Новости физики в Интернете


Сверхпроводимость при комнатной температуре

Открытие сверхпроводимости [1] с критической температурой, достигавшей Tc=203 K в интервале давлений 100-250 ГПа (в алмазных наковальнях), в системе H3S вызвало поток работ по экспериментальному изучению высокотемпературной сверхпроводимости гидридов в области мегабарных давлений (см. обзоры [2,3]). Теоретический анализ немедленно подтвердил, что эти рекордные значения Tc обеспечиваются традиционным электрон — фононным взаимодействием и хорошее описание экспериментальной ситуации обеспечивается теорией Элиашберга – МакМиллана в пределе достаточно сильной электрон — фононной связи [4,5]. Более того, подробные расчёты для целого ряда гидридов переходных металлов под давлением [4] привели к предсказанию достаточно большого числа таких систем с рекордными значениями Tc. В ряде случаев эти предсказания получили блестящее подтверждение, в частности были экспериментально достигнуты рекордные значения Tc=250-260 K в системе LaH10 [6,7]. Принципиальное значение этих работ состоит, прежде всего, в том, что они ярко продемонстрировали отсутствие существенных ограничений для Tc, в рамках электрон — фононного механизма куперовского спаривания, где традиционно считалось, что Tc не может превышать 30-40 K. После появления работ [6,7] стало ясно, что не за горами открытие сверхпроводимости при комнатной температуре, которая многие годы казалась лишь мечтой немногих теоретиков [8,9]. И вот теперь этот рубеж перейден — в только что появившейся работе [10] была получена сверхпроводимость с Tc=287.7 ± 1.2 K (т.е. около +15 градусов Цельсия) в системе C-H-S при давлении 267 ± 10 ГПа. Авторы воспользовались тем, что сероводород H2S и метан CH4 хорошо перемешиваются. Такая смесь (с дополнительной инжекцией H2), была подвергнута фотохимическому синтезу при высоком давлении (с использованием лазерного излучения) и исследована в интервале давлений от 100 до 300 ГПа. Были получены очень убедительные данные по достаточно узкому сверхпроводящему переходу (из резистивных измерений) с Tc в интервале от 175 до 287 K при изменении давления от 175 до 267 ГПа, которые были подтверждены измерениями диамагнитного отклика (эффекта Мейсснера) при давлениях от 175 до 200 ГПа, а также прямыми (резистивными) измерениями верхнего критического магнитного поля (уменьшения Tc под воздействием внешнего магнитного поля до 9 Тл) вблизи Tc. Эти измерения показали, что изучаемая система представляет собой типичный сверхпроводник II рода, а значение Hc2 при T=0 могут достигать 62 или 85 Тл (в зависимости от используемой экстраполяции к T=0). К сожалению, авторам пока ещё не удалось точно определить структуру исследованной сверхпроводящей фазы C-H-S, что связано с трудностями рентгеновских измерений в системах с легкими атомами (малостью сечения рассеяния рентгеновских лучей). Представляется, что эта задача будет решена в ближайшее время в комбинации прямых экспериментов и современных методов теоретического моделирования устойчивых структур в области высоких давлений [4]. Практически не остаётся сомнений, что и предел Tc=+15 °С, может быть превзойдён в ходе будущих экспериментов с гидридами под высоким давлением, а может быть, и в случае экспериментального получения металлического водорода. [1] Drozdov A P, Eremets M I, Troyan I A, Ksenofontov V, Shylin S I Nature 525 73 (2015) [2] Еремец М И, Дроздов А П УФН 186 1257 (2016) [3] Pickard C J, Errea I, Eremets M I Annual Reviews of Condensed Matter Physics 11 57 (2020) [4] Liu H, Naumov I I, Hoffman R, Ashcroft N W, Hemley R J PNAS 114 6990 (2018) [5] Gor'kov L P , Kresin V Z Rev. Mod. Phys. 90 01001 (2018) [6] Drozdov A P et al. Nature 569 528 (2019) [7] Somayazulu M, et al. Phys. Rev. Lett. 122 027001 (2019) [8] Гинзбург В Л УФН 174 1240 (2004) [9] Максимов Е Г УФН 178 175 (2008); Maksimov E G Phys. Usp. 51 167 (2008) [10] Snider E et al. Nature 586 373 (2020)

Гравитационное красное смещение

Эффект гравитационного красного смещения (ГКС) — уменьшение частоты излучения, приходящего от массивного объекта — является одним из классических тестов Общей теории относительности (ОТО). ГКС было измерено на Земле в эксперименте Паунда и Ребки и наблюдалось для Солнца и звёзд — белых карликов. Поправки от ГКС учитываются также в системах спутниковой навигации. Измерение ГКС для Солнца осложнено конвективными движениями плазмы (грануляцией), вызывающими доплеровские сдвиги. Однако в последнее время техника спектральных наблюдений получила новое развитие, что позволило J.I. Gonzalez Hernandez (Канарский институт астрофизики и Университет Ла-Лагуна, Испания) и соавторам выполнить новые наиболее точные измерения эффекта ГКС на Солнце [11]. Наблюдался свет Солнца, отражённый от Луны, в котором суммирован вклад всего солнечного диска. Использовался высокостабильный спектрограф на 3,6-метровом телескопе обсерватории Ла-Силья в Чили. Для его калибровки применялся метод лазерной частотной гребёнки. Измерялась центральная частота и эквивалентная ширина 326 линий поглощения железа. Для интерпретации наблюдений использовалась 3D модель фотосферы, позволяющая предсказывать профили линий. Наблюдение 15 сильных линий даёт для ГКС величину 639 ± 14 м с−1 с минимумом модельных предположений. А глобальное фитирование 97 линий 3D моделью даёт 638 ± 6 м с−1. Полученные величины хорошо согласуются с рассчитанным значением 633,1 м с−1 и тем самым еще раз подтверждают предсказание ОТО. [11] Gonzalez Hernandez J I et al. A&A, принята к публикации в 2020 г.

Квантовая тепловая машина

У микроскопических квантовых систем, рассматриваемым как тепловые машины, имеется возможность квантовой суперпозиции их различных, в том числе, противоположных термодинамических циклов, что невозможно в классическом случае. В экспериментах уже были реализованы квантовые тепловые машины на основе различных систем. K. Ono (Институт физико-химических исследований RIKEN, Япония) и соавторы впервые создали квантовую тепловую машину на основе спинового состояния электрона примеси в туннельном полевом транзисторе [12]. Высокочастотное изменение потенциала затвора вызывало переходы между двумя энергетическими уровнями и создавало их определенную населенность. Также к затвору был приложен модулирующий сигнал, изменяющий расстояние между уровнями. Направление цикла Отто зависело от того, в какой момент происходил переход между уровнями: при минимальном или максимальном расстоянии между ними. Если период модулирующего сигнала был больше времени когерентности системы, то система могла работать либо в режиме тепловой машины с прямым циклом, либо холодильника. Однако если период был меньше времени когерентности, то система могла находиться в суперпозиции этих состояний. [12] Ono K et al. Phys. Rev. Lett. 125 166802 (2020)

Оптический резонатор на основе левитирующих микрокапель

Cферический оптический резонатор мог бы иметь очень большую добротность за счёт наличия множества вариантов путей обхода и сложения фаз световых волн на сфере. Однако для этого требуется высокое качество сферической поверхности. У твердых микросфер, лежащих на плоскости, даже наличие точки опоры приводит к деформации, ухудшающей их оптические свойства. J. Kher-Alden (Израильский технологический институт — Технион) и соавторы в качестве резонатора применяли жидкие капли силиконового масла радиусом 10 мкм, удерживаемые в состоянии левитации оптическим пинцетом [13]. В этом случае капли имеют высокую степень сферичности и качество поверхности. Вблизи капель проходило изогнутое оптоволокно. Через эванесцентное поле осуществлялась связь оптических мод в волокне и в капле без заметного влияния на форму капель. Оптическая точность (optical finesse) данного резонатора превышала 11,6 × 106 (добротность 1,2 × 109), т.е. свет мог совершать более 10 млн. оборотов внутри капли. В первых левитирующих сферических резонаторах А. Ашкина, созданных в 1970-х годах, эта величина составляла всего ≈ 300. В эксперименте также выполнены измерения вырожденности и плотности состояний оптических мод. Данный резонатор может найти применения в прецизионных физических измерениях и в оптических сенсорах. [13] Kher-Alden J et al. Phys. Rev. X 10 031049 (2020)

Квантовые флуктуации вблизи предела Ландауэра

Как было показано в работах Р. Ландауэра, логические операции сопровождаются производством энтропии и диссипации тепла. Например, при стирании одного бита информации окружению передаётся количество тепла q ≥ kBT ln(2) (предел Ландауэра), где kB — постоянная Больцмана, а T — температура. J. Goold (Тринити-колледж (Дублин), Ирландия) и соавторы в своей теоретической работе [14] исследовали рост диссипации вблизи предела Ландауэра за счёт квантовых флуктуаций при необратимом стирании информации. Наличие у системы квантовой когерентности приводит к росту диссипации сверх предела Ландауэра и делает распределение энергетических потерь негауссовым, в отличие от случая тепловых флуктуаций. Ещё одной особенностью квантовых эффектов является дисспипция энергии конечными порциями — испускание квантов. Далее авторы применили полученные ими общие принципы к модельной двухуровневой системе. Было получено, что за счет квантовых флуктуаций диссипация энергии может в 30 раз превосходить предел Ландауэра, тогда как классические эффекты диссипации создают превышение только в 4 раза. Эффект повышенной диссипации может оказаться важным для микроскопических логических ячеек работающих вблизи предела Ландауэра, т.к. он может приводить к их повреждению. [14] Miller H J D et al. Phys. Rev. Lett. 125 160602 (2020)

Нелинейный магнитоэлектрический эффект

У многих кристаллов магнитоэлектрический эффект (появление электрической поляризации под влиянием внешнего магнитного поля) пропорционален первой или второй степени напряженности магнитного поля. L. Weymann (Венский технический университет, Австрия) и соавторы обнаружили [15], что в лангаситах, допированных атомами гольмия, HoxLa3-xGa5SiO14 с x=0,043 ± 0,005 эффект может иметь четвёртый и шестой порядок. Исследовались монокристаллы при температуре 2 K и магнитном поле 6-14 T. Для измерения поляризации применялись серебряные электроды на гранях кристаллов. Измерения показали, что поляризация испытывает четыре периода осцилляций при вращении магнитного поля на угол 2π в кристаллической ac-плоскости и шесть периодов при вращении в ab-плоскости. Это свидетельствует о зависимости от компонент магнитного поля в четвёртой и шестой степени, соответственно. При этом зависимость амплитуды поляризации от величины магнитного поля остается линейной. Ранее в кристаллах 6-я степень зависимости не наблюдалась. Авторы разработали теоретическую модель, которая в целом хорошо воспроизводит обнаруженные свойства, учитывая взаимовлияние локальной и глобальной симметрий. Обнаруженный эффект открывает новые возможности для управления электрическими свойствами веществ с помощью магнитного поля. В работе принимали участие российские исследователи из МГУ, ИОФАН, МФТИ и Национального исследовательского университета «МИЭТ». О магнитоэлектрических материалах см. в [16,17]. [15] Weymann L et al. npj Quantum Materials 5 61 (2020) [16] Пятаков А П, Звездин А К УФН 182 593 (2012) ; Pyatakov A P, Zvezdin A K Phys. Usp. 55 557 (2012) [17] Бухараев А А и др. УФН 188 1288 (2018); Bukharaev A A et al. Phys. Usp. 61 1175 (2018)

Аномальный магнитар Swift J1818.0-1607

Магнитары представляют собой молодые одиночные нейтронные звёзды с очень сильными магнитными полями и медленным вращением. Их рентгеновское излучение подпитывается диссипацией магнитного поля. Существует еще один класс нейтронных звёзд с сильными магнитными полями, которые, напротив, излучают в основном за счёт энергии вращения. Предполагалось, что эти нейтронные звёзды с ротационной подпиткой и магнитары относятся к единой популяции объектов, однако промежуточных видов нейтронных звёзд ранее обнаружить не удавалось. Наблюдения рентгеновского источника Swift J1818.0-1607 с помощью телескопа Swift BAT и телескопа NICER, установленного на МКС, показали, что он может быть искомым промежуточным видом [18]. Swift BAT регистрировал жесткую часть спектра рентгеновской вспышки, типичной для магнитаров, а NICER наблюдал последующую (в течение первых ≈ 100 дней) эволюцию спектра в мягкой области. Swift J1818.0-1607 является самым быстро вращающимся магнитаром из известных, имея период 1,36 с. Характер замедления и сильные глитчи и антиглитчи (изменения частоты вращения) говорят об относительно молодом возрасте нейтронной звезды. При этом излучение может частично подпитываться вращением, а магнитное поле 2,7 × 1014 Гс и светимость 7,9 × 1035 эрг с−1 имеют промежуточные величины. Наблюдаемое радиоизлучение Swift J1818.0-1607 также относит его к промежуточному типу нейтронных звёзд, т.к. лишь у немногих магнитаров зарегистрировано радиоизлучение. О магнитосферах пульсаров см. в [19-22]. Весьма вероятно, что магнитары являются источниками быстрых радиовсплесков [23]. [18] Hu C P et al. The Astrophysical Journal 902 1 (2020) [19] Бескин В С, Гуревич А В, Истомин Я Н УФН 150 257 (1986) ; Beskin V S, Gurevich A V, Istomin Ya N Sov. Phys. Usp. 29 946 (1986) [20] Бескин В С, Истомин Я Н, Филиппов А А УФН 183 179 (2013) ; Beskin V S, Istomin Ya N, Philippov A A Phys. Usp. 56 164 (2013) [21] Бескин В С УФН 188 377 (2018) ; Beskin V S Phys. Usp. 61 353 (2018) [22] Потехин А Ю УФН 180 1279 (2010); Potekhin A Yu Phys. Usp. 53 1235 (2010) [23] Попов С Б, Постнов К А, Пширков М С УФН 188 1063 (2018) ; Popov S B, Postnov K A, Pshirkov M S Phys. Usp. 61 965 (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, 1918–2021
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение