Физические итоги года — 2020

Привет, Хабр! Ушедший год оказался непростым, но тем не менее богатым и на фундаментальные открытия, и на технологические прорывы. Сегодня поговорим о самых запомнившихся результатах.

Credit: scitechdaily.com

Сверхпроводимость при комнатной температуре

Credit: Adam Fenster

Есть надежды, что самым простым высокотемпературным сверхпроводником может оказаться обыкновенный водород. Правда, для этого он должен быть металлическим, для чего его придется сжать до давлений свыше 500 гигапаскалей (это где-то пять миллионов атмосфер). Вообще такие огромные давления создают между алмазными наковальнями — отполированными гранями высококачественных алмазов размером в десятки микрон. Проблема в том, что при 500 ГПа наковальни начинают просто лопаться: именно это произошло вскоре после первого открытия металлического водорода. Гораздо проще стабилизировать водород, используя его соединения с другими элементами, и работать при более приемлемых давлениях около 100-200 ГПа.

Это привело к успеху в 2015 году: тогда группа из Майнца показала, что сероводород, сжатый до 155 ГПа, становится сверхпроводящим уже при -70 градусах Цельсия. Результат несколько раз улучшался, и наконец, в ушедшем году группа из университета Рочестера в США (по иронии судьбы ею руководит тот же исследователь, что потерял единственный в мире образец металлического водорода) показала сверхпроводимость в гидриде серы с добавкой углерода при давлении 270 ГПа и комнатной температуре в +15 С! Для этого авторы помещали между наковальнями смесь углерода и серы и пропускали через нее водород в течение нескольких часов, освещая смесь зеленым лазером, который играл роль фотокатализатора. Из-за огромного давления до практических применений пока что очень далеко, однако результат, несомненно, впечатляет.

Быстрые радиовсплески от магнетаров

Credit: Pitris/dreamstime.com

Время от времени радиотелескопы засекают быстрые радиовсплески — мощные импульсы внеземной природы длительностью порядка миллисекунд. До прошлого года все они приходили из-за пределов нашей Галактики, и конкретные источники оставались неуловимыми, равно как и их природа. В узких кругах ходили шутки, что теорий происхождения радиовсплесков существует больше, чем их было зарегистрировано.

Все изменилось 27 апреля, когда два орбитальных телескопа обнаружили несколько рентгеновских и гамма-всплесков от магнетара (нейтронной звезды с огромным магнитным полем) SGR 1935+2154 в Млечном Пути и предупредили другие обсерватории о возросшей активности через The Astronomer's Telegram. К наблюдениям за ним решили присоединиться две обсерватории в Канаде и США, и уже через несколько часов увидели необычайно мощный радиовсплеск! После этого в работу сразу включились еще несколько телескопов, а через полдня, когда Земля повернулась нужной стороной, к ним присоединился и новейший китайский радиотелескоп FAST. В итоге астрономы не просто убедились, что магнетары могут испускать быстрые радиовсплески, но и четко измерили, как его излучение во всех диапазонах — от радиоволн до гамма-лучей — меняется во времени. Согласно наиболее стройной теории, описывающей эти наблюдения, магнетар периодически испускает ударные волны, и всплеск излучения происходит тогда, когда одна из волн догоняет предыдущую и сталкивается с ней.

Намек на нарушение CP-симметрии

Credit: Kamioka Observatory/Institute for Cosmic Ray Research/The University of Tokyo

Наш мир соткан из материи, а вот антиматерия в нем почти не встречается. Это удивительно, ведь на заре Вселенной материи и антиматерии было поровну. Для того, чтобы баланс нарушился и мир стал таким, как сейчас, должна нарушаться CP-симметрия (charge-parity symmetry): законы физики должны меняться, если мы зеркально отобразим физическую систему и заменим все частицы на античастицы. Вообще говоря, нарушение CP-симметрии было обнаружено еще в 60-х годах при распаде К-мезонов (в 1980 году за это дали Нобелевскую премию), а позже наблюдалось в B- и D-мезонах. Однако оно было слишком слабым для того, чтобы объяснить пропадание антиматерии из ранней Вселенной.

Но кроме кварков (из которых состоят все мезоны), существуют и другой тип элементарных частиц — лептоны. Среди них — три типа нейтрино, которые умеют превращаться из одного в другой (это называется нейтринные осцилляции), и сравнение частоты осцилляций нейтрино и антинейтрино было бы неплохой проверкой CP-симметрии. Сложность в том, что нейтрино очень сложно детектировать: они практически ни с чем не взаимодействуют и могут пролететь Землю насквозь.

Но нет ничего невозможного. В этом году японская коллаборация подвела итоги многолетнего эксперимента, в котором пучок нейтрино генерировался на ускорителе в Токаи (для этого они облучали графитовую мишень протонами), а детектировался в знаменитом Супер-Камиоканде (отличный обзор этой работы на Элементах). Ученые зарегистрировали 90 осцилляций определенного типа с нейтрино, и только 15 — с антинейтрино. Это свидетельствует о нарушении лептонной CP-симметрии с достоверностью 95%, чего пока что недостаточно для открытия. Тем не менее, это серьезная заявка на успех, и эксперимент наверняка будет продолжаться.

Максимальная скорость звука

Credit: Gerd Altmann

Мы хорошо знаем, что звук — это продольная волна, в которой сжатия упругой среды чередуются с ее растяжениями. Скорость звука сильно зависит от среды. С одной стороны, звук быстрее распространяется в плотных материалах. С другой, чем легче атомы вещества, тем меньше их инерция и тем проще сдвинуть их с места. Поэтому скорость звука в алюминии выше, чем в стали, а самая большая из известных скоростей звука — 18 км/с — наблюдается в алмазе. В этом году коллаборация из Москвы, Лондона и британского Кембриджа предложила на удивление простую модель для скорости звука в элементарных веществах, в которую входит всего один параметр (атомная масса элемента $$) и четыре фундаментальные константы: масса электрона $$, масса протона $$, постоянная тонкой структуры $$ и скорость света $$:

Результат удивителен тем, что фундаментальные константы, которые обычно описывают микромир и квантовые эффекты, оказались определяющими для описания звука, классического эффекта, проявляющегося на несоизмеримо больших масштабах. А еще из этой модели следует, что самая высокая скорость звука должна наблюдаться в уже известном нам металлическом водороде. Она составляет около 36 км/с, что хорошо согласуется с моделированием твердого водорода при давлениях до 1000 ГПа. Как мы помним из заметки про сверхпроводимость, таких давлений достичь пока что нереально; тем не менее, это может быть интересным планом для будущих исследований металлического водорода.

Открытие абелевских энионов

Credit: 5W Infographics/Quanta Magazine

Все частицы вокруг нас делятся на два типа: фермионы и бозоны. У бозонов целый спин, у фермионов — полуцелый; одинаковые фермионы отталкиваются, бозоны — нет. Есть еще одно важное отличие, понятное из очень мысленного эксперимента. Возьмем две частицы и сделаем одной из них круг вокруг другой как на левой картинке. В трехмерном мире сделать круг вокруг второй частицы — это то же самое, что сделать небольшой кружок, не долетая до нее, или же вовсе ничего не делать. Результат будет одним и тем же: частица вернется на свое место, вероятность встретить ее там равна единице. В квантовом мире вероятность — это квадрат амплитуды, поэтому амплитуда может равняться только +1 (это бозоны) или -1 (фермионы). Третьего не дано.

Все меняется в двумерном мире на правой картинке. Сделать круг вокруг другой частицы — это не то же самое, что просто стоять на месте: у нас больше нет третьего измерения чтобы схлопнуть виток в точку. Сделав виток, частица может вернуться, будучи не фермионом и не бозоном, а чем угодно другим. Отсюда и происходит название энион (any-on).

Двумерный мир полон неожиданностей. Например, дробный квантовый эффект Холла (хитрое поведение сопротивления двумерных структур в огромных магнитных полях) вызывается композитными возмущениями, ведущими себя как частицы с дробным зарядом. В прошлом году группа из Парижа смогла наглядно показать, что именно такие возмущения являются яркими представителями семейства энионов. Для этого авторы подготовили «энионный коллайдер»: двумерный образец с разрезами поместили в магнитное поле, чтобы энионы распространялись вдоль границ разрезов. Там, где разрезы подходили близко друг к другу, наблюдалось туннелирование заряда, свойства которого превосходно подтверждали природу энионов. Несмотря на сложность и неинтуитивность подобных работ, это очень многообещающее направление: энионы могут использоваться в топологических квантовых компьютерах для непревзойденно надежной квантовой памяти.

Прямозонный кремний

Credits: nature.com

Мечты об интегрированной оптоэлектронике — например, встроенных в процессор оптоволоконных приемниках или видеокамерах на одном чипе с GPU — остаются мечтами по весьма фундаментальной причине: вся современная электроника основана на кремнии, который на редкость плохо подходит для работы со светом. Проблема кроется в кубической кристаллической решетке кремния и законе сохранения импульса. При излучении света электрон в кремнии переходит из валентной зоны в зону проводимости, при этом сильно изменяя свой импульс. Фотон не может скомпенсировать такой большой импульс, и это приходится делать самой кристаллической решетке, что на порядки понижает вероятность излучения или поглощения света. В отличие от кремния и подобных ему непрямозонных материалов, в оптоэлектронике используют прямозонные полупроводники, в которых импульс электрона мал и легко компенсируется импульсом фотона.

В прошлом году прорыв совершила группа из Эйндховена: они смогли получить прямозонный сплав кремния и германия не с кубической, а с гексагональной кристаллической решеткой (справа на картинке). Для этого они вырастили нанопроволоки из арсенида галлия, которые служили затравками для роста кремний-германиевого сплава с нужной кристаллической решеткой. Получившийся сплав излучал свет с длиной волны около 2 микрон (это перспективный диапазон для оптоволоконной связи), при этом длину волны можно было подстраивать, изменяя содержание германия в сплаве. Пока что эта технология не очень совместима с кремниевой промышленностью, однако возможность вырастить множество излучателей/детекторов рядом друг с другом делают это открытие весьма многообещающим для практических задач.

Фотонный квантовый компьютер

Credit: Hansen Zhong

Одним из прорывов 2019 года стала демонстрация квантового превосходства: квантовый чип с 53 сверхпроводниковыми кубитами за несколько минут решил задачу, на которую классический компьютер потратил бы несоизмеримо больше времени. Разработка таких квантовых чипов для работы при сверхнизких температурах — это очень непростая задача, которая становится в разы сложнее при добавлении новых кубитов. Поэтому хоть сверхпроводниковые кубиты и остаются лидерами квантовой гонки, много усилий прикладывается для поиска альтернативных систем.

Под конец года новости пришли из Китая: группа профессора Пэна (который создал квантовый спутниковый интернет) продемонстрировала квантовое превосходство на фотонном квантовом компьютере. Роль квантовой памяти в нем играет специальным образом подготовленный свет. Все компоненты такого устройства — источники квантового света, интерферометры, фотодетекторы — хорошо известны, но была нужна поистине китайская скрупулёзность, чтобы собрать и отъюстировать всю оптику для эмуляции 50 кубитов. Среди неоспоримых преимуществ фотонного компьютера — работа при комнатной температуре и возможность сравнительно простого добавления новых кубитов. А еще для света можно использовать оптоволокна или волноводы на чипе, что позволит значительно упростить наладку и увеличить размерность такого устройства.

Вот такими достижениями нам запомнится ушедший год. Надеюсь, в этом году мы тоже узнаем немало интересного о мире вокруг нас.

По материалам Nature, Science, Quanta Magazine и Physics World.