Новости физики в Интернете


Квантовая машина Сцилларда для бозонов с притягивающим взаимодействием

Машина Сцилларда — это предложенный в 1929 г. мысленный эксперимент, иллюстрирующий связь информации и работы: знание о положении молекул газа в сосуде преобразуется в совершаемую ими работу путём вдвигания в сосуд перегородок. Однако влияние на свойства машины Сцилларда квантовых эффектов и взаимодействий между частицами оставалось во многом неисследованным. J. Bengtsson (Лундский университет, Швеция) и др. в своей теоретической работе показали, что квантовая машина Сцилларда, содержащая частицы-бозоны с парным взаимодействием притягивающего характера, повышает эффективность преобразования информации в работу по сравнению со случаем невзаимодействующих частиц. Был выполнен расчёт «из первых принципов» в полной квантовомеханической проблеме многих тел. Рассматривался рабочий цикл машины Сцилларда для N=1-25 частиц, и обнаружено, что средний выход работы возрастает с увеличением N. Причем, зависимость работы от температуры имеет максимум, которого не было в случае невзаимодействующих частиц. Наличие максимума объясняется тем, что при низкой температуре между частицами возникают сильные корреляции, и эффективно это проявляется как уменьшение N. О связи динамики и информации см. в статье Б.Б. Кадомцева в УФН 164 449 (1994). Источник: Phys. Rev. Lett. 120 100601 (2018)

Проверка флуктуационных теорем

Обобщённые флуктуационно-диссипативные соотношения (теоремы), описывающие эволюцию и статистику термодинамически неравновесных систем, были сформулированы в общем виде как для открытых, так и для закрытых систем Г.Н. Бочковым и Ю.Е. Кузовлёвым в 1977-1984 гг. (см. историю вопроса в УФН 181 647 (2011) и УФН 183 617 (2013)). Позже различные модификации и варианты этих общих результатов, в частности «дифференциальная флуктуационная теорема», были получены в работах К. Яржинского, Г. Крукса и др. Группой исследователей из США и КНР впервые выполнена экспериментальная проверка дифференциальной флуктуационной теоремы. Использовались кварцевые частицы, удерживаемые на весу сфокусированным светом лазера. С помощью импульсов другого лазера на них оказывалось силовое воздействие в прямом и обратном направлениях, и фиксировались мгновенные положения и скорости частиц в процессе их броуновского блуждания в фазовом пространстве. Сравнивались прямые и обратные процессы, при которых скорости частиц в конечных положениях отличаются знаком. Эксперимент показал отличное согласие с предсказаниями дифференциальной флуктуационной теоремы. Также отдельно было проверено обобщённое соотношение Яржинского и соотношение Хаммера – Сабо. Важной областью применимости флуктуационных теорем являются микроскопические молекулярные системы в биологии, химии и физике. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 080602 (2018)

Терагерцовые переходы между уровнями Ландау в графене

Активное изучение нелинейных оптических эффектов (см. обзор Л.Н. Овандера в УФН 86 3 (1965)) началось вскоре после появления в 1960 г. оптических лазеров, которые были созданы через несколько лет после мазеров — квантовых генераторов микроволнового диапазона (см. статью Н.Г. Басова и А.М. Прохорова в УФН 57 485 (1955)). В последние годы развитие технологии получения интенсивных ультракоротких лазерных импульсов существенно расширило эту область исследований. Интересным случаем нелинейной оптики являются переходы между уровнями Ландау для электронов в магнитном поле. Однако нелинейность в этом случае возможна только тогда, когда уровни расположены неэквидистантно, что имеет место, в частности, в графене. В эксперименте G. Yumoto (Токийский университет, Япония) и др. слой графена, выращенный методом эпитаксии на подложке, помещался в сверхпроводящий магнит и охлаждался до температуры 5 К. Образец освещался линейно поляризованным лазерным лучом накачки диапазона ТГц, и изучалось фарадеевское вращение поляризации второго пробного луча. Было выявлено нелинейное подавление фарадеевского вращения, связанное с переходами между уровнями Ландау. Об открытии графена см. в нобелевских лекция А.К. Гейма в УФН 181 1284 (2011) и К.С. Новосёлова в УФН 181 1299 (2011). Источник: Phys. Rev. Lett. 120 107401 (2018)

Ротоны в квантовом газе

Понятие квазичастиц-ротонов, существующих в минимуме энергии при конечном импульсе, было введено Л.Д. Ландау в 1941 г. для объяснения свойств сверхтекучего 4He. Ранее считалось, что в квантовых газах, в отличие от жидкого гелия, возбуждаются только фононные моды, а ротонны не возникают из-за слабости межатомных взаимодействий. Однако в 2003 г. была предсказана возможность возбуждения ротонной моды в газе в двух случаях: в поле нерезонансного лазерного излучения и для магнитных диполь-дипольных взаимодействий между атомами в бозе-эйнштейновском конденсате. Ротоны в первом случае уже наблюдались, а второй вариант, который был предсказан в статье L. Santos, G.V. Shlyapnikov и M. Lewenstein, впервые реализован в новом эксперименте F. Ferlaino (Институт экспериментальной физики и Институт квантовой оптики и квантовой информации, Инсбрук, Австрия) и его коллег. Конденсат атомов эрбия 166Er находился в оптической ловушке вытянутой цилиндрической формы (о бозе-эйнштейновских конденсатах в поле лазерного излучения см. в обзоре Л.П. Питаевского в УФН 176 345 (2006)). Во внешнем магнитном поле спины атомов выстраивались в одном направлении и методом резонанса Фешбаха регулировалась длина рассеяния атомов и характер их взаимодействия. Ротоны возникали за счёт комбинации притягивающих и отталкивающих взаимодействий атомов, возникающих в зависимости от их взаимного расположения. Абсорбционным методом измерялось распределение разлетающихся атомов по импульсам после выключения потенциала ловушки. В спектре были видны пики, соответствующие ротонной моде. Также было выполнено численное моделирование системы и решение обобщённого уравнения Гросс – Питаевского и получено хорошее согласие с данными эксперимента. Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 5 марта 2018 г.

Магнонный транзистор

Со времени изобретения электронного биполярного транзистора прошло около 70 лет, см. статью В. Шокли в УФН 64 155 (1958). Магноника, вслед за электроникой, рассматриваются как одно из перспективных направление в технике, см. подробнее в УФН 185 1099 (2015). В частности, обсуждалась возможность создания полноценного магнонного аналога транзистора. В 2014 г. исследователи из Технического университета Кайзерслаутерна (Германия) уже продемонстрировали прототип магнонного транзистора для случая когерентных низкочастотных магнонов, но для совместимости с электронными приборами желательно разработать аналогичные устройства, оперирующие с высокочастотными тепловыми магнонами. Это удалось сделать L.J. Cornelissen (Гронингенский университет, Нидерланды) и др., которые продемонстрировали метод модуляции потока магнонов в минерале иттрий-железного граната YIG с тремя платиновыми контактами. Магноны представляют собой квазичастицы, переносящие возбуждения в системе взаимодействующих спинов. Они генерировались на одной стороне минерала за счёт спинового эффекта Холла и регистрировались на другой его стороне. Инжекция дополнительных магнонов, вызываемая электрическим током через управляющих контакт, влияла на магнонную проводимость. Эффективность модуляции потока магнонов составила 1,6%/мА при T=250° К. Работающие по несколько иному принципу устройства, которые можно назвать магнонными клапанами, независимо созданы в Институте физики Китайской академии наук (H. Wu и др.) и немецко-японской группой (J. Cramer и др.). В их подходах применялись плоские слои магнитных веществ, и было показано, что поток магнонов поперек слоёв сильно зависит от их взаимной ориентации. Источник: Phys. Rev. Lett. 120 097702 (2018)

Фононный квадрупольный метаматериал

История исследования метаматериалов начинается со статьи В.Г. Веселаго в УФН 92 517 (1967), в которой полвека назад была рассмотрена электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями электрической и магнитной проницаемостей. В последние годы такие вещества удалось создать искусственно в виде массивов из элементов с определенными электромагнитными свойствами. M. Serra-Garcia (Институт теоретической физики Швейцарской высшей технической школы Цюриха) и др. создали новый тип механического метаматериала. Аналогично тому, как с дипольным моментом поляризованного диэлектрика связаны электрические заряды на его поверхности, с квадрупольным моментом связаны дипольные моменты на гранях и заряды в углах. В описываемом эксперименте был создан механический аналог квадрупольного диэлектрика на основе массива из кремниевых пластин с отверстиями. Слабая механическая связь между пластинами осуществлялась набором кремниевых стержней, а роль зарядов играли упругие деформации того или иного направления, вызываемые ультразвуком. Измерение спектра колебаний осуществлялось с помощью лазерного интерферометра. Система имела нетривиальный набор мод колебаний, в том числе, колебания на гранях и углах, по своим свойствам напоминая топологический изолятор. Источник: Nature 555 342 (2018)

Первые звезды во Вселенной и линия поглощения 21 см

Наблюдение поглощения в радиолинии нейтрального водорода 21 см, сдвинутой в красную область за счёт космологического расширения, даёт ценную информацию о физике в ранней Вселенной в так называемую эпоху «тёмных веков», которая имела место после рекомбинации водорода до его повторной ионизации. В конце этой эпохи возникли первые звёзды и галактики. Поглощение водородом УФ-фотонов, излучаемых звёздами, населяет верхние энергетические уровни атомов, связывая между собой спиновую и кинетическую температуры газа и тем самым влияя на поглощение в линии 21 см. J.D. Bowman (Университет штата Аризона, США) и др. выполнили новые точные наблюдения линии 21 см на двух радиотелескопах, расположенных в Австралии. Профиль линии поглощения в целом согласуется с теоретическими расчётами, учитывающими излучение ранних звезд, но амплитуда сигнала заметно больше, чем ожидалось. Для оценки достоверности этого результата требуются, однако, независимые наблюдения. Это несоответствие, если оно действительно имеет место, предполагает, что газ в ту эпоху был, как минимум, в два раза холоднее, чем он должен быть в условиях адиабатического охлаждения. Одним из возможных объяснений может служить гипотетическое взаимодействие барионов с частицами тёмной материи, приводящее к дополнительному охлаждению газа. Низкочастотный фронт наблюдаемого профиля линии 21 см указывает на то, что в эпоху 180 млн. лет после Большого взрыва (красное смещение z ≈ 15) уже существовали звёзды, которые создали фон Lyman-α фотонов. Эти звёзды, возможно, были первыми звёздами во Вселенной (их называют звёздами населения III). Развитие представлений о внутреннем строении звёзд и источниках их энергии можно проследить, в частности, по статьям А.С. Эддингтона в УФН 4 11 (1924) и УФН 6 273 (1926), а также статьям Я.К. Сыркина в УФН 8 675 (1928), А. Унзольда в УФН 65 499 (1958) и Г. Бете в УФН 96 393 (1968). Источник: Nature 555 67 (2018)

Нагрев хромосферы Солнца

S.D.T. Grant (Университет Квинс в Белфасте, Великобритания) и др. впервые наблюдали эффект нагрева солнечной хромосферы при диссипации альвеновских волн. Уже давно предсказывалось теоретически, что альвеновские волны должны подниматься от видимой поверхности Солнца (фотосферы) в верхние слои и там диссипировать, выделяя тепло и нагревая хромосферу и корону. Хотя свидетельства существования альвеновских волн на Солнце имелись, подтвердить эффект их диссипации ранее не удавалось. В новых наблюдениях, выполненных на солнечном телескопе высокого разрешения в Нью-Мексико (США) и с помощью инструментов космической Обсерватории солнечной динамики (SDO) было изучено распределение магнитных полей в солнечном пятне, на основе наблюдения допплеровских сдвигов в спектре кальция была восстановлена картина скоростей плазмы и были выявлены ударные волны, вызванные трансформацией альвеновских волн в магнитоакустические. Этот процесс ведёт к диссипации энергии и нагреву хромосферы. Х. Альвен предсказал существование названных его именем волн в плазме в 1942 г. О физике плазмы и структуре Солнца см. в нобелевской лекции Х. Альвена в УФН 104 529 (1971) и в статье А.С. Монина в УФН 132 123 (1980). Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 5 марта 2018 г.

Открытие планеты методом микролинзирования

К настоящему времени обнаружено уже несколько тысяч планет (экзопланет) вокруг других звёзд. Большинство из них найдено с помощью телескопа Кеплера методом транзита или путём измерения радиальных скоростей, но 65 экзопланет было обнаружено по наблюдениям эффекта микролинзирования — гравитационной фокусировки света далёкой звезды. Группа исследователей из Италии, Словакии и России (Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ) обнаружила яркое событие микролинзирования, в котором вероятно, участвовала экзопланета, относящаяся к типу «суперземель» (планет с массами 1-10 масс Земли). Т.к. событие наблюдалось из направления на антицентр Галактики, где концентрация линз очень мала, оно является редким и исключительным. Звезда — источник света расположена на расстоянии 700-800 пк от Земли. Её переменность имела признаки, которые говорят о наличии на луче зрения двойной гравитационной линзы, состоящей из звезды с массой 0,25M и планеты с массой 9,2 ± 6,6 масс Земли, обращающейся по орбите с радиусом 0,5 а.е. Эта система находится от нас на расстоянии всего 380 пк (самое близкое событие микролинзирования). О гравитационном микролинзировании см. в статье А.Ф. Захарова и М.В. Сажина в УФН 168 1041 (1998). Отметим также, что первая экзопланета в другой галактике (в Туманности Андромеды) впервые была открыта с помощью эффекта микролинзирования в 2009 г. (см. УФН 181 1114 (2011)). Источник: Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 476 296 (2018)

Новостной канал

Новости физики в Интернете — раздел журнала Успехи физических наук, ежемесячно публикующего обзоры современного состояния наиболее актуальных проблем физики и смежных с нею наук. В данном обзоре новостей представлены последние открытия в физике и астрофизике.

Постоянный ведущий — Ю.Н. Ерошенко.

Материалы подготовлены на основе электронных препринтов и бюллетеней.

Физические ресурсы Рунета

© Успехи физических наук, 1918–2018
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение