Les vacances du Nouvel An touchent à leur fin, ce qui signifie qu'il est temps de faire le point sur l'année avec la communauté physique américaine . L'année s'est avérée intéressante sur tous les fronts - découvertes fondamentales et réalisations techniques.

Découverte de l'année: supraconductivité dans le graphène

La principale découverte de l'année a peut-être été la supraconductivité du graphène à deux couches . L'essentiel est simple: prenez une feuille de graphène, placez une autre feuille dessus, pivotée légèrement. Avec un angle «magique» d'environ 1,1 °, la structure devient supraconductrice à une température d'environ 1 K. Cette température est trop basse pour des applications pratiques, et la pulpe d'ouverture est complètement différente: il s'est avéré que le graphène supraconducteur à deux couches se comporte exactement de la même manière que supraconducteurs à haute température.

Il convient de rappeler que la nature de la supraconductivité à haute température est encore incompréhensible, et elle n'a été observée que dans des cristaux complexes de type YBaCuO. Simuler une telle substance afin de comprendre ce qui s'y passe est une tâche presque impossible. Par conséquent, le fait que le graphène incomparablement plus simple puisse éclairer le mystère d'un demi-siècle de la nature est plus qu'une agréable surprise. Et le graphène est beaucoup plus pratique à utiliser - il peut être placé dans des champs magnétiques / électriques, tourné à différents angles, tout cela a été fait plus d'une fois et a été bien étudié, il y a donc quelque chose à comparer.

Il n'y a pas encore de compréhension claire de ce qui se passe, mais l'idée de base est claire: l'application de deux feuilles de graphène forme un motif complexe qui se répète à une distance de dizaines d'atomes (lignes jaunes sur l'image). Cela crée un super-réseau périodique, qui affecte les zones d'énergie du graphène et conduit à la supraconductivité à l'angle "magique". Le travail avec des matériaux bicouches a déjà été repris par des dizaines de groupes scientifiques à travers le monde et, apparemment, dans les années à venir, nous aurons des résultats vraiment intéressants.

Surprise de l'année: oscillations des neutrinos

Les neutrinos sont des particules élémentaires ultra-légères qui apparaissent souvent dans les réactions nucléaires. Aujourd'hui, nous connaissons trois types de neutrinos (neutrinos à électrons, muons et tau). Et ils peuvent «passer» d'un type à un autre à la volée - ce merveilleux effet est appelé oscillations des neutrinos (il y avait une bonne critique sur Habré), et sa découverte a reçu le prix Nobel 2015.

Cette fois, des nouvelles intéressantes sont venues du Fermilab . Dans l'expérience MiniBooNE, des neutrinos de muons ont été générés et leur conversion en électronique a été étudiée. Il s'est avéré que les oscillations des neutrinos se sont produites beaucoup plus souvent que prévu. L'une des explications les plus simples est l'existence d'un quatrième type de neutrino - le neutrino dit stérile . Contrairement aux autres types, les neutrinos stériles n'interagissent avec la matière environnante que par gravité (il est donc presque impossible de les détecter directement), mais ils peuvent affecter la fréquence des oscillations des neutrinos.

En principe, de telles théories sont connues depuis longtemps; cependant, l'introduction d'un nouveau type de neutrino change beaucoup le modèle standard des particules élémentaires. Des expériences de raffinement sont maintenant prévues (MicroBooNE au Fermilab, DANSS à Kalinin NPP), et la question des neutrinos stériles reste ouverte jusqu'à présent.

Devinette de l'année: Dark Matter

Comme nous le savons, une partie importante de l'Univers est constituée de matière noire - une substance invisible de nature inconnue, qui constitue la majeure partie des galaxies. Pendant longtemps, le principal candidat pour le rôle de la matière noire était les WIMP - des particules élémentaires massives inconnues n'interagissant avec le monde extérieur que par la gravité (comme, par exemple, les neutrinos stériles susmentionnés). De nombreux détecteurs différents ont été construits pour les rechercher, mais aucun d'eux n'a donné de résultats positifs, alors maintenant l'intérêt se tourne progressivement vers d'autres explications possibles.

L'alternative la plus simple, proposée il y a un demi-siècle par Hawking, serait les trous noirs - ils sont simplement massifs et invisibles. Par exemple, des trous noirs primaires pesant de 10 à ⁸ à 10 masses solaires auraient pu se former à l'aube de l'univers, avant l'apparition des atomes. Si de tels objets existent, nous devons de temps en temps observer comment ils traversent les disques visibles des étoiles, déformant leur forme et leur luminosité en raison des lentilles gravitationnelles .

Dans l'un des travaux de l'année dernière, les auteurs ont recherché des distorsions similaires des supernovae de type 1a observées. En vain. Cela signifie que les trous noirs primaires d'une masse supérieure à 0,01 masse solaire ne sont clairement pas suffisants pour expliquer toute la matière noire observée. Cependant, ils peuvent en constituer une partie.

Un autre résultat intéressant a été l' étude de l'absorption de l'hydrogène interstellaire. Il s'est avéré qu'à certains stades précoces de l'univers, l'hydrogène était beaucoup plus froid que ne le prédisent les modèles. L'explication la plus logique serait le refroidissement du gaz interstellaire dû à l'interaction avec les particules de matière noire. Il ne fait pas la lumière sur sa nature, mais témoigne plutôt de l'hypothèse des trous noirs. Bref, jusqu'à présent, la recherche de matière noire reste un mystère scientifique classique: rien n'est clair, mais terriblement curieux.

Conservateurs de l'année: Higgs Boson et Standard Model

Tout le monde a entendu parler de la découverte du boson de Higgs en 2012. La tâche n'a pas été facile, il s'est avéré encore plus difficile de vérifier si nous comprenons correctement son rôle dans le modèle standard et les caractéristiques d'interaction avec d'autres particules élémentaires. Selon la théorie, la force d'interaction avec les fermions croît avec l'augmentation de la masse de ces derniers, il est donc plus facile d'observer l'interaction avec les plus lourds d'entre eux. En fait, l'année écoulée a été marquée par deux résultats sur ce sujet.

Tout d'abord, les collaborations ATLAS et CMS du CERN ont démontré la naissance du boson de Higgs avec une paire de quark top et d'antiquark top (ce que l'on appelle le processus ttH). Le chemin à parcourir était épineux, à un moment donné, il semblait que le processus ttH était plus probable que prévu ( bonne revue ), mais les résultats de 2018 montrent que tout est en parfait accord avec le modèle standard.

Le deuxième résultat des mêmes collaborations est la désintégration du boson de Higgs en un quark et un antiquark. Ici, le principe est le même: plus les produits de désintégration sont lourds, plus il est probable. Cependant, le boson de Higgs n'a pas assez d'énergie pour se désintégrer dans le quark supérieur le plus lourd et l'antiquark supérieur; par conséquent, la désintégration la plus probable (58%) en b-quark et b-antiquark. Les problèmes ont été ajoutés par le fait que les protons entrant en collision avec le collisionneur aiment se désintégrer dans les mêmes paires quark-antiquark, nous avons donc dû sélectionner des conditions expérimentales astucieuses dans lesquelles le bruit des collisions de protons était minime. Et encore une fois, le résultat a coïncidé avec les prédictions du modèle standard - donc apparemment aucune nouvelle physique ne peut être attendue dans ce domaine.

Spoutnik de l'année: Micius

Il y a quelques années, j'ai parlé du lancement du satellite quantique chinois Micius. Pendant ce temps, il a ouvert la voie avec succès à l'Internet quantique par satellite, démontrant la distribution des clés quantiques entre Pékin et Vienne. La clé est générée lors du passage du satellite sur la station au sol, le débit est de 3 à 9 kb / s, ce qui donne en un passage une clé d'une longueur de 50 à 100 kilo-octets.

La démonstration de l'Internet quantique n'était pas moins belle. Comme vous vous en souvenez, le premier message transmis à la radio était le nom «Henry Hertz» repoussé par les morse. Poursuivant la tradition, les premiers messages sur Internet quantique par satellite étaient des photos du philosophe chinois Mo-Tzu (un satellite porte son nom) et d'Edwin Schrödinger (qui vivait à Vienne).

La démonstration suivante a été le cryptage de la visioconférence entre les académies des sciences de Chine et d'Autriche. La vidéo a été cryptée à l'aide de l'algorithme AES, dont la clé de 128 bits change chaque seconde. En conséquence, seulement 72 kilo-octets de clé secrète ont été utilisés pour une vidéoconférence de 75 minutes.

Dans un avenir pas trop lointain, les activités de Micius se poursuivront avec un nouveau satellite. Il générera des photons intriqués à une longueur d'onde de 1550 nm, où l'illumination du soleil sera légèrement inférieure et la transmission de l'atmosphère sera légèrement plus élevée qu'à 850 nm actuellement. Associé à de nouveaux détecteurs au sol (ils ont déjà été testés avec succès ), cela permettra de recevoir un signal du satellite non seulement la nuit, mais aussi le jour; et le lancement sur une orbite plus élevée augmentera le temps de visibilité du satellite. Jusqu'à présent, tout se passe à merveille, il ne reste plus qu'à souhaiter aux créateurs d'un bon vent.

Révolution de l'année: redéfinir le système SI

Le kilogramme standard - le même cylindre en platine-iridium de la Chambre des poids et mesures - démissionnera le 20 mai 2019. Le nouveau kilogramme sera déterminé par l'une des constantes fondamentales - la constante de Planck. Parallèlement à cela, les définitions du degré Kelvin (qui sera lié à la constante de Boltzmann), de l'ampère (il sera exprimé par la charge d'un électron) et de la taupe (dans laquelle il y aura exactement 6,02214076 x 10 ²³ atomes) changeront. Ainsi, désormais, toutes les valeurs du système SI seront déterminées par des constantes physiques fondamentales.

Le nouveau système d'unités SI est magnifique dans la mesure où nous ne mesurons plus les quantités physiques dans des unités qui nous conviennent, mais plutôt, nous attachons des unités à des entités physiques qui sont les mêmes partout dans le monde. Par exemple, un mètre équivaut exactement à ce que la lumière voyage dans le vide en 1/299 792 458 secondes. Le nombre 299 792 458 est exact, puisque nous le fixons nous-mêmes. À son tour, le second est réglé à travers deux niveaux d'énergie dans l'atome de césium, dont la distance est exactement égale à 9 192 631 770 Hz. Ainsi, la métrologie des normes d'adoration se transforme en recette: les atomes de césium, la vitesse de la lumière et la constante de Planck sont les mêmes partout, et si vous êtes soudainement amené sur Mars, vous pouvez restaurer tout le système d'unités.

Vidéo de l'année: la croissance du cristal

Une photographie d'un microscope électronique à résolution atomique ne surprendra personne. Une autre chose - la vidéo, et même quoi! Un groupe parisien a réussi à photographier comment un cristal d'arséniure de gallium se développe atome par atome à partir d'une solution sursaturée, couche par couche:

En principe, il n'y a rien de nouveau ici - les caractéristiques de la croissance des cristaux ont longtemps été bien étudiées et sont activement utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs. Mais la vidéo, vous voyez, est fascinante.

Nanotechnologie de l'année: les toupies les plus rapides

Deux groupes - de l'École technique supérieure de Zurich et de l'Université Purdue - ont montré un moyen de dérouler les nanoparticules à des vitesses de plus d'un milliard de tours par seconde. Pour cela, des nanoparticules - des gouttelettes de verre ou des haltères de 100 à 200 nanomètres - ont été capturées dans des pincettes optiques formées par un laser focalisé. Si la polarisation laser était circulaire, le faisceau laser avait alors un moment de rotation qui pouvait être transmis à la particule, la tordant ainsi.

Bien sûr, le moment de rotation du photon est très faible, donc le déroulement s'est déroulé très lentement - en quelques minutes. La décélération des nanoparticules contre l'air ambiant était également un obstacle; par conséquent, les vitesses maximales n'étaient atteintes que dans un vide profond (10 ^-5 mbar). Mais le résultat était impressionnant: à des vitesses maximales, les forces centrifuges étaient près de briser la nanoparticule, donc cette technologie peut être intéressante pour mesurer la résistance des matériaux. Et à de telles révolutions, l'effet Casimir peut se manifester - un phénomène quantique fondamental provoqué par la présence de particules virtuelles dans le vide.

Bonus du Nouvel An: un pull en cerf et son équation

APS aime beaucoup terminer l'année avec quelque chose d'inhabituel. Cette fois, les éditeurs ont apprécié le travail sur les propriétés du tricot. Nous savons tous que la laine d'un ballon n'est presque pas étirée, mais un pull en tricot vous ira facilement même si vous avez pris cinq kilos après les vacances du Nouvel An. La raison en est bien sûr les boucles, qui peuvent changer de forme, permettant au tissu de s'étirer.

Les modèles de tissu tricoté antérieurs suggéraient que toutes les boucles se déformaient plus ou moins de la même manière. Il est bien évident que ce n'est pas le cas: si vous étirez l'écharpe, elle rétrécira fortement au milieu et se rétrécira à peine là où vous la maintenez. Et le fil peut passer un peu d'une boucle à l'autre, en changeant de périmètre.

Toutes ces questions ont tellement intrigué trois scientifiques français qu'ils ont décidé de créer un modèle soigné de tissu tricoté. Il y avait deux points principaux: le fil est inextensible, et le tissu essaie de minimiser l'énergie totale causée par la flexion du fil dans les boucles. Le résultat est un modèle assez simple qui décrit la déformation des boucles en fonction de leur position dans le tissu. Oh oui, en parallèle, ils ont attaché un tissu en nylon et ont commencé à l'étirer dans tous les sens. Bien sûr, il s'est avéré que le modèle est en excellent accord avec les résultats expérimentaux.

Au lieu d'une conclusion

C'est ainsi que nous nous souviendrons de l'année écoulée. Et maintenant pour le travail, et nous allons essayer de rendre l'année à venir non moins intéressante;).