Bonjour Giktayms! Il est temps de faire le point sur les découvertes scientifiques de 2017 avec l'American Physical Community. Cette fois, les éditeurs de l'APS ont fait de leur mieux et ont préparé une sélection extrêmement divertissante des dernières réalisations de la science fondamentale. Aujourd'hui, nous en parlerons plus en détail.

Astronomie des ondes gravitationnelles et tout-tout

Avec le prix Nobel, l'astronomie des ondes gravitationnelles a apporté de nouvelles surprises. L'European Advanced Virgo a rejoint les deux détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO. Désormais, les observations des détecteurs américains peuvent être confirmées indépendamment par un appareil de conception différente, situé sur un continent différent. De plus, la présence de trois détecteurs vous permet de déterminer la direction de la source des ondes gravitationnelles. Nous n'avons pas eu à attendre longtemps: le 14 août, les trois détecteurs ont enregistré le signal suivant de la fusion de deux trous noirs, dont l'emplacement (le marqueur vert sur la figure) pouvait être déterminé avec beaucoup plus de précision qu'avec deux détecteurs.

Et trois jours plus tard, les détecteurs ont vu un nouvel événement - cette fois la fusion non pas de trous noirs, mais d'étoiles à neutrons. Par une heureuse coïncidence, simultanément à cet événement, un grand nombre de télescopes ont vu un flash de la fusion des étoiles dans tout le spectre - de la radio au rayonnement gamma. La capacité d'enregistrer simultanément les ondes lumineuses et gravitationnelles est une percée incroyable pour l'astronomie, ce qui signifie que les astrophysiciens ne s'ennuieront certainement pas dans un avenir proche.

Nous préparons un cristal temporel

Il existe un phénomène fondamental en physique comme la rupture de symétrie spontanée : il se produit lorsque l'état d'énergie au sol d'un système perd la symétrie inhérente aux équations qui le décrivent. L'exemple le plus évident est un cristal: il transforme un espace ordinaire, dont tous les points sont identiques les uns aux autres, en une structure avec une période strictement définie. Parlant un peu plus scientifiquement, un cristal brise la symétrie translationnelle continue de l'espace, le rendant discret. L'espace et le temps étant des entités du même genre, la question se pose: est-il possible de créer un cristal similaire pour le temps - c'est-à-dire de rendre l'état fondamental du système non stationnaire, mais changeant périodiquement? L'intuition suggère que non: le système changeant a généralement une énergie cinétique non nulle et n'est donc pas à l'état d'énergie fondamentale. Cependant, en 2012, il a été démontré que si l'élan du système dépend de manière non linéaire de la vitesse, cela devient possible. Bientôt, cette conclusion a été généralisée au cas des systèmes quantiques.

Plus tard, il est devenu clair que dans l'équilibre thermique, les cristaux de temps ne peuvent toujours pas exister. Cependant, si une influence périodique externe est exercée sur le système, il devient réel de créer un cristal temporel discret - il change également périodiquement son état, mais il le fait plusieurs fois plus lentement que la perturbation externe. En d'autres termes, si la réponse du cristal temporel est développée dans une série de Fourier, alors nous verrons un signal sur l'une des sous - harmoniques de l' influence externe. L'année dernière, deux équipes ont publié une observation expérimentale à ce sujet. La collaboration du Maryland et de Berkeley a utilisé pour cela une chaîne d'ions ytterbium, agissant périodiquement sur les spins atomiques en utilisant des impulsions laser avec une période T. Dans les intervalles entre les impulsions, les ions ont interagi les uns avec les autres de telle manière que l'évolution de l'ensemble du système s'est produite avec une période de 2T . Ce fut la principale preuve de la formation du cristal du temps. Un mois plus tard, un groupe de Harvard a rapporté une expérience similaire avec un ensemble de centres NV dans le diamant, dont les spins étaient excités par des impulsions micro-ondes. Ici, les auteurs ont réussi à observer des oscillations avec une période à la fois doublée et triplée. En plus de leur importance fondamentale, ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités pour étudier la dynamique des systèmes quantiques et peuvent également être intéressants pour stocker des états quantiques.

La causalité dans le monde quantique

Si deux phénomènes sont corrélés l'un à l'autre, alors l'un peut être la cause de l'autre. Ou peut-être pas. Disons qu'il existe une corrélation certaine entre la quantité de tsunamis au Japon et au Chili; aucun d'eux n'affecte l'autre, car les deux ont une cause racine complètement différente - les tremblements de terre dans l'océan Pacifique. Le principe de Reichenbach aide parfois à comprendre la causalité des phénomènes corrélés: si l'on sait que la cause première de deux phénomènes est venue, la corrélation entre eux disparaît.

Le monde quantique est beaucoup plus compliqué. La cause première de nombreux phénomènes (par exemple, les corrélations de particules enchevêtrées) a longtemps été recherchée dans des paramètres cachés inaccessibles à l'observateur. Cependant, des expériences sur l'étude des inégalités de Bell ont montré qu'il n'y a pas de paramètres cachés (au moins dans aucune des espèces que nous connaissons). Par conséquent, dans le monde quantique, la question elle-même est structurée différemment: non pas quelle est la cause , mais quelle est la causalité quantique en général . La collaboration entre la Grande-Bretagne et le Canada a progressé sur cette question. Les auteurs ont proposé de redéfinir le principe de Reichenbach, passant d'une évolution classique déterministe à une évolution unitaire, à laquelle obéissent les systèmes quantiques. Le résultat a été le premier modèle cohérent capable de décrire la causalité quantique de manière assez stricte. Malgré les mathématiques, ce travail met en lumière la nature des corrélations quantiques et, peut-être, fournira une opportunité de visualiser les phénomènes quantiques dans un langage causal.

Wi-Fi: un radar toujours avec vous

L'idée d'utiliser le rayonnement d'un module Wi-Fi pour repérer des objets à proximité n'est pas nouvelle (par exemple, les travaux de 2005). En pratique, tout est compliqué par les caractéristiques fondamentales des émetteurs Wi-Fi. Tout d'abord, contrairement aux radars, ils rayonnent dans toutes les directions. Cela génère de multiples réflexions à partir des objets environnants et complique considérablement l'analyse du signal. En principe, la tâche pourrait être simplifiée en envoyant de courtes impulsions - mais cela est difficile en raison du Wi-Fi à bande étroite.

Une solution originale au problème a été proposée par un groupe de l'Université technique de Munich. Ils enregistrent le front d'onde derrière l'objet étudié, puis reconstruisent sa forme en utilisant des algorithmes bien connus pour l'holographie optique. Dans l'expérience, la résolution était d'environ 3 cm pour un routeur Wi-Fi à une fréquence de 5 GHz. Un bon bonus est le fait que la source peut transmettre n'importe quel signal - la reconstruction fonctionnera dans tous les cas. Parmi les difficultés - l'enregistrement du front d'onde doit être effectué pixel par pixel, en déplaçant physiquement le récepteur. L'utilisation d'un réseau de récepteurs simplifierait considérablement ce processus en augmentant la fréquence d'images à 10 ips.

Supraconducteurs cuprates

Les supraconducteurs les plus hautes températures sont encore des cuprates - des composés qui incluent l'oxyde de cuivre, comme le YBaCuO. Les champions passent à l'état supraconducteur déjà à 134 K (–139 º), alors que la nature de cette supraconductivité est toujours en question. Dans tous les cas, on pensait qu'il n'était pas décrit par la théorie BCS , qui a fait ses preuves en travaillant avec de nombreux autres supraconducteurs (ils sont également appelés supraconducteurs de type II). En particulier, la théorie BCS prédit l'existence de tourbillons d'Abrikosov , le long du circuit desquels circule un courant continu, tandis que la supraconductivité disparaît à l'intérieur du vortex. Ces tourbillons apparaissent dans un champ magnétique, qui ne peut pas exister dans un supraconducteur, mais pénètre facilement dans un vortex non supraconducteur. Les tourbillons d’Abrikosov sont observés expérimentalement dans les supraconducteurs de type II (confirmant la théorie BCS) et n’ont jamais été observés chez les cuprates.

En fait, ils n'ont été remarqués que cette année. La collaboration entre la Suisse et l'Allemagne a pour la première fois démontré l' apparition de tourbillons supraconducteurs dans le cuprate Y123. Pour ce faire, les auteurs ont utilisé un microscope à effet tunnel, avec lequel ils ont mesuré la conductivité de l'échantillon sur une zone de 90x90 nm ² et ont trouvé un réseau ordonné de tourbillons (sur la figure). Malgré un certain nombre de difficultés expérimentales et d'ambiguïtés (principalement dues à la contribution du signal des électrons non supraconducteurs), les propriétés observées de ces tourbillons sont bien décrites par la théorie BCS, qui peut éclairer la nature de la supraconductivité à haute température. De plus, l'approche elle-même, qui prend en compte la contribution des électrons non supraconducteurs au signal global, sera extrêmement importante pour les recherches futures.

Contribution des gluons au spin du proton

Le spectromètre COMPASS du CERN, sur lequel la contribution des quarks au spin du proton a été mesurée. L'image vient d'ici .

Les noyaux des atomes sont constitués de protons et de neutrons, chacun étant à son tour composé de trois quarks. Les protons ont un spin (moment magnétique intrinsèque) égal à ½; exactement le même spin de quark. Les résultats d'expériences qui ont montré que le spin total d'un proton n'est que de 30% déterminé par le spin des quarks sont particulièrement surprenants. Les raisons de cela restent floues, ainsi que la nature de la rotation restante; alors qu'il y a suffisamment de candidats - ce sont des paires quark-antiquark virtuelles, et le moment orbital des particules, et bien sûr des gluons - porteurs de l'interaction forte qui maintient les quarks ensemble.

Cette année, une collaboration de quatre universités américaines a pour la première fois calculé la contribution du spin des gluons. Cela se fait en utilisant une simulation numérique sophistiquée de la chromodynamique quantique sur un réseau spatio-temporel. Il s'est avéré que le spin total des gluons est de 0,25 ± 0,05 - en d'autres termes, les gluons déterminent presque la moitié du spin des protons! Une contribution beaucoup plus faible des quarks est causée, apparemment, par le transfert de l'impulsion angulaire aux quarks vers un nuage de paires et de pions virtuels quark-antiquark; le rôle des gluons dans ce processus était insignifiant. De manière générale, ces calculs ont permis de mieux comprendre la structure interne du proton, et leur confirmation expérimentale est prévue pour le futur collisionneur électron-ion américain.

A la recherche de matière noire

Comme vous le savez, une électrode négative est également une électrode, et un résultat négatif est également un résultat. Au cours des 16 derniers mois, les trois plus grands détecteurs de matière noire (l'italien XENON1T, le PandaX-II chinois et le LUX américain) n'ont pu détecter aucune trace de WIMP - des particules qui seraient de la matière noire. Cela montre clairement que les idées théoriques existantes sur les WIMP sont encore loin de la réalité. Compte tenu de la recherche infructueuse de la supersymétrie au LHC, quelqu'un remet même en question l'existence de ces particules hypothétiques.

L'essence des expériences sur la recherche de WIMP est assez simple: leurs détecteurs sont d'énormes conteneurs contenant du xénon liquide, qui sont situés profondément sous terre, protégeant du rayonnement cosmique. L'interaction d'une mauviette lourde avec un atome de xénon conduit à un flash de lumière et à la génération d'électrons, qui sont détectés par des photomultiplicateurs au-dessus et en dessous de la capacité. Connaissant les limites théoriques de l'énergie des WIMP, on peut estimer le nombre attendu d'événements par unité de temps. Le fait qu'il y ait eu trop peu d'événements de ce type enregistrés signifie que les propriétés des WIMP sont très différentes de celles prévues. Apparemment, si des WIMP existent, alors ils ont une masse différente ou une section efficace de diffusion différente pour les atomes (ou peut-être les deux), ce qui signifie que de nouvelles générations de détecteurs seront nécessaires pour les rechercher.

L'apprentissage automatique reconnaît les conditions topologiques

Les effets topologiques en physique sont un sujet extrêmement actuel qui est incroyablement difficile à expliquer sur les doigts. C'est pourquoi il n'est pratiquement pas couvert par la littérature scientifique populaire (et cela malgré les énormes succès est de rappeler au moins le graphène, l'effet Hall quantique ou le prix Nobel 2016). En un mot, différents états topologiques ne peuvent pas se traduire les uns par les autres par un changement continu et en douceur du système, ce qui les rend extrêmement stables contre les perturbations externes. L'exemple le plus simple est un réseau bidimensionnel d'atomes dont les spins forment ou ne forment pas un vortex:

Photo d'ici

Mathématiquement, ces états diffèrent par la charge topologique - dans ce cas, le nombre de tourbillons dans le système avec un signe plus si les tourbillons sont tordus dans le sens horaire et le moins dans le sens antihoraire. La charge à gauche est 0 et -1 à droite. Si les charges topologiques diffèrent, alors les États ne peuvent pas se passer facilement. La difficulté est que le calcul de la charge topologique peut être très difficile. Par exemple, si la taille du vortex est énorme et qu'il se tord quelque part aux limites, alors pour calculer la charge, vous devrez étudier tous les atomes du système. Mais il y a des charges topologiques qui sont beaucoup plus compliquées à calculer, ce qui rend les calculs de nouveaux matériaux topologiques presque insupportables.

Les théoriciens de Cornell et de l'Université de Californie ont proposé une solution à ce problème. Son essence est que, sur la base du réseau cristallin étudié (plus précisément, sa densité électronique - densité électronique), en fait, un réseau multidimensionnel (image QLT) d'intégrales spéciales sur des contours de taille croissante est généré. Cela vous permet de couvrir la zone du réseau suffisante pour la reconnaissance des propriétés topologiques. Après cela, un réseau multidimensionnel est alimenté à l'entrée d'un réseau neuronal monocouche pré-formé, qui conclut si l'état est topologique ou non. Comparée aux méthodes traditionnelles, cette méthode s'est avérée très productive et les auteurs prévoient de développer des applications de machine learning à la physique de la matière condensée.