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

После выборов После выборов

Южная Корея, Сеул, район Куро, 18 декабря 1987 года

Дилетант
От Тегерана до Потсдама: большая дипломатия в конце Второй мировой войны От Тегерана до Потсдама: большая дипломатия в конце Второй мировой войны

Как Сталин, Рузвельт и Черчилль преодолевали взаимное недоверие

Монокль
Банкноты-путеводители: по курсу евро Банкноты-путеводители: по курсу евро

Увидеть необычные достопримечательности можно, не тратя евро, а рассматривая их

Вокруг света
Будь в форме Будь в форме

Мы собрали семь причин, из-за которых вы никак не можете обрести фигуру мечты

Moodboard
Великое нашествие Великое нашествие

Вторжение монголов обратило русских государей в деспотов ордынского типа

Дилетант
Франшиза: Что скрывается за этим словом? Франшиза: Что скрывается за этим словом?

Франшиза — идеальный рецепт успеха или сложная система с подводными камнями?

Наука и техника
Число круче, чем π Число круче, чем π

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

Наука и жизнь
Что делать и куда жаловаться, если вас сбил электросамокат Что делать и куда жаловаться, если вас сбил электросамокат

Как действовать в случае ДТП с электросамокатом

РБК
Неизвестный минерал из вулкана Толбачик Неизвестный минерал из вулкана Толбачик

Сотрудники СПбГУ обнаружили новый минерал на территории вокруг вулкана Толбачик

Наука и жизнь
Нажми на кнопку: фильмы по мотивам азиатских игр Нажми на кнопку: фильмы по мотивам азиатских игр

Гид по экранизациям азиатских видеоигр

Правила жизни
Секретарь Республики Секретарь Республики

Нормальная жизнь Никколо ди Бернардо деи Макиавелли оборвалась 16 декабря 1512 г

Наука и жизнь
5 самых странных (но прикольных) видов велоспорта: вы точно захотите попробовать 5 самых странных (но прикольных) видов велоспорта: вы точно захотите попробовать

Топ-5 самых необычных спортивных дисциплин с велосипедом

ТехИнсайдер
Дачное время Дачное время

Можно ли охватить несколькими предложениями дачный мир?

Наука и жизнь
Больше движений! Больше движений!

Нужно больше двигаться, а не искать отговорки, почему не можешь

Y Magazine
Открытие, получившее признание через век Открытие, получившее признание через век

Владимир Буткевич первым задался проблемой соотношения бактерий

Наука и жизнь
От синтеза клетки до зрелого цветка От синтеза клетки до зрелого цветка

Как выращиваются орхидеи рода фаленопсис на базе тепличного комбината

Агроинвестор
Успеть за 15 секунд Успеть за 15 секунд

Людям надоело притворяться – в TikTok они остаются собой

Популярная механика
Индивидуалистка из СССР: как Айн Рэнд боролась с коммунизмом и создавала бестселлеры Индивидуалистка из СССР: как Айн Рэнд боролась с коммунизмом и создавала бестселлеры

Как Айн Рэнд, дочь аптекаря из Петербурга, смогла покорить США

Forbes
«Я просто выполнял приказы!» «Я просто выполнял приказы!»

Военные преступления совершали не только отряды СС, но и подразделения вермахта

Дилетант
Пресноводные русалки Пресноводные русалки

Когда-то давно, 200 тысяч лет назад, в Евразии появился необыкновенный зверь

Знание – сила
Быт военного времени Быт военного времени

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

Дилетант
Романтика в большом городе Романтика в большом городе

Психология любви в условиях вечной спешки

Лиза
Пройдя под парусом проливом Дрейка… Пройдя под парусом проливом Дрейка…

Зрелище надвигающегося штормового заряда из пролива Дрейка завораживает

Наука и жизнь
Изогнутый экран смартфона — это удобно? Изогнутый экран смартфона — это удобно?

Стоит ли покупать смартфоны с изогнутыми экранами?

CHIP
Великая Отечественная промышленность Великая Отечественная промышленность

Как СССР превзошел Германию в промышленности во время войны

Ведомости
Катамараны Bering Катамараны Bering

Зачем Bering Yachts строит экспедиционные катамараны из алюминиевого сплава

Y Magazine
Древние и красивые: 5 важных археологических памятников Древние и красивые: 5 важных археологических памятников

Самые впечатляющие и ценнейшие археологические памятники

ТехИнсайдер
Победа и Наука. Взгляд из Сибири Победа и Наука. Взгляд из Сибири

Война стала высшей точкой слияния науки и государства

Знание – сила
Атомное размещение Атомное размещение

Зачем «Росатом» решил размещать облигаций за рубежом?

Ведомости
Красная-красная смесь. Гидросистемы летательных аппаратов Красная-красная смесь. Гидросистемы летательных аппаратов

Как устроены гидросистемы в авиации — от цвета до принципов работы

Наука и техника
Открыть в приложении