Olá Giktayms! É hora de fazer um balanço das descobertas científicas de 2017 com a Comunidade Física Americana. Desta vez, os editores da APS fizeram o seu melhor e prepararam uma seleção extremamente divertida das mais recentes conquistas da ciência fundamental. Hoje vamos falar sobre eles em mais detalhes.

Astronomia de ondas gravitacionais e tudo-tudo-tudo

Juntamente com o Prêmio Nobel, a astronomia de ondas gravitacionais trouxe novas surpresas. O European Advanced Virgo juntou-se aos dois detectores de ondas gravitacionais LIGO. Agora, as observações dos detectores americanos podem ser confirmadas independentemente por um dispositivo de um design diferente, localizado em um continente diferente. Além disso, a presença de três detectores permite determinar a direção da fonte de ondas gravitacionais. Não tivemos que esperar muito: em 14 de agosto, todos os três detectores registraram o próximo sinal da fusão de dois buracos negros, cuja localização (o marcador verde na figura) poderia ser determinada com muito mais precisão do que com dois detectores.

E três dias depois, os detectores viram um novo evento - desta vez a fusão não de buracos negros, mas de estrelas de nêutrons. Por uma coincidência de sorte, simultaneamente com este evento, um grande número de telescópios viu um flash da fusão de estrelas em todo o espectro - do rádio à radiação gama. A capacidade de registrar simultaneamente as ondas de luz e as gravitacionais é uma inovação incrível para a astronomia, o que significa que os astrofísicos definitivamente não ficarão entediados no futuro próximo.

Estamos preparando um cristal do tempo

Existe um fenômeno fundamental na física como quebra de simetria espontânea : ocorre quando o estado de energia do solo de um sistema perde a simetria inerente às equações que o descrevem. O exemplo mais óbvio é um cristal: transforma um espaço comum, cujos pontos são iguais entre si, em uma estrutura com um período estritamente definido. Falando um pouco mais cientificamente, um cristal quebra a simetria translacional contínua do espaço, tornando-o discreto. Como espaço e tempo são entidades do mesmo tipo, surge a pergunta: é possível criar um cristal semelhante para o tempo - isto é, tornar o estado fundamental do sistema não estacionário, mas periodicamente mudando? A intuição sugere que não: o sistema em mudança geralmente possui energia cinética diferente de zero e, portanto, não está no estado de energia do solo. No entanto, em 2012, foi demonstrado que, se o momento do sistema não linearmente depende da velocidade, isso se torna possível. Logo, essa conclusão foi generalizada para o caso de sistemas quânticos.

Mais tarde ficou claro que, no equilíbrio térmico, os cristais do tempo ainda não podem existir. No entanto, se uma influência periódica externa é exercida no sistema, torna-se real para criar um cristal de tempo discreto - ele também muda periodicamente seu estado, mas é várias vezes mais lento que o distúrbio externo. Em outras palavras, se a resposta do cristal do tempo for expandida em uma série de Fourier, veremos um sinal em uma das sub - harmônicas da influência externa. No ano passado, duas equipes publicaram uma observação experimental disso. A colaboração de Maryland e Berkeley utilizou uma cadeia de íons de itérbio para isso, agindo periodicamente em rotações atômicas usando pulsos de laser com um período T. Nos intervalos entre os pulsos, os íons interagiram entre si de tal maneira que a evolução de todo o sistema ocorreu com um período de 2T . Esta foi a principal evidência da formação do cristal do tempo. Apenas um mês depois, um grupo de Harvard relatou um experimento semelhante com um conjunto de centros de NV em diamante, cujas rotações foram excitadas por pulsos de microondas. Aqui, os autores conseguiram observar oscilações com um período dobrado e triplicado. Além do significado fundamental, esses trabalhos abrem novas possibilidades para o estudo da dinâmica dos sistemas quânticos e também podem ser interessantes para o armazenamento de estados quânticos.

Causalidade no mundo quântico

Se dois fenômenos se correlacionam, um pode ser a causa do outro. Ou talvez não. Digamos que haja uma correlação definida entre a quantidade de tsunamis no Japão e no Chile; nenhum deles afeta o outro, porque ambos têm uma causa raiz completamente diferente - terremotos no Oceano Pacífico. O princípio de Reichenbach às vezes ajuda a entender a causalidade dos fenômenos correlacionados: se se sabe que a causa raiz de dois fenômenos chegou, a correlação entre eles desaparece.

O mundo quântico é muito mais complicado. A causa raiz de muitos fenômenos (por exemplo, correlações de partículas emaranhadas) há muito tempo é procurada em parâmetros ocultos inacessíveis ao observador. No entanto, experimentos no estudo das desigualdades de Bell mostraram que não existem parâmetros ocultos (pelo menos em qualquer uma das espécies que conhecemos). Portanto, no mundo quântico, a própria questão é estruturada de maneira diferente: não qual é a causa , mas o que é causalidade quântica em geral . A colaboração da Grã-Bretanha e do Canadá fez progressos nessa questão. Os autores propuseram redefinir o princípio de Reichenbach, passando da evolução clássica determinística para a evolução unitária, à qual os sistemas quânticos obedecem. O resultado foi o primeiro modelo consistente capaz de descrever a causalidade quântica com bastante rigor. Apesar da matemática, este trabalho lança luz sobre a natureza das correlações quânticas e, possivelmente, fornecerá uma oportunidade para visualizar fenômenos quânticos em uma linguagem causal.

Wi-Fi: um radar que está sempre com você

A idéia de usar a radiação de um módulo Wi-Fi para radar objetos próximos não é nova (por exemplo, o trabalho de 2005). Na prática, tudo é complicado pelas características fundamentais dos transmissores Wi-Fi. Antes de tudo, eles, ao contrário dos radares, irradiam em todas as direções. Isso gera várias reflexões a partir dos objetos ao redor e complica muito a análise do sinal. Em princípio, a tarefa poderia ser simplificada enviando pulsos curtos - mas isso é difícil devido ao Wi-Fi de banda estreita.

Uma solução original para o problema foi proposta por um grupo da Universidade Técnica de Munique. Eles registram a frente de onda atrás do objeto em estudo e, em seguida, reconstroem sua forma usando algoritmos conhecidos para holografia óptica. No experimento, a resolução foi de cerca de 3 cm para um roteador Wi-Fi a uma frequência de 5 GHz. Um bom bônus é o fato de que a fonte pode transmitir qualquer sinal - a reconstrução funcionará em qualquer caso. Das dificuldades - a gravação em frente de onda deve ser feita pixel por pixel, movendo fisicamente o receptor. O uso de uma variedade de receptores simplificaria significativamente esse processo, aumentando a taxa de quadros para 10 qps.

Supercondutores de Cuprate

Os supercondutores de alta temperatura ainda são cupratos - compostos que incluem óxido de cobre, como o YBaCuO. Os campeões entram no estado supercondutor já em 134 K (–139 º), enquanto a natureza dessa supercondutividade ainda está em questão. De qualquer forma, acreditava-se que não era descrito pela teoria do BCS , que se provou ao trabalhar com muitos outros supercondutores (eles também são chamados de supercondutores do tipo II). Em particular, a teoria BCS prevê a existência de vórtices de Abrikosov , ao longo do circuito em que uma corrente contínua flui, enquanto a supercondutividade desaparece dentro do vórtice. Tais vórtices aparecem em um campo magnético, que não pode existir em um supercondutor, mas penetra facilmente em um vórtice não supercondutor. Os vórtices de Abrikosov são observados experimentalmente em supercondutores do tipo II (confirmando a teoria do BCS) e nunca foram vistos em cupratos.

Na verdade, eles não foram notados até este ano. A colaboração da Suíça e da Alemanha demonstrou pela primeira vez o aparecimento de vórtices supercondutores no cuprato Y123. Para isso, os autores usaram um microscópio de varredura por tunelamento, com o qual mediram a condutividade da amostra em uma área de 90x90 nm ² e encontraram uma estrutura ordenada de vórtices (na figura). Apesar de várias dificuldades e ambiguidades experimentais (principalmente devido à contribuição do sinal de elétrons não supercondutores), as propriedades observadas desses vórtices são bem descritas pela teoria do BCS, que pode lançar luz sobre a natureza da supercondutividade em alta temperatura. Além disso, a própria abordagem, que leva em consideração a contribuição de elétrons não supercondutores para o sinal geral, será extremamente importante para pesquisas futuras.

Contribuição de glúons para o spin de prótons

O espectrômetro COMPASS no CERN, no qual foi medida a contribuição dos quarks para a rotação do próton. A imagem é daqui .

Os núcleos dos átomos consistem em prótons e nêutrons, cada um dos quais, por sua vez, é composto por três quarks. Os prótons têm um spin (momento magnético intrínseco) igual a ½; exatamente o mesmo giro do quark. Especialmente surpreendentes são os resultados de experimentos que mostraram que o spin total de um próton é apenas 30% determinado pelo spin de quarks. As razões para isso permanecem incertas, bem como a natureza do giro restante; enquanto houver candidatos suficientes - são pares virtuais de quarks-antiquarks, o momento orbital de partículas e, é claro, glúons - portadores da forte interação que mantém os quarks unidos.

Este ano, pela primeira vez, uma colaboração de quatro universidades americanas calculou a contribuição do spin dos glúons. Isso é feito usando simulação numérica sofisticada da cromodinâmica quântica em uma estrutura espaço-temporal. Descobriu-se que o giro total de glúons é de 0,25 ± 0,05 - em outras palavras, os glúons determinam quase metade do giro de prótons! Uma contribuição muito menor dos quarks é causada, aparentemente, pela transferência do momento angular para os quarks para uma nuvem de pares e pions virtuais de quarks-antiquark; o papel dos glúons nesse processo era insignificante. Em geral, esses cálculos tornaram possível entender melhor a estrutura interna do próton, e sua confirmação experimental está planejada para o futuro colisor de íons de elétrons americano.

Em busca de matéria escura

Como você sabe, um eletrodo negativo também é um eletrodo e um resultado negativo também é um resultado. Nos últimos 16 meses, os três maiores detectores de matéria escura (italiano XENON1T, chinês PandaX-II e americano LUX) não foram capazes de detectar vestígios de WIMPs - partículas que supostamente compõem a matéria escura. Isso mostra claramente que as idéias teóricas existentes sobre WIMPs ainda estão longe da realidade. Dada a busca malsucedida por supersimetria no LHC, alguém até questiona a existência dessas partículas hipotéticas.

A essência dos experimentos na busca de WIMPs é bastante simples: seus detectores são enormes recipientes com xenônio líquido, localizados no subsolo, protegendo da radiação cósmica. A interação de um covarde pesado com um átomo de xenônio leva a um flash de luz e à geração de elétrons, que são detectados por fotomultiplicadores acima e abaixo da capacitância. Conhecendo os limites teóricos da energia dos WIMPs, é possível estimar o número esperado de eventos por unidade de tempo. O fato de haver poucos eventos registrados, significa que as propriedades dos WIMPs são muito diferentes das previstas. Aparentemente, se existem WIMPs, eles têm uma massa diferente ou uma seção transversal de dispersão diferente para átomos (ou talvez ambos), o que significa que novas gerações de detectores serão necessárias para procurá-los.

O aprendizado de máquina reconhece condições topológicas

Os efeitos topológicos na física são um tópico extremamente atual que é incrivelmente difícil de explicar nos dedos. É por isso que praticamente não é abordado na literatura científica popular (e isso, apesar dos tremendos sucessos, é para lembrar pelo menos sobre grafeno, o efeito Hall quântico ou o Prêmio Nobel de 2016). Em poucas palavras, diferentes estados topológicos não podem ser traduzidos entre si por uma mudança contínua e suave do sistema, o que os torna extremamente estáveis ​​contra distúrbios externos. O exemplo mais simples é uma estrutura bidimensional de átomos cujos spins formam ou não um vórtice:

Imagem daqui

Matematicamente, esses estados diferem na carga topológica - nesse caso, o número de vórtices no sistema com um sinal de mais se os vórtices forem torcidos no sentido horário e o menos no sentido anti-horário. A carga à esquerda é 0 e -1 à direita. Se as cargas topológicas diferirem, os estados não poderão passar suavemente entre si. A dificuldade é que calcular a carga topológica pode ser muito difícil. Por exemplo, se o tamanho do vórtice for enorme e se distorcer em algum lugar nos limites, para calcular a carga, será necessário estudar todos os átomos no sistema. Mas existem encargos topológicos muito mais complicados de calcular, tornando quase insuportáveis ​​os cálculos de novos materiais topológicos.

Teóricos de Cornell e da Universidade da Califórnia propuseram uma solução para esse problema. Sua essência é que, com base na estrutura cristalina estudada (mais precisamente, sua densidade de elétrons - densidade eletrônica), de fato, é gerado um arranjo multidimensional (imagem QLT) de integrais especiais sobre contornos de tamanho crescente. Isso permite cobrir a área da treliça suficiente para o reconhecimento das propriedades topológicas. Depois disso, uma matriz multidimensional é fornecida à entrada de uma rede neural de camada única pré-treinada, que conclui se o estado é topológico ou não. Comparado aos métodos tradicionais, esse método acabou sendo muito produtivo, e os autores planejam desenvolver aplicações de aprendizado de máquina para a física da matéria condensada.