Десять значимых событий 2020 года в физике и астрономии
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.
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.
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).