Hola giktayms Es hora de hacer un balance de los hallazgos científicos de 2017 con la American Physical Community. Esta vez, los editores de APS hicieron todo lo posible y prepararon una selección extremadamente entretenida de los últimos logros de la ciencia fundamental. Hoy hablaremos de ellos con más detalle.

Astronomía de ondas gravitacionales y todo-todo-todo

Junto con el Premio Nobel, la astronomía de ondas gravitacionales trajo nuevas sorpresas. El European Advanced Virgo se unió a los dos detectores de ondas gravitacionales LIGO. Ahora las observaciones de los detectores estadounidenses pueden confirmarse de forma independiente mediante un dispositivo de un diseño diferente, ubicado en un continente diferente. Además, la presencia de tres detectores le permite determinar la dirección de la fuente de ondas gravitacionales. No tuvimos que esperar mucho: el 14 de agosto, los tres detectores registraron la siguiente señal de la fusión de dos agujeros negros, cuya ubicación (el marcador verde en la figura) podría determinarse con mucha más precisión que con dos detectores.

Y tres días después, los detectores vieron un nuevo evento , esta vez la fusión de no agujeros negros, sino estrellas de neutrones. Por una coincidencia afortunada, simultáneamente con este evento, una gran cantidad de telescopios vieron un destello de la fusión de estrellas en todo el espectro, desde la radio hasta la radiación gamma. La capacidad de registrar simultáneamente ondas de luz y gravitacionales es un avance increíble para la astronomía, lo que significa que los astrofísicos definitivamente no se aburrirán en el futuro cercano.

Estamos preparando un cristal de tiempo

Existe un fenómeno tan fundamental en la física como la ruptura espontánea de la simetría : ocurre cuando el estado de energía de tierra de un sistema pierde la simetría inherente a las ecuaciones que lo describen. El ejemplo más obvio es un cristal: convierte un espacio ordinario, cuyos puntos son iguales entre sí, en una estructura con un período estrictamente definido. Hablando un poco más científicamente, un cristal rompe la simetría traslacional continua del espacio, haciéndolo discreto. Dado que el espacio y el tiempo son entidades del mismo tipo, surge la pregunta: ¿es posible crear un cristal similar para el tiempo, es decir, hacer que el estado fundamental del sistema no sea estacionario, sino que cambie periódicamente? La intuición sugiere que no: el sistema cambiante generalmente tiene energía cinética distinta de cero y, por lo tanto, no está en el estado de energía de tierra. Sin embargo, en 2012 se demostró que si el impulso del sistema no linealmente depende de la velocidad, entonces esto es posible. Pronto, esta conclusión se generalizó al caso de los sistemas cuánticos.

Más tarde se hizo evidente que en el equilibrio térmico, los cristales de tiempo todavía no pueden existir. Sin embargo, si se ejerce una influencia periódica externa en el sistema, se vuelve real crear un cristal de tiempo discreto ; también cambia periódicamente su estado, pero lo hace varias veces más lento que la perturbación externa. En otras palabras, si la respuesta del cristal de tiempo se expande en una serie de Fourier, entonces veremos una señal en una de las subarmónicas de la influencia externa. El año pasado, dos equipos publicaron una observación experimental de esto. La colaboración de Maryland y Berkeley utilizó una cadena de iones de iterbio para esto, actuando periódicamente sobre giros atómicos utilizando pulsos láser con un período T. En los intervalos entre los pulsos, los iones interactuaron entre sí de tal manera que la evolución de todo el sistema ocurrió con un período de 2T . Esta fue la principal evidencia de la formación del cristal del tiempo. Solo un mes después, un grupo de Harvard informó un experimento similar con un conjunto de centros NV en diamante, cuyos giros estaban excitados por pulsos de microondas. Aquí, los autores lograron observar oscilaciones tanto con un período duplicado como triplicado. Además del significado fundamental, estos trabajos abren nuevas posibilidades para estudiar la dinámica de los sistemas cuánticos, y también pueden ser interesantes para almacenar estados cuánticos.

Causalidad en el mundo cuántico.

Si dos fenómenos se correlacionan entre sí, entonces uno puede ser la causa del otro. O tal vez no. Digamos que existe una correlación definitiva entre la cantidad de tsunamis en Japón y Chile; ninguno de ellos afecta al otro, porque ambos tienen una causa raíz completamente diferente: los terremotos en el Océano Pacífico. El principio de Reichenbach a veces ayuda a comprender la causalidad de los fenómenos correlacionados: si se sabe que la causa raíz de dos fenómenos ha llegado, la correlación entre ellos desaparece.

El mundo cuántico es mucho más complicado. La causa raíz de muchos fenómenos (por ejemplo, correlaciones de partículas enredadas) se ha buscado durante mucho tiempo en parámetros ocultos inaccesibles para el observador. Sin embargo, los experimentos en el estudio de las desigualdades de Bell mostraron que no hay parámetros ocultos (al menos en ninguna de las especies que conocemos). Por lo tanto, en el mundo cuántico, la pregunta en sí está estructurada de manera diferente: no cuál es la causa , sino cuál es la causalidad cuántica en general . La colaboración de Gran Bretaña y Canadá ha avanzado en este tema. Los autores propusieron redefinir el principio de Reichenbach, pasando de la evolución clásica determinista a la evolución unitaria, que los sistemas cuánticos obedecen. El resultado fue el primer modelo consistente capaz de describir la causalidad cuántica de manera bastante estricta. A pesar de las matemáticas, este trabajo arroja luz sobre la naturaleza de las correlaciones cuánticas y, posiblemente, brindará la oportunidad de visualizar los fenómenos cuánticos en un lenguaje causal.

Wi-Fi: un radar que siempre está contigo

La idea de usar la radiación de un módulo Wi-Fi para rastrear objetos cercanos no es nueva (por ejemplo, el trabajo de 2005). En la práctica, todo se complica por las características fundamentales de los transmisores Wi-Fi. En primer lugar, ellos, a diferencia de los radares, irradian en todas las direcciones. Esto genera múltiples reflexiones de los objetos circundantes y complica enormemente el análisis de la señal. En principio, la tarea podría simplificarse enviando pulsos cortos, pero esto es difícil debido al Wi-Fi de banda estrecha.

Una solución original al problema fue propuesta por un grupo de la Universidad Técnica de Munich. Registran el frente de onda detrás del objeto en estudio y luego reconstruyen su forma utilizando algoritmos bien conocidos para la holografía óptica. En el experimento, la resolución era de aproximadamente 3 cm para un enrutador Wi-Fi a una frecuencia de 5 GHz. Una buena ventaja es el hecho de que la fuente puede transmitir cualquier señal; la reconstrucción funcionará en cualquier caso. De las dificultades: la grabación del frente de onda debe realizarse píxel por píxel, moviendo físicamente el receptor. El uso de una variedad de receptores simplificaría significativamente este proceso al elevar la velocidad de cuadros a 10 fps.

Superconductores de cuprate

Los superconductores de mayor temperatura aún son cupratos, compuestos que incluyen óxido de cobre, como YBaCuO. Los campeones entran en el estado superconductor ya a 134 K (–139 º), mientras que la naturaleza de esta superconductividad aún está en duda. En cualquier caso, se creía que no está descrito por la teoría BCS , que ha demostrado su eficacia al trabajar con muchos otros superconductores (también se les llama superconductores de tipo II). En particular, la teoría BCS predice la existencia de vórtices de Abrikosov , a lo largo del circuito del cual fluye una corriente continua, mientras que la superconductividad desaparece dentro del vórtice. Tales vórtices aparecen en un campo magnético, que no puede existir en un superconductor, pero penetra fácilmente en un vórtice no superconductor. Los vórtices de Abrikosov se observan experimentalmente en superconductores tipo II (confirmando la teoría BCS), y nunca se han visto en cupratos.

En realidad, no se notaron hasta este año. La colaboración de Suiza y Alemania por primera vez demostró la aparición de vórtices superconductores en cuprate Y123. Para hacer esto, los autores utilizaron un microscopio de túnel de exploración, con el que midieron la conductividad de la muestra en un área de 90x90 nm ² y encontraron una red ordenada de vórtices (en la figura). A pesar de una serie de dificultades y ambigüedades experimentales (principalmente debido a la contribución de la señal de electrones no superconductores), las propiedades observadas de estos vórtices están bien descritas por la teoría BCS, que puede arrojar luz sobre la naturaleza de la superconductividad a alta temperatura. Además, el enfoque en sí, que tiene en cuenta la contribución de los electrones no superconductores a la señal general, será extremadamente importante para futuras investigaciones.

Contribución de los gluones al giro del protón.

El espectrómetro COMPASS en el CERN, en el que se midió la contribución de los quarks al espín del protón. La foto es de aquí .

Los núcleos de los átomos consisten en protones y neutrones, cada uno de los cuales, a su vez, está compuesto por tres quarks. Los protones tienen un espín (momento magnético intrínseco) igual a ½; exactamente el mismo giro de quark. Especialmente sorprendentes son los resultados de los experimentos que demostraron que el giro total de un protón está determinado solo en un 30% por el giro de los quarks. Las razones para esto siguen sin estar claras, así como la naturaleza del giro restante; Si bien hay suficientes candidatos, estos son pares virtuales quark-antiquark y el impulso orbital de las partículas y, por supuesto, los gluones, portadores de la fuerte interacción que mantiene unidos a los quarks.

Este año, una colaboración de cuatro universidades estadounidenses por primera vez calculó la contribución del giro de los gluones. Esto se realiza utilizando una sofisticada simulación numérica de la cromodinámica cuántica en una red espacial-temporal. Resultó que el giro total de los gluones es de 0.25 ± 0.05; en otras palabras, ¡los gluones determinan casi la mitad del giro del protón! Una contribución mucho menor de los quarks es causada, aparentemente, por la transferencia del momento angular a los quarks a una nube de pares y piones virtuales quark-antiquark; El papel de los gluones en este proceso fue insignificante. En general, estos cálculos permitieron comprender mejor la estructura interna del protón, y su confirmación experimental está prevista para el futuro colisionador de iones de electrones estadounidense.

En busca de materia oscura

Como saben, un electrodo negativo también es un electrodo, y un resultado negativo también es un resultado. En los últimos 16 meses, los tres detectores de materia oscura más grandes (el italiano XENON1T, el chino PandaX-II y el estadounidense LUX) no han podido detectar rastros de WIMP, partículas que supuestamente forman materia oscura. Esto muestra claramente que las ideas teóricas existentes sobre WIMP aún están lejos de la realidad. Dada la búsqueda infructuosa de la supersimetría en el LHC, alguien incluso cuestiona la existencia de estas partículas hipotéticas.

La esencia de los experimentos en la búsqueda de WIMP es bastante simple: sus detectores son enormes contenedores con xenón líquido, que se encuentran en el subsuelo, protegiéndolos de la radiación cósmica. La interacción de un debilucho pesado con un átomo de xenón conduce a un destello de luz y a la generación de electrones, que son detectados por fotomultiplicadores por encima y por debajo de la capacitancia. Conociendo los límites teóricos sobre la energía de los WIMP, se puede estimar el número esperado de eventos por unidad de tiempo. El hecho de que se registraron muy pocos eventos de este tipo significa que las propiedades de los WIMP son muy diferentes de las predichas. Aparentemente, si existen WIMP, entonces tienen una masa diferente o una sección transversal de dispersión diferente para los átomos (o tal vez ambos), lo que significa que se requerirá que las nuevas generaciones de detectores los busquen.

El aprendizaje automático reconoce las condiciones topológicas.

Los efectos topológicos en física son un tema extremadamente tópico que es increíblemente difícil de explicar con los dedos. Es por eso que prácticamente no está cubierto en la literatura científica popular (y esto a pesar de los enormes éxitos es recordar al menos sobre el grafeno, el efecto Hall cuántico o el Premio Nobel 2016). En pocas palabras, los diferentes estados topológicos no se pueden traducir entre sí mediante un cambio continuo y suave del sistema, lo que los hace extremadamente estables frente a perturbaciones externas. El ejemplo más simple es una red de átomos bidimensional cuyos giros forman o no forman un vórtice:

Foto de aqui

Matemáticamente, estos estados difieren en la carga topológica : en este caso, el número de vórtices en el sistema con un signo más si los vórtices están torcidos en sentido horario y el signo negativo en sentido antihorario. La carga a la izquierda es 0 y -1 a la derecha. Si las cargas topológicas difieren, entonces los estados no pueden pasar sin problemas entre sí. La dificultad es que calcular la carga topológica puede ser muy difícil. Por ejemplo, si el tamaño del vórtice es enorme y gira en algún lugar en los límites, para calcular la carga, tendrá que estudiar todos los átomos en el sistema. Pero hay cargas topológicas que son mucho más complicadas de calcular, lo que hace que los cálculos de nuevos materiales topológicos sean casi insoportables.

Los teóricos de Cornell y la Universidad de California propusieron una solución a este problema. Su esencia es que, sobre la base de la red cristalina estudiada (más precisamente, su densidad electrónica - densidad electrónica), de hecho, se genera una matriz multidimensional (imagen QLT) de integrales especiales sobre contornos de tamaño creciente. Esto le permite cubrir el área de la red suficiente para el reconocimiento de las propiedades topológicas. Después de eso, una matriz multidimensional se alimenta a la entrada de una red neuronal de capa única pre-entrenada, que concluye si el estado es topológico o no. En comparación con los métodos tradicionales, este método resultó ser muy productivo, y los autores planean desarrollar aplicaciones de aprendizaje automático para la física de la materia condensada.