Liburan Tahun Baru akan segera berakhir, yang berarti sudah waktunya untuk memeriksa tahun ini dengan Komunitas Fisik Amerika . Tahun ini ternyata menarik di semua lini - baik penemuan mendasar maupun pencapaian teknis.

Penemuan Tahun: Superkonduktivitas dalam Graphene

Mungkin penemuan utama tahun ini adalah superkonduktivitas graphene dua lapis . Intinya sederhana: ambil selembar graphene, letakkan selembar lain di atasnya, diputar sedikit miring. Dengan sudut "ajaib" sekitar 1,1 °, struktur menjadi superkonduktor pada suhu sekitar 1 K. Suhu ini terlalu rendah untuk aplikasi praktis, dan bubur pembuka benar-benar berbeda: ternyata graphene dua lapis superkonduktor berperilaku dengan cara yang persis sama seperti superkonduktor suhu tinggi.

Perlu diingat bahwa sifat superkonduktivitas suhu tinggi masih tidak dapat dipahami, dan diamati hanya pada kristal kompleks dari tipe YBaCuO. Mensimulasikan zat semacam itu untuk memahami apa yang terjadi di dalamnya adalah tugas yang hampir mustahil. Oleh karena itu, fakta bahwa graphene yang jauh lebih sederhana dapat menjelaskan misteri alam setengah abad lebih dari kejutan yang menyenangkan. Dan graphene jauh lebih nyaman untuk dikerjakan - dapat ditempatkan di medan magnet / listrik, diputar pada sudut yang berbeda, semua ini telah dilakukan lebih dari sekali dan dipelajari dengan baik, oleh karena itu, ada sesuatu yang dapat dibandingkan.

Belum ada pemahaman yang jelas tentang apa yang terjadi, tetapi ide dasarnya jelas: penerapan dua lembar graphene membentuk pola kompleks yang berulang pada jarak puluhan atom (garis kuning pada gambar). Ini menciptakan superlattice periodik, yang memengaruhi zona energi graphene dan mengarah ke superkonduktivitas pada sudut "ajaib". Pekerjaan dengan bahan bilayer telah diambil oleh puluhan kelompok ilmiah di seluruh dunia, dan, tampaknya, di tahun-tahun mendatang kita akan memiliki hasil yang sangat menarik.

Kejutan tahun ini: osilasi neutrino

Neutrino adalah partikel elementer ultralight yang sering muncul dalam reaksi nuklir. Hari ini, kita tahu tiga jenis neutrino (elektron, muon, dan tau neutrino). Dan mereka dapat "beralih" dari satu jenis ke yang lain dengan cepat - efek luar biasa ini disebut osilasi neutrino (ada ulasan bagus tentang Habré), dan penemuannya dianugerahi Hadiah Nobel 2015.

Kali ini, berita menarik datang dari Fermilab . Dalam percobaan MiniBooNE, muon neutrino dihasilkan dan konversi mereka ke elektronik dipelajari. Ternyata osilasi neutrino terjadi lebih sering daripada yang diperkirakan. Salah satu penjelasan paling sederhana adalah keberadaan jenis neutrino keempat - yang disebut neutrino steril . Tidak seperti jenis lain, neutrino steril berinteraksi dengan materi di sekitarnya hanya melalui gravitasi (oleh karena itu, hampir mustahil untuk mendeteksi mereka secara langsung), tetapi mereka dapat mempengaruhi frekuensi osilasi neutrino.

Pada prinsipnya, teori-teori semacam itu telah lama dikenal; Namun, pengenalan tipe baru neutrino mengubah cukup banyak Model Standar partikel elementer. Percobaan perbaikan sekarang direncanakan (MicroBooNE di Fermilab, DANSS di Kalinin NPP), dan pertanyaan tentang neutrino steril tetap terbuka sejauh ini.

Riddle of the Year: Dark Matter

Seperti yang kita ketahui, bagian penting dari Semesta terdiri dari materi gelap - substansi tak kasat mata yang tidak diketahui sifatnya, yang membentuk sebagian besar galaksi. Untuk waktu yang lama, kandidat utama untuk peran materi gelap adalah WIMPs - partikel elementer masif yang tidak diketahui berinteraksi dengan dunia luar hanya melalui gravitasi (seperti, misalnya, neutrino steril yang disebutkan di atas). Banyak detektor yang berbeda dibangun untuk mencarinya, tetapi tidak satu pun dari mereka membawa hasil positif, jadi sekarang bunga secara bertahap bergeser ke arah penjelasan lain yang mungkin.

Alternatif paling sederhana, diajukan setengah abad yang lalu oleh Hawking, akan menjadi lubang hitam - mereka besar dan tidak terlihat. Misalnya, lubang hitam primer dengan berat 10 ^-8 hingga 10 massa matahari bisa terbentuk pada awal alam semesta, sebelum munculnya atom. Jika objek seperti itu ada, maka dari waktu ke waktu kita harus mengamati bagaimana mereka melewati cakram bintang yang terlihat, mendistorsi bentuk dan kecerahannya karena pelensaan gravitasi .

Dalam salah satu karya tahun lalu, penulis mencari distorsi serupa dari supernova tipe 1a yang diamati. Tidak berhasil. Ini berarti bahwa lubang hitam primer dengan massa lebih dari 0,01 massa matahari jelas tidak cukup untuk menjelaskan semua materi gelap yang diamati. Namun, mereka dapat membuat sebagian darinya.

Hasil lain yang menarik adalah studi tentang penyerapan hidrogen antarbintang. Ternyata pada beberapa tahap awal alam semesta, hidrogen jauh lebih dingin daripada prediksi model. Penjelasan paling logis untuk ini adalah pendinginan gas antarbintang karena interaksi dengan partikel materi gelap. Itu tidak menjelaskan sifatnya, melainkan bersaksi melawan hipotesis dengan lubang hitam. Singkatnya, sejauh ini pencarian materi gelap tetap menjadi misteri ilmiah klasik: tidak ada yang jelas, tetapi sangat ingin tahu.

Konservatif Tahun Ini: Higgs Boson dan Model Standar

Semua orang mendengar tentang penemuan boson Higgs pada tahun 2012. Tugas itu tidak mudah, ternyata lebih sulit untuk memeriksa apakah kita benar memahami perannya dalam Model Standar dan fitur interaksi dengan partikel elementer lainnya. Menurut teori, kekuatan interaksi dengan fermion tumbuh dengan meningkatnya massa yang terakhir, sehingga paling mudah untuk mengamati interaksi dengan yang terberat dari mereka. Sebenarnya, tahun lalu ditandai oleh dua hasil pada topik ini.

Pertama, kolaborasi ATLAS dan CMS dari CERN mendemonstrasikan kelahiran Higgs boson bersama-sama dengan sepasang quark top dan antiquark top (proses ttH). Jalan menuju hal ini sangat sulit, pada satu waktu kelihatannya proses ttH lebih mungkin dari yang diperkirakan ( tinjauan baik ), tetapi hasil 2018 menunjukkan bahwa semuanya sesuai sepenuhnya dengan Model Standar.

Hasil kedua dari kolaborasi yang sama adalah pembusukan bos Higgs menjadi quark dan antiquark. Di sini prinsipnya sama: semakin berat produk peluruhan, semakin besar kemungkinannya. Namun, boson Higgs tidak memiliki energi yang cukup untuk meluruh ke dalam quark terberat dan antiquark teratas, oleh karena itu, pembusukan b-quark dan b-antiquark paling mungkin (58%). Masalahnya ditambahkan oleh fakta bahwa proton yang bertabrakan di collider ingin membusuk menjadi pasangan quark-antiquark yang sama, jadi kami harus memilih kondisi eksperimen yang rumit di mana kebisingan dari benturan proton minimal. Dan lagi, hasilnya bertepatan dengan prediksi Model Standar - sehingga tampaknya tidak ada fisika baru yang dapat diharapkan di bidang ini.

Sputnik of the Year: Micius

Beberapa tahun yang lalu saya berbicara tentang peluncuran satelit kuantum China, Micius. Selama masa ini, ia berhasil membuka jalan untuk Internet kuantum satelit, menunjukkan distribusi kunci kuantum antara Beijing dan Wina. Kunci dihasilkan selama bagian dari satelit di atas stasiun bumi, bitrate adalah 3-9 kb / s, yang dalam satu bagian memberikan kunci dengan panjang 50 hingga 100 kilobyte.

Peragaan Internet kuantum tidak kalah indahnya. Seperti yang Anda ingat, pesan pertama yang dikirimkan di radio adalah nama "Henry Hertz" yang ditolak oleh morse. Melanjutkan tradisi, pesan pertama di Internet kuantum satelit adalah foto-foto filsuf Cina Mo-Tzu (satelit dinamai menurut namanya) dan Edwin Schrödinger (yang tinggal di Wina).

Demonstrasi berikutnya adalah enkripsi konferensi video antara akademi sains Cina dan Austria. Video dienkripsi menggunakan algoritma AES, kunci 128-bit yang berubah setiap detik. Akibatnya, hanya 72 kilobyte kunci rahasia digunakan untuk konferensi video yang berlangsung selama 75 menit.

Dalam waktu yang tidak lama lagi, bisnis Micius akan melanjutkan dengan satelit baru. Ini akan menghasilkan foton terjerat pada panjang gelombang 1550 nm, di mana penerangan dari Matahari akan sedikit kurang, dan transmisi atmosfer akan sedikit lebih tinggi daripada pada 850 nm saat ini. Bersama dengan detektor berbasis darat baru (mereka telah berhasil diuji ), ini akan memungkinkan untuk menerima sinyal dari satelit tidak hanya pada malam hari, tetapi juga pada siang hari; dan meluncurkan ke orbit yang lebih tinggi akan meningkatkan waktu visibilitas satelit. Sejauh ini, semuanya berjalan dengan sempurna, yang tersisa hanyalah berharap pencipta angin yang adil.

Revolusi Tahun Ini: Mendefinisikan Ulang Sistem SI

Standar kilogram - silinder platinum-iridium yang sama dari Kamar Berat dan Ukuran - akan mengundurkan diri pada 20 Mei 2019. Kilogram baru akan ditentukan melalui salah satu konstanta fundamental - konstanta Planck. Bersamaan dengan itu, definisi derajat Kelvin (yang akan dikaitkan dengan konstanta Boltzmann), ampere (akan diekspresikan melalui muatan elektron) dan mol (di mana akan ada tepat 6.02214076 x 10 ²³ atom) akan berubah. Dengan demikian, mulai sekarang, semua nilai sistem SI akan ditentukan melalui konstanta fisik dasar.

Sistem satuan SI yang baru itu indah karena kami tidak lagi mengukur kuantitas fisik dalam satuan yang nyaman bagi kami, melainkan kami melekatkan unit pada entitas fisik yang sama di seluruh dunia. Sebagai contoh, satu meter persis seperti cahaya yang bergerak dalam ruang hampa dalam 1/299 792 458 detik. Angka 299 792 458 tepat, karena kita sendiri yang mengaturnya. Pada gilirannya, yang kedua diatur melalui dua tingkat energi dalam atom sesium, jarak di antaranya persis sama dengan 9 192 631 770 Hz. Dengan demikian, metrologi dari standar pemujaan berubah menjadi resep: atom cesium, kecepatan cahaya dan konstanta Planck adalah sama di mana-mana, dan jika Anda tiba-tiba dibawa ke Mars, Anda dapat memulihkan seluruh sistem unit.

Video tahun ini: kristal tumbuh

Foto dari mikroskop elektron dengan resolusi atom tidak akan mengejutkan siapa pun. Hal lain - video, dan bahkan apa! Sekelompok dari Paris berhasil memotret bagaimana kristal gallium arsenide menumbuhkan atom demi atom dari larutan jenuh, lapis demi lapis:

Pada prinsipnya, tidak ada yang baru di sini - fitur pertumbuhan kristal telah lama dipelajari dengan baik dan secara aktif digunakan dalam industri semikonduktor. Tapi videonya, Anda tahu, memesona.

Nanoteknologi tahun ini: puncak pemintalan tercepat

Dua kelompok - dari Sekolah Teknik Tinggi Zurich dan Universitas Purdue - menunjukkan cara untuk melepas partikel nano hingga kecepatan lebih dari satu miliar putaran per detik. Untuk ini, partikel nano - tetesan kaca atau halter berukuran 100-200 nanometer - ditangkap ke dalam pinset optik yang dibentuk oleh laser terfokus. Jika polarisasi laser berbentuk lingkaran, maka sinar laser memiliki momen rotasi yang dapat ditransmisikan ke partikel, sehingga memelintirnya.

Tentu saja, momen rotasi foton sangat kecil, sehingga pelepasan berlangsung sangat lambat - selama beberapa menit. Perlambatan nanopartikel terhadap udara di sekitarnya juga merupakan hambatan, oleh karena itu, kecepatan maksimum hanya dicapai dalam ruang hampa udara yang dalam (10 ^-5 mbar). Tetapi hasilnya mengesankan: pada kecepatan maksimum, gaya sentrifugal hampir saja melanggar nanopartikel, sehingga teknologi ini mungkin menarik untuk mengukur kekuatan material. Dan pada revolusi seperti itu efek Casimir dapat memanifestasikan dirinya - sebuah fenomena kuantum mendasar yang disebabkan oleh kehadiran partikel virtual dalam ruang hampa.

Bonus Tahun Baru: sweater rusa dan persamaannya

APS sangat suka mengakhiri tahun dengan sesuatu yang tidak biasa. Kali ini, para editor menyukai karya tentang sifat-sifat kain rajutan. Kita semua tahu bahwa wol dari bola hampir tidak diregangkan, tetapi sweater rajutan akan dengan mudah pas pada Anda bahkan jika Anda telah memperoleh lima kilogram setelah liburan Tahun Baru. Alasan untuk ini, tentu saja, ada di loop, yang dapat mengubah bentuknya, memungkinkan kain untuk meregang.

Pola kain rajutan sebelumnya menunjukkan bahwa semua loop kurang lebih sama. Sangat jelas bahwa ini tidak benar: jika Anda meregangkan syal, itu akan menyusut kuat di tengah, dan hampir tidak menyusut di mana Anda memegangnya. Dan utas bisa sedikit dari satu loop ke yang lain, mengubah perimeter mereka.

Semua pertanyaan ini membangkitkan minat tiga ilmuwan dari Prancis sehingga mereka memutuskan untuk membuat model kain rajutan yang rapi. Ada dua poin utama: benang tidak dapat ditarik, dan kain mencoba meminimalkan energi total yang disebabkan oleh tekukan benang pada loop. Hasilnya adalah model yang cukup sederhana yang menggambarkan deformasi loop tergantung pada posisinya di fabric. Oh ya, seiring dengan ini, mereka mengikat kain nilon dan mulai merentangkannya dengan segala cara. Tentu saja, ternyata model tersebut sangat sesuai dengan hasil eksperimen.

Alih-alih sebuah kesimpulan

Ini adalah bagaimana kita akan mengingat tahun lalu. Dan sekarang untuk bekerja, dan kami akan mencoba membuat tahun yang akan datang tidak kalah menarik;).