Hallo Giktayms! Es ist Zeit, eine Bestandsaufnahme der wissenschaftlichen Erkenntnisse 2017 mit der American Physical Community vorzunehmen. Diesmal haben die APS-Redakteure ihr Bestes gegeben und eine äußerst unterhaltsame Auswahl der neuesten Errungenschaften der Grundlagenforschung vorbereitet. Heute werden wir ausführlicher darüber sprechen.

Gravitationswellenastronomie und alles in allem

Zusammen mit dem Nobelpreis brachte die Gravitationswellenastronomie neue Überraschungen. Die European Advanced Virgo hat sich den beiden LIGO-Gravitationswellendetektoren angeschlossen. Jetzt können die Beobachtungen amerikanischer Detektoren unabhängig von einem Gerät unterschiedlichen Designs auf einem anderen Kontinent bestätigt werden. Darüber hinaus können Sie durch das Vorhandensein von drei Detektoren die Richtung zur Quelle der Gravitationswellen bestimmen. Wir mussten nicht lange warten: Am 14. August zeichneten alle drei Detektoren das nächste Signal aus der Fusion zweier Schwarzer Löcher auf, deren Position (die grüne Markierung in der Abbildung) viel genauer bestimmt werden konnte als mit zwei Detektoren.

Und drei Tage später sahen die Detektoren ein neues Ereignis - diesmal die Verschmelzung von nicht schwarzen Löchern, sondern Neutronensternen. Durch einen glücklichen Zufall sah eine große Anzahl von Teleskopen gleichzeitig mit diesem Ereignis einen Blitz aus der Verschmelzung von Sternen im gesamten Spektrum - von Radio bis Gammastrahlung. Die Fähigkeit, sowohl Licht- als auch Gravitationswellen gleichzeitig zu registrieren, ist ein unglaublicher Durchbruch für die Astronomie, was bedeutet, dass Astrophysiker in naher Zukunft definitiv nicht gelangweilt sein werden.

Wir bereiten einen Zeitkristall vor

In der Physik gibt es ein so grundlegendes Phänomen wie das spontane Brechen der Symmetrie : Es tritt auf, wenn der Grundenergiezustand eines Systems die Symmetrie verliert, die den ihn beschreibenden Gleichungen innewohnt. Das offensichtlichste Beispiel ist ein Kristall: Er verwandelt einen gewöhnlichen Raum, dessen Punkte alle gleich sind, in eine Struktur mit einer genau definierten Periode. Etwas wissenschaftlicher ausgedrückt, bricht ein Kristall die kontinuierliche Translationssymmetrie des Raums und macht ihn diskret. Da Raum und Zeit Entitäten derselben Art sind, stellt sich die Frage: Ist es möglich, einen ähnlichen Kristall für die Zeit zu erzeugen, dh den Grundzustand des Systems nicht stationär zu machen, sondern sich periodisch zu ändern? Die Intuition legt nahe, dass nein: Das sich ändernde System hat normalerweise eine kinetische Energie ungleich Null und befindet sich daher nicht im Grundenergiezustand. 2012 wurde jedoch gezeigt, dass dies möglich wird, wenn der Impuls des Systems nicht linear von der Geschwindigkeit abhängt. Bald wurde diese Schlussfolgerung auf den Fall von Quantensystemen verallgemeinert.

Später wurde klar, dass im thermischen Gleichgewicht noch keine Zeitkristalle existieren können. Wenn jedoch ein externer periodischer Einfluss auf das System ausgeübt wird, wird es real, einen diskreten Zeitkristall zu erzeugen - es ändert auch periodisch seinen Zustand, tut dies jedoch um ein Vielfaches langsamer als die externe Störung. Mit anderen Worten, wenn die Antwort des Zeitkristalls in einer Fourier-Reihe erweitert wird, sehen wir ein Signal auf einer der Subharmoniken des externen Einflusses. Im vergangenen Jahr veröffentlichten zwei Teams eine experimentelle Beobachtung dazu. In der Zusammenarbeit von Maryland und Berkeley wurde hierfür eine Kette von Ytterbiumionen verwendet, die periodisch mit Laserpulsen mit einer Periode T auf Atomspins einwirken . In den Intervallen zwischen den Impulsen wechselwirketen die Ionen so miteinander, dass die Entwicklung des gesamten Systems mit einer Periode von 2T erfolgte . Dies war der Hauptbeweis für die Bildung des Zeitkristalls. Nur einen Monat später berichtete eine Gruppe aus Harvard über ein ähnliches Experiment mit einem Ensemble von NV-Zentren in Diamant, deren Spins durch Mikrowellenimpulse angeregt wurden. Hier gelang es den Autoren, Schwingungen sowohl mit doppelter als auch mit dreifacher Periode zu beobachten. Neben der fundamentalen Bedeutung eröffnen diese Arbeiten neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Dynamik von Quantensystemen und können auch für die Speicherung von Quantenzuständen interessant sein.

Kausalität in der Quantenwelt

Wenn zwei Phänomene miteinander korrelieren, kann eines die Ursache des anderen sein. Oder vielleicht auch nicht. Angenommen, es gibt eine eindeutige Korrelation zwischen der Anzahl der Tsunamis in Japan und Chile. Keiner von beiden betrifft den anderen, da beide eine völlig andere Grundursache haben - Erdbeben im Pazifik. Das Reichenbach-Prinzip hilft manchmal, die Kausalität korrelierter Phänomene zu verstehen: Wenn bekannt ist, dass die Grundursache zweier Phänomene eingetreten ist, verschwindet die Korrelation zwischen ihnen.

Die Quantenwelt ist viel komplizierter. Die Grundursache vieler Phänomene (z. B. Korrelationen verwickelter Partikel) wurde lange Zeit in verborgenen Parametern gesucht, die für den Betrachter unzugänglich sind. Experimente zur Untersuchung der Bellschen Ungleichungen zeigten jedoch, dass es keine versteckten Parameter gibt (zumindest bei keiner der uns bekannten Arten). Daher ist in der Quantenwelt die Frage selbst anders strukturiert: Nicht was ist die Ursache , sondern was ist Quantenkausalität im Allgemeinen . Die Zusammenarbeit aus Großbritannien und Kanada hat in dieser Frage Fortschritte erzielt. Die Autoren schlugen vor, das Reichenbach-Prinzip neu zu definieren und von der deterministischen klassischen Evolution zur einheitlichen Evolution überzugehen, der Quantensysteme gehorchen. Das Ergebnis war das erste konsistente Modell, das die Quantenkausalität recht genau beschreiben konnte. Trotz der Mathematik beleuchtet diese Arbeit die Natur von Quantenkorrelationen und bietet möglicherweise die Möglichkeit, Quantenphänomene in einer kausalen Sprache zu visualisieren.

Wi-Fi: Ein Radar, das immer bei Ihnen ist

Die Idee, die Strahlung eines Wi-Fi-Moduls zum Radar von Objekten in der Nähe zu verwenden, ist nicht neu (zum Beispiel die Arbeit von 2005). In der Praxis wird alles durch die grundlegenden Merkmale von Wi-Fi-Sendern kompliziert. Erstens strahlen sie im Gegensatz zu Radargeräten in alle Richtungen. Dies erzeugt Mehrfachreflexionen von umgebenden Objekten und erschwert die Analyse des Signals erheblich. Grundsätzlich könnte die Aufgabe durch das Senden kurzer Impulse vereinfacht werden - dies ist jedoch aufgrund des Schmalband-WLANs schwierig.

Eine ursprüngliche Lösung des Problems wurde von einer Gruppe der Technischen Universität München vorgeschlagen. Sie zeichnen die Wellenfront hinter dem untersuchten Objekt auf und rekonstruieren dann seine Form mithilfe bekannter Algorithmen für die optische Holographie. In dem Experiment betrug die Auflösung für einen Wi-Fi-Router bei einer Frequenz von 5 GHz etwa 3 cm. Ein schöner Bonus ist die Tatsache, dass die Quelle jedes Signal übertragen kann - die Rekonstruktion funktioniert auf jeden Fall. Von den Schwierigkeiten - Wellenfrontaufzeichnung muss Pixel für Pixel erfolgen, wobei der Empfänger physisch bewegt wird. Die Verwendung eines Arrays von Empfängern würde diesen Prozess erheblich vereinfachen, indem die Bildrate auf 10 fps erhöht wird.

Cuprat-Supraleiter

Die meisten Hochtemperatursupraleiter sind immer noch Cuprate - Verbindungen, die Kupferoxid enthalten, wie YBaCuO. Die Champions gehen bereits bei 134 K (–139 º) in den supraleitenden Zustand, während die Art dieser Supraleitung noch in Frage steht. Auf jeden Fall wurde angenommen, dass dies nicht durch die BCS- Theorie beschrieben wird, die sich bei der Arbeit mit vielen anderen Supraleitern bewährt hat (sie werden auch als Typ-II-Supraleiter bezeichnet). Insbesondere sagt die BCS-Theorie die Existenz von Abrikosov-Wirbeln voraus, entlang deren Kreislauf ein kontinuierlicher Strom fließt, während die Supraleitung im Wirbel verschwindet. Solche Wirbel treten in einem Magnetfeld auf, das in einem Supraleiter nicht existieren kann, aber leicht in einen nicht supraleitenden Wirbel eindringt. Abrikosovs Wirbel werden experimentell in Typ II-Supraleitern beobachtet (was die BCS-Theorie bestätigt) und wurden nie in Cupraten gesehen.

Eigentlich wurden sie erst in diesem Jahr bemerkt. Die Zusammenarbeit aus der Schweiz und Deutschland zeigte erstmals das Auftreten supraleitender Wirbel in Cuprat Y123. Zu diesem Zweck verwendeten die Autoren ein Rastertunnelmikroskop, mit dem sie die Leitfähigkeit der Probe auf einer Fläche von 90 x 90 nm ² maßen und ein geordnetes Wirbelgitter fanden (in der Abbildung). Trotz einer Reihe von experimentellen Schwierigkeiten und Unklarheiten (hauptsächlich aufgrund des Beitrags des Signals von nicht supraleitenden Elektronen) werden die beobachteten Eigenschaften dieser Wirbel durch die BCS-Theorie gut beschrieben, die Aufschluss über die Natur der Hochtemperatursupraleitung geben kann. Darüber hinaus wird der Ansatz selbst, der den Beitrag nicht supraleitender Elektronen zum Gesamtsignal berücksichtigt, für die zukünftige Forschung äußerst wichtig sein.

Beitrag von Gluonen zum Protonenspin

Das COMPASS-Spektrometer am CERN, an dem der Beitrag von Quarks zum Protonenspin gemessen wurde. Das Bild ist von hier .

Die Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, von denen jedes wiederum aus drei Quarks besteht. Protonen haben einen Spin (intrinsisches magnetisches Moment) von ½; genau der gleiche Quarkspin. Besonders überraschend sind die Ergebnisse von Experimenten, die zeigten, dass der Gesamtspin eines Protons nur zu 30% durch den Spin von Quarks bestimmt wird. Die Gründe dafür bleiben unklar, ebenso wie die Art des verbleibenden Spins; Es gibt zwar genügend Kandidaten - dies sind virtuelle Quark-Antiquark-Paare und der Orbitalimpuls von Partikeln und natürlich Gluonen - Träger der starken Wechselwirkung, die die Quarks zusammenhält.

In diesem Jahr berechnete eine Zusammenarbeit von vier amerikanischen Universitäten erstmals den Beitrag von Spin aus Gluonen. Dies geschieht mithilfe einer ausgeklügelten numerischen Simulation der Quantenchromodynamik auf einem räumlich-zeitlichen Gitter. Es stellte sich heraus, dass der Gesamtspin von Gluonen 0,25 ± 0,05 beträgt - mit anderen Worten, Gluonen bestimmen fast die Hälfte des Protonenspins! Ein viel geringerer Beitrag von Quarks wird anscheinend durch die Übertragung des Drehimpulses auf Quarks auf eine Wolke virtueller Quark-Antiquark-Paare und Pionen verursacht. Die Rolle der Gluonen in diesem Prozess war unbedeutend. Im Allgemeinen ermöglichten diese Berechnungen ein besseres Verständnis der inneren Struktur des Protons, und ihre experimentelle Bestätigung ist für den zukünftigen amerikanischen Elektronenionenkollider geplant.

Auf der Suche nach dunkler Materie

Wie Sie wissen, ist eine negative Elektrode auch eine Elektrode, und ein negatives Ergebnis ist auch ein Ergebnis. In den letzten 16 Monaten konnten die drei größten Detektoren für dunkle Materie (italienisches XENON1T, chinesisches PandaX-II und amerikanisches LUX) keine Spuren von WIMPs erkennen - Partikel, aus denen angeblich dunkle Materie besteht. Dies zeigt deutlich, dass die bestehenden theoretischen Vorstellungen über WIMPs noch weit von der Realität entfernt sind. Angesichts der erfolglosen Suche nach Supersymmetrie am LHC stellt jemand sogar die Existenz dieser hypothetischen Teilchen in Frage.

Die Essenz von Experimenten zur Suche nach WIMPs ist recht einfach: Ihre Detektoren sind riesige Behälter mit flüssigem Xenon, die sich tief unter der Erde befinden und vor kosmischer Strahlung schützen. Die Wechselwirkung eines schweren Weichei mit einem Xenonatom führt zu einem Lichtblitz und zur Erzeugung von Elektronen, die von Photovervielfachern oberhalb und unterhalb der Kapazität erfasst werden. Wenn man die theoretischen Grenzen der Energie von WIMPs kennt, kann man die erwartete Anzahl von Ereignissen pro Zeiteinheit abschätzen. Die Tatsache, dass zu wenige solcher Ereignisse aufgezeichnet wurden, bedeutet, dass sich die Eigenschaften von WIMPs stark von den vorhergesagten unterscheiden. Wenn WIMPs existieren, haben sie offenbar eine andere Masse oder einen anderen Streuquerschnitt für Atome (oder vielleicht beide), was bedeutet, dass neue Generationen von Detektoren erforderlich sind, um nach ihnen zu suchen.

Maschinelles Lernen erkennt topologische Bedingungen

Topologische Effekte in der Physik sind ein äußerst aktuelles Thema, das an den Fingern unglaublich schwer zu erklären ist. Deshalb wird es in der populärwissenschaftlichen Literatur praktisch nicht behandelt (und dies trotz der enormen Erfolge, um zumindest an Graphen, den Quanten-Hall-Effekt oder den Nobelpreis 2016 zu erinnern). Kurz gesagt, verschiedene topologische Zustände können nicht durch einen reibungslosen kontinuierlichen Wechsel des Systems ineinander übersetzt werden, wodurch sie extrem stabil gegen äußere Störungen sind. Das einfachste Beispiel ist ein zweidimensionales Gitter von Atomen, deren Spins entweder einen Wirbel bilden oder keinen:

Bild von hier

Mathematisch unterscheiden sich diese Zustände in der topologischen Ladung - in diesem Fall die Anzahl der Wirbel im System mit einem Pluszeichen, wenn die Wirbel im Uhrzeigersinn und das Minus gegen den Uhrzeigersinn gedreht sind. Die Ladung links ist 0 und -1 rechts. Wenn sich die topologischen Ladungen unterscheiden, können die Zustände nicht reibungslos ineinander übergehen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Berechnung der topologischen Ladung sehr schwierig sein kann. Wenn beispielsweise die Größe des Wirbels groß ist und sich irgendwo an den Grenzen verdreht, müssen Sie alle Atome im System untersuchen, um die Ladung zu berechnen. Es gibt jedoch topologische Ladungen, deren Berechnung viel komplizierter ist, so dass Berechnungen neuer topologischer Materialien nahezu unerträglich sind.

Theoretiker von Cornell und der University of California schlugen eine Lösung für dieses Problem vor. Seine Essenz besteht darin, dass auf der Grundlage des untersuchten Kristallgitters (genauer gesagt seiner Elektronendichte - elektronische Dichte) tatsächlich ein mehrdimensionales Array (QLT-Bild) spezieller Integrale über Konturen zunehmender Größe erzeugt wird. Auf diese Weise können Sie den Gitterbereich abdecken, der für die Erkennung topologischer Eigenschaften ausreicht. Danach wird ein mehrdimensionales Array dem Eingang eines vorab trainierten einschichtigen neuronalen Netzwerks zugeführt, das abschließt, ob der Zustand topologisch ist oder nicht. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden erwies sich diese Methode als sehr produktiv, und die Autoren planen, Anwendungen des maschinellen Lernens für die Physik der kondensierten Materie zu entwickeln.