Физика: под знаком сверхпроводимости
В ушедшем году сообщество физиков и материаловедов было взбудоражено из-за объявления об открытии высокотемпературного сверхпроводника. Этот священный грааль ученые ищут десятилетиями, получение сверхпроводимости при комнатной температуре изменит транспорт, электронику и многое другое. Но открытие вскоре обернулось «закрытием».
Среди открытий прошлого года я бы выделил хиральные наноматериалы. Это материалы, которые «различают лево и право». Они могут выборочно взаимодействовать с «правыми» или «левыми» фотонами. Эффект пригодится для обработки информации, распознавания света с круговой поляризацией — то есть создания новых классов детекторов. Такие хиральные наноматериалы сейчас, в том числе, исследуются в нашей лаборатории в МГУ. Может быть создано телевидение с трехмерным изображением, например. Это если говорить об области нано-материалов.
Далее, если посмотреть шире, то я бы отметил серию статей о двумерных материалах, когда два листа, например, графена чуть сдвигаются друг относительно друга. Возникает так называемый магический угол — это небольшой угол поворота, который придает материалу новые свойства. Например, в графене возникает или «отключается» сверхпроводимость. Сейчас, конечно, это некие фундаментальные исследования, создание новых материалов с необычными свойствами.
Многочастичная коррелированная физика — это, скорее, фундаментальные разработки, но вероятнее всего это найдет применение в сфере обработки информации: какие-то новые типы транзисторов, новые типы подходов к манипуляциям информацией.
2023 год для меня прошел под знаком высокотемпературной сверхпроводимости. 9 января в Цюрихе на 96 году жизни скончался выдающийся швейцарский физик, профессор Карл Алекс Мюллер, получивший Нобелевскую премию в 1987 году, через год после опубликования работы, которая сделала настоящий прорыв в исследовании сверхпроводимости. Вслед за их исследованиями по всему миру последовала волна экспериментов и масштабных теоретических исследований. Однако тайны высокотемпературных сверхпроводников не раскрыты и по сей день!
В 2023 году было две мощнейших попытки открыть сверхпроводимость при комнатной температуре, пусть неудачные, но вновь поднявшие волну поиска таких соединений.
Корейские авторы Ли Сукбэ и Ким Джихуна на портале arXiv.org опубликовали работу с описанием нового кандидата в сверхпроводники — замещенный медью свинцовый апатит состава Pb10-xCux(PO4)6O2. Исследованию данного соединения методами электронного парамагнитного резонанса и двойного электрон-ядерного резонанса была посвящена работа нашей группы в Казани, она была опубликована в 2012 году в журнале Physical Chemistry Chemical Physics. Мы сверхпроводимость тогда не нашли, если бы это получилось у корейцев, было бы немного обидно.
В Nature выходила также работа физиков под руководством Ранги Диаса (Ranga Dias) о получении сверхпроводимости при 21 ℃ и десяти килобар давления в гидриде лютеция, легированного. Статья была отозвана, но это все равно было интересно и важно для развития науки.
В августе сообщалось об открытии материала, который является сверхпроводником при комнатной температуре и атмосферном давлении. Хотя позже свойство сверхпроводимости было опровергнуто, это событие важно, на мой взгляд, по двум причинам.
Во-первых, поднялся широкий общественный резонанс, обсуждение сверхпроводимости и того, к каким технологическим прорывам может привести получение этого свойства при комнатной температуре.
Во-вторых, быстрая реакция научного сообщества: множество лабораторий по всему миру в достаточно короткие сроки воспроизвели данный материал и исследовали его свойства, в том числе и в России. В результате был дан четкий ответ, что материал не является сверхпроводником.
Однако в нескольких лабораториях материал все еще исследуется, есть предварительные результаты по получению сверхпроводимости при добавлении некоторых примесей (но при более низкой температуре, около - 23 ℃).
Больше всего внимания привлекло не открытие, а «закрытие»: так называемый сверхпроводник при комнатной температуре.
Еще очень интересной мне показалось исследование про сверхкогерентный транспорт экситонов в вандерваальсовых полупроводниках. В специального вида полупроводнике, молекулярном вандерваальсовом кристалле (пленка из довольно слабо связанных друг с другом молекул), исследователи увидели передачу возбуждений, очень когерентную, то есть очень хорошую: в каком-то месте возбуждают частицу, и на расстоянии до доли миллиметра эти возбуждения путешествуют, передаются. Это очень необычно, потому что все происходит при комнатной температуре: обычно всякие возбуждения, кроме звуковых волн, в твердом теле затухают на гораздо меньших расстояниях.
Авторы это объясняют сильной связью частиц экситонов с колебаниями фононами решетки в этих материалах. Работа экспериментальная, по сути, они ничего не объяснили, просто предъявили очень интересный результат. Если это не экспериментальная ошибка, то это какая-то физика, которую мы пока не понимаем.
А с технологической точки зрения это дает перспективу создания новых полупроводниковых устройств. Современные все процессоры — локальные: сигналы ходят между ними от точки к точки. А тут какое-то коллективное движение, которое охватывает всю пленку. Это совершенно другая история, которая может оказаться очень полезной.
Самая яркая тенденция последнего года, наверное, исследование эффекта, который мы открыли в 2022 году: бесполевой сверхпроводниковый диодный эффект. Он начал активно подхватываться другими исследовательскими группами. То есть идет на расширение возможностей создания электроники другого поколения. В прошлом году мы его публиковали в Nature Nanotechnology, на сегодняшний день более пятидесяти цитирований из этой статьи. Открытие позволяет управлять сверхпроводимостью, или чистым спиновым током, используя магнитные характеристики вещества. То есть можно магнитным полем включать и выключать движение тока в сверхпроводнике.
Одно из интересных направлений связано с экспериментальным открытием квазичастицы хопфиона. Это такая магнитная частица, ее теоретически предсказали более десяти лет назад, сейчас впервые подтвердили экспериментом. Это, по сути, одна из частиц, которая позволяет делать высокоплотную запись информации для следующего поколения электроники.
Летом этого года на Большом адронном коллайдере зафиксировано 153 нейтрино.
Нейтрино — это крошечные нейтрально заряженные частицы. Хотя они считаются одними из самых распространенных частиц во Вселенной, наблюдение за ними — весьма сложная задача, поскольку частицы очень легки и почти не взаимодействуют с другой материей.
Уже были пойманы нейтрино, прилетевшие из космоса. Недавно частицу засекли в ходе экспериментов. Наблюдение коллайдерных нейтрино открывает дверь к новым измерениям, которые помогут понять некоторые из наиболее фундаментальных загадок Стандартной модели физики элементарных частиц.
Тепловые явления. Внутренняя энергия
