Die Neujahrsferien gehen zu Ende, was bedeutet, dass es Zeit ist, eine Bestandsaufnahme des Jahres mit der American Physical Community vorzunehmen . Das Jahr erwies sich an allen Fronten als interessant - sowohl grundlegende Entdeckungen als auch technische Errungenschaften.

Entdeckung des Jahres: Supraleitung in Graphen

Die vielleicht wichtigste Entdeckung des Jahres war die Supraleitung von zweischichtigem Graphen . Die Quintessenz ist einfach: Nehmen Sie ein Blatt Graphen, legen Sie ein weiteres Blatt darauf und drehen Sie es in einem leichten Winkel. Bei einem „magischen“ Winkel von etwa 1,1 ° wird die Struktur bei einer Temperatur von etwa 1 K supraleitend. Diese Temperatur ist für praktische Anwendungen zu niedrig, und der Öffnungszellstoff ist völlig anders: Es stellte sich heraus, dass sich das supraleitende zweischichtige Graphen genauso verhält wie Hochtemperatursupraleiter.

Es sei daran erinnert, dass die Natur der Hochtemperatursupraleitung immer noch unverständlich ist und nur in komplexen Kristallen vom YBaCuO-Typ beobachtet wurde. Eine solche Substanz zu simulieren, um zu verstehen, was darin geschieht, ist eine fast unmögliche Aufgabe. Daher ist die Tatsache, dass das unvergleichlich einfachere Graphen das Geheimnis der Natur aus einem halben Jahrhundert beleuchten kann, mehr als eine angenehme Überraschung. Und Graphen ist viel bequemer zu bearbeiten - es kann in magnetischen / elektrischen Feldern platziert werden, die in verschiedenen Winkeln gedreht werden. All dies wurde mehr als einmal durchgeführt und ist gut untersucht, daher gibt es etwas zu vergleichen.

Es gibt noch kein klares Verständnis dafür, was passiert, aber die Grundidee ist klar: Die Anwendung von zwei Graphenschichten bildet ein komplexes Muster, das sich in einem Abstand von zehn Atomen wiederholt (gelbe Linien im Bild). Dies erzeugt ein periodisches Übergitter, das die Energiezonen von Graphen beeinflusst und zu einer Supraleitung im "magischen" Winkel führt. Die Arbeit mit zweischichtigen Materialien wurde bereits von Dutzenden wissenschaftlicher Gruppen auf der ganzen Welt aufgenommen, und anscheinend werden wir in den kommenden Jahren wirklich interessante Ergebnisse erzielen.

Überraschung des Jahres: Neutrinoschwingungen

Neutrinos sind ultraleichte Elementarteilchen, die häufig in Kernreaktionen auftreten. Heute kennen wir drei Arten von Neutrinos (Elektronen-, Myon- und Tau-Neutrinos). Und sie können im Handumdrehen von einem Typ zum anderen „wechseln“ - dieser wunderbare Effekt wird als Neutrinooszillation bezeichnet (es gab eine gute Bewertung zu Habré), und seine Entdeckung wurde mit dem Nobelpreis 2015 ausgezeichnet.

Diesmal kamen interessante Neuigkeiten aus Fermilab . Im MiniBooNE-Experiment wurden Myonenneutrinos erzeugt und ihre Umwandlung in elektronische untersucht. Es stellte sich heraus, dass Neutrinoschwingungen viel häufiger als erwartet auftraten. Eine der einfachsten Erklärungen ist die Existenz eines vierten Neutrino-Typs - des sogenannten sterilen Neutrinos . Im Gegensatz zu anderen Typen interagieren sterile Neutrinos nur durch die Schwerkraft mit der umgebenden Materie (daher ist es fast unmöglich, sie direkt zu erfassen), aber sie können die Frequenz von Neutrinoschwingungen beeinflussen.

Im Prinzip sind solche Theorien seit langem bekannt; Die Einführung eines neuen Neutrino-Typs verändert jedoch das Standardmodell der Elementarteilchen erheblich. Verfeinerungsexperimente sind jetzt geplant (MicroBooNE in Fermilab, DANSS im KKW Kalinin), und die Frage nach sterilen Neutrinos bleibt bislang offen.

Rätsel des Jahres: Dunkle Materie

Wie wir wissen, besteht ein bedeutender Teil des Universums aus dunkler Materie - einer unsichtbaren Substanz unbekannter Natur, die den Großteil der Galaxien ausmacht. Der Hauptkandidat für die Rolle der Dunklen Materie waren lange Zeit WIMPs - unbekannte massive Elementarteilchen, die nur durch die Schwerkraft mit der Außenwelt interagieren (wie zum Beispiel die oben genannten sterilen Neutrinos). Viele verschiedene Detektoren wurden gebaut, um nach ihnen zu suchen, aber keiner von ihnen brachte positive Ergebnisse, so dass sich das Interesse jetzt allmählich auf andere mögliche Erklärungen verlagert.

Die einfachste Alternative, die Hawking vor einem halben Jahrhundert vorgeschlagen hat, wären Schwarze Löcher - sie sind einfach massiv und unsichtbar. Beispielsweise könnten sich zu Beginn des Universums vor dem Auftreten von Atomen primäre Schwarze Löcher mit einem Gewicht von 10 bis ⁸ bis 10 Sonnenmassen gebildet haben. Wenn solche Objekte existieren, müssen wir von Zeit zu Zeit beobachten, wie sie durch die sichtbaren Scheiben von Sternen gelangen und ihre Form und Helligkeit aufgrund von Gravitationslinsen verzerren.

In einem der Werke des letzten Jahres suchten die Autoren nach ähnlichen Verzerrungen der beobachteten Supernovae vom Typ 1a. Ohne Erfolg. Dies bedeutet, dass primäre Schwarze Löcher mit einer Masse von mehr als 0,01 Sonnenmassen eindeutig nicht ausreichen, um die gesamte beobachtete dunkle Materie zu erklären. Sie können jedoch einen Teil davon ausmachen.

Ein weiteres interessantes Ergebnis war die Untersuchung der Absorption von interstellarem Wasserstoff. Es stellte sich heraus, dass Wasserstoff in einigen frühen Stadien des Universums viel kälter war, als die Modelle vorhersagen. Die logischste Erklärung hierfür wäre die Abkühlung von interstellarem Gas aufgrund der Wechselwirkung mit Partikeln der dunklen Materie. Es gibt kein Licht auf seine Natur, sondern zeugt von der Hypothese mit schwarzen Löchern. Kurz gesagt, die Suche nach dunkler Materie bleibt bislang ein klassisches wissenschaftliches Rätsel: Nichts ist klar, aber schrecklich neugierig.

Konservative des Jahres: Higgs Boson und Standard Model

Jeder hörte von der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012. Die Aufgabe war nicht einfach, es stellte sich als noch schwieriger heraus, zu überprüfen, ob wir ihre Rolle im Standardmodell und die Merkmale der Interaktion mit anderen Elementarteilchen richtig verstehen. Nach der Theorie wächst die Kraft der Wechselwirkung mit Fermionen mit zunehmender Masse der letzteren, so dass es am einfachsten ist, die Wechselwirkung mit den schwersten von ihnen zu beobachten. Tatsächlich war das vergangene Jahr von zwei Ergebnissen zu diesem Thema geprägt.

Zunächst zeigten die ATLAS- und CMS-Kollaborationen des CERN die Geburt des Higgs-Bosons zusammen mit einem Paar Top-Quark und Top-Antiquark (der sogenannte ttH-Prozess). Der Weg dorthin war schwierig, zu einer Zeit schien es, dass der ttH-Prozess wahrscheinlicher war als vorhergesagt ( gute Überprüfung ), aber die Ergebnisse von 2018 zeigen, dass alles vollständig mit dem Standardmodell übereinstimmt.

Das zweite Ergebnis derselben Zusammenarbeit ist der Zerfall des Higgs-Bosons in einen Quark und einen Antiquark. Hier ist das Prinzip dasselbe: Je schwerer die Zerfallsprodukte sind, desto wahrscheinlicher ist es. Das Higgs-Boson hat jedoch nicht genug Energie, um in den schwersten Top-Quark und Top-Antiquark zu zerfallen, weshalb der wahrscheinlichste (58%) Zerfall in B-Quark und B-Antiquark. Die Probleme wurden durch die Tatsache hinzugefügt, dass die Protonen, die im Kollider kollidieren, gerne in dieselben Quark-Antiquark-Paare zerfallen. Daher mussten wir listige experimentelle Bedingungen auswählen, unter denen das Rauschen durch Protonenkollisionen minimal war. Auch hier stimmte das Ergebnis mit den Vorhersagen des Standardmodells überein - daher ist in diesem Bereich anscheinend keine neue Physik zu erwarten.

Sputnik des Jahres: Micius

Vor ein paar Jahren habe ich über den Start des chinesischen Quantensatelliten Micius gesprochen. In dieser Zeit ebnete er erfolgreich den Weg für das Satellitenquanten-Internet und demonstrierte die Quantenschlüsselverteilung zwischen Peking und Wien. Der Schlüssel wird während des Durchgangs des Satelliten über die Bodenstation erzeugt, die Bitrate beträgt 3–9 kb / s, was in einem Durchgang einen Schlüssel mit einer Länge von 50 bis 100 Kilobyte ergibt.

Die Demonstration des Quanteninternets war nicht weniger schön. Wie Sie sich erinnern, war die erste im Radio übertragene Nachricht der Name „Henry Hertz“, der von der Morse abgestoßen wurde. In Fortsetzung der Tradition waren die ersten Nachrichten im Satellitenquanten-Internet Fotos des chinesischen Philosophen Mo-Tzu (ein Satellit wurde nach ihm benannt) und des in Wien lebenden Edwin Schrödinger.

Die nächste Demonstration war die Verschlüsselung von Videokonferenzen zwischen den Akademien der Wissenschaften Chinas und Österreichs. Das Video wurde mit dem AES-Algorithmus verschlüsselt, dessen 128-Bit-Schlüssel sich jede Sekunde änderte. Infolgedessen wurden nur 72 Kilobyte geheimer Schlüssel für eine 75-minütige Videokonferenz verwendet.

In nicht allzu ferner Zukunft wird das Geschäft von Micius mit einem neuen Satelliten fortgesetzt. Es werden verschränkte Photonen bei einer Wellenlänge von 1550 nm erzeugt, wobei die Beleuchtung von der Sonne etwas geringer ist und die Transmission der Atmosphäre etwas höher ist als bei den aktuellen 850 nm. Zusammen mit neuen bodengestützten Detektoren (die bereits erfolgreich getestet wurden ) wird dies ermöglichen, ein Signal vom Satelliten nicht nur nachts, sondern auch tagsüber zu empfangen. und das Starten in eine höhere Umlaufbahn erhöht die Sichtbarkeitszeit des Satelliten. Bisher läuft alles perfekt, es bleibt nur noch, den Machern einen guten Wind zu wünschen.

Revolution des Jahres: Neudefinition des SI-Systems

Der Kilogramm-Standard - der gleiche Platin-Iridium-Zylinder aus der Kammer der Gewichte und Maße - wird am 20. Mai 2019 zurücktreten. Das neue Kilogramm wird durch eine der Grundkonstanten bestimmt - die Plancksche Konstante. Gleichzeitig ändern sich die Definitionen des Kelvin-Grades (der an die Boltzmann-Konstante gebunden ist), des Ampere (ausgedrückt durch die Ladung eines Elektrons) und des Mols (in dem genau 6,02214076 x 10 ²³ Atome vorhanden sind). Somit werden von nun an alle Werte des SI-Systems durch grundlegende physikalische Konstanten bestimmt.

Das neue SI-Einheitensystem ist insofern schön, als wir physikalische Größen nicht mehr in Einheiten messen, die für uns bequem sind, sondern Einheiten an physikalische Einheiten anhängen, die auf der ganzen Welt gleich sind. Zum Beispiel ist ein Meter genau so viel wie Licht in einem Vakuum in 1/299 792 458 Sekunden. Die Nummer 299 792 458 ist genau, da wir sie selbst eingestellt haben. Die zweite wird wiederum durch zwei Energieniveaus im Cäsiumatom eingestellt, deren Abstand genau 9 192 631 770 Hz entspricht. So wird die Metrologie von Anbetungsstandards zu einem Rezept: Die Cäsiumatome, die Lichtgeschwindigkeit und die Planck-Konstante sind überall gleich, und wenn Sie plötzlich zum Mars gebracht werden, können Sie das gesamte Einheitensystem wiederherstellen.

Video des Jahres: wachsender Kristall

Ein Foto von einem Elektronenmikroskop mit atomarer Auflösung wird niemanden überraschen. Eine andere Sache - das Video und sogar was! Einer Gruppe aus Paris gelang es zu fotografieren, wie ein Galliumarsenidkristall Schicht für Schicht Atom für Atom aus einer übersättigten Lösung wächst:

Grundsätzlich gibt es hier nichts Neues - die Merkmale des Kristallwachstums sind seit langem gut untersucht und werden in der Halbleiterindustrie aktiv genutzt. Aber das Video ist faszinierend.

Nanotechnologie des Jahres: die schnellsten Kreisel

Zwei Gruppen - von der Higher Technical School in Zürich und der Purdue University - zeigten einen Weg, Nanopartikel mit einer Geschwindigkeit von über einer Milliarde Umdrehungen pro Sekunde abzuwickeln. Zu diesem Zweck wurden Nanopartikel - Glaströpfchen oder Hanteln mit einer Größe von 100 bis 200 Nanometern - in optischen Pinzetten eingefangen, die mit einem fokussierten Laser gebildet wurden. Wenn die Laserpolarisation zirkulär war, hatte der Laserstrahl ein Rotationsmoment, das auf das Teilchen übertragen werden konnte, wodurch es verdreht wurde.

Natürlich ist das Rotationsmoment des Photons sehr klein, so dass das Abwickeln sehr langsam ging - im Laufe von Minuten. Die Verzögerung von Nanopartikeln gegen die Umgebungsluft war ebenfalls ein Hindernis, daher wurden maximale Geschwindigkeiten nur in einem tiefen Vakuum ( ^10–5 mbar) erreicht. Das Ergebnis war jedoch beeindruckend: Bei maximalen Geschwindigkeiten waren die Zentrifugalkräfte kurz davor, das Nanopartikel zu brechen, sodass diese Technologie für die Messung der Festigkeit von Materialien interessant sein kann. Und bei solchen Umdrehungen kann sich der Casimir-Effekt manifestieren - ein grundlegendes Quantenphänomen, das durch das Vorhandensein virtueller Teilchen in einem Vakuum verursacht wird.

Neujahrsbonus: ein Hirschpullover und seine Gleichung

APS beendet das Jahr sehr gerne mit etwas Ungewöhnlichem. Diesmal gefiel den Redakteuren die Arbeit an den Eigenschaften von Gewirken. Wir alle wissen, dass Wolle von einem Ball fast nicht gedehnt wird, aber ein gestrickter Pullover passt leicht zu Ihnen, selbst wenn Sie nach den Neujahrsferien fünf Kilogramm zugenommen haben. Der Grund dafür sind natürlich Schlaufen, die ihre Form ändern können, wodurch sich der Stoff dehnen kann.

Frühere Strickmuster deuteten darauf hin, dass sich alle Maschen mehr oder weniger gleich verformen. Es ist ziemlich offensichtlich, dass dies nicht so ist: Wenn Sie den Schal dehnen, schrumpft er in der Mitte stark und schrumpft kaum dort, wo Sie ihn halten. Und der Faden kann ein wenig von einer Schleife zur nächsten gehen und seinen Umfang ändern.

All diese Fragen faszinierten drei Wissenschaftler aus Frankreich so sehr, dass sie beschlossen , ein ordentliches Modell aus Gewirken zu schaffen . Es gab zwei Hauptpunkte: Der Faden ist nicht dehnbar, und der Stoff versucht, die Gesamtenergie zu minimieren, die durch das Biegen des Fadens in den Schlaufen verursacht wird. Das Ergebnis ist ein ziemlich einfaches Modell, das die Verformung der Schlaufen in Abhängigkeit von ihrer Position im Stoff beschreibt. Oh ja, parallel dazu banden sie einen Nylonstoff und begannen ihn in jeder Hinsicht zu dehnen. Es stellte sich natürlich heraus, dass das Modell hervorragend mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt.

Anstelle einer Schlussfolgerung

So werden wir uns an das vergangene Jahr erinnern. Und jetzt zur Arbeit, und wir werden versuchen, das kommende Jahr nicht weniger interessant zu machen;).