Научные новости года по версии серии журналов Physical Review

Электронный журнал Physics, реферирующий статьи серии Physical Review, во второй половине декабря составляет подборку научных новостей года, и 2025 не стал исключением [1].

Как отмечает редакция, минувший год прошел под знаком объявленного ООН Международного года квантовой науки и технологий, столетие которой почему-то было условлено отмерять не от доклада Макса Планка 14 декабря 1900 года, а со статьи Вернера Гейзенберга, которую для краткости принято называть “Umdeutung” (переосмысление, истолкование), а полное название на русский переводится как “О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений”.

Зримым воплощением юбилея стал мультфильм про кота Шредингера, необычность которого состоит в том, что отрисован он коллективом из полутысячи атомов, находящихся в оптических ловушках [2]: ему выделена левая верхняя клетка коллажа на рис. 1, а само видео можно посмотреть по этой ссылке. Атомы перемещались в области размером в четверть миллиметра, все видео в реальном времени длится не более секунды, поэтому для восприятия оно замедлено в 30 раз. Для отрисовки кадров, сменяющих друг друга через каждые60 мс, воспользовались помощью искусственного интеллекта (куда же нынче без него!), программировавшего пространственный модулятор света, который и создавал оптические ловушки для атомов.

Возможно, больший интерес у читателей ПерсТ вызовет сюжет из следующей клетки, в которой приведена фазовая диаграмма для новых сверхпроводящих состояний, обнаруженных в многослойном ромбоэдрическом графене [3] – для лучшей видимости мы вынесли этот сюжет на отдельный рисунок 2.

Ромбоэдрический многослойный графен получается сдвигом каждого следующего слоя относительно предыдущего на треть периода кристаллической решетки. Интерес к нему обусловлен формой энергетических зон электронов: если в монослойном графене валентная зона и зона проводимости встречаются в одной точке, то в ромбоэдрическом графене место контакта двух зон расплывается в плоскую площадку, что означает практически отсутствующую дисперсионную зависимость: энергия электронов слабо зависит от импульса. Взаимодействие между такими медленными электронами намного сильнее, чем в полупроводниках, что и создает условия для появления необычных фаз, в том числе и сверхпроводящих.

Сверхпроводящее состояние в ромбоэдрическом графене было обнаружено 4 года назад [3], а в 2025 были найдены еще две сверхпроводящие фазы, весьма необычные, поскольку в них электронные пары имеют одно и то же направление спина, т.е. S = 1, при этом их общий орбитальный момент L так же равен единице. Две новые фазы легко распознаются во внешнем магнитном поле: сверхпроводящие фазы SC1, SC2 выживали в поле больше 0.6 Тесла, а “обычная” фаза SC3 с S =0, L=0 разрушалась уже при 0.1 Тесла.

Такая “дружба” сверхпроводимости и ферромагнетизма необычна уже сама по себе, но исследователи заинтригованы прежде всего тем, что обе или хотя бы одна из этих фаз (прежде всего SC2) может оказаться топологическим квантовым состоянием, поиски которого ведутся уже не один год.

Еще один сюжет верхнего ряда, занимающий крайний правый квадратик, напрямую не относится к физике конденсированного состояния, но достоин внимания, хотя бы в виду глубоких аналогий с физикой твердого тела в такой далекой от нее области, как динамика слияния черных дыр. В этом году исполнилось десять лет с момента детектирования первого гравитационно-волнового события и с тех пор регистрация гравитационных сигналов, возникающих при столкновении массивных объектов во Вселенной, превратилась в рутину – их счет идет на сотни. Однако в этом году сильно усовершенствованная методика детектирования гравитационных волн позволила получить самый отчетливый из зарегистрированных сигналов и, наконец, проверить теорему Хокинга о площадях [5]. Эта теорема гласит, что при слиянии черных дыр площадь горизонта событий получившейся черной дыры не может быть меньше суммы соответствующих площадей первоначальных черных дыр. Данное утверждение является следствием второго начала термодинамики, что покажется не столь невероятным, если вспомнить, что все события, оказавшиеся за горизонтом событий, отрезаны от нашего мира, то есть имеет место потеря информации и увеличение энтропии.

Оказывается, по форме гравитационного сигнала можно определить эти площади. На начальном этапе, когда пара черных дыр “вальсирует” по скручивающейся спирали, форма сигнала дает информацию о площади черных дыр до слияния. На следующем же этапе объединенная черная дыра вибрирует подобно колоколу – в сигнале присутствуют две близкие частоты с отличающимся временем затухания – именно по этому «звону» и удается определить площадь горизонта событий для образовавшейся черной дыры. Однако близость частот предъявляет повышенные требования к чистоте сигнала для их обнаружения, именно поэтому вплоть до последнего времени не удавалось однозначно говорить о доказательстве теоремы Хокинга. За десять лет, прошедших с момента первого детектирования слияния черных дыр, отношение сигнал/шум для гравитационных антенн возросло с 26 до 80, что позволило с 99.999-процентной вероятностью утверждать, что теорема Хокинга подтверждается экспериментом.

Следующий сюжет, находящийся на стыке космологии и физики твердого тела – это лазер, излучающий нейтрино. Нейтрино – частица трудноуловимая и крайне слабо взаимодействующая с веществом. Кроме того, нейтрино – фермион, частица с полуцелым спином. Поэтому идея о том, что нейтрино могут излучаться когерентно, подобно фотонам в лазере, кажется очень странной и вызывающей. Однако в статье [6], опубликованной в PRL, показано, что такой эффект возможен. Авторы моделировали поведение бозе-эйнштейновского конденсата радиоактивных атомов 83Rb, и оказалось, что за счет коллективного взаимодействия атомов в конденсате излучаемые ими при бета-распаде нейтрино также будут когерентными. Рассчитан эффект увеличения интенсивности нейтрино и предложены методы экспериментального исследования этого эффекта. Если этот эффект будет доказан экспериментально, то исследования нейтрино выйдут на качественно новый уровень. Характерные температуры, при которых проявляется этот эффект, составляют доли милликельвина, что представляет существенные технические трудности, однако не является непреодолимым.

Однако вернемся к обычным, земным температурам и более жизненным историям. Такое, казалось бы, простое дело, как варка макарон, занимает немалое место в умах физиков. Особенно актуально изучить этот процесс с позиций энергосбережения.

В обзоре [7] научные журналисты APS собрали самые “вкусные” научные статьи, касающиеся тематики спагетти. Например, в одной из работ научно обоснован “бабушкин рецепт”, позволяющий сэкономить электроэнергию: выключить нагревание после закипания спагетти, а до состояния “аl dente” они доварятся сами. В другой работе описана механика приготовления традиционного итальянского соуса к спагетти, удостоенная “Шнобелевской премии” этого года [8].

Приведенные на рисунке 4 лауреаты “Шнобелевской премии” намекают на приближение веселого праздника. Мы, в свою очередь, желаем всем читателям ПерсТа последовать их примеру, радоваться жизни, вкусной еде и творчеству, несмотря на необходимость энергосбережения и прочие технические трудности!

А. Пятаков, З. Пятакова

1. “Highlights of the Year”, Physics 18, 191 (2025).

2. R.Lin et al., Phys. Rev. Lett. 135, 060602 (2025).

3. H.Zhou et al., Nature 598, 434 (2021).

4. T.Han et al., Nature 643, 654 (2025).

5. A.G.Abac et al., Phys. Rev. Lett. 135, 111403 (2025).

6. B.J.P.Jones and J.A.Formaggio, Phys. Rev. Lett. 135, 111801 (2025).

7. https://physics.aps.org/articles/v18/22

8. https://physics.aps.org/articles/v18/163

ПерсТ, 2025, том 32, выпуск 12

Источник: physics.aps.org

Комментарии: