Квантове майбутнє та нові види матерії. 10 найцікавіших відкриттів у фізиці за останній час

Квантові помилки та мікросхеми

Якщо ми вже заговорили про квантові комп’ютери, давайте доб'ємо цю тему, адже вчені дійсно активно працюють над його створенням. Вони впевнені, що ця технологія допоможе нам здійснити неймовірний ривок практично у всіх сферах — починаючи з медицини до досліджень космосу.

Головна проблема квантових систем прямо зараз навіть не в тому, що нам складно їх створити та підтримувати працездатність (потрібні дуже низькі температури, щоб не розривати зв’язок між кубітами). Схильність до помилок — ось справжній бич сучасних квантових технологій.

На початку року одразу три незалежні команди вчених опублікували результати своїх досліджень, у яких спробували вирішити саме цю проблему. Кожен підхід вирішує її по-своєму, а про кожен із них докладніше прочитайте тут.

А зовсім недавно австралійські вчені вперше створили інтегральну схему квантового комп’ютера. Це щось подібне до мікрочипа для звичайного комп’ютера, що містить у собі всі необхідні для його роботи компоненти. На створення квантового мікрочипа у фізиків пішло дев’ять років роботи. У 2012 році ця сама наукова команда створила перший квантовий транзистор.

За словами Мішель Сіммонс, яка керувала дослідженнями, відкриття її команди дуже схожі на те, як розвивався класичний комп’ютер та винаходи, які дозволили його створити: перший комп’ютерний транзистор вперше створили 1947 року, а інтегральну схему — 1958 року. Фактично сучасним ученим вдалося випередити «класичний» графік на два роки.

П’ята сила природи

Стандартна модель — це найкраща наукова теорія, яку створило людство. Тим не менш, ми знаємо, що вона є неповною. Тому вчені перебувають у постійному пошуку нової фізики або п’ятої сили природи — аномалій, які розходяться з усталеними теоретичними знаннями.

Фізики активно шукають їх, вивчаючи елементарні частинки, і в цьому нам дуже допоможе новий запуск Великого адронного колайдера. LHCb (Large Hadron Collider beauty) — один із семи експериментів фізики елементарних частинок, який проводиться на Великому адронному колайдері. Саме він допоможе підтвердити знахідку команди вчених лабораторії Fermilab і команди LHCb, які виявили, що красивий кварк — один із шести ароматів елементарної частинки, з яких складається будь-яка навколишня матерія — розпадається під дією слабкої взаємодії на електрони та мюони з різною швидкістю. Теоретично такої різниці бути не повинно, через що фізики припустили, що на мюони впливає якась «невідкрита сила».

Новий запуск ВАК допоможе вченим підтвердити цей здогад. Якщо це станеться, ми станемо свідками унікального перевороту у фізиці — відкриття нової сили природи.

«Міст» між класичною та квантовою фізикою

Загальна теорія відносності (ЗТВ) Альберта Ейнштейна — одне з найбільших відкриттів у історії людства. Вона стала основою для формулювання тисяч інших законів, які існують у нашому Всесвіті. Теорія ідеально описує правила існування нашого Всесвіту … якщо не заглядати в його основи. Там панує квантова фізика — елементарні частинки керуються зовсім іншими законами, які не узгоджуються з правилами теорії відносності.

Ми досі упускаємо момент «переходу» класичної фізики в квантову. Пошук цієї точки дотику двох дивовижних світів і є однією з головних загадок науки, адже ми досі не можемо дійти єдиної системи фізичних законів.

Фізики з Массачусетського технологічного інституту стверджують, що зробили неможливе — простежили за квантовим ефектом у класичному середовищі, коли у хмарах ультрахолодних атомів утворювалися «квантові торнадо».

При нормальній температурі атоми діють як більярдні кулі та відскакують один від одного. Однак чим нижчою стає температура, тим нижчою буде швидкість їх руху. Якщо ж температура стане досить низькою, досягнувши мільярдних часток вище абсолютного нуля, а атоми будуть розташовуватися дуже щільно один до одного, вони зможуть «відчувати» один одного і координувати свої рухи, ніби вони були одним великим суператомом.

Що це все означає читайте в нашому матеріалі.

Стерильні нейтрино

Ще одна зачіпка, яка потенційно може призвести до нової фізики.

Нейтрино — це одна з найпоширеніших частинок у Всесвіті, проте це не особливо допомагає вченим, які намагаються їх вивчати. Вони настільки маленькі та швидкі, що довгий час фізики припускали, що ці частинки зовсім не мають маси і течуть крізь Всесвіт зі швидкістю світла. Лише нещодавно вченим вдалося довести, що нейтрино таки мають масу. Однак, незважаючи на те, що вченим таки вдалося їх вловити, вони все одно ставлять перед науковою спільнотою дуже багато запитань, відповідей на які поки що немає.

Нейтрино беруть участь у слабкій ядерній взаємодії та відповідають за ядерний розпад та синтез. У сучасній фізиці існує три види нейтрино — електронне, мюонне та тау-нейтрино. Однак деякі експерименти показують, що існує гіпотетичний четвертий тип нейтрино, який може стати тією самою «новою фізикою», за якою так активно ганяються вчені. Це стерильні нейтрино. Їх відмінність від інших нейтрино в тому, що вони не беруть участь у слабкій взаємодії, натомість використовуючи виключно гравітацію.

Вперше про стерильні нейтрино світ почув у середині 1990-х після одного з експериментів у лабораторії у Лос-Аламосі (американський штат Нью-Мексико). Тоді вчені зафіксували надлишок частинок у детекторі нейтрино, які пояснили потенційним існуванням стерильних нейтрино. Засікти ці частинки дуже складно, оскільки вони ніяк не взаємодіють із матерією.

Приблизно так само фізики описують темну матерію — гіпотетичну форму матерії, зафіксувати яку нам досі не вдалося, проте вчені впевнені, що вона існує через її гравітаційний вплив на Всесвіт. Багато дослідників серйозно розглядають стерильні нейтрино як ідеального кандидата на роль частинки, з якої складається темна матерія. Пропонуємо вам детальніше ознайомитися з історією полювання вчених за стерильними нейтрино.

Осьовий бозон Хіггса

Ще один новий кандидат на роль складової частинки темної матерії — осьовий бозон Хіггса.

Відкриття бозона Хіггса було неймовірним здобутком свого часу. Це квант скалярного поля, взаємодія з яким дає масу всім елементарним частинкам. Саме цю подію вчені називають останнім великим моментом у фізиці.

Команді вчених, якими керував Кеннет Берч, професор фізики в Бостонському коледжі, вдалося виявити осьовий бозон Хіггса — щось на кшталт двоюрідного брата бозона Хіггса. Від «оригіналу» ця частинка відрізняється наявністю магнітного поля, тому для пояснення її існування потрібна складніша теорія. Теорії, що передбачали існування осьового бозона Хіггса, пояснювали також темну матерію. Саме тому вчені і припускають, що у складі темної матерії цілком можна буде знайти осьовий бозон Хіггса.

Цікаво, що виявили його не в результаті складного експерименту з дорогим обладнанням, а на стільниці. Осьовий бозон Хіггса унікальний тим, що це перша частинка, яка справді може пояснити існування темної матерії і водночас узгоджується із сучасними теоріями. На перевірку результатів експерименту у вчених пішов рік — і зараз вони впевнені, що справді виявили таку частинку.

Надтверда і надплинна матерія

Ще зі шкільних уроків фізики ми знаємо про три стани матерії — твердий, рідкий та газоподібний. Якщо у вас був хороший вчитель, ви могли чути ще й про плазмовий стан, який досягається за допомогою нагрівання газу. Однак квантова фізика працює дещо інакше і припускає, що тіло може мати властивості як рідин, так і твердих тіл одночасно — їх називають надтвердими. Такий стан цікавий тим, що частинки надтвердої речовини розташовані в жорсткій твердій структурі, проте вони можуть текти без будь-якого опору.

Вчені Інсбруцького університету імені Леопольда та Франца вперше створили двовимірне надтверде тіло. Цей незвичайний стан матерії було передбачено у 1969 році, але досі нікому не вдавалося втілити теорію на практиці.

Вчені зуміли сформувати кристал, усередині якого існує надплинна рідина, використавши для цього рідкісноземельний метал диспрозій. Вчені побудували його атоми в плоский лист і охолодили майже до абсолютного нуля — мінус 237 °C, створивши конденсат Бозе-Ейнштейна.

Через відсутність енергії атоми перестають рухатись і «розмиваються» так, що їхні межі розширюються до меж самого листа. Таким чином, лист диспрозію фактично перетворився на одну велику квантову рідину, укладену в кристал, а місце розташування атомів стало максимально невизначеним. Фактично, кожен атом диспрозію знаходився у всіх краплях рідини одночасно, формуючи надтверде і надплинне тіло.

Спінова рідина

Команда фізиків із Гарвардського університету зуміла створити спінову рідину — особливий стан матерії, який було передбачено майже 50 років тому. Вчені вірять, що її властивості допоможуть нам створити робочий квантовий комп’ютер та надпровідники нового покоління.

Незважаючи на свою назву, цей стан матерії насправді не має нічого спільного з рідинами. У природі існує матеріал, у якому дійсно існує спінова рідина — це гербертсмітіт. Однак до цього часу вченим не вдавалося створити її в лабораторних умовах.

Для створення спінової рідини вчені використовували програмований квантовий симулятор, який дозволив змоделювати квантову спінову модель і виявити нові квантові фазові переходи.

Тепер дослідники використовували платформу з 219 атомів, розмістивши їх на ґратах кагоме — шестикутній мозаїці — і простеживши їх квантову взаємодію. В результаті у них вийшли «струни», які поєднували всю структуру воєдино. Таким чином виявилася квантова заплутаність між атомами, що означало появу нового стану матерії.

Новий вид матерії

Міжнародна команда вчених під керівництвом фізика-теоретика Вадима Гріненка з Технічного університету Дрездена зуміла довести практично можливість існування нового виду матерії — чотириферміонного конденсату. Потенційно це може призвести до справжнього технологічного прориву — створення чистої електроенергії, квантових комп’ютерів та автомобілів, що літають.

Досі вважалося, що надпровідниками можуть бути лише електронні пари, а формування чотириферміонного конденсату — електронних квадруплетів — було лише теорією, проте останні експерименти вчених показали, що це може бути частиною нашої реальності.

Мантія-невидимка

Три незалежні команди американських і новозеландських фізиків вперше змогли досягти ефекту, який передбачали близько тридцяти років тому. Охолодивши і стиснувши хмару газу лазером, вони зрозуміли, що створили першу матерію, яка практично не розсіює світло, стаючи невидимою.

Вчені використовували лазери, щоб стиснути та охолодити газоподібні літій, калій та стронцій до такої міри, що ті стали напівпрозорими, переставши відбивати та розсіювати частину світла, що падає на нього. Фізики впевнені — згодом вони зможуть домогтися того, що газ стане цілком невидимим.

Ефект, якого досягли вчені, став першим реальним прикладом блокування Паулі — квантово-механічного процесу, передбаченого понад 30 років тому. Вольфганг Кеттерле, професор фізики у Массачусетському технологічному інституті, пояснює це на прикладі концертної зали.

Щоб розсіювати світло, атом поглинає енергію фотона, пересідаючи на сусіднє місце. Однак якщо всі сусідні крісла зайняті, атом не може поглинати енергію та розсіювати світло. Таким чином він стає прозорим, пропускаючи фотони світла крізь себе, не розсіюючи їх. Так і працює блокування Паулі.

Складність завдання полягає в тому, що довести атомну хмару до такого стану дуже складно. Для цього потрібна не лише низька температура, а й надзвичайно висока щільність, щоб атоми не могли «пересідати» на сусіднє місце. Ось, як із цим завданням впоралися вчені.