Способ управлять спинами атомных ядер с помощью внешнего электрического поля нашли физики из Университета Нового Южного Уэльса.

1. Новый вид проводимости

Физики из Питтсбургского университета (США) открыли, что в одномерных проводниках электроны могут образовывать сгустки из двух, трёх, четырёх и даже пяти экземпляров с разными спинами, которые ведут себя как новые типы частиц. При протекании тока они движутся по проводнику очень быстро, не сталкиваясь и не рассеиваясь на атомах. Благодаря этому проводник не выделяет тепло. Такое явление получило название баллистической проводимости. Статья об открытии опубликована в феврале в журнале «Science».

Авторы исследования сравнили движение сгустков электронов по материалу при баллистической проводимости с движением автомобилей по шоссе. Рисунок: Yun-Yi Pai.

Новое электронное состояние материи исследователи обнаружили в каналах материала, состоящего из алюмината лантана и титаната стронция. Они сравнили это квантовое явление с тем, как кварки связываются вместе, образуя нейтроны и протоны. До этого спаривание электронов наблюдалось при переходе к сверхпроводимости, в данном же случае их объединение происходит без перехода в сверхпроводящее состояние. Авторы работы заявляют, что новые частицы могут также найти применение в области квантовых вычислений, а само открытие — новый шаг к следующему этапу квантовой физики.

2. Электрическое поле управляет спинами ядер

Способ управлять спинами атомных ядер с помощью внешнего электрического поля нашли физики из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) — об этом они сообщили в марте в журнале «Nature».

Художественное изображение того, как электрод нанометрового размера можно использовать для локального управления квантовым состоянием одиночного ядра внутри кремниевого чипа. Рисунок: UNSW/Tony Melov.

Контроль и обнаружение ядерных спинов с помощью магнитного резонанса широко используются для анализа материалов и полей в химии, медицине, материаловедении и горном деле. Ядерные спины также фигурировали в ранних предложениях по твердотельным квантовым компьютерам.

Однако управлять отдельными ядрами с помощью магнитного поля трудно, поскольку его сложно как локализировать, так и экранировать. К тому же генерация нужного магнитного поля требует сложного оборудования и значительных токов. Управление с помощью электрических полей решает эту проблему. Их можно создавать на кончике микроскопического электрода и достаточно точно концентрировать в нужном месте.

Новый метод основан на идее, предложенной ещё в 1961 году нобелев-ским лауреатом Николасом Бломбергеном. Ядерный электрический резонанс изменяет связи вокруг ядра в кристаллической решётке, приводя к его переориентации. Такие ядра можно использовать в качестве особо точных датчиков деформации, а также электрических и магнитных полей.

3. Необычное поведение ядерных сил на сверхмалых расстояниях

В феврале большая международная команда физиков коллаборации CLAS, работающая с данными, полученными ускорителем частиц Лаборатории Джефферсона (США), сообщила в журнале «Nature» о необычном взаимодействии нуклонов (протонов и нейтронов). Оказалось, что сильное взаимодействие, связывающее нуклоны в ядрах атомов, может их не только притягивать, но и отталкивать, когда расстояние между ними крайне мало. Открытие имеет огромное значение для понимания ядерных систем в целом и компактных космических объектов вроде нейтронных звёзд в частности.

Детектор CLAS диаметром 9 м окружает мишень, в которую попадают ускоренные электроны. Вылетающие из мишени частицы измеряются слоями детекторов частиц разных типов. Фото: JLab.

Особенность ядерных сил — крайне малый радиус действия (10–13 см), что на порядок меньше размера тяжёлых ядер. Так что, с точки зрения этих сил, большинство нуклонов даже в крошечном ядре атома расположены достаточно далеко друг от друга. В данном исследовании физики впервые смогли подробно изучить, что происходит с сильным взаимодействием на сверхкоротких расстояниях.

Признаком взаимодействия пары нуклонов на очень малых расстояниях служит их движение с большой скоростью. Обнаружить эти редкие случаи можно, бомбардируя атомы огромным количеством электронов чрезвычайно высокой энергии. После столкновения энергия электрона, с которой он рассеивается, пропорциональна импульсу соответствующего нуклона. Просмотрев столкновения квадриллионов электронов, исследователи сумели выделить и вычислить импульсы нескольких сотен подходящих пар нуклонов. Это и позволило проследить трансформацию ядерного взаимодействия.

Физики также обнаружили, что вопреки ожиданиям поведение нуклонов на таких малых расстояниях описывается достаточно простой моделью на уровне протонов и нейтронов, не учитывающей чрезвычайно сложные взаимодействия между кварками и глюонами. Ранее они полагали, что придётся рассматривать «суп» из них.

Россию в коллаборации CLAS представляют Институт теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова (ИТЭФ) и НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына (НИИЯФ) МГУ.

4. Лазеры достигли аттосекундного диапазона

Для изучения очень быстрых процессов, подобных движению электронов в веществе, нужен инструмент, работающий на порядок быстрее. Движения электронов в атомах происходят за время порядка нескольких аттосекунд (1 ас = 10^–18 с). Это время настолько мало, что свет за 1 ас проходит расстояние, соответствующее всего лишь размеру атома.

Ондулятор рентгеновского лазера на свободных электронах FERMI. Фото: Elettra.

Такие процессы физики исследуют и управляют ими с помощью коротких лазерных импульсов. Для этого излучение лазера должно иметь очень высокую частоту и малую длину волны. Подходящие импульсы генерируют так называемые рентгеновские лазеры на свободных электронах, но их длительность до сих пор превышала 10 фемтосекунд (1 фм = 1000 ас). Трудную задачу заставить их генерировать более короткие импульсы с заданными свойствами решила международная команда исследователей, в которую вошли и российские физики. Результаты работы опубликованы в феврале в журнале «Nature». Сотрудники НИИЯФ МГУ Алексей Грум-Гржимайло и Елена Грызлова внесли определяющий вклад в теоретическое обоснование метода, экспериментально реализованного на рентгеновком лазере на свободных электронах FERMI (Триест, Италия).

Разработанный метод генерации импульсов основан на сложении электромагнитных волн рентгеновского диапазона с частотами, подобранными так, что результирующее колебание будет иметь вид очень коротких всплесков с длительными паузами. Рентгеновское излучение лазера на свободных электронах возникает при прохождении электронных сгустков, создаваемых линейным ускорителем, через настраиваемые ондуляторы — последовательности («гребёнки») магнитов.

5. Сверхпроводимость при комнатной температуре

В октябре в журнале «Nature» появилось сообщение, что физикам из США удалось синтезировать первый в мире сверхпроводник, который работает при действительно комнатной температуре в 15°С. Это примерно на 35° выше предыдущего рекорда 2019 года. Исследователи использовали богатый водородом материал, содержащий углерод и серу, который получали смешением метана со смесью сероводорода и водорода. При этом обнаружены сложные структуры с образующимся гидридом серы H3S. Толчком к созданию этого материала стало открытие в 2015 году российскими и немецкими исследователями возможности сверхпроводящего состояния у обычного сероводорода, если его сжать до нескольких миллионов атмосфер. Но тогда удалось достигнуть рабочей температуры лишь около –70°С, что сопоставимо с температурами в Антарктиде.

К сожалению, практическое применение нового сверхпроводника затруднительно, поскольку резкое повышение рабочей температуры у него наблюдается при давлении выше 2,2 миллиона атмосфер. Однако, возможно, создание первого столь высокотемпературного сверхпроводника подтолкнёт исследователей к пониманию механизма высокотемпературной сверхпроводимости и откроет ей дорогу для практического применения. А пока физикам надо ещё разобраться, как такие материалы могут проводить ток без потерь, поскольку это противоречит классической теории сверхпроводимости, созданной в середине XX века.

6. Гравитационная прецессия орбиты впервые обнаружена у звезды

В апреле 2020 астрономы сообщили, что у звезды S2, обращающейся вокруг сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики, обнаружена прецессия Шварцшильда. В общей теории относительности, в отличие от ньютоновской гравитации, орбита объекта, обращающегося вокруг массивного тела, не замкнута. Каждый следующий виток орбиты поворачивается по отношению к предыдущему на некоторый угол, и многолетняя траектория объекта выглядит как своеобразная «розетка». Этот эффект, впервые обнаруженный для орбиты Меркурия, стал первым аргументом в пользу новой теории гравитации Альберта Эйнштейна. Для орбит звёзд он ранее никогда не измерялся. S2 расположена очень близко к чёрной дыре, подходя к ней на расстояние менее 20 миллиардов километров, что всего в 120 раз больше расстояния между Солнцем и Землёй. Это, с одной стороны, делает эффект заметным, а с другой — облегчает наблюдение, поскольку звезда совершает оборот всего за 16 лет. За время наблюдений с 1992 года S2 совершила почти два полных оборота, что и позволило обнаружить прецессию. Её величина 12' в точности совпала с теоретическим предсказанием. Один из авторов работы — Райнхард Генцель, получивший Нобелевскую премию по физике 2020 года за открытие чёрной дыры в центре Млечного Пути (см. «Наука и жизнь» № 11, 2020 г.). Наблюдения за S2 — важнейшая часть его работы.

Художественное изображение прецессии Шварцшильда звезды S2, обращающейся вокруг чёрной дыры Sgr A* в центре Млечного Пути. Прецессионное движение преувеличено для наглядности. Иллюстрация: ESO/L. Calçada/CC BY 4.0.

Любопытно, что в январе 2020 года другая команда астрономов сообщила об обнаружении прецессии орбиты звезды S62, которая подходит к чёрной дыре ещё ближе, на расстояние 16 астрономических единиц, и потому обладает ещё большей прецессией. За один оборот её орбита смещается на 10°.

7. Быстрые радиовсплески порождает магнетар

Возможно, 2020 год принёс разгадку происхождения так называемых быстрых радиовсплесков (Fast Radio Bursts, FRB), одного из самых интересных явлений последнего десятилетия. Быстрые радиовсплески — это очень мощные вспышки космического радиоизлучения продолжительностью порядка миллисекунд. За это короткое время их источник испускает энергию, эквивалентную той, какую излучает Солнце за несколько десятков тысяч лет. С момента обнаружения в 2007 году астрономы зафиксировали свыше сотни таких всплесков, разбросанных по Вселенной, и некоторые из них оказались повторяющимися. Однако каждый раз их источники находились слишком далеко для однозначного определения. Поэтому природа быстрых радиовсплесков до сих пор оставалась загадкой, хотя было предложено несколько гипотез.

Магнетар и его магнитное поле в представлении художника. Рисунок: ESO/L. Calçada/CC BY 4.0.

Но в конце апреля 2020 года канадские и американские астрономы уловили с помощью радиотелескопа CHIME (Канада) сначала несколько рентгеновских вспышек от магнетара SGR 1935 + 2154, расположенного в центре Млечного Пути, примерно в 30 тысячах световых лет от Земли, а затем 28 апреля быстрый радиовсплеск, ставший первым обнаруженным в нашей Галактике. Магнетар — это очень быстро вращающаяся нейтронная звезда с чрезвычайно мощным магнитным полем. SGR 1935 + 2154 — один из нескольких магнетаров, открытых в нашей Галактике, ничем не выделяющийся среди собратьев. Хотя тео-ретики и ранее предполагали, что FRB могут быть связаны с магнетарами, впервые это удалось установить точно. Результаты исследования опубликованы в трёх статьях в журнале «Nature». Впрочем, физика процесса, порождающего вспышки, по-прежнему остаётся неизвестной. Не исключает это открытие и другие варианты происхождения FRB.

Большой интерес к быстрым радиовсплескам определяется не только их связью с интересными физическими процессами в космосе, в частности, на магнетарах. Определённое местоположение нескольких FRB говорит о том, что их излучение преодолевает межгалактическое пространство и даёт возможность по особенностям зарегистрированного сигнала изучать встретившиеся на его пути межзвёздную среду и космические объекты, недоступные для непосредственного наблюдения.

8. Углерод синтезируют белые карлики

В июле в журнале «Nature Astronomy» опубликовано исследование, в котором астрономы привели доказательства того, что белые карлики, возникшие из звёзд массой более двух солнечных, служат основным источником атомов углерода в нашей Галактике. Углерод — четвёртый по распространённости во Вселенной химический элемент (после водорода, гелия и кислорода) и один из важнейших химических элементов для формирования жизни, подобной земной. По современным представлениям, он весь образовался в ходе эволюции звёзд, однако астрономы пока не смогли договориться о том, какой тип звезды за это ответственен.

В данной работе астрономы из обсерватории Кека (Гавайи, США) использовали наблюдения углерод-кислородных белых карликов в старых рассеянных звёздных скоплениях Млечного Пути. Исследуя связь исходной массы звезды и массы образовавшегося из неё в ходе эволюции белого карлика, они пришли к выводу, что звёзды с начальной массой более двух солнечных масс приводят к обогащению Галактики углеродом, а звёзды с массой менее 1,5 солнечной — нет.

Белые карлики — это горячие (до 100 000 градусов) и очень плотные звёзды с массой не более 1,4 массы Солнца, возникающие в конце эволюции звёзд с начальной массой не более 10 масс Солнца. Таким образом, 97% звёзд Галактики превращаются в белые карлики. В них уже прекратилась термоядерная реакция, и они медленно, миллиарды лет, остывают, выбрасывая благодаря звёздному ветру своё вещество в космос. Этот звёздный «пепел» содержит углерод и некоторые другие химические элементы.

9. Воды на луне больше, чем думали

Согласно двум исследованиям, опубликованным в октябре в журнале «Nature Astronomy», на освещённой поверхности Луны есть вода, а лёд может быть распространён гораздо шире, чем это предполагалось ранее. Первое открытие было сделано в результате дистанционного наблюдения за поверхностью Луны с помощью инфракрасного телескопа обсерватории SOFIA (NASA/DLR), размещённой на самолёте Боинг 747, который летает на высоте 12—13 км и сканирует лунную поверхность. Исследователи обнаружили в спектре лунного света особенности, характерные только для молекулярной воды и не встречающиеся у соединений, содержащих гидроксил (ОН). Авторы работы отмечают, что предыдущие три космических исследования, обнаружившие на Луне лёд, не могли, в отличие от них, исключить другие водородно-кислородные соединения. Наблюдения показали наличие отдельных молекул воды возле кратера Клавий в южной части Луны в количестве 0,1—0,4 грамма воды на килограмм породы. Причём молекулы сильно рассредоточены и не могут образовывать жидкую воду или лёд.

Летающая инфракрасная обсерватория SOFIA обнаружила в кратере Клавий на Луне молекулы воды. Иллюстрация: NASA/Ames Research Center/Daniel Rutter.

Другая группа астрономов, используя данные с орбитального зонда Lunar Reconnaissance Orbiter (NASA) и теоретические модели, выяснила, что вода на Луне может находиться не только в ранее обнаруженных полярных кратерах, но и на затенённых участках поверхности размерами от 1 см до 1 км, где даже в лунный день температура не превышает точки таяния льда. Это увеличивает общую площадь поверхности Луны, где, возможно, существует вода, до примерно 40 000 квадратных километров, что значительно больше предыдущих оценок. Правда, исследование не утверждает, что лёд присутствует во всех местах.

Интерес к лунной воде не только научный, но и практический. Доставка воды для планируемых в будущем лунных поселений пока стоит тысячи долларов за килограмм. Если же воды на Луне достаточно, то будущие исследователи смогут её использовать.

Заметим, что зарубежные обзоры по этой теме по большей части игнорируют результаты советской беспилотной миссии «Луна-24» 1976 года, когда на Землю были доставлены образцы лунного грунта из Моря Кризисов, содержащие около 0,1% воды по массе. Эти данные были опубликованы в журнале «Геохимия» в 1978 году.

10. Вселенная расширяется анизотропно

В апреле астрономы опубликовали журнале «Astronomy & Astrophysics» исследование, согласно которому Вселенная не расширяется во всех направлениях с одинаковой скоростью, как это считалось ранее. Это противоречит стандартной космологической модели изотропной Вселенной. Есть и некоторые другие данные в пользу анизо-тропии, но окончательный вывод ещё предстоит сделать. Если Вселенная окажется анизотропной хотя бы в последние несколько миллиардов лет, то это приведёт к пересмотру не только космологиче-ской модели, но и ряда характеристик изучаемых объектов. Так, расстояние до очень далёких объектов во Вселенной астрономы оценивают, используя уравнения, включающие различные космологические параметры, которые считаются везде одинаковыми. Анизотропия Вселенной приведёт к пересмотру полученных результатов.

Карта расширения Вселенной. Синие области расширяются медленнее, чем ожидалось, а жёлтые — быстрее. При изотропии всё изображение было бы одинаково красным. Иллюстрация: Konstantinos Nikolaos Migkas, Uni Bonn/Astronomy & Astrophysics.

Новое исследование основано на данных рент-геновских космических обсерваторий XMM-Newton (ESA), Chandra (NASA) и ROSAT (DLR, Германия). Астрономы сравнили измерения температуры чрезвычайно горячего газа, пронизывающего более 800 скоплений галактик, с тем, насколько яркими эти скопления выглядят на небе. В случае изотропии их свойства должны быть единообразными по всему небу: скопления с одинаковой температурой и на одинаковом расстоянии должны выглядеть одинаково яркими. Однако в реальности наблюдались значительные различия, достигающие 30%. Причём эти различия оказались не случайными. Они имеют чёткую зависимость от направления.

Прежде чем бросить вызов общепринятой космологической модели, авторы работы рассмотрели и другие возможные объяснения наблюдаемых различий. Например, наличие необнаруженных пока облаков газа или пыли, делающих скопления в определённой области более тусклыми. Однако имеющиеся данные не подтверждают эти сценарии.

Статьи по теме

• Долгожданное признание чёрных дыр

№1, 2021