физика

Физикам впервые удалось создать квантовые «кольца Алисы»

Такие кольца из тысяч ультрахолодных атомов способны изменять квантовое состояние проходящих через них объектов. Более того, даже если просто наблюдать квантовые объекты через «кольцо Алисы», то они изменят свои наблюдаемые свойства.

Кольцо Алисы в представлении художника

Топологические дефекты бывают разными — скажем, нульмерными (точечными). Такими называют монополи и скирмионы. Одномерные (линейные) — это квантованные вихри в сверхтекучих жидкостях и сверхпроводниках (вихри Абрикосова), а также вихри в кристаллах (дислокации или потоки вакансий).

Остальные топологические дефекты, кроме упомянутых в предыдущем предложении, типа квантовых струн не наблюдались экспериментально, отчего многие ученые считают их существование сомнительным. Разумеется, многие топологические дефекты в сконденсированных средах — хотя и давно предсказанные — тоже сложно реализовать экспериментально, поэтому каждый опыт, знакомящий нас с новым типом дефектов, привлекает внимание множества исследовательских групп по всему миру.

Группа финских исследователей провела довольно сложный эксперимент как раз такого типа. В работе, вышедшей в журнале Nature Communications, они описали создание структуры из 250 тысяч атомов рубидия (это невероятно компактное образование), охлажденных до сверхнизких температур. Последнее требуется потому, что нужные квантовые эффекты без глубокого охлаждения наблюдать невозможно. Необходимая в этот раз температура была близка к абсолютному нулю, так что получить ее просто «в холодильнике» нельзя: авторы исследования замедляли движение нужной группы атомов в вакууме лазерными импульсами, тем самым понижая и температуру (это «торможение» отбирает у атомов тепловую энергию).

Детальное моделирование кольца Алисы, выходящего из монополя

После доведения до такого состояния все эти атомы начали вести себя как единый квантовый объект, чье состояние можно переключать внешним магнитным полем. Создав в этой среде монополь, ученые затем смогли наблюдать, как он спонтанно деформируется в вихревое кольцо — то самое «кольцо Алисы».

Топологический монополь и кольцо Алисы в конденсате Бозе – Эйнштейна со спином 1

Свидетельства наличия кольца Алисы возле края конденсата

Более того, согласно моделированию, если какой-то объект пройдет через «кольцо Алисы» или просто будет наблюдаться через него, его заряд сменится на противоположный. На данном этапе ученые работают над тем, чтобы научиться пропускать монополи (практически нульмерные объекты) через такое кольцо и после этого фиксировать, меняется ли знак их заряда на противоположный с точки зрения наблюдателя. Тогда удалось бы перейти от собственно создания «кольца Алисы» к подтверждению его давно предсказанных экзотических возможностей.

Тоже самое, но возможно чуть более понятным языком (7:44, если время не подцепилось)

Статья спизжена отсюда

Первые наблюдения сверхтяжелого кислорода-28 поставили под сомнение теории строения атомного ядра

Вопреки предсказаниям, кислород-28 оказался крайне неустойчивым. Физики не успели даже зарегистрировать такие ядра, хотя теоретически они должны быть дважды магическими, а значит — особенно стабильными.

Riken RI Beam Factory ускоряет тяжелые изотопы в кольцевом циклотроне, с помощью сверхпроводящих магнитов

Японские ученые впервые получили ядра кислорода-28, содержащие 20 нейтронов. Теоретически они должны быть дважды магическими и довольно долгоживущими. Однако срок существования кислорода-28 оказался настолько коротким, что даже зарегистрировать его напрямую не удалось. Похоже, современные представления об устройстве атомного ядра где-то сильно ошибаются. К таким выводам пришли Йосуке Кондо (Yosuke Kondo) и его коллеги в статье, опубликованной в журнале Nature.

Со школы мы знаем, что электроны в атоме занимают ряд оболочек, и полностью заполненная оболочка делает его химически инертным, как благородные газы. Схожим образом может быть устроено атомное ядро: протоны и нейтроны (нуклоны) заполняют одну оболочку за другой, полностью заполненная оболочка означает большую стабильность всей конструкции. Соответствующее количество нуклонов называют «магическим числом». А уж если ядро содержит магическое количество и протонов, и нейтронов, то оно особенно устойчиво.

В природе найдены пять таких дважды магических ядер, еще несколько получены искусственно. Самое распространенное из них — обычный кислород-16, включающий по восемь (магическое число) протонов и нейтронов. Теория предсказывает существование и дважды магического кислорода-28 (восемь протонов и 20 нейтронов), который также должен быть исключительно устойчив. Но на практике все оказалось не так. Возможно, новые результаты указывают на серьезные пробелы в нашем понимании атомных ядер и создающего их сильного взаимодействия.

Получить кислород-28 удалось на ускорителе Riken RI Beam Factory, который работает в исследовательском центре Нисина (Nishina) в японском городе Вако. Для этого физики разгоняли ядра кальция-48 в циклотроне и сталкивали их с бериллиевой мишенью, создавая фтор-29, содержащий те же 20 нейтронов, но на один протон больше, чем нужный изотоп кислорода. Поэтому фтор-29 отправляли дальше, прогоняя через жидкий водород, и тогда он терял протон, превращаясь в кислород-28.

Вопреки ожиданиям, срок его существования оказался настолько кратким, что зарегистрировать непосредственно этот изотоп не удалось. Ученые обнаружили лишь продукты его распада: кислород-24 и четыре нейтрона.

Стоит заметить, что сам кислород-24 несколько лет назад принес аналогичный сюрприз. Вопреки предсказаниям, это ядро весьма стабильно, срок его полураспада составляет более 60 миллисекунд. Иначе говоря, кислород-24 ведет себя так, словно он дважды магический, хотя в теории содержит лишь магическое число протонов, но не нейтронов.

Новые экспериментальные данные могут говорить о том, что магические числа далеко не так универсальны, как принято думать. Поэтому теперь физики планируют добраться до еще более тяжелого изотопа, кислорода-30, чтобы сравнить сроки полураспада целой серии ядер. Вероятно, эта работа подтвердит, что магические числа действительно не могут служить надежным предсказателем их стабильности, а количество нейтронов и протонов, которое делает ядро устойчивым, меняется более сложным образом.

Те же идеи, которые заставляли физиков ожидать стабильности от кислорода-28, стоят за концепцией «острова стабильности» — существования сверхтяжелых трансурановых элементов с большим сроком жизни. Их поиски идут уже не одно десятилетие, однако до сих пор без особенного успеха. Не исключено, что проблема с кислородом-28 может объяснять и трудности с достижением «острова стабильности».

Статья спизжена отсюда

Гексафторид серы (SF₆) является чрезвычайно сильным парниковым газом. Его плотность намного выше, чем у воздуха. В видео он создаёт невидимую волну, которая тушит свечи:

Статическое электричество в пустыне.

Довольно забавное явление, но если такое произойдёт с вами во время бури, то лучше срочно спрятаться в укрытие, потому что вас с большой вероятностью может убить молния через пару минут.

Волосы "стоят" из-за накопления положительного заряда в атмосфере, а тело – лучший проводник чем воздух.

LK-99 не сверхпроводник

Загадка южнокорейского «комнатного сверхпроводника» LK-99 разгадана в рекордные сроки. Мировое научное сообщество не могло пройти мимо такой «сенсации», а накопленный в поисках высокотемпературной сверхпроводимости опыт позволил быстро повторить эксперимент южнокорейских учёных и оценить его с точки зрения теории.

Чистые кристаллы LK-99, выращенные группой из института исследований твердого тела им. Макса Планка в Штутгарте, Германия

Увы, судя по всему, революция в сверхпроводимости откладывается. Два основных индикатора сверхпроводимости — это левитация в магнитном поле (эффект Мейсснера) и резкое падение удельного сопротивления току — были объяснены с позиций обычной физики и не имеют никакого отношения к сверхпроводимости. Южнокорейских учёных подвели загрязнённые примесями образцы и ограниченные знания в ряде областей химии.

В конце июля группа южнокорейских учёных выложила на сайт препринтов научных статей две работы на английском языке, в которых рассказала о сенсационном открытии материала LK-99, который обладал сверхпроводимостью при комнатной температуре и обычном давлении. Подобное открытие очень сильно изменило бы наш мир. По крайней мере в энергетике, где потери от транспортировки электричества очень и очень велики и постоянно растут. Одна из статей была дополнена теоретическими выкладками, которые выглядели достаточно убедительно, чтобы к открытию отнеслись со всем вниманием.

Первые попытки синтезировать LK-99 независимыми группами дали противоречивый результат. Кто-то увидел «левитацию», у кого-то получилось измерить нулевое сопротивление току при комнатных температурах, а у кого-то и вовсе ничего не получилось. Не обошлось и без фейков, что только добавило путаницы. Серьёзной проблемой для независимого синтеза LK-99 стало то, что авторы исследования не предоставили детального описания синтеза абсолютно чистого материала и, судя по всему, сами стали жертвой собственной оплошности.

Следует сказать, что современные теоретические инструменты позволяют моделировать электронную и атомарную структуры материалов и очень точно описывать их химические и физические свойства. Но при наличии неизвестных по объёму и составу примесей такие расчёты обычно ошибочны, что, похоже, произошло в случае с LK-99. По горячим следам этот материал был проверен с помощью теории функционала плотности и отчасти подтверждал открытие южнокорейской команды. Как сегодня становится понятно, теоретиков подвели исходно ошибочные данные экспериментаторов.

Точку в «сверхпроводимости» LK-99 поставили учёные из Института исследования твердого тела Макса Планка в Штутгарте (Германия). Они вырастили кристаллы LK-99, а не синтезировали его методом отжига, как это сделали корейцы. Выращивание позволило избежать появления примесей в материале и, прежде всего, сульфида меди (Cu₂S), который, как становится ясно, и стал причиной «сенсационного» открытия.

Сверхчистый материал LK-99 (Pb_8.8Cu_1.2P₆O₂₅) оказался не сверхпроводником, а очень даже хорошим изолятором. При этом материал проявлял некоторые свойства ферромагнетизма и диамагнетизма, но совершенно недостаточные даже для частичной левитации.

«Поэтому мы исключаем наличие сверхпроводимости, — заключили авторы. — Когда у нас есть монокристаллы, мы можем чётко изучать внутренние свойства системы». Опираясь на визуализацию электронной структуры чистого материала, немецкие исследователи показали, что она не допускает проявления сверхпроводимости, а её признаки в южнокорейском эксперименте, скорее всего, проявлялись за счёт наличия в образцах примесей сульфида меди.

Отдельно о свойствах сульфида меди высказался другой учёный — химик Прашант Джайн (Prashant Jain) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне. Он указал, что температура 104,8 °C, при которой корейцы фиксировали десятикратное падение удельного сопротивления материала примерно с 0,02 Ом/см до 0,002 Ом/см — это температура фазового перехода сульфата меди. Естественно, что при фазовом переходе сопротивление материала меняется, о чём южнокорейские учёные должны были бы знать.

Тем самым загрязнение образцов LK-99 примесями в техпроцессе «на коленке» и незнание некоторых аспектов их химического поведения привели к тому, что южнокорейские учёные приняли желаемое за действительное — увидели в двух случайных признаках сверхпроводимость, которой там не было.

Статья спизжена отсюда

При подаче высокого напряжения на чистую воду, наполняющую два стакана, расположенных близко друг к другу, образуется водяной мост.

Сверхпроводниковая драма #2

Эмоциональные американские горки вокруг LK99 ни на минуту не останавливаются. Цикл классический:

За эти несколько дней:

Южнокорейский блогер китайского происхождения успел сходить по адресу стартапа. Спускался по лестнице в подвал, стоял перед дверью. Не на камеру якобы его таки провели в помещение, дали постоять в дверях и осмотреться. Сказали, что вещество у них есть, но не показали. Непонятно, почему он пошел сразу в подвал, учитывая, что стартап снимает все здание целиком. Свое видео он выложил на китайской платформе, оттуда оно уже попало в англоязычный интернет.

Русскоязычный аниме-фембой забайтил кучу народу в твиттере, ведя тред о домашнем синтезе LK-99. Финальным аккордом стали две фотки с мизерным кусочком чего-то якобы леветирующим над магнитом. 

Видео он предоставлять отказался, за что в реплаях был закономерно обложен хуями.

Было еще несколько неудачных и пара частично удачных попыток воспроизвести опыт корейцев, как в "официальных" лабах, так и любителями. Список со ссылками можно найти тут

Еще несколько экспериментов продолжаются, наверняка будут и другие.

Cегодня утром появилось сильное теоретическое обоснование правоты корейцев. Авторитетный ученый из Национальной Лаборатории Лоуренса Беркли провел моделирование на суперкомпьютере, которое подтвердило, что... что-то на научном про уровень Ферми, куперовские пары, сингулярности Ван Хоува и прочие страшные слова. 

Если по-простому, то да, когда атомы меди замещают атомы свинца в кристаллической решетке свинца-апатита, может возникать сверхпроводимость. Проблема в том, что эти пути проводимости возникают только тогда, когда атомы меди проникают в маловероятные места (есть и более вероятные) в кристаллической решетке. Но вроде бы это все решаемо.

Позже выяснилось, что еще 29 числа на архиве появилась работа от китайцев с аналогичными выводами.

И наконец финал. Днем появилось видео из лаборатории Хуачжунского университета науки и технологий, в котором показывают, как полученный ими крошечный кусочек LK-99 реагирует на магнит, вставая в вертикальное положение, повторяя опыт корейцев. 

И интернет начал сходить с ума. Локально.

Китайцы сказали, что не решились разрушить этот кусочек, подвергая его проверке на непосредственно сверхпроводимость. Будут делать еще.

Если кому интересно, всю инфу черпаю вот в этом сабреддите и в твиттере по тегу #LK99

А вот тут годный тред про применение высокотемпературных сверхпроводников

Сверхпроводниковая драма

Начало

Последние пару суток интернет аж трисет от корейских сверхпроводников, настроения меняются чуть ли не каждый час, постоянно выясняются новые подробности.

Во-первых, оказалось, что существует еще и третья статья. Она была опубликована еще 30 апреля в рецензируемом южнокорейском научном журнале, на корейском языке, само собой, но ее уже успели перевести. Была опубликована авторами для того, чтобы удовлетворить запрос Nature, который требовал публикации где-нибудь еще, прежде, чем принимать работу от них. Все из-за совсем недавнего скандала с публикациями по сверхпроводимости, которые позднее оказались подлогом. Все это продолжается до сих пор, поэтому их можно понять.

В этой работе обнаружились, как говорят, намного более убедительные графики (к прошлым были претензии). Например, имеется резкое снижение теплоемкости, характерное для сверхпроводников, не объясняемое диамагнетизмом, которому некоторые приписывали частичную левитацию образца.

Во-вторых, во всю идут попытки повторить успех корейцев. Например, тут.

Ходят слухи, что тем же самым сейчас занимаются сотни китайских лабораторий.

В-третьих, история работы двух корейских ученых  и публикации статей поистине достойна воплощения на экране.

1994 год, Чер Тонг-сик, глава департамента химии в Корейском университете публикует теорию одномерных высокотемпературных сверхпроводников.

Ли, один из наших героев, в 1995 году заканчивает обучение, его дипломная работа написана по теории сверхпроводников. В 1996 году он встречает Кима, химика-экспериментатора. Они начинают работать вместе и в 1999 году случайно получают небольшие количества своего чудо-проводника (отсюда и название LK-99).

В 2004 Ли и защищает диссертацию с работой по синтезу полимерных сверхпроводников. В том же году защищает докторскую и Ким. Оба являются учениками Чера.

Долго ли, коротко ли, парням надо зарабатывать на жизнь, они работают в не связанных с СП областях. 

В 2008 году Ли создает стартап Qcenter, чтобы работать над сверхпроводниками. Оба совмещают работу в стартапе с основной. 

Умирает Чер Тонг-сик, одним из его последних является желание, чтобы его ученики завершили его работу по сверхпроводникам.

К 2018 году у Ли и Кима набирается достаточно данных, чтобы получить финансирование для завершения своих исследований. Вместе с деньгами они получили Квана, "надсмотрщика", связанного с LG. Ли становится CEO, Кван CTO, Ким, как самый младший, директором по исследованиям.

К 2021 году они разобрались в процессе, надежно научились синтезировать свой чудо-проводник, получили несколько патентов. Начали писать научные статьи. В марте 2023 году подана заявка на международный патент.

Перед публикацией в англоязычном журнале заручились поддержкой работающего в Америке профессора из Кореи Хьюн-Така. Так настаивает на том, что нужны дополнительные тесты, но Ли и Ким боятся, что их обойдут, что Китай украдет их разработку и т. д.

22 числа, когда в Америке 2 часа ночи, Кван со своего аккаунта на Архиве постит первую работу, в которой соавторами указаны Ли, Ким и он сам.

Кто-то бьет тревогу, Так подрывается среди ночи, на скорую руку пилит собственную статью и в 6 утра публикует ее на Архиве. В ней он указывает авторами Ли, Кима, себя, еще троих. Квана среди соавторов он не указывает. В этой работе уже скрупулезно прописано, кто именно из них и за что именно отвечал.

Все это объясняет в том числе, почему работы были такие сырые, к чему многие высказывали претензии. В любви и на войне битве за Нобелевку все средства хороши.

Буду следить за событиями.