Новости физики в Интернете


Симметрии квантовой гравитации

История построения квантовой гравитации начинается с работ М.П. Бронштейна, выполненных им в 1930-е годы в Ленинградском физико-техническом институте, сейчас — ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Полная теория квантовой гравитации пока не создана из-за принципиальных теоретических трудностей. О квантовой гравитации и нерешённых в этой области проблемах см. в статье Г.Е. Горелика в УФН 175 1093 (2005). Тем не менее, идут активные поиски новых подходов к созданию теории квантовой гравитации. В 1957 г. в работе Ч. Мизнера и Дж. Уилера были сформулированы ряд условий, которым должна удовлетворять эта теория. D. Harlow (Массачусетский технологический институт, США) и H. Ooguri (Калифорнийский технологический институт, США и Токийский университет, Япония) показали, как эти условия можно реализовать в модели AdS/CFT соответствия, являющейся примером принципа квантовой голографии. AdS/CFT даёт связь между теорией квантовой гравитации в пространстве анти-де Ситтера и конформной теорией поля на ограничивающей его поверхности. D. Harlow и H. Ooguri показали, что для непротиворечивости в теории должны отсутствовать глобальные симметрии, а внутренние калибровочные группы должны быть компактными. Источник: Phys. Rev. Lett. 122 191601 (2019)

Ограничения на квантовые корреляции

Наряду с ограничениями на максимальную скорость распространения квантовой информации (предел Либа – Робинсона), существует ограничение на корреляции двух наборов квантовых измерений, выполненных внутри и вне некоторой области пространства. Величина корреляций зависит от площади 2-мерной поверхности, ограничивающей указанную область (закон площадей). Исследователи из Венского университета и Института квантовой оптики и квантовой информации (Австрия) I. Kull, P. Allard Guerin и C. Brukner в своей теоретической работе обобщили закон площадей на случай 4-мерных областей пространства-времени. В качестве модельной системы был рассмотрен конечный массив из спинов, каждый с ограниченным масштабом и величиной воздействия на соседние спины, и рассмотрено распространение в такой системе взаимной квантовой информации в процессе измерений, выполняемых наблюдателями в течение ограниченного времени. Один из наблюдателей производит измерения внутри некоторой области, а второй — снаружи. Получено, что максимальная величина взаимной информации, которая характеризует квантовые корреляции, пропорциональна площади 3-мерной гиперповерхности, ограничивающей внутреннюю 4-мерную область. Новые соотношения могут давать связь между квантовой информацией и геометрией пространства времени, что важно для построения теории квантовой гравитации. Источник: npj Quantum Information 5 48 (2019)

Квантовое запутывание фотона и спиновой волны в твёрдом теле

Квантовое запутывание света и вещества представляет большой интерес для передачи квантовой информации. Ранее уже было получено запутывание между фотонами и спиновыми возбуждениями в ультрахолодных газах. K. Kutluer (Барселонский институт науки и технологий, Испания) и соавторы в своем эксперименте продемонстрировали прямое запутывание по времени между единичным фотоном и единичным коллективным спиновым возбуждением в ансамбле ионов редкоземельного элемента празеодима Pr3+, внедрённых в кристалл Y2SiO5. Эксперимент выполнялся при температуре 3,5 K. Анализ квантового состояния производился путём отображения спинового возбуждения на фотонный кубит с помощью частотной гребенки и кубита-анализатора, реализованного на втором кристалле. Наличие запутывания подтверждено по нарушению неравенств Белла на уровне двух стандартных отклонений. Такая точность делает устройство пригодным, например, для создания квантовых репитеров. Источник: Phys. Rev. Lett. 123 030501 (2019)

Трёхмерная квантовая спиновая жидкость

Квантовой спиновой жидкостью называется такое состояние вещества, в котором взаимодействующие спины его атомов остаются неупорядоченными даже при приближении к абсолютному нулю температуры. Ранее уже были получены свидетельства существования двумерной квантовой спиновой жидкости в некоторых материалах. Теоретически предсказывалось, что в пирохлоре Ce2Zr2O7 возможно наличие трёхмерной квантовой спиновой жидкости в решётке ионов Ce3+, однако существующие экспериментальные данные не могли достоверно это подтвердить из-за отсутствия больших кристаллов. B. Gao (Университет Райса, США) и соавторы сумели вырастить кристалл Ce2Zr2O7 достаточно большого размера и пришли к выводу о возможном наличии в кристалле 3D квантовой спиновой жидкости. Исследование теплоемкости кристалла показало отсутствие фазовых переходов вплоть до 50 мК, по измерениям времени релаксации мюонных спинов подтверждено отсутствие дальнего порядка при охлаждении до 20 мК, а метод рентгеновской дифракции исключил наличие большого числа дефектов. Наконец, неупругое нейтронное рассеяние на единичном кристалле Ce2Zr2O7 выявило континуум спиновых возбуждений вплоть до температуры 35 мК. Всё это с высокой вероятностью свидетельствует о наличии трёхмерной квантовой спиновой жидкости. Источник: Nature Physics, онлайн-публикация от 15 июля 2019 г.

Парадокс Клейна в SmB6

В 1929 г. О. Клейн обнаружил, что потенциальные барьеры могут быть прозрачны для электронов, даже если высота барьера превышает энергию частицы. В интерпретации А.И. Никишова (ЖЭТФ 57 1210 (1969)) «парадокса Клейна» объясняется рождением одной из частиц пары частица-античастица за барьером. Электронно-дырочные возбуждения в графене и в топологических изоляторах эффективно описываются уравнением Дирака для безмассовых частиц, что дает возможность наблюдения туннелирования Клейна при малых энергиях, и этот эффект действительно наблюдался в графеновых гетероструктурах. S. Lee (Мэрилендский университет в Колледж-Парке, США) и соавторы сообщили о первом наблюдении идеального туннелирования в топологическом изоляторе. Изучалась граница между нормальным металлом и топологическим изолятором SmB6, в котором посредством прилегающего слоя YB6 была наведена сверхпроводимость. Электронная спектроскопия показала удвоение величины проводимости, что свидетельствовало об идеальном туннелировании электронов из нормального металла в сверхпроводник. Теоретически это явление объясняется идеальным адреевским отражением (А.Ф. Андреев, ЖЭТФ 46 1823 (1964)): электроны не могли отражаться обратно из-за спин-имульсной блокировки в топологическом изоляторе. Эффект туннелирования Клейна может найти практические применения в создании новых спинтронных устройств. Источник: Nature 570 344 (2019)

Взаимодействие Дзялошинского – Мории в гетероструктурах

Взаимодействие Дзялошинского – Мории представляет собой обменное взаимодействие через промежуточные немагнитные атомы посредством спин-орбитальных связей. Е.Ю. Ведмеденко (Гамбургский университет, Германия) и соавторы в своей теоретической работе исследовали взаимодействие Дзялошинского – Мории в гетероструктурах, состоящих из двух ферромагнетиков, разделенных немагнитной прослойкой, и показали, что оно имеет заметную величину и приводит к формированию глобальной киральной структуры между слоями в трех пространственных измерениях. Вычисления производились как аналитически, так и численно методом Монте – Карло. При этом ферромагнетики моделировались монослоем спинов. Полученный результат открывает новые перспективы для применения магнитной киральности в гетероструктурах. Исследование гетероструктур активно ведется, в частности, в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, где был получен ряд фундаментальных результатов. О двойных гетероструктурах см. в УФН 108 598 (1972), УФН 172 1068 (2002) и УФН 188 1249 (2018). Источник: Phys. Rev. Lett. 122 257202 (2019)

Органический лазерный диод с прямой электрической накачкой

Ранее уже были созданы лазеры на основе органических диодов, но накачка в них осуществлялась оптическим излучением. Электрическую накачку получить не удавалось из-за больших оптических и поляронных потерь. В Университете Кюсю (Япония) впервые создан лазер на основе органического диода с прямой электрической накачкой. Применялась тонкая плёнка органического соединения 4,4'-bis[(N-карбазол)стирил]бифенил, имеющего низкий порог лазерной генерации. На плёнку был нанесён катод из ванадия, позволяющий эффективно инжектировать ток. Частота лазерной генерации в синей области спектра отделена от области триплетного и поляронного поглощения, что способствует уменьшению потерь. Фундаментальный вклад в науку о лазерах, в том числе, создание лазеров на двойных гетероструктурах, был сделан Ж.И. Алферовым и его коллегами в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе АН СССР. Источник: Applied Physics Express 12 061010 (2019)

Катодолюминесцентная лампа

В последнее время лидирующие позиции в освещении заняли светодиодные лампы. Они имеют неоспоримые достоинства по экономичности, долговечности и экологической безопасности, однако при их производстве применяются редкие вещества, поставки которых по тем или иным причинам могут оказаться затруднены, например, галлий и индий. В качестве альтернативы светодиодным рассматриваются катодолюминесцентные лампы. Примером катодолюминесценции является свечение экранов электронно-лучевых трубок в телевизорах. Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) и ФИАНа им. П.Н. Лебедева разработали новый тип катодолюминесцентной лампы с катодом на основе пучка углеродных волокон. В лампу встроен преобразователь переменного тока в высоковольтное постоянное напряжение, под действием которого с окончаний волокон в процессе автоэлектронной эмиссии вылетают электроны. Лампа, созданная Е.П. Шешиным и соавторами, имеет триодную схему с модулятором, управляющим током анода. Анодом служит напыление из алюминия. Электроны ударяют в люминофор (Y2O2S:Tb или др.), вызывая его свечение. Световая отдача лампы составляет 30-40 лм Вт-1. В отличие от светодиодных ламп, катодолюминесцентные лампы можно производить из распространенных веществ, и они устойчиво работают при температурах от -50°C до 100°C. Опытный образец c потребляемой мощностью 5,5 Вт имеет стандартный цоколь E27 и уже может применяться для освещения в быту. О катодолюминесцентных источниках света см. в обзоре УФН 185 853 (2015). Источник: Journal of Vacuum Science & Technology B 37 031213 (2019)

Эргозвёзды

Возможность существования нейтронных звезд была предсказана Л.Д. Ландау в феврале 1931 г. — в период между его учебой в аспирантуре Ленинградского ФТИ и работой в ЛФТИ — еще до открытия нейтрона (см. УФН 183 307 (2013)). Нейтронные звезды были обнаружены в астрономических наблюдениях как пульсары в 1967 г. Вычисления в рамках Общей теории относительности (ОТО) показывали, что у вращающихся тел, таких как нейтронные звезды, может существовать эргообласть — область пространства, в которой все объекты неминуемо вовлекаются во вращение, — даже без образования горизонта событий чёрной дыры. Однако оставалось неизвестно, являются ли объекты с эргообластью динамически устойчивыми, или же, образовавшись, они быстро коллапсируют в чёрные дыры из-за роста возмущений. A. Tsokaros (Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне, США) и соавторы выполнили численный расчёт и впервые построили динамически устойчивые модели нейтронных звезд, имеющих эргообласть. Выбирались реалистичные уравнения состояние вещества нейтронной звезды и проводились общерелятивистские расчёты без упрощающих предположений. Были найдены классы моделей, в которых имелась эргообласть, но отсутствовал горизонт событий, и которые оставались динамически устойчивыми в течение 30 периодов вращения объекта вокруг своей оси — до окончания численного счёта. Обнаруженные теоретически устойчивые объекты нового типа названы эргозвёздами (ergostars). Такие объекты могут образовываться в процессе слияния двух нейтронных звёзд, причем эргообласть может играть важную роль в быстром формировании релятивистских струй (джетов) вдоль оси вращения. Об актуальных проблемах физики нейтронных звезд см. в обзоре УФН 180 1279 (2010). Источник: arXiv:1907.03765 [gr-qc]

Гравитационные волны и проверка ОТО

В 2017 г. гравитационно-волновыми интерферометрами LIGO и Virgo был зарегистрирован всплеск гравитационных волн GW170817, который произведен слиянием двух нейтронных звёзд. Одновременно наблюдались электромагнитные сигналы, включая всплеск гамма-излучения GRB 170817A (о космических гамма-всплесках см. в обзоре Р.Л. Аптекаря (ФТИ им. А.Ф. Иоффе) и соавторов в УФН 189 785 (2019). Мультиволновое наблюдение позволило выполнить проверку ОТО и ограничить по параметрам ряд альтернативных теорий гравитации. Коллаборация LIGO/Virgo представила новые ограничения в неисследованных ранее областях параметров. Первый класс ограничений касается генерации гравитационных волн. Получены ограничения на возможный вклад дипольного излучения в режиме сильного поля и на поправки к пост-ньютоновскому приближению. Второй класс ограничений связан с распространением волн. Получены ограничения на поправки в дисперсионном соотношении, которые могли бы быть обусловлены ненулевой массой гравитона. Также были ограничены параметры теорий с большими дополнительными измерениями. В таких теориях гравитоны должны вылетать в дополнительное пространство, что ослабило бы сигнал. Кроме того, показано, что гравитационная волна с высокой точностью имеет только две тензорные моды поляризации. Источник: Phys. Rev. Lett. 123 011102 (2019)

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, 1918–2019
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение