Halo Giktayms! Sudah waktunya untuk mengambil stok temuan ilmiah 2017 dengan Komunitas Fisik Amerika. Kali ini, editor APS melakukan yang terbaik dan menyiapkan pilihan yang sangat menghibur dari pencapaian terbaru dari ilmu dasar. Hari ini kita akan membicarakannya secara lebih rinci.

Astronomi gelombang gravitasi dan semuanya

Bersama dengan Hadiah Nobel, astronomi gelombang-gravitasi membawa kejutan baru. European Advanced Virgo bergabung dengan dua pendeteksi gelombang gravitasi LIGO. Sekarang pengamatan detektor Amerika dapat secara independen dikonfirmasi oleh perangkat desain yang berbeda, yang terletak di benua yang berbeda. Selain itu, kehadiran tiga detektor memungkinkan Anda untuk menentukan arah ke sumber gelombang gravitasi. Kami tidak perlu menunggu lama: pada tanggal 14 Agustus, ketiga detektor merekam sinyal berikutnya dari penggabungan dua lubang hitam, lokasi yang (penanda hijau pada gambar) dapat ditentukan jauh lebih akurat daripada dengan dua detektor.

Dan tiga hari kemudian, detektor melihat peristiwa baru - kali ini penggabungan bukan lubang hitam, tetapi bintang neutron. Secara kebetulan, bersamaan dengan peristiwa ini, sejumlah besar teleskop melihat kilatan dari penggabungan bintang-bintang di seluruh spektrum - dari radiasi radio ke gamma. Kemampuan untuk secara bersamaan mendaftarkan gelombang cahaya dan gravitasi adalah terobosan luar biasa untuk astronomi, yang berarti bahwa ahli astrofisika pasti tidak akan bosan dalam waktu dekat.

Kami sedang mempersiapkan kristal waktu

Ada suatu fenomena mendasar dalam fisika sebagai pemecahan simetri spontan : itu terjadi ketika keadaan energi tanah suatu sistem kehilangan simetri yang melekat dalam persamaan yang menggambarkannya. Contoh yang paling jelas adalah kristal: mengubah ruang biasa, yang semua titiknya sama satu sama lain, menjadi struktur dengan periode yang ditentukan secara ketat. Berbicara sedikit lebih ilmiah, kristal memecah simetri translasi ruang yang berkesinambungan, membuatnya terpisah. Karena ruang dan waktu adalah entitas dari jenis yang sama, muncul pertanyaan: apakah mungkin untuk membuat kristal yang sama untuk waktu - yaitu, untuk membuat keadaan dasar sistem tidak diam, tetapi berubah secara berkala? Intuisi menunjukkan bahwa tidak: sistem yang berubah biasanya memiliki energi kinetik yang tidak nol, dan karenanya tidak dalam keadaan energi dasar. Namun, pada tahun 2012 ditunjukkan bahwa jika momentum sistem non-linear tergantung pada kecepatan, maka ini menjadi mungkin. Segera, kesimpulan ini digeneralisasi untuk kasus sistem kuantum.

Kemudian menjadi jelas bahwa dalam kesetimbangan termal, kristal waktu masih belum ada. Namun, jika pengaruh periodik eksternal diberikan pada sistem, itu menjadi nyata untuk membuat kristal waktu diskrit - itu juga secara berkala mengubah keadaannya, tetapi apakah itu beberapa kali lebih lambat daripada gangguan eksternal. Dengan kata lain, jika respons kristal waktu diperluas dalam deret Fourier, maka kita akan melihat sinyal pada salah satu subharmonik pengaruh eksternal. Tahun lalu, dua tim menerbitkan pengamatan eksperimental ini. Kolaborasi dari Maryland dan Berkeley menggunakan rantai ion ytterbium untuk ini, secara berkala bekerja pada putaran atom menggunakan pulsa laser dengan periode T. Dalam interval antara pulsa, ion berinteraksi satu sama lain sedemikian rupa sehingga evolusi seluruh sistem terjadi dengan periode 2T . Ini adalah bukti utama pembentukan kristal waktu. Hanya sebulan kemudian, sebuah kelompok dari Harvard melaporkan percobaan serupa dengan ansambel pusat-pusat NV dalam berlian, yang spinnya tereksitasi oleh gelombang mikro. Di sini, penulis berhasil mengamati osilasi dengan periode dua kali lipat dan tiga kali lipat. Selain signifikansi mendasar, karya-karya ini membuka kemungkinan baru untuk mempelajari dinamika sistem kuantum, dan juga bisa menarik untuk menyimpan keadaan kuantum.

Kausalitas di dunia kuantum

Jika dua fenomena berkorelasi satu sama lain, maka satu mungkin menjadi penyebab yang lain. Atau mungkin juga tidak. Katakanlah ada korelasi yang pasti antara jumlah tsunami di Jepang dan Chili; tak satu pun dari mereka mempengaruhi yang lain, karena keduanya memiliki akar penyebab yang sama sekali berbeda - gempa bumi di Samudra Pasifik. Prinsip Reichenbach kadang-kadang membantu memahami kausalitas fenomena berkorelasi: jika diketahui bahwa akar penyebab dua fenomena telah datang, korelasi di antara mereka menghilang.

Dunia kuantum jauh lebih rumit. Akar penyebab banyak fenomena (misalnya, korelasi partikel terjerat) telah lama dicari dalam parameter tersembunyi yang tidak dapat diakses oleh pengamat. Namun, percobaan pada studi Bell's ketidaksetaraan menunjukkan bahwa tidak ada parameter tersembunyi (setidaknya pada spesies yang kita tahu). Oleh karena itu, di dunia kuantum, pertanyaan itu sendiri terstruktur secara berbeda: bukan apa penyebabnya , tetapi apa kausalitas kuantum secara umum . Kolaborasi dari Inggris dan Kanada telah membuat kemajuan dalam masalah ini. Para penulis mengusulkan untuk mendefinisikan kembali prinsip Reichenbach, bergerak dari evolusi klasik deterministik ke evolusi kesatuan, yang dipatuhi oleh sistem kuantum. Hasilnya adalah model konsisten pertama yang mampu menggambarkan kausalitas kuantum dengan cukup ketat. Terlepas dari matematika, karya ini menyoroti sifat korelasi kuantum dan, mungkin, akan memberikan kesempatan untuk memvisualisasikan fenomena kuantum dalam bahasa kausal.

Wi-Fi: radar yang selalu bersama Anda

Gagasan menggunakan radiasi modul Wi-Fi ke radar objek di dekatnya bukanlah hal baru (misalnya, karya 2005). Dalam praktiknya, semuanya diperumit oleh fitur dasar pemancar Wi-Fi. Pertama-tama, mereka, tidak seperti radar, memancar ke segala arah. Ini menghasilkan beberapa refleksi dari objek di sekitarnya dan sangat mempersulit analisis sinyal. Pada prinsipnya, tugas itu dapat disederhanakan dengan mengirimkan pulsa pendek - tetapi ini sulit karena Wi-Fi pita sempit.

Solusi asli untuk masalah ini diusulkan oleh kelompok dari Universitas Teknik Munich. Mereka merekam muka gelombang di belakang objek yang diteliti, dan kemudian merekonstruksi bentuknya menggunakan algoritma terkenal untuk holografi optik. Dalam percobaan, resolusinya sekitar 3 cm untuk router Wi-Fi pada frekuensi 5 GHz. Bonus yang bagus adalah kenyataan bahwa sumber dapat mengirimkan sinyal apa pun - rekonstruksi akan berfungsi dalam hal apa pun. Dari kesulitan - perekaman muka gelombang harus dilakukan piksel demi piksel, secara fisik menggerakkan penerima. Menggunakan array penerima akan secara signifikan menyederhanakan proses ini dengan menaikkan frame rate menjadi 10 fps.

Cuprate superkonduktor

Superkonduktor suhu paling tinggi masih berupa cuprates - senyawa yang termasuk tembaga oksida, seperti YBaCuO. Juara pergi ke kondisi superkonduktor sudah di 134 K (–139 º), sedangkan sifat superkonduktivitas ini masih dipertanyakan. Bagaimanapun, diyakini bahwa itu tidak dijelaskan oleh teori BCS , yang telah membuktikan dirinya ketika bekerja dengan banyak superkonduktor lainnya (mereka juga disebut superkonduktor tipe II). Secara khusus, teori BCS memprediksi keberadaan vortisitas Abrikosov , di sepanjang sirkuit yang mengalir arus kontinu, sementara superkonduktivitas menghilang di dalam pusaran. Vortisitas tersebut muncul dalam medan magnet, yang tidak dapat eksis dalam superkonduktor, tetapi dengan mudah menembus ke dalam vortex yang tidak superkonduktor. Vortisitas Abrikosov secara eksperimental diamati dalam superkonduktor tipe II (mengkonfirmasikan teori BCS), dan belum pernah terlihat dalam cuprates.

Sebenarnya, mereka tidak diperhatikan sampai tahun ini. Kolaborasi dari Swiss dan Jerman untuk pertama kalinya menunjukkan penampilan vortis superkonduktor pada cuprate Y123. Untuk melakukan ini, penulis menggunakan mikroskop tunneling pemindaian, yang dengannya mereka mengukur konduktivitas sampel pada area 90x90 nm ² dan menemukan kisi vortisitas yang dipesan (pada gambar). Meskipun ada sejumlah kesulitan dan ambiguitas eksperimental (terutama karena kontribusi sinyal dari elektron yang tidak superkonduktor), sifat yang diamati dari vortisitas ini dijelaskan dengan baik oleh teori BCS, yang dapat menjelaskan sifat superkonduktivitas suhu tinggi. Selain itu, pendekatan itu sendiri, yang memperhitungkan kontribusi elektron non-superkonduktor pada sinyal keseluruhan, akan sangat penting untuk penelitian di masa depan.

Kontribusi gluon ke spin proton

Spektrometer COMPASS di CERN, di mana kontribusi quark ke spin proton diukur. Gambarnya dari sini .

Inti atom terdiri dari proton dan neutron, yang masing-masing terdiri dari tiga quark. Proton memiliki putaran (momen magnetik intrinsik) sama dengan ½; persis spin quark yang sama. Terutama mengejutkan adalah hasil percobaan yang menunjukkan bahwa putaran total proton hanya 30% ditentukan oleh putaran quark. Alasan untuk ini tetap tidak jelas, serta sifat putaran yang tersisa; sementara ada cukup banyak kandidat - ini adalah pasangan quark-antiquark virtual, dan momentum orbital partikel, dan tentu saja gluon - pembawa interaksi kuat yang menyatukan quark.

Tahun ini, kolaborasi dari empat universitas Amerika untuk pertama kalinya menghitung kontribusi putaran dari gluon. Ini dilakukan dengan menggunakan simulasi numerik canggih kuantum kromodinamik pada kisi spatio-temporal. Ternyata putaran total gluon adalah 0,25 ± 0,05 - dengan kata lain, gluon menentukan hampir setengah putaran proton! Kontribusi yang jauh lebih kecil dari quark disebabkan, tampaknya, oleh transfer momentum sudut ke quark ke awan pasangan quark-antiquark virtual dan pion; peran gluon dalam proses ini tidak signifikan. Secara umum, perhitungan ini memungkinkan untuk lebih memahami struktur internal proton, dan konfirmasi eksperimental mereka direncanakan untuk collider ion-ion Amerika di masa depan.

Mencari materi gelap

Seperti yang Anda ketahui, elektroda negatif juga merupakan elektroda, dan hasil negatif juga merupakan hasil. Selama 16 bulan terakhir, tiga detektor materi gelap terbesar (XENON1T Italia, PandaX-II Cina, dan LUX Amerika) belum dapat mendeteksi jejak WIMP - partikel yang diduga merupakan materi gelap. Ini jelas menunjukkan bahwa ide-ide teoritis yang ada tentang WIMP masih jauh dari kenyataan. Mengingat pencarian supersimetri yang gagal di LHC, seseorang bahkan mempertanyakan keberadaan partikel hipotetis ini.

Inti dari percobaan pencarian WIMPs cukup sederhana: detektornya adalah wadah besar dengan xenon cair, yang terletak jauh di bawah tanah, melindungi dari radiasi kosmik. Interaksi pengecut berat dengan atom xenon mengarah ke kilatan cahaya dan generasi elektron, yang dideteksi oleh photomultipliers di atas dan di bawah kapasitansi. Mengetahui batasan teoritis pada energi WIMPs, orang dapat memperkirakan jumlah acara yang diharapkan per unit waktu. Fakta bahwa ada terlalu sedikit peristiwa yang direkam berarti bahwa sifat-sifat WIMP sangat berbeda dari yang diprediksi. Rupanya, jika WIMP ada, maka mereka memiliki massa yang berbeda atau penampang lintang yang berbeda untuk atom (atau mungkin keduanya), yang berarti bahwa generasi detektor baru akan diminta untuk mencarinya.

Pembelajaran mesin mengenali kondisi topologi

Efek topologis dalam fisika adalah topik yang sangat topikal yang sangat sulit untuk dijelaskan dengan jari. Itulah mengapa secara praktis tidak tercakup dalam literatur sains populer (dan ini meskipun keberhasilan yang luar biasa adalah untuk mengingat setidaknya tentang graphene, efek kuantum Hall, atau Hadiah Nobel 2016). Singkatnya, keadaan topologi yang berbeda tidak dapat diterjemahkan satu sama lain oleh perubahan sistem yang berkelanjutan, yang membuatnya sangat stabil terhadap gangguan eksternal. Contoh paling sederhana adalah kisi atom dua dimensi yang putarannya membentuk atau tidak membentuk pusaran:

Gambar dari sini

Secara matematis, keadaan ini berbeda dalam muatan topologi - dalam hal ini, jumlah vortisitas dalam sistem dengan tanda plus jika vortisnya diputar searah jarum jam dan minus berlawanan arah jarum jam. Muatan di sebelah kiri adalah 0, dan -1 di sebelah kanan. Jika biaya topologi berbeda, maka negara tidak dapat dengan lancar saling bertukar. Kesulitannya adalah bahwa menghitung muatan topologi bisa sangat sulit. Misalnya, jika ukuran pusaran sangat besar, dan itu berputar di suatu tempat di batas, maka untuk menghitung muatannya, Anda harus mempelajari semua atom dalam sistem. Tetapi ada biaya topologi yang jauh lebih rumit untuk dihitung, membuat perhitungan bahan topologis baru hampir tak tertahankan.

Para ahli teori dari Cornell dan University of California mengusulkan solusi untuk masalah ini. Esensinya adalah bahwa berdasarkan kisi kristal yang diteliti (lebih tepatnya, kerapatan elektronnya - kerapatan elektronik), pada kenyataannya, susunan multidimensi (gambar QLT) dari integral khusus di atas kontur ukuran yang meningkat dihasilkan. Ini memungkinkan Anda untuk menutupi area kisi yang cukup untuk pengenalan sifat topologis. Setelah itu, array multidimensi diumpankan ke input jaringan saraf lapis tunggal pra-terlatih, yang menyimpulkan apakah keadaan topologi atau tidak. Dibandingkan dengan metode tradisional, metode ini ternyata sangat produktif, dan penulis berencana untuk mengembangkan aplikasi pembelajaran mesin untuk fisika benda terkondensasi.