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

К последнему морю К последнему морю

Почему Батый, покорив Русь, без передышки вторгся в Центральную Европу

Дилетант
Жара, смерчи и наука о климате Жара, смерчи и наука о климате

Глобальное потепление престало быть научной проблемой

Эксперт
Число круче, чем π Число круче, чем π

На сегодняшний день нет области знаний, где бы число е не использовалось

Наука и жизнь
Динамика квантового транспорта в фрактальных решетках оказалась зависима от размерности фрактала Динамика квантового транспорта в фрактальных решетках оказалась зависима от размерности фрактала

Измерение характеристик квантового транспорта в фрактальных фотонных решетках

N+1
Верные слуги короля Верные слуги короля

С XVII века королевские мушкетёры стали привилегированными войсками

Дилетант
Кузница счастья: зачем в Петербурге создают аналог британских кафе с бездомными поварами и официантами Кузница счастья: зачем в Петербурге создают аналог британских кафе с бездомными поварами и официантами

С какими сложностями может столкнуться социальный бизнес с бездомными поворами?

Forbes
106 минут новой эры 106 минут новой эры

Какое значение орбитальный рейс Юрия Гагарина имел для мировой науки

Наука и жизнь
Что почитать в отпуске Что почитать в отпуске

Открываем границы литературы, вышедшей за последние два года

GQ
Зоя. В жизни и на экране Зоя. В жизни и на экране

Выходит фильм о посвящённый трагической судьбе Зои Космодемьянской

Дилетант
Физики разработали новый способ левитации объектов с помощью звука Физики разработали новый способ левитации объектов с помощью звука

Физики подняли в воздух трёхмиллиметровый шар из полистирола

National Geographic
Открытие, получившее признание через век Открытие, получившее признание через век

Владимир Буткевич первым задался проблемой соотношения бактерий

Наука и жизнь
История NSO Group: как стартап по спасению жизней создал инструмент для слежки за бизнесменами, правозащитниками и СМИ История NSO Group: как стартап по спасению жизней создал инструмент для слежки за бизнесменами, правозащитниками и СМИ

«Это ужасно, но такова цена ведения подобного бизнеса»

TJ
Конец эпохи Аресибо Конец эпохи Аресибо

Cамый известный в мире радиотелескоп разрушился

Наука и жизнь
Как мне помогает стоицизм Как мне помогает стоицизм

Предприниматель — о том, как применять античное учение в мире серверов

Reminder
Песнь льда и пломбира Песнь льда и пломбира

Лиза Туктамышева – просто красивая девушка, которая любит мороженое!

Maxim
Как Олимпиада показала скейтбордингу женскую перспективу Как Олимпиада показала скейтбордингу женскую перспективу

На Олимпийских играх в Токио дебютировал скейтбординг — с победами юных девушек

РБК
«Писал зубами крестьянин Григорий Журавлёв…» «Писал зубами крестьянин Григорий Журавлёв…»

История удивительного самарского иконописца Григория Журавлёва

Дилетант
Киберпсихологи, авитологи и дизайнеры эмоций: профессии настоящего Киберпсихологи, авитологи и дизайнеры эмоций: профессии настоящего

Какие из необычных профессий наиболее актуальны для бизнеса прямо сейчас

Inc.
За что казнили Джордано Бруно За что казнили Джордано Бруно

Джордано Бруно окончил свою жизнь на костре за совсем другие «прегрешения»

Дилетант
Мой веселый, звонкий мяч Мой веселый, звонкий мяч

У тенниса появился серьезный конкурент

Tatler
Психотерапевт рассказала, как правильно хвалить детей, чтобы они выросли целеустремленными и уверенными в себе Психотерапевт рассказала, как правильно хвалить детей, чтобы они выросли целеустремленными и уверенными в себе

3 вещи, которые делают родители, воспитывающие психологически сильных детей

Inc.
Не рокот космодрома Не рокот космодрома

Как и зачем строят космодромы

Популярная механика
«Хаббл» запечатлел один из самых массивных объектов во Вселенной «Хаббл» запечатлел один из самых массивных объектов во Вселенной

Скопление Персея

National Geographic
Как там ваш питомец? 10 фактов о тамагочи Как там ваш питомец? 10 фактов о тамагочи

«Питомцы в яйце» возвращаются!

Вокруг света
У блокады женское лицо: пронзительные воспоминания жительниц Ленинграда У блокады женское лицо: пронзительные воспоминания жительниц Ленинграда

Истории женщин, переживших чудовищное время блокады

Cosmopolitan
Как стать блондинкой, сохранить цвет и не испортить волосы: советы топ-стилиста Как стать блондинкой, сохранить цвет и не испортить волосы: советы топ-стилиста

Все секреты перехода на "светлую сторону" (и обратно) раскрыл топ-стилист

Cosmopolitan
Сандра О: «Почему бы вам не?..» Сандра О: «Почему бы вам не?..»

Актриса Сандра О рассказала, как разнообразить свою жизнь

Harper's Bazaar
Цифровой след сотрудника. Новый подход к управлению талантами для повышения эффективности бизнеса Цифровой след сотрудника. Новый подход к управлению талантами для повышения эффективности бизнеса

Что такое цифровой след сотрудника и как его анализировать

СНОБ
«Я создан для тебя»: можно ли полюбить идеального робота и стать с ним счастливой «Я создан для тебя»: можно ли полюбить идеального робота и стать с ним счастливой

«Я создан для тебя» — больше, чем романтическая комедия

Forbes
Раджапалайям Раджапалайям

Звери с Ольгой Волковой

Weekend
Открыть в приложении