Las vacaciones de año nuevo están llegando a su fin, lo que significa que es hora de hacer un balance del año con la American Physical Community . El año resultó ser interesante en todos los frentes: descubrimientos fundamentales y logros técnicos.
Descubrimiento del año: superconductividad en grafeno
Quizás el descubrimiento principal del año fue la superconductividad del grafeno de dos capas . La conclusión es simple: tome una hoja de grafeno, coloque otra hoja sobre ella y gírela en un ligero ángulo. Con un ángulo "mágico" de aproximadamente 1.1º, la estructura se vuelve superconductora a una temperatura de aproximadamente 1 K. Esta temperatura es demasiado baja para cualquier aplicación práctica, y la pulpa de apertura es completamente diferente: resultó que el grafeno superconductor de dos capas se comporta exactamente igual que Superconductores de alta temperatura.
Vale la pena recordar que la naturaleza de la superconductividad a alta temperatura todavía es incomprensible, y se observó solo en cristales complejos del tipo YBaCuO. Simular tal sustancia para comprender lo que está sucediendo en ella es una tarea casi imposible. Por lo tanto, el hecho de que el grafeno incomparablemente más simple pueda arrojar luz sobre el misterio de la naturaleza de medio siglo es más que una agradable sorpresa. Y es mucho más conveniente trabajar con el grafeno: se puede colocar en campos magnéticos / eléctricos, rotar en diferentes ángulos, todo esto se ha hecho más de una vez y se ha estudiado bien, por lo que hay algo con lo que comparar.
Todavía no hay una comprensión clara de lo que está sucediendo, pero la idea básica es clara: la aplicación de dos hojas de grafeno forma un patrón complejo que se repite a una distancia de decenas de átomos (líneas amarillas en la imagen). Esto crea una superrejilla periódica, que afecta las zonas de energía del grafeno y conduce a la superconductividad en el ángulo "mágico". El trabajo con materiales de doble capa ya ha sido retomado por docenas de grupos científicos de todo el mundo y, aparentemente, en los próximos años tendremos resultados realmente interesantes.
Sorpresa del año: oscilaciones de neutrinos
Los neutrinos son partículas elementales ultraligeras que a menudo aparecen en reacciones nucleares. Hoy, conocemos tres tipos de neutrinos (neutrinos de electrones, muones y tau). Y pueden "cambiar" de un tipo a otro sobre la marcha: este maravilloso efecto se llama oscilaciones de neutrinos (hubo una buena revisión de Habré), y su descubrimiento fue marcado por el Premio Nobel 2015.
Esta vez, llegaron noticias interesantes de Fermilab . En el experimento MiniBooNE, se generaron neutrinos muónicos y se estudió su conversión a electrónica. Resultó que las oscilaciones de neutrinos ocurrieron mucho más a menudo de lo esperado. Una de las explicaciones más simples es la existencia de un cuarto tipo de neutrino: el llamado neutrino estéril . A diferencia de otros tipos, los neutrinos estériles interactúan con la materia circundante solo a través de la gravedad (por lo tanto, es casi imposible detectarlos directamente), pero pueden afectar la frecuencia de las oscilaciones de neutrinos.
En principio, tales teorías se conocen desde hace mucho tiempo; sin embargo, la introducción de un nuevo tipo de neutrino cambia bastante el Modelo Estándar de partículas elementales. Ahora se planean experimentos de refinamiento (MicroBooNE en Fermilab, DANSS en la central nuclear de Kalinin), y la cuestión de los neutrinos estériles sigue abierta hasta ahora.
Enigma del año: materia oscura
Como sabemos, una parte importante del Universo consiste en materia oscura, una sustancia invisible de naturaleza desconocida, que constituye la mayor parte de las galaxias. Durante mucho tiempo, el principal candidato para el papel de la materia oscura fueron los WIMP : partículas elementales masivas desconocidas que interactúan con el mundo exterior solo a través de la gravedad (como, por ejemplo, los neutrinos estériles antes mencionados). Se construyeron muchos detectores diferentes para buscarlos, pero ninguno de ellos arrojó resultados positivos, por lo que ahora el interés está cambiando gradualmente hacia otras posibles explicaciones.
La alternativa más simple, presentada hace medio siglo por Hawking, serían los agujeros negros: son enormes e invisibles. Por ejemplo, los agujeros negros primarios que pesan entre 10 y 8 a 10 masas solares podrían haberse formado en los albores del universo, antes de la aparición de los átomos. Si existen tales objetos, de vez en cuando debemos observar cómo pasan a través de los discos visibles de las estrellas, distorsionando su forma y brillo debido a la lente gravitacional .
En uno de los trabajos del año pasado, los autores buscaron distorsiones similares de las supernovas de tipo 1a observadas. De nada sirvió. Esto significa que los agujeros negros primarios con una masa de más de 0.01 masas solares claramente no son suficientes para explicar toda la materia oscura observada. Sin embargo, pueden inventar una parte.
Otro resultado interesante fue el estudio de la absorción de hidrógeno interestelar. Resultó que en algunas de las primeras etapas del universo, el hidrógeno era mucho más frío de lo que predicen los modelos. La explicación más lógica para esto sería el enfriamiento del gas interestelar debido a la interacción con partículas de materia oscura. No arroja luz sobre su naturaleza, sino que testifica contra la hipótesis con los agujeros negros. En resumen, hasta ahora la búsqueda de materia oscura sigue siendo un misterio científico clásico: nada es claro, pero terriblemente curioso.
Conservadores del año: Bosón de Higgs y modelo estándar
Todos escucharon sobre el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012. La tarea no fue fácil, resultó aún más difícil verificar si entendemos correctamente su papel en el Modelo Estándar y las características de interacción con otras partículas elementales. Según la teoría, la fuerza de interacción con los fermiones crece con el aumento de la masa de estos últimos, por lo que es más fácil observar la interacción con los más pesados. En realidad, el año pasado estuvo marcado por dos resultados sobre este tema.
Primero, las colaboraciones ATLAS y CMS del CERN demostraron el nacimiento del bosón de Higgs junto con un par de quark top y top antiquark (el llamado proceso ttH). El camino hacia esto era espinoso, en un momento parecía que el proceso ttH era más probable de lo previsto ( buena revisión ), pero los resultados de 2018 muestran que todo está totalmente de acuerdo con el Modelo Estándar.
El segundo resultado de las mismas colaboraciones es la descomposición del bosón de Higgs en un quark y un antiquark. Aquí el principio es el mismo: cuanto más pesados sean los productos de descomposición, más probable es. Sin embargo, el bosón de Higgs no tiene suficiente energía para descomponerse en el quark top y el antiquark top más pesados; por lo tanto, la descomposición más probable (58%) en b-quark y b-antiquark. Los problemas se agregaron por el hecho de que a los protones que colisionan en el colisionador les gusta descomponerse en los mismos pares quark-antiquark, por lo que tuvimos que seleccionar condiciones experimentales astutas en las que el ruido de las colisiones de protones era mínimo. Y nuevamente, el resultado coincidió con las predicciones del Modelo Estándar, por lo que aparentemente no se puede esperar una nueva física en esta área.
Sputnik del año: Micius
Hace un par de años hablé sobre el lanzamiento del satélite cuántico chino Micius. Durante este tiempo, allanó con éxito el camino para la Internet cuántica satelital, demostrando la distribución de claves cuánticas entre Beijing y Viena. La clave se genera durante el paso del satélite sobre la estación terrestre, la tasa de bits es de 3 a 9 kb / s, lo que en un pasaje da una clave con una longitud de 50 a 100 kilobytes.
La demostración de Internet cuántica no fue menos bella. Como recordarán, el primer mensaje transmitido por la radio fue el nombre "Henry Hertz" repelido por el morse. Siguiendo con la tradición, los primeros mensajes en el satélite cuántico de Internet fueron fotos del filósofo chino Mo-Tzu (un satélite que lleva su nombre) y Edwin Schrödinger (que vivía en Viena).
La siguiente demostración fue el cifrado de videoconferencia entre las academias de ciencias de China y Austria. El video fue encriptado usando el algoritmo AES, cuya clave de 128 bits cambió cada segundo. Como resultado, solo se utilizaron 72 kilobytes de clave secreta para una videoconferencia que duró 75 minutos.
En un futuro no muy lejano, el negocio de Micius continuará con un nuevo satélite. Generará fotones enredados a una longitud de onda de 1550 nm, donde la iluminación del Sol será ligeramente menor, y la transmisión de la atmósfera será ligeramente mayor que a los 850 nm actuales. Junto con los nuevos detectores terrestres (ya se han probado con éxito), esto permitirá recibir una señal del satélite no solo de noche, sino también durante el día; y lanzarse a una órbita más alta aumentará el tiempo de visibilidad del satélite. Hasta ahora, todo va perfectamente; todo lo que queda es desear a los creadores de un viento justo.
Revolución del año: redefiniendo el sistema SI
El kilogramo estándar, el mismo cilindro de platino-iridio de la Cámara de Pesos y Medidas, renunciará el 20 de mayo de 2019. El nuevo kilogramo se determinará a través de una de las constantes fundamentales: la constante de Planck. Junto con él, las definiciones del grado Kelvin (que estará vinculado a la constante de Boltzmann), el amperio (se expresará a través de la carga de un electrón) y el mol (en el que habrá exactamente 6.02214076 x 10 23 átomos) cambiarán. Por lo tanto, de ahora en adelante, todos los valores del sistema SI se determinarán a través de constantes físicas fundamentales.
El nuevo sistema de unidades SI es hermoso porque ya no medimos cantidades físicas en unidades que son convenientes para nosotros, sino que adjuntamos unidades a entidades físicas que son iguales en todo el mundo. Por ejemplo, un metro es exactamente lo mismo que la luz viaja en el vacío en 1/299 792 458 segundos. El número 299 792 458 es exacto, ya que nosotros mismos lo configuramos. A su vez, el segundo se establece a través de dos niveles de energía en el átomo de cesio, cuya distancia es exactamente igual a 9 192 631 770 Hz. Por lo tanto, la metrología de los estándares de adoración se convierte en una receta: los átomos de cesio, la velocidad de la luz y la constante de Planck son los mismos en todas partes, y si de repente te traen a Marte, puedes restaurar todo el sistema de unidades.
Video del año: cristal en crecimiento
Una fotografía de un microscopio electrónico con resolución atómica no sorprenderá a nadie. Otra cosa: el video, ¡e incluso qué! Un grupo de París logró fotografiar cómo un cristal de arseniuro de galio crece átomo por átomo a partir de una solución sobresaturada, capa por capa:
En principio, no hay nada nuevo aquí: las características del crecimiento de cristales han sido bien estudiadas y se utilizan activamente en la industria de los semiconductores. Pero el video, como ves, es fascinante.
Nanotecnología del año: los trompos más rápidos
Dos grupos, de la Escuela Técnica Superior de Zurich y la Universidad de Purdue, demostraron una forma de desenrollar nanopartículas a velocidades de más de mil millones de revoluciones por segundo. Para esto, las nanopartículas (gotas de vidrio o pesas de 100 a 200 nanómetros de tamaño) fueron capturadas en pinzas ópticas formadas por un láser enfocado. Si la polarización del láser era circular, entonces el rayo láser tenía un momento de rotación que podía transmitirse a la partícula, retorciéndola.
Por supuesto, el momento de rotación del fotón es muy pequeño, por lo que el desenrollado fue muy lento, en el transcurso de minutos. La desaceleración de las nanopartículas contra el aire circundante también fue un obstáculo; por lo tanto, las velocidades máximas se lograron solo en un vacío profundo ( 10-5 mbar). Pero el resultado fue impresionante: a velocidades máximas, las fuerzas centrífugas estaban cerca de romper la nanopartícula, por lo que esta tecnología puede ser interesante para medir la resistencia de los materiales. Y a tales revoluciones, el efecto Casimir puede manifestarse, un fenómeno cuántico fundamental causado por la presencia de partículas virtuales en el vacío.
Bono de año nuevo: un suéter de ciervo y su ecuación
APS le gusta terminar el año con algo inusual. Esta vez, a los editores les gustó el trabajo sobre las propiedades del tejido de punto. Todos sabemos que la lana de una pelota casi no se estira, pero un suéter de punto le quedará fácilmente incluso si ha ganado cinco kilogramos después de las vacaciones de Año Nuevo. La razón de esto, por supuesto, está en los bucles, que pueden cambiar su forma, permitiendo que la tela se estire.
Los patrones de tejido de punto anteriores sugerían que todos los bucles se deforman más o menos de la misma manera. Es bastante obvio que esto no es así: si estira la bufanda, se encogerá fuertemente en el medio y apenas se encogerá donde la sostiene. Y el hilo puede ir un poco de un bucle a otro, cambiando su perímetro.
Todas estas preguntas intrigaron tanto a tres científicos de Francia que decidieron crear un modelo ordenado de tejido de punto. Hubo dos puntos principales: el hilo es inextensible, y la tela trata de minimizar la energía total causada por la flexión del hilo en los bucles. El resultado es un modelo bastante simple que describe la deformación de los bucles dependiendo de su posición en la tela. Ah, sí, en paralelo con esto, ataron una tela de nylon y comenzaron a estirarla en todos los sentidos. Por supuesto, resultó que el modelo está en excelente acuerdo con los resultados experimentales.
En lugar de una conclusión
Así es como recordaremos el año pasado. Y ahora por trabajo, e intentaremos que el año que viene no sea menos interesante;).