Привет, Гиктаймс! Настало время подвести научные итоги 2017 года вместе с Американским физическим сообществом. На этот раз редакция APS постаралась на славу и подготовила крайне занимательную подборку новейших достижений фундаментальной науки. Сегодня поговорим о них поподробнее.

Гравитационно-волновая астрономия и все-все-все

Вместе с Нобелевской премией гравитационно-волновая астрономия принесла новые сюрпризы. К двум детекторам гравитационных волн LIGO присоединился европейский Advanced Virgo. Теперь наблюдения американских детекторов могут быть независимо подтверждены прибором другой конструкции, находящемся на другом континенте. Более того, наличие трех детекторов позволяют определить направление на источник гравитационных волн. Долго ждать не пришлось: уже 14 августа все три детектора зафиксировали очередной сигнал от слияния двух черных дыр, расположение которых (зеленый маркер на рисунке) удалось определить гораздо точнее, чем с двумя детекторами.

А еще через три дня детекторы увидели новое событие – на этот раз слияние не черных дыр, а нейтронных звезд. По счастливой случайности оно происходило гораздо ближе к нам, чем предыдущие – и это позволило зарегистрировать вспышку от слияния звезд огромным количеством телескопов во всем спектре, от радио- до гамма-излучения. Возможность одновременно регистрировать и свет, и гравитационные волны – это невероятный прорыв для астрономии, а значит, скучать в ближайшее время астрофизикам определенно не придется.

Готовим кристалл времени

Есть в физике такое фундаментальное явление как спонтанное нарушение симметрии: оно происходит, когда основное энергетическое состояние системы теряет симметрию, присущую описывающим его уравнениям. Самый наглядный пример – это кристалл: он превращает обычное пространство, все точки которого одинаковы между собой, в структуру со строго заданным периодом. Выражаясь чуть более научно, кристалл нарушает непрерывную трансляционную симметрию пространства, делая ее дискретной. Так как пространство и время – это сущности одного рода, то появляется вопрос: а можно ли создать аналогичный кристалл для времени – то есть сделать так, чтобы основное состояние системы не было стационарным, а периодически изменялось? Интуиция подсказывает, что нет: изменяющаяся система как правило обладает ненулевой кинетической энергией, а следовательно, не находится в основном энергетическом состоянии. Тем не менее, в 2012 году было показано, что если импульс системы нелинейно зависит от скорости, то это становится возможном. Вскоре этот вывод был обобщен и на случай квантовых систем.

Позднее стало ясно, что в тепловом равновесии кристаллы времени все-таки существовать не могут. Однако если на систему оказывается внешнее периодическое воздействие, становится реальным создать дискретный кристалл времени – он также периодически меняет свое состояние, но делает это в кратное число раз медленнее, чем внешнее возмущение. Иными словами, если отклик кристалла времени разложить в ряд Фурье, то мы увидим сигнал на одной из субгармоник внешнего воздействия. В прошедшем году экспериментальное наблюдение этого опубликовали аж два коллектива. Коллаборация из Мэриленда и Беркли использовала для этого цепочку ионов иттербия, периодически воздействуя на атомные спины при помощи лазерных импульсов с периодом T. В промежутках между импульсами ионы взаимодействовали между собой таким образом, что эволюция всей системы происходила с периодом 2T. Это и было главным свидетельством формирования кристалла времени. Всего лишь через месяц группа из Гарварда сообщила об аналогичном эксперименте с ансамблем NV-центров в алмазе, спины которых возбуждались микроволновыми импульсами. Здесь авторам удалось пронаблюдать осцилляции как с удвоенным, так и с утроенным периодом. Помимо фундаментальной значимости, эти работы открывают новые возможности для изучения динамики квантовых систем, а также могут быть интересны для хранения квантовых состояний.

Причинность в квантовом мире

Если два явления кореллируют друг с другом, то одно может являться причиной другого. А может и не являться. Скажем, есть определенная корреляция между количеством цунами в Японии и Чили; при этом ни одно из них не влияет на другое, потому что у них обоих есть совершенно иная первопричина – землетрясения в Тихом океане. В вопросах причинности скоррелированных явлений иногда помогает разобраться принцип Райхенбаха: если известно, что первопричина двух явлений наступила, корреляция между ними пропадает.

Квантовый мир гораздо сложнее. Первпричину многих явлений (например, корреляций запутанных частиц) долгое время искали в скрытых параметрах, недоступных наблюдателю. Однако эксперименты по изучению неравенств Белла показали, что скрытых параметров не существует (по крайней мере, в любом из известных нам видов). Поэтому в квантовом мире сам вопрос устроен по-другому: не что являетя причиной, а что вообще такое квантовая причинность. Прогресса в этом вопросе достигла коллаборация из Британии и Канады. Авторы предложили переопределить принцип Райхенбаха, перейдя от детерминистичной классической эволюции к унитарной эволюции, которой подчиняются квантовые системы. В результате получилась первая непротиворечивая модель, способная достаточно строго описать квантовую причинность. Несмотря на математичность, эта работа проливает свет на природу квантовых корреляций и, возможно, даст возможность наглядно представлять квантовые явления на причинно-следственном языке.

Wi-Fi: радар, который всегда с тобой

Идея использовать излучение Wi-Fi модуля для радиолокации близлежащих объектов не нова (вот, например, работа 2005 года). На практике все осложняется принципиальными особенностями Wi-Fi передатчиков. Прежде всего, они, в отличие от радаров, излучают во все стороны. Это порождает множественные отражения от окружаюших объектов и здорово усложняет анализ сигнала. В принципе, задачу можно было бы упростить, посылая короткие импульсы – но это затруднительно из-за узкополосности Wi-Fi.

Оригинальное решение проблемы предложила группа из технического университета Мюнхена. Они записывают волновой фронт за исследуемым объектом, после чего реконструируют его форму, используя хорошо известные алгоритмы для оптической голографии. В эксперименте разрешение составило около 3 см для Wi-Fi роутера на частоте 5 ГГц. Приятным бонусом идет тот факт, что источник может передавать любой сигнал – реконструкция будет работать в любом случае. Из сложностей – запись волнового фронта приходится производить попиксельно, физически перемещая приемник. Использование массива приемников позволило бы существенно упростить этот процесс, подняв частоту кадров до 10 fps.

Купратные сверхпроводники

Самыми высокотемпературными сверхпроводниками по-прежнему остаются купраты – соединения, включающие в себя оксид меди, как, например,YBaCuO. Рекордсмены переходят в сверхпроводящее состояние уже при 134 К (–139 ºС), при этом природа этой сверхпроводимости до сих пор остается под вопросом. Во всяком случае, считалось, что она не описывается теорией БКШ, которая хорошо зарекомендовала себя при работе со многими другими сверхпроводниками (их еще называют сверхпроводниками II типа). В частности, теория БКШ предсказывает существование вихрей Абрикосова, по контуру которых течет непрерывный ток, при этом внутри вихря сверхпроводимость пропадает. Такие вихри появляются в магнитном поле, которое не может существовать в сверхпроводнике, но легко проникает внутрь несверхпроводящего вихря. Экспериментально вихри Абрикосова прекрасно наблюдаются в сверхпроводниках II типа (подтверждая теорию БКШ), и ни разу не были замечены в купратах.

Собственно, не были замечены они до этого года. Коллаборация из Швейцарии и Германии впервые продемонстрировала появление сверхпроводящих вихрей в купрате Y123. Для этого авторы использовали сканирующий туннельный микроскоп, при помощи которого они измерили проводимость образца на площади 90х90 нм² и обнаружили упорядоченную решетку вихрей (на рисунке). Несмотря на ряд экспериментальных трудностей и неоднозначностей (в основном, из-за вклада сигнала от несверхпроводящих электронов), наблюдаемые свойства этих вихрей хорошо описываются теорией БКШ, что может пролить свет на природу высокотемпературной сверхпроводимости. Более того, сам подход, в котором учитывается вклад несверхпроводящих электронов в общий сигнал, будет крайне важен для будущих исследований.

Вклад глюонов в спин протона

Спектрометр COMPASS в CERN, на котором измерялся вклад кварков в спин протона. Картинка отсюда.

Ядра атомов состоянт из протонов и нейтронов, каждый из которых, в свою очередь, сложен из трех кварков. Протоны обладают спином (собственным магнитным моментом), равным ½; точно такой же спин и у кварков. Тем более удивительны результаты экспериментов, показавших, что суммарный спин протона всего лишь на 30% определяется спином кварков. Причины этого остаются не совсем понятными, равно как и природа оставшегося спина; при этом кандидатов достаточно – это и виртуальные кварк-антикварковые пары, и орбитальный момент частиц, и конечно же глюоны – переносчики сильного взаимодействия, удерживающего кварки вместе.

В этом году коллаборация из четырех американских университетов впервые рассчитала вклад спина от глюонов. Делается это при помощи сложного численного моделирования квантовой хромодинамики на пространственно-временной решетке. Оказалось, что суммарный спин глюонов составляет 0.25 ± 0.05 – иными словами, глюоны определяют почти половину спина протона! Значительно меньший вклад от кварков вызван, по всей видимости, передачей углового момента кваркам облаку виртуальных кварк-антикварковых пар и пионов; роль глюонов в этом процессе оказалась несущественной. В целом, эти вычисления позволили лучше понять внутреннюю структуру протона, а их экспериментальное подтверждение планируется провести на будущем американском электрон-ионном коллайдере.

В поисках темной материи

Как известно, отрицательный электрод – это тоже электрод, а отрицательный результат – тоже результат. За последние 16 месяцев трем крупнейшим детекторам темной материи (итальянскому XENON1T, китайскому PandaX-II и американскому LUX) так и не удалось обнаружить никаких следов вимпов – частиц, предположительно составляющих темную материю. Это недвусмысленно показывает, что имеющиеся теоретические представления о вимпах все еще далеки от реальности. С учетом безуспешности поисков суперсимметрии на LHC кто-то и вовсе ставит существование этих гипотетических частиц под вопрос.

Суть экспериментов по поиску вимпов довольно проста: в роли их детекторов выступают огромные емкости с жидком ксеноном, которые расположены глубоко под землей, защищающей от космического излучения. Взаимодействие тяжелого вимпа с атомом ксенона приводит к вспышке света и генерации электронов, которые регистрируются фотоумножителями сверху и снизу емкости. Зная теоретические ограничения на энергию вимпов, можно оценить ожидаемое количество событий в единицу времени. Тот факт, что подобных событий было зарегистрировано слишком мало, означает, что свойства вимпов сильно отличаются от предсказанных. По-видимости, если вимпы и существуют, то они обладают другой массой или другим сечением рассеяния на атомах (а может быть, и тем и другим), а значит, для их поиска потребуются новые поколения детекторов.

Машинное обучение распознает топологические состояния

Топологические эффекты в физике – крайне актуальная тема, которую невероятно сложно объяснить на пальцах. Именно поэтому она практически не освещена в научно-популярной литературе (и это несмотря на грандиозные успехи – вспомнить хотя бы про графен, квантовый эффект Холла или Нобелевскую премию 2016 года). В двух словах, разные топологические состояния не могут быть переведены друг в друга плавным непрерывным измнением системы, что делает их крайне устойчивыми против внешних возмущений. Простейший пример – двумерная решетка атомов, спины которых либо образуют, либо не образуют вихрь:

Картинка отсюда

Математически эти состояния различаются топологическим зарядом – в данном случае количеством вихрей в системе со знаком плюс, если вихри закручены по часовой стрелки, и минус – против часовой. На левой картинке заряд 0, а на правой – -1. Если топологические заряды отличаются, то состояния не могут плавно перейти друг в друга. Сложность в том, что посчитать топологический заряд бывает очень непросто. Например, если размеры вихря огромны, и он закручивается где-то на границах, то для вычисления заряда придется исследовать все атомы в системе. А ведь существуют топологические заряды, которые вычисляются гораздо сложнее, делая расчеты новых топологических материалов почти неподъемными.

Решение этой проблемы предложили теоретики из Корнелла и университета Калифорнии. Суть его в том, что на основании изучаемой кристаллической решетки (точнее, ее электронной плотности – electronic density) генерируется, по сути, многомерный массив (QLT image) специальных интегралов по контурам увеличивающегося размера. Это позволяет охватить площадь решетки, достаточную для осознания топологических свойств. После этого многомерный массив подается на вход предварительно обученной однослойной нейронной сети, которая делает вывод, является ли состояние топологическим, или нет. По сравнению с традиционными методами, этот способ оказался весьма продуктивным, а авторы планируют развивать применения машинного обучения к физике конденсированного состояния.