Об авторе: Олег Фея, аспирант МФТИ, сотрудник Лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ, научный журналист.
Выбирать среди множества значительных, важных и интересных научных событий 2015 года в области физики тяжело, тем более – ранжировать их по важности. Как можно определить, что важнее: первое наблюдение отраженного от экзопланеты видимого света, открытие пентакварка или фермионов Вейля, двойная квантовая телепортация или управление отдельными электронами в молекуле? Пусть Нобелевский комитет занимается этой задачей. Я же начну с близкого мне материаловедения – наконец-то создан сверхпроводник, работающий при достижимых в природе температурах. Температуры, при которых это возможно, встречаются разве что в Антарктиде (до -70°С), и давление при этом должно достигать полутора миллионов атмосфер.
Самый теплый сверхпроводник
Природа сверхпроводимости гидроген сульфида, H2S, пока до конца не понятна. Напомню, что сверхпроводником называют материал, проводящий ток без сопротивления ниже некой температуры, называемой критической. Существуют обычные сверхпроводники, подчиняющиеся теории Бардина-Шрифера-Купера. Их электроны объединяются в куперовские пары, ведут себя как бозоны и не взаимодействуют с кристаллической решеткой, которая и создает электрическое сопротивление. Критические температуры у них невысоки, рекордсменом является MgB2 с 39 Кельвинами. Есть высокотемпературные сверхпроводники на основе купратов, для которых не построена адекватная теория. До этого года рекордом были 135K (или 165K под высоким давлением) у керамики HgBa2Ca2Cu3O8+x, открытой учеными из МГУ еще в 1993 году.
Михаил Еремец, сотрудник Института Макса Планка в Германии и один из авторов открытия, считает, что H2S может быть обыкновенным сверхпроводником. Если это так, то открытие станет хорошей основой для создания в будущем сверхпроводящих материалов при комнатной температуре, особенно если речь идет о металлическом водороде. Конечно, если их не придется сжимать до миллионов атмосфер, как делали с H2S в процессе исследования. Группа Михаила Еремца использовала простой метод создания сверхвысоких давлений – размещала образец между двумя алмазными наковальнями.
Фермионы Вейля
В ушедшем году сразу три исследовательские группы сообщили о наблюдении фермионов Вейля, гипотетических квазичастиц, предсказанных 87 лет назад. Немецкий математик Герман Вейль в 1929 году получил решение уравнения Дирака, описывающего поведение безмассовых частиц с полуцелым спином. Вообще говоря, квазичастицы – это абстрактные теоретические концепции, описывающие элементарные возбуждения сложной системы. Например, вместо решения уравнения движения для каждого атома в кристалле вводят квазицастицу фонон, являющуюся волноподобным возбуждением всех атомов. Похожая история и с фермионами Вейля, которые представляют собой электронные возбуждения. Одна из научных групп опубликовала в журнале Science статью о наблюдении безмассовых фермионов в арсениде тантала (TaAs) – вейлевском полуметалле, который они сами и сконструировали. Кристаллы с фермионами напоминают графен, в них электроны обладают нулевой эффективной массой и, соответственно, высокой подвижностью. Вейлевские полуметаллы могут значительно ускорить электронные устройства – представьте себе электроны без массы, которые почти не рассеиваются на решетке. Это практически сверхпроводимость при обычных условиях.
Двойная квантовая телепортация
Прыжок в подпространство, портал, транспортный луч – такие образы возникают у любителя фантастики при слове «телепортация». В физике все несколько скромнее, хотя тоже зависит от точки зрения. Речь идет о передаче свойств одной частицы другой идентичной частицы, находящейся на расстоянии. Например, значение спина частицы. Долгое время, из-за принципа неопределенности Гейзенберга, квантовая телепортация считалась невозможной, ведь нельзя просто взять и точно определить передаваемое свойство. Однако исследование 1993 года, проведенное американскими и израильскими учеными, показало возможность телепортации среди «спутанных» фотонов, а спустя четыре года идеи были реализованы в эксперименте. Свойства запутанных частиц зависят друг от друга, и при изменении одного свойства другая частица также меняется – принцип неопределенности удачно обходится.
В прошлом году Чаоян Лю и Джанвей Пан из университета Хэфэй, Китай, осуществили телепортацию одновременно спина и орбитального углового момента фотона. До этого момента удавалось передавать лишь одно свойство. С момента первой квантовой телепортации прошло 18 лет, и осуществить это одновременно стало возможным лишь сейчас. Для телепортации одного свойства требуется еще одна пара запутанных частиц и два наблюдателя, обменивающихся информацией по обычному каналу связи. Один из наблюдателей знает свойство своей частицы из дополнительной запутанной пары и его комбинацию со свойством «телепортируемой» частицы, а другой знает свою часть, и обмениваясь информацией, они восстанавливают телепортируемое свойство.
Управление отдельным электроном
В октябре международная группа исследователей, включая сотрудника МФТИ Олега Толстихина, показала, как можно управлять отдельным электроном в молекуле. Ученые направили мощные и короткие лазерные импульсы на молекулу йодацетилена HCCI и наблюдали перемещение электронной плотности с разрешением в 100 аттосекунд (10-16 с). Молекулу выбрали из-за её вытянутой формы, что облегчает наблюдения. Лазерный импульс воздействовал на внешнюю электронную оболочку атомов, создавая электронную дырку, которая заполнялась электроном из соседнего атома. Однако это не классическое перемещение, а туннелирование – вероятность нахождения дырки может быть определена на двух концах молекулы.
На это перемещение можно влиять, посылая лазерные импульсы разной длины волны. В будущем это может позволить управлять реакциями в газовых смесях, направляя их по нужному направлению с помощью подобранного лазерного излучения.
Свет далеких экзопланет
Из ювелирной точности экспериментов в наномире перейдем к не менее интересным наблюдениям за Вселенной. В Европейской обсерватории в Чили астрофизики впервые прямо детектировали отраженный от экзопланеты свет, и для этого им не понадобилось…