытаться быть больше, чем ты есть Мурат Абулкатинов: Не надо пытаться быть больше, чем ты есть

Режиссер Мурат Абулкатинов — о том, что ему нравится в шекспировской драматургии

Ведомости
Дачное время Дачное время

Можно ли охватить несколькими предложениями дачный мир?

Наука и жизнь
Через санкции к росту Через санкции к росту

Как российская экономика ищет способы сотрудничества с глобальными игроками

Эксперт
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
Нестор Энгельке Нестор Энгельке

Нестор Энгельке внес топоропись в энциклопедию современного искусства

Собака.ru
Выстрел через континент Выстрел через континент

Испытательный полигон «Кура»: записки очевидца

Популярная механика
Опять и опять «Назад в будущее» Опять и опять «Назад в будущее»

Краткая история ленты «Назад в будущее», вырастившей последнее поколение XX века

Weekend
Быт военного времени Быт военного времени

Вторая часть ответов на вопросы о повседневной жизни в условиях военного времени

Дилетант
Дейнотерий – слон с берегов Дона Дейнотерий – слон с берегов Дона

Слоны – одни из самых стабильных в эволюционном плане животных...

Наука и техника
«Снимаешь для себя, а выходит для истории» «Снимаешь для себя, а выходит для истории»

Весной 1945 года вместе с Красной армией в Берлин вошли фронтовые операторы

Дилетант
15 уроков периода высоких ставок глазами банкира 15 уроков периода высоких ставок глазами банкира

Что мы поняли за годы высоких ставок?

Ведомости
Эпоха тюрок. Печенеги Эпоха тюрок. Печенеги

С IX века хозяевами Великой степи становятся тюркоязычные народы

Дилетант
Золотой век английской карикатуры Золотой век английской карикатуры

«Отечество карикатуры и пародии» — об Англии Георгианской эпохи

Дилетант
Пустые кресла и забытые письма: одиночество как экспонат Пустые кресла и забытые письма: одиночество как экспонат

Мы приезжаем в музей смотреть не на экспонаты, а внутрь себя

Знание – сила
Скелетные мышцы самолета – система управления Скелетные мышцы самолета – система управления

Зачем самолетам демпферы, гидроусилители, закрылки и предкрылки?

Наука и техника
Сделать посетителя немного исследователем Сделать посетителя немного исследователем

Что отличает современные музеи? Открытость и исследовательский подход

Знание – сила
Между фугой и фуззом Между фугой и фуззом

Современные композиторы, ломающие жанровые барьеры

Weekend
Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции Карманные мозги, что управляют всем: микроконтроллеры от первых 4-бит до IoT-революции

История микроконтроллеров от их зарождения до современных тенденций

Наука и техника
«Пишите… А. Куприн» «Пишите… А. Куприн»

Эмиграция сложилась для Куприна не просто трудно, а скорее — трагически

Дилетант
Открыть в приложении