As férias de Ano Novo estão chegando ao fim, o que significa que é hora de fazer um balanço do ano com a Comunidade Física Americana . O ano acabou sendo interessante em todas as frentes - tanto em descobertas fundamentais quanto em realizações técnicas.

Descoberta do ano: supercondutividade em grafeno

Talvez a principal descoberta do ano tenha sido a supercondutividade do grafeno de duas camadas . A linha inferior é simples: pegue uma folha de grafeno, coloque outra sobre ela e gire em um leve ângulo. Com um ângulo “mágico” de cerca de 1,1 °, a estrutura se torna supercondutora a uma temperatura de cerca de 1 K. Essa temperatura é muito baixa para todas as aplicações práticas e a polpa de abertura é completamente diferente: descobriu-se que o grafeno de duas camadas supercondutor se comporta exatamente da mesma maneira que supercondutores de alta temperatura.

Vale lembrar que a natureza da supercondutividade a alta temperatura ainda é incompreensível e foi observada apenas em cristais complexos do tipo YBaCuO. Simular uma substância para entender o que está acontecendo é uma tarefa quase impossível. Portanto, o fato de o grafeno incomparavelmente mais simples poder lançar luz sobre o mistério da natureza de meio século é mais do que uma surpresa agradável. E o grafeno é muito mais conveniente para trabalhar - ele pode ser colocado em campos magnéticos / elétricos, girado em diferentes ângulos, tudo isso foi feito mais de uma vez e foi bem estudado, portanto, há algo com o que comparar.

Ainda não existe uma compreensão clara do que está acontecendo, mas a idéia básica é clara: a aplicação de duas folhas de grafeno forma um padrão complexo que se repete a uma distância de dezenas de átomos (linhas amarelas na figura). Isso cria um superlátic periódico, que afeta as zonas de energia do grafeno e leva à supercondutividade no ângulo "mágico". O trabalho com materiais em duas camadas já foi realizado por dezenas de grupos científicos em todo o mundo e, aparentemente, nos próximos anos teremos resultados realmente interessantes.

Surpresa do ano: oscilações de neutrinos

Os neutrinos são partículas elementares ultraleves que freqüentemente aparecem em reações nucleares. Hoje, conhecemos três tipos de neutrinos (neutrinos de elétrons, múons e tau). E eles podem "mudar" de um tipo para outro em tempo real - esse efeito maravilhoso é chamado de oscilações de neutrinos (houve uma boa revisão em Habré) e sua descoberta foi marcada pelo Prêmio Nobel de 2015.

Desta vez, notícias interessantes vieram do Fermilab . No experimento MiniBooNE, neutrinos de múon foram gerados e sua conversão em eletrônica foi estudada. Aconteceu que as oscilações de neutrinos ocorreram com muito mais frequência do que o esperado. Uma das explicações mais simples é a existência de um quarto tipo de neutrino - o chamado neutrino estéril . Ao contrário de outros tipos, os neutrinos estéreis interagem com a matéria circundante apenas através da gravidade (portanto, é quase impossível detectá-los diretamente), mas eles podem afetar a frequência das oscilações dos neutrinos.

Em princípio, essas teorias são conhecidas há muito tempo; no entanto, a introdução de um novo tipo de neutrino altera bastante o Modelo Padrão de partículas elementares. Agora, estão planejadas experiências de refinamento (MicroBooNE no Fermilab, DANSS no Kalinin NPP), e a questão dos neutrinos estéreis permanece em aberto até o momento.

Enigma do Ano: Matéria Negra

Como sabemos, uma parte significativa do Universo consiste em matéria escura - uma substância invisível de natureza desconhecida, que compõe a maior parte das galáxias. Durante muito tempo, o principal candidato ao papel da matéria escura foram os WIMPs - partículas elementares maciças desconhecidas que interagem com o mundo exterior apenas através da gravidade (como, por exemplo, os neutrinos estéreis mencionados). Muitos detectores diferentes foram criados para procurá-los, mas nenhum deles trouxe resultados positivos; agora, o interesse está mudando gradualmente para outras explicações possíveis.

A alternativa mais simples, apresentada há meio século por Hawking, seria os buracos negros - eles são apenas enormes e invisíveis. Por exemplo, buracos negros primários pesando de 10 a 8 massas solares poderiam ter se formado no início do universo, antes do aparecimento dos átomos. Se tais objetos existem, então, de tempos em tempos, devemos observar como eles passam pelos discos visíveis das estrelas, distorcendo sua forma e brilho devido às lentes gravitacionais .

Em um dos trabalhos do ano passado, os autores procuraram distorções semelhantes das supernovas do tipo 1a observadas. Sem sucesso. Isso significa que buracos negros primários com massa superior a 0,01 massas solares claramente não são suficientes para explicar toda a matéria escura observada. No entanto, eles podem fazer parte disso.

Outro resultado interessante foi o estudo da absorção de hidrogênio interestelar. Verificou-se que, em alguns estágios iniciais do universo, o hidrogênio era muito mais frio do que os modelos prevêem. A explicação mais lógica para isso seria o resfriamento de gás interestelar devido à interação com partículas de matéria escura. Não lança luz sobre sua natureza, mas testemunha contra a hipótese dos buracos negros. Em suma, até agora a busca por matéria escura permanece um mistério científico clássico: nada está claro, mas é terrivelmente curioso.

Conservadores do ano: Higgs Boson e modelo padrão

Todos ouviram falar da descoberta do bóson de Higgs em 2012. A tarefa não foi fácil, tornou-se ainda mais difícil verificar se entendemos corretamente seu papel no Modelo Padrão e os recursos de interação com outras partículas elementares. De acordo com a teoria, a força de interação com os férmions cresce com o aumento da massa destes, por isso é mais fácil observar a interação com os mais pesados ​​deles. Na verdade, o ano passado foi marcado por dois resultados sobre esse tema.

Primeiro, as colaborações ATLAS e CMS do CERN demonstraram o nascimento do bóson de Higgs junto com um par de quark e antiquark de topo (o chamado processo ttH). O caminho para isso foi espinhoso, ao mesmo tempo parecia que o processo ttH era mais provável do que o previsto ( boa revisão ), mas os resultados de 2018 mostram que tudo está em total concordância com o Modelo Padrão.

O segundo resultado das mesmas colaborações é a decadência do bóson de Higgs em um quark e um antiquark. Aqui, o princípio é o mesmo: quanto mais pesados ​​os produtos de decomposição, maior a probabilidade. No entanto, o bóson de Higgs não possui energia suficiente para decair no quark superior e no antiquark mais alto; portanto, o mais provável (58%) decai no b-quark e no b-antiquark. Os problemas foram adicionados pelo fato de que os prótons que colidem no colisor gostam de se decompor nos mesmos pares quark-antiquark, então tivemos que selecionar condições experimentais astutas sob as quais o ruído das colisões de prótons era mínimo. E, novamente, o resultado coincidiu com as previsões do Modelo Padrão - portanto, aparentemente, nenhuma nova física pode ser esperada nessa área.

Sputnik do ano: Micius

Há alguns anos, falei sobre o lançamento do satélite quântico chinês Micius. Durante esse período, ele abriu o caminho para a Internet quântica por satélite, demonstrando a distribuição quântica de chaves entre Pequim e Viena. A chave é gerada durante a passagem do satélite sobre a estação terrestre, a taxa de bits é de 3 a 9 kb / s, que em uma passagem fornece uma chave com um comprimento de 50 a 100 kilobytes.

A demonstração da Internet quântica não era menos bonita. Como você se lembra, a primeira mensagem transmitida no rádio foi o nome "Henry Hertz" repelido pelo morse. Continuando a tradição, as primeiras mensagens na Internet quântica por satélite foram fotos do filósofo chinês Mo-Tzu (um satélite que recebeu seu nome) e Edwin Schrödinger (que morava em Viena).

A demonstração seguinte foi a criptografia da videoconferência entre as academias de ciências da China e da Áustria. O vídeo foi criptografado usando o algoritmo AES, cuja chave de 128 bits era alterada a cada segundo. Como resultado, apenas 72 kilobytes de chave secreta foram usados ​​para uma videoconferência com duração de 75 minutos.

Em um futuro não muito distante, os negócios da Micius continuarão com um novo satélite. Ele irá gerar fótons emaranhados no comprimento de onda de 1550 nm, onde a iluminação do Sol será um pouco menor e a transmissão da atmosfera será um pouco maior do que a atual 850 nm. Juntamente com os novos detectores terrestres (eles já foram testados com sucesso), isso permitirá receber um sinal do satélite não apenas à noite, mas também durante o dia; e o lançamento em uma órbita mais alta aumentará o tempo de visibilidade do satélite. Até agora, tudo está indo perfeitamente, tudo o que resta é desejar aos criadores de um vento justo.

Revolução do ano: redefinindo o sistema SI

O padrão de quilogramas - o mesmo cilindro de platina-irídio da Câmara de Pesos e Medidas - renunciará em 20 de maio de 2019. O novo quilograma será determinado através de uma das constantes fundamentais - a constante de Planck. Junto com ele, as definições do grau Kelvin (que será vinculado à constante de Boltzmann), o ampère (será expresso através da carga de um elétron) e a toupeira (na qual haverá exatamente 6,02214076 x 10 ²³ átomos) serão alteradas. Assim, a partir de agora, todos os valores do sistema SI serão determinados através de constantes físicas fundamentais.

O novo sistema de unidades SI é bonito, pois não medimos mais quantidades físicas em unidades convenientes para nós, mas anexamos unidades a entidades físicas que são iguais em todo o mundo. Por exemplo, um metro é exatamente o mesmo que a luz viaja no vácuo em 1/299 792 458 segundos. O número 299 792 458 é exato, pois nós mesmos o definimos. Por sua vez, o segundo é definido através de dois níveis de energia no átomo de césio, cuja distância é exatamente igual a 9 192 631 770 Hz. Assim, a metrologia dos padrões de adoração se transforma em uma receita: os átomos de césio, a velocidade da luz e a constante de Planck são os mesmos em todos os lugares, e se você for levado subitamente a Marte, poderá restaurar todo o sistema de unidades.

Vídeo do ano: cultivo de cristal

Uma fotografia de um microscópio eletrônico com resolução atômica não surpreenderá ninguém. Outra coisa - o vídeo, e até o que! Um grupo de Paris conseguiu fotografar como um cristal de arseneto de gálio cresce átomo por átomo a partir de uma solução supersaturada, camada por camada:

Em princípio, não há nada de novo aqui - as características do crescimento de cristais têm sido bem estudadas e são usadas ativamente na indústria de semicondutores. Mas o vídeo, você vê, é fascinante.

Nanotecnologia do ano: os piões mais rápidos

Dois grupos - da Escola Técnica Superior de Zurique e da Universidade Purdue - demonstraram uma maneira de desenrolar nanopartículas a velocidades de mais de um bilhão de revoluções por segundo. Para isso, nanopartículas - gotículas de vidro ou halteres com tamanho de 100 a 200 nanômetros - foram capturadas em pinças ópticas formadas por um laser focalizado. Se a polarização do laser fosse circular, o feixe de laser teria um momento de rotação que poderia ser transmitido para a partícula, torcendo-o.

Obviamente, o momento de rotação do fóton é muito pequeno, então o desenrolamento foi muito lento - ao longo de minutos. A desaceleração das nanopartículas contra o ar circundante também foi um obstáculo; portanto, as velocidades máximas foram alcançadas apenas em um vácuo profundo (10 ^-5 mbar). Mas o resultado foi impressionante: em velocidades máximas, as forças centrífugas estavam próximas de quebrar as nanopartículas, portanto essa tecnologia pode ser interessante para medir a resistência dos materiais. E nessas revoluções, o efeito Casimir pode se manifestar - um fenômeno quântico fundamental causado pela presença de partículas virtuais no vácuo.

Bônus de Ano Novo: um suéter de veado e sua equação

A APS gosta muito de terminar o ano com algo incomum. Desta vez, os editores gostaram do trabalho sobre as propriedades do tecido tricotado. Todos sabemos que a lã de uma bola quase não é esticada, mas um suéter tricotado cabe facilmente em você, mesmo que você tenha ganho cinco quilos após o feriado de Ano Novo. A razão para isso, é claro, está em loops, que podem mudar de forma, permitindo que o tecido se estique.

Os padrões de tecido de malha anteriores sugeriam que todos os loops se deformavam mais ou menos o mesmo. É óbvio que não é assim: se você esticar o lenço, ele encolherá fortemente no meio e dificilmente encolherá onde você o segura. E o fio pode ir um pouco de um loop para outro, alterando seu perímetro.

Todas essas perguntas intrigaram três cientistas da França tanto que decidiram criar um modelo elegante de tecido de malha. Havia dois pontos principais: a linha é inextensível e o tecido tenta minimizar a energia total causada pela dobra da linha nos loops. O resultado é um modelo bastante simples que descreve a deformação dos loops, dependendo de sua posição no tecido. Ah, sim, paralelamente, amarraram um tecido de nylon e começaram a esticá-lo de todas as maneiras. Obviamente, o modelo está em excelente concordância com os resultados experimentais.

Em vez de uma conclusão

É assim que vamos lembrar do ano passado. E agora para o trabalho, e tentaremos tornar o próximo ano não menos interessante;).