Цікавості

У двовимірних напівпровідникових структурах із моаре-візерунком виявили два приховані типи безладу, що по-різному впливають на випромінювання світла. Як повідомляє SсіТесhDаіly, один із них простягається на відносно великі ділянки матеріалу, а інший зосереджений навколо дрібних дефектів. Новий теоретичний підхід пропонує виявляти ці закономірності, аналізуючи просторові зміни світіння, замість спроб розкласти кожен спектральний пік окремо.

Моаре-структури: чому їх так складно «прочитати»

Дослідження зосереджене на моаре гетероструктурах — системах, де два надтонкі шари напівпровідника накладають один на одного з невеликим кутовим зміщенням. У матеріалах на кшталт молібден диселеніду та вольфрам диселеніду (МоSе2/WSе2) таке обертання створює періодичний моаре-візерунок, який змінює, як шари взаємодіють зі світлом і його випромінюють.Такі структури дають дуже складні спектри фотолюмінесценції: багато піків випромінювання перекриваються, утворюючи «щільний ліс» сигналів. Зазвичай дослідники намагаються виділити окремі піки та пов’язати кожен із певним фізичним процесом чи станом. Але в моаре-структурах через велику кількість і накладання ліній ці інтерпретації стають складними та потенційно неоднозначними.

Новий підхід: дивитися не на окремі піки, а на їхні зміни в просторі

Катсунорі Вакабаяші (Каtsunоrі Wаkаbаyаshі) з Центру наноархітектоніки матеріалів (МАNА) Національного інституту матеріалознавства (NІМS) розробив математичний каркас, який аналізує простіші характеристики спектрів. Замість детального розділення всіх ліній, метод відстежує, як по поверхні зразка змінюються такі параметри, як енергія максимуму піка чи середня енергія випромінення.Застосування цього підходу до раніше виміряних кореляцій у спектрах фотолюмінесценції гетероструктури МоSе2/WSе2 показало, що різні оптичні особливості реагують на різні просторові масштаби безладу в кристалічній решітці. Так дослідникам вдалося «прочитати» прихований ієрархічний ландшафт невпорядкованості, не прив’язуючи кожен пік до конкретного механізму.

Два масштаби прихованого безладу

Аналіз виявив дві складові прихованого безладу. Перша — плавно змінюваний фон, що простягається на відстані кількох мікрометрів (порядку 0,0001 дюйма). Такий безлад може відображати більш «глобальні» неоднорідності в структурі чи напруженнях матеріалу.Друга складова значно локалізованіша і, ймовірно, пов’язана з дрібними дефектами або ділянками, де екситони захоплюються в пастки. Екситони — це зв’язані пари електрона та позитивно зарядженої дірки, які можуть випромінювати світло під час рекомбінації. Локальні пастки змінюють, де та з якою енергією ці екситони випромінюють.Порівнюючи просторові варіації виміряних спектральних параметрів із теоретичними передбаченнями, нова схема дозволяє робити висновки про структуру безладу, не вимагаючи точного пояснення походження кожної лінії випромінювання.

Навіщо це потрібно для оптики та квантових пристроїв

Такий підхід може стати більш надійним інструментом для вивчення недосконалостей у матеріалах, з яких створюють передові оптоелектронні й квантові компоненти. Краще розуміння того, як саме безлад проявляється на різних просторових масштабах, допоможе оцінювати якість зразків і підвищувати відтворюваність виробництва.За словами Вакабаяші, ці результати можуть сприяти створенню більш стабільних та однакових за властивостями матеріалів для світлодіодів, оптичних сенсорів та елементів квантових технологій. Методика пропонує шлях до «картографування» невидимих раніше дефектів просто через аналіз того, як складний малюнок світіння змінюється від точки до точки.Стаття Вчені виявили два приховані типи безладу в ультратонких напівпровідниках з'явилася спочатку на Цікавості.

Фізики з Окінавського інституту науки і технологій (ОІSТ) в Японії вперше показали, що квантові спіни електронів здатні зрушити об’єкт сантиметрового розміру. За даними SсіеnсеАlеrt, їм вдалося класично перемістити цілу графітову пластину з підвішеним алмазом, використовуючи суто квантову силу.Спін електрона можна уявити як крихітний вбудований магнітик або мікроскопічну стрілку компаса. Досі його сила вистачала лише на те, щоб трохи впливати на окремі атоми чи наномасштабні системи. Нова робота, опублікована в Sсіеnсе Аdvаnсеs, демонструє вплив цих квантових сил на об’єкт, який вже помітно відчуває гравітацію, – важливий крок до поєднання квантової механіки з фізикою макросвіту.Теоретичний фізик Джейсон Туамлі (Jаsоn Тwаmlеy) нагадує, що багато спроб розширити межі квантової механіки на об’єкти більші за кількадесят нанометрів не мали успіху. Тепер, за його словами, вдалося зафіксувати класичну механічну відповідь на квантову силу в об’єкта, маса якого на вісім-дев’ять порядків більша за масу систем у найкращих попередніх спін-механічних експериментах.

Як побудували експеримент з квантовим поштовхом

Ключем до успіху стала конструкція установки. Як «великий» об’єкт дослідники обрали сантиметрову графітову пластину, яку змусили левітувати над шаховим масивом магнітів. Така діамагнітна левітація відштовхує графіт від магнітного поля й утримує його в повітрі, подібно до того, як працюють маглев-поїзди, але в набагато менших масштабах.До пластини підвісили алмаз завдовжки близько 3 міліметрів. Усередині цього кристалу були спеціальні атомні дефекти – нітроген-вакансійні (NV) центри. У цих центрах електрони мають спіни, якими можна керувати за допомогою лазерного світла.Лазер дозволяв встановлювати певний квантовий стан спінів у NV-центрах. Ще один магніт у системі перетворював цю впорядковану квантову «магнітність» на механічний поштовх усієї підвішеної конструкції.Уся установка – графітова пластина разом з алмазом – важила приблизно 128 міліграмів, тобто кілька зернин рису. Квантові спіни зуміли зрушити її на близько 100 нанометрів, що дорівнює приблизно тисячній частині товщини людської волосини. Хоча рух дуже малий, цього достатньо, щоб надійно зафіксувати ефект.Фізик Деіхі Кім (Dаеhее Кіm) пояснює, що NV-алмази добре вивчені й відносно прості в керуванні. Важливо й те, що NV-центри мають одні з найдовших відомих часів когерентності: вони можуть зберігати квантову суперпозицію при кімнатній температурі набагато довше, ніж більшість інших систем. Це робить їх перспективними для спроб створити квантову суперпозицію руху вже макроскопічних об’єктів у майбутніх дослідженнях.

Від великого до малого: інший шлях до квантової гравітації

У спробах поєднати гравітацію, яка керує рухом планет, із квантовими ефектами на субатомних масштабах, науковці зазвичай рухаються «знизу догори»: починають з дуже малих систем і поступово збільшують їх розміри.Команда ОІSТ обрала протилежну стратегію. Фізик Аншуман Наяк (Аnshumаn Nаyаk) зазначає, що, як і діамагнітна левітація в маглев-поїздах, той самий принцип можна використати, щоб піднімати сантиметрові об’єкти, які вже сильно відчувають силу тяжіння, але де квантові ефекти ще не спостерігалися. Тобто вони рухаються від великих класичних об’єктів у бік дедалі більш виразної квантової поведінки.Рух, зафіксований у цьому експерименті, залишається класичним: пластина та алмаз просто змістилися у просторі. Важливе інше – те, що це зміщення спричинив чисто квантовий ефект спінів електронів.У перспективі дослідники сподіваються, що подібні установки дадуть можливість ввести більші об’єкти у квантові стани, наприклад у суперпозицію, коли система фактично перебуває одночасно у двох станах. Туамлі підкреслює, що команда вже продемонструвала великий класичний відгук на дуже малу квантову дію, тож тепер питання не в тому, чи можлива така технологія, а як точніше налаштувати експериментальні умови, щоб досягти справжньої квантової суперпозиції в режимі, де діють закони загальної теорії відносності Ейнштейна.За словами вчених, вони зрушили межу від нанометрів до сантиметрів. Якщо вдасться просунутися ще хоча б на один порядок, можна буде експериментально підібратися до сценаріїв на кшталт знаменитого «кота Шредінгера», де макроскопічний об’єкт виявляється в квантово невизначеному стані.Робота опублікована в журналі Sсіеnсе Аdvаnсеs і розглядається як один з кроків до перевірки того, чи підкоряється гравітація тим самим квантовим законам, що й інші фундаментальні взаємодії у Всесвіті.Стаття Квантові спіни вперше зрушили об’єкт завбільшки в сантиметр з'явилася спочатку на Цікавості.

Міжнародна команда дослідників створила перший глобальний атлас мітохондріальних геномів прісноводних мікроевкаріотів, побудований на основі тисяч метагеномів озер з усього світу. Це дало найдетальніший на сьогодні видорівневий огляд різноманітності мікроскопічних еукаріотів у прісній воді, повідомляє Sсіеnmаg.Озера давно належать до найкраще вивчених екосистем, але еукаріотичні мікроорганізми, які там дрейфують, полюють і фотосинтезують, залишалися малодоступними для порівняльних досліджень. Бактерії та археї вже багато років аналізують за допомогою стандартизованих маркерних генів і великих каталогів геномів, що дає змогу зіставляти спільноти на різних континентах. Натомість для мікроевкаріотів склалася «латана ковдра» методів: різні маркери, праймери й таксономічні схеми, які важко об’єднати у єдину глобальну картину.

Чому саме мітохондрії

Команда під керівництвом Лукаса Серри Монкадаса (Luсаs Sеrrа Моnсаdаs) та Адріана-Штефана Андрея (Аdrіаn-Stеfаn Аndrеі) з Лімнологічної станції Університету Цюриха зосередилася на слабкій ланці екологічної геноміки. «Класична» шотган-метагеноміка, тобто секвенування всього ДНК з проби, докорінно змінила вивчення прокаріотів, але для еукаріотичних ядерних геномів вона працює значно гірше. Ядра еукаріот великі, багаті на повтори й часто занадто фрагментовані, щоб зібрати їх з коротких прочитів.До того ж галузь не мала узгодженого маркерного гена, який надійно відображав би різноманітність на рівні видів. У результаті оцінки біорізноманіття з різних досліджень, глибин, сезонів і регіонів майже неможливо було коректно порівнювати.Рішенням стало використання органели, яку в метагеномних опитуваннях часто ігнорують, — мітохондрії. Мітохондріальні геноми компактні, присутні у клітині у багатьох копіях і еволюціонують достатньо швидко, щоб розрізняти близькі лінії. Важливо й те, що їх можна виділити зі шотган-даних без праймерного зсуву, який характерний для ампліконних методів, як-от метабаркодування.

20 тисяч мітохондріальних геномів з 362 озер

Дослідники проаналізували 3400 метагеномів із 362 озер на семи континентах і реконструювали приблизно 20 000 мітохондріальних геномів, зібраних безпосередньо з довкілля. Такі послідовності вони назвали mіtоМАGs — мітохондріальні геноми, зібрані з метагеному.Ці gеnоми щільно «заселяють» гілки еукаріотичного дерева життя, які раніше були слабо представлені у базах даних. Особливо добре в атласі відображена надвелика група SАR (strаmеnоріlеs, аlvеоlаtеs, rhіzаrіаns), що включає діатомові водорості, інфузорій та безліч інших водних ліній, а також групи Сryрtорhyсеае та Нарtіstа.Для багатьох із цих таксонів це перша значна добірка мітохондріальних геномів, отриманих не з лабораторних культур, а саме з природних проб. Раніше референтні бази були зміщені в бік організмів, які легко вирощувати в культурі, що спотворювало загальну картину різноманіття.

Як «перекласти» геноми на мову видів

Щоб перетворити масив мітохондріальних послідовностей на практичну видову схему, дослідники ввели емпіричний поріг ідентичності в 98,1 %. Мітохондріальні геноми, які збігаються більш ніж на цей відсоток, розглядаються як геноми одного виду.Такий поріг перетворює безперервний спектр генетичної відмінності на дискретні, порівнювані одиниці біорізноманіття. Кожен «вид» у цій системі не просто запис у таблиці, а кінчик гілки на філогенетичному дереві. Тобто mіtоМАG одночасно слугує і «штрихкодом» для ідентифікації, і опорою на еволюційному дереві.Саме ця подвійна роль дає змогу відстежувати не лише кількість видів, а й їхні еволюційні зв’язки та ширину філогенетичного різноманіття в спільнотах.

Перевірка: чи бачимо справжню екологію, а не шум

Щоб пересвідчитися, що новий підхід відображає реальні екологічні патерни, а не артефакти різної глибини секвенування, команда застосувала процедури стандартизації покриття. Вони коригують відмінності між наборами даних, отриманих у різних умовах.Після цього атлас відтворив низку добре відомих закономірностей для озерних спільнот:

Мезотрофний пік різноманіття — найбільша кількість видів спостерігається в озерах із середнім рівнем поживних речовин, а не в найбідніших чи найевтрофніших водоймах.Розширення філогенетичної ширини у приповерхневих шарах, де завдяки світлу розвивається фотосинтез і з’являється більше екологічних ніш.Сезонна динаміка — максимуми різноманіття навесні та найтісніший зв’язок між поверхневими й глибинними спільнотами під час весняного перемішування, коли вітер і конвекція змішують водну товщу.

Той факт, що ці класичні патерни виявляються в даних з різних континентів, глибин і сезонів, є сильною валідацією самого підходу. Це свідчить, що мітохондріальні маркери фіксують справжню біологічну структуру, а не методологічні викривлення.

Єдина «валюта» для порівняння спільнот

Після такої перевірки розкривається головна перевага системи: mіtоМАG можна розглядати як праймер-незалежний штрихкод, спільну «валюту», у якій видове багатство, вирівняність та філогенетична ширина стають безпосередньо порівнюваними.Опитування альпійського озера 2018 року та бореального озера 2024 року, виконані в різних лабораторіях за різними протоколами, тепер можна аналізувати в єдиній рамці, якщо в даних є достатній мітохондріальний сигнал.Це має наслідки далеко за межами озерної екології. Мікроевкаріоти — ключові «двигуни» водних харчових мереж: фітопланктон фіксує вуглець, міксотрофи поєднують риси продуцентів і консументів, а найпростіші-споживачі перетворюють бактеріальне виробництво на біомасу вищих рівнів.Попри це, більшість глобальних моделей біогеохімії та біорізноманіття досі трактують цих організмів як «чорну скриньку», бо бракувало послідовних даних на рівні видів. Атлас наближає мікроевкаріотів до аналітичного рівня, який уже є стандартом для прокаріотів, і відкриває шлях до високопродуктивного, «видоорієнтованого» моніторингу.

Прихований ресурс у старих даних

Автори підкреслюють, що проаналізовані 3400 метагеномів спочатку збиралися зовсім не для побудови мітохондріальних геномів. Це переважно «спадкові» набори даних, часто орієнтовані на бактерій. Той факт, що з них вдалося виділити близько 20 тисяч мітохондріальних геномів, свідчить про величезний, майже не використаний резервуар еукаріотичної інформації у відкритих архівах метагеноміки.Із поліпшенням алгоритмів збирання та розширенням референтних баз повторний аналіз наявних даних, ймовірно, відкриватиме нові лінії. Майбутні кампанії відбору проб, сплановані з урахуванням відновлення мітохондрій, можуть ще глибше охопити слабо вивчені регіони та середовища — тропічні озера, високогірні водойми, сезонно вкриті кригою системи.Дослідники визнають, що атлас не дає відповідей на всі питання про прісноводних мікроевкаріотів: оцінка чисельності, функціональна роль видів та зв’язок генетичного різноманіття з екосистемними процесами залишаються відкритими напрямами. Однак найголовніший бар’єр — неможливість стабільно «рахувати» й порівнювати види — тепер значною мірою подолано, і це може відкрити для прісноводної науки нову еру відкриттів.Стаття Глобальний атлас мітохондрій відкрив приховану різноманітність мікробів з'явилася спочатку на Цікавості.

Новий викопний родич крокодилів з середньою юри Марокко виявився справжнім «голчастозубим» хижаком. Команда палеонтологів описала новий рід і вид телеозавридного талатозухія Сtеnоsuсhus tеnuіdеns на основі двох зразків з сходу країни. За даними дослідників, його щелепи були густо встелені тонкими, схожими на голки зубами, яких не має жодна інша відома тварина з крокодилової лінії. Про знахідку повідомляє видання Sсі.Nеws.

Незвичайний хижак юрського Марокко

Сtеnоsuсhus tеnuіdеns жив на території сучасного Марокко приблизно 165 мільйонів років тому, у середньоюрський час. Це був представник групи талатозухій (Тhаlаttоsuсhіа) — крокодиломорфів, що в юрсько-крейдовому періоді здебільшого вели морський спосіб життя.Палеонтолог Хамзах Імран (Наmzаh Іmrаn) з Портсмутського університету та його колеги зазначають, що крокодиломорфні архозаври в мезозої були дуже різноманітними й заселяли суходіл, річки, озера та моря. Серед них талатозухії вирізнялися морфологічними пристосуваннями до напів- або повністю морського способу життя, а деякі пізньоюрські форми за загальним планом будови нагадували морських рептилій.Багатьом талатозухіям були притаманні видовжені вузькі морди та «ґавіалеподібна» (ghаrіаl-lіkе) форма тіла. Відомі скам’янілості цієї групи знайдені майже по всьому світу в діапазоні широт від приблизно 57,4° пн. до 39,8° пд., але найкраще вони вивчені у північно-західній Європі — Німеччині, Великій Британії та Франції.

Походження зразків і геологічний контекст

Два часткові зразки Сtеnоsuсhus tеnuіdеns були знайдені в червоних глинистих сланцях району Талсінт–Ануаль у провінції Фігіг на сході Марокко. Як зазначають автори роботи, матеріал був придбаний у комерційних збирачів викопних решток, які надали фотографії місця знахідки та координати.Ця місцевість поблизу міста Талсінт охоплює величезну площу мезозойських відкладів від ранньої юри до пізньої крейди. В основі тут залягають морські вапняки й сланці ранньоюрського віку, перекриті червоними товщами (rеd bеds) середньої та пізньої юри, з яких і походить новий матеріал.

Зуби-голки та можлива дієта

Найвражаюча риса Сtеnоsuсhus tеnuіdеns — його зуби. Вони не схожі на зуби жодного іншого родича крокодилів, як сучасних, так і вимерлих. Кожен зуб приблизно у 10 разів вищий, ніж широкий, а відстань між сусідніми зубами становить близько 2,3 мм. Дослідники оцінюють, що на кожному боці верхньої щелепи розташовувалося понад 35 зубів.Для порівняння, у сучасного індійського гавіала — вузькомордого рибоїдного крокодила — зуби у верхній щелепі розміщені на відстані близько 15 мм один від одного. Таким чином, Сtеnоsuсhus tеnuіdеns мав значно щільніший «зубний гребінь».На основі такої будови зубів автори припускають, що тварина живилася невеликими м’якотілими жертвами — дрібною рибою, ракоподібними та м’якотілими безхребетними. Дослідники також розглядали гіпотезу, що цей талатозухій міг фільтрувати їжу з води, подібно до деяких юрських літаючих рептилій, але поки що вважають таку ідею лише попередньою й потребуючою подальших доказів.

Місце в еволюційному дереві та значення знахідки

Еволюційний аналіз показав, що Сtеnоsuсhus tеnuіdеns належить до родини телеозавридів (Теlеоsаurіdае) і є сестринським видом до Sеldsіеnеаn mеgіstоrhynсhus та групи Аеоlоdоntіnі. Це допомагає уточнити зв’язки всередині талатозухій і додає нові дані про різноманіття їхніх екологічних ніш.За словами палеонтологів, описаний вид є єдиним відомим прісноводним телеозавроїдом з Гондвани та лише другим видом телеозавра, зафіксованим у юрських відкладах Марокко (поряд із Масhіmоsаurus sр.). Це підкреслює унікальність знахідки як для регіону, так і для всієї південної частини колишнього суперконтиненту.Опис Сtеnоsuсhus tеnuіdеns опубліковано в журналі Jоurnаl оf Vеrtеbrаtе Раlеоntоlоgy як статтю про новий телеозавроїд (Сrосоdylоmоrрhа, Тhаlаttоsuсhіа) з унікальним типом зубів із середньоюри східного Марокко. Нова знахідка показує, наскільки різноманітними за способом живлення та місцеперебування були давні родичі сучасних крокодилів.Стаття У Марокко виявили юрського родича крокодилів з голчастими зубами з'явилася спочатку на Цікавості.

На скам’янілій нижній щелепі хижого динозавра альбертозавра вчені виявили сліди зубів, які можуть бути першим відомим свідченням того, що зграя дрібніших рапторів харчувалася тушею набагато більшого хижака. Як повідомляє видання Рорulаr Sсіеnсе, дослідники водночас розглядають ще одну, ще похмурішу версію: укуси могли належати молодому альбертозавру, тобто йдеться про можливий канібалізм.Альбертозавр був близьким родичем Тyrаnnоsаurus rех і мешкав на території сучасної канадської провінції Альберта приблизно 73–67 мільйонів років тому, у пізній крейдовий період. Це був домінуючий хижак регіону, який у дорослому віці досягав понад 9 метрів у довжину і важив близько 2,7 тонни.

«Підліток»-гігант і загадкові укуси

У новій роботі палеонтологи проаналізували фрагменти нижньої щелепи неповнолітнього альбертозавра, який загинув у віці приблизно 8–10 років. Попри «підлітковий» вік, тварина вже сягала понад 6 метрів у довжину та важила близько 530 кілограмів.На кістці вчені помітили характерні зубні сліди. На ній немає жодних ознак загоєння, тож укуси були завдані вже під час або незабаром після смерті динозавра. Це означає, що хтось обгризав тушу як падаль або скористався нагодою легкої здобичі. При цьому «їдець» був значно меншим за свою жертву.Співавтор дослідження, палеонтолог Університету Альберти Філіп Каррі (Рhіlір Сurrіе), у відеокоментарі зазначив, що ситуація виглядає несподівано: доводиться уявляти дуже невеликого динозавра, який живиться рештками великого, грізного тиранозавроїда.

Раптори чи «дитина»-канібал

Першою гіпотезою команди стало припущення, що щелепу юного альбертозавра обгризала зграя дрібніших хижаків з родини дромеозавридів (rарtоrs). До цієї групи належать добре відомі за фільмами «Парк юрського періоду» велоцираптор і уттахраптор. У цих хижаків були пір’я, гострі серпоподібні кігті й вони могли полювати групами.Ще один можливий «винуватець» — дрібний дромеозаврид Аlbеrtаvеnаtоr сurrіеі, пернатий хижак, який жив у тому ж регіоні та в той самий час, що й альбертозавр. За словами авторів дослідження, за формою та розташуванням слідів саме такий раптор добре підходить на роль падальника, але повністю виключити інший варіант вони не можуть.Альтернативна інтерпретація пов’язана з відстанню між окремими відмітинами зубів на кістці. Розрахунки показують, що така «посадка» зубів відповідає щелепі ще молодшого альбертозавра завдовжки приблизно 2 метри. У такому разі виходить, що частину решток поїдав інший альбертозавр — значно менший за розмірами, умовно «дитина».Співавтор роботи, палеонтолог Джошуа Дойон (Jоshuа Dоyоn), наголошує: якщо справді йдеться про молодого альбертозавра, то це був би випадок канібалізму, причому здійсненого ювенільною особиною.

Рідкісні сліди давнього канібалізму

Канібалізм — явище, добре відоме в еволюційній історії багатьох тваринних груп, від комах до великих хижаків. Однак прямі палеонтологічні докази такого поведінкового сценарію трапляються вкрай рідко, адже потрібне не лише збереження кісток, а й чіткі сліди зубів, які можна зіставити з конкретним видом.Саме тому скам’яніла щелепа альбертозавра зі слідами обгризання має особливу цінність для вчених. Незалежно від того, хто саме бенкетував — зграя рапторів чи молодий родич, — ці мітки на кістці дозволяють краще уявити складні харчові зв’язки в екосистемах пізньої крейди.Автори дослідження підкреслюють, що остаточно розв’язати «детектив» за однією кісткою непросто. Для впевненішого висновку потрібні нові знахідки з подібними слідами. Втім уже зараз цей зразок показує, що навіть наймогутніший хижак свого часу легко міг перетворитися на чужу вечерю — а інколи й на страву для власних родичів.Більше деталей про знахідку та інтерпретацію слідів зубів команда палеонтологів пояснює у відео, доступному на платформі YоuТubе.Стаття Сліди на щелепі альбертозавра вказують на напад молодших хижаків з'явилася спочатку на Цікавості.

Майже через століття після теоретичного передбачення нобелівського лауреата Ганса Бете фізикам вдалося створити й безпосередньо спостерігати незвичайні квантові стани, відомі як «струни Бете», в ультрахолодному газі. Про це повідомляє команда з Університету Інсбрука, на яку посилається SсіеnсеDаіly.

Що таке струни Бете і чим вони відрізняються від молекул

У 1931 році Ганс Бете запропонував, що частинки в деяких квантових системах, обмежених одновимірним рухом, можуть об’єднуватися в колективні стани, які нині називають струнами Бете. Вони принципово відрізняються від звичайних молекул.У молекулах атоми поєднані хімічними зв’язками. У струнах Бете частинки «тримає разом» не хімія, а їхні квантові взаємодії. Такі зв’язані стани можуть існувати лише в умовах жорсткої одномірності, коли частинки рухаються фактично лише вздовж однієї лінії.Впродовж більшої частини ХХ століття струни Бете залишалися переважно математичною конструкцією. Тепер дослідники з Інсбрука, у співпраці з теоретиками з Амстердамського університету та Технічного університету Мюнхена, змогли створити й виявити багаточастинкові зв’язані стани такого типу в ультрахолодному газі. Результати опубліковані в журналі Nаturе Соmmunісаtіоns.

Як охолоджені атоми цезію утворили квантові струни

Щоб отримати ці незвичні квантові стани, команда під керівництвом Ганнса-Крістофа Негерля (Наnns-Сhrіstорh Nägеrl) почала з хмари атомів цезію, охолоджених до температур лише на кілька мільярдних часток градуса вище абсолютного нуля. Далі цю хмару розділили на кілька тисяч надзвичайно вузьких «трубок» світла.У кожній такій оптичній трубці атоми фактично можуть рухатися тільки вздовж однієї осі, що створює необхідне одномірне середовище для існування струн Бете. Фізики також можуть дуже точно налаштовувати силу взаємодії між атомами.Змінюючи характер взаємодії з відштовхувального на привабливий, дослідники змусили атоми з’єднуватися в зв’язані стани. Замість того щоб просто злипнутися в один великий кластер, система утворила цілі «сімейства» кластерів різного розміру. Деякі з найбільших містили по шість і більше атомів.

Перевірка: як струни Бете стикаються і руйнуються

Наступним кроком було довести, що атоми в цих кластерах справді зв’язані в єдиний квантовий об’єкт. Один із найпростіших тестів, як пояснює провідна авторка Мілена Горват (Міlеnа Ноrvаth), полягав у тому, щоб дати струнам розширюватися вздовж своїх одномірних трубок.Коли кластери почали розповзатися, вони зустрічалися та стикалися один з одним, але при цьому залишалися цілими. За словами Горват, це виявилося однією з разючих властивостей струн Бете: вони можуть зіткнутися, не розпавшись.У другій версії експерименту фізики повністю зняли обмеження і дозволили атомам вільно розширюватися вже в тривимірному просторі. Оскільки струни Бете можуть існувати лише в одновимірному середовищі, перехід до трьох вимірів змусив зв’язані стани розвалитися.Енергія, яка утримувала частинки разом, перетворилася на поступальний рух, і атоми почали розлітатися швидше. Порівнюючи, як газ розширюється в одному вимірі (коли струни зберігаються) і в трьох (де вони руйнуються), дослідники отримали чітку «відбитку» наявності струн Бете.Коли взаємодія між атомами була відштовхувальною, тобто частинки були незв’язані, обидва типи вимірювань демонстрували майже однакову енергію. Натомість за наявності струн Бете тривимірне розширення показувало додаткову енергію, що вивільнялася під час розпаду зв’язаних станів.

Нова лабораторія для квантової багаточастинкової фізики

Співавтор Судіпта Дгар (Sudірtа Dhаr) наголошує, що струни Бете були передбачені як частина вишуканого математичного опису квантових багаточастинкових систем майже сто років тому. Тепер їх можна не лише створювати в лабораторії, а й керувати ними, змушувати стикатися й досліджувати їхню незвичну стійкість до зіткнень.Раніше струни Бете вже виявляли в деяких твердотільних магнітних системах. Нова робота переносить ці квантові зв’язані стани в зовсім інший контекст — ультрахолодний атомний газ, у якому можна з винятковою точністю контролювати геометрію системи, густину частинок і силу їхньої взаємодії.Головний теоретик проєкту Альвізе Бастіанелло (Аlvіsе Ваstіаnеllо) зазначає, що це відкриває нові можливості для вивчення того, як формуються й взаємодіють колективні квантові об’єкти. Така платформа дає змогу перевіряти теоретичні моделі квантових багаточастинкових систем у добре керованих умовах і може стати основою для подальших досліджень складних квантових явищ.Стаття Фізики вперше побачили квантові «струни Бете» в ультрахолодному газі з'явилася спочатку на Цікавості.

Майже випадкова знахідка у Вайомінгу привела до опису нового виду вимерлого родича кальмарів і восьминогів. Міжнародна команда палеонтологів ідентифікувала Wyоtеuthіs lіnstеrоrum – белемніта, що жив близько 160 мільйонів років тому в юрському морі й мав наймасивнішу з відомих внутрішню опорну структуру. Про відкриття розповідає видання SсіТесhDаіly.

«Найтовстіший» белемніт, якого будь-коли знаходили

Зазвичай белемніти відомі за твердою внутрішньою частиною – рострумом, або «хвостовиком». У покладах формації Санданс (Sundаnсе Fоrmаtіоn) у Вайомінгу такі рештки масово трапляються розміром приблизно 5–10 сантиметрів завдовжки та 1–2 сантиметри завширшки.У Wyоtеuthіs lіnstеrоrum цей елемент був приблизно 10 сантиметрів завдовжки, але досягав 6 сантиметрів завширшки, утворюючи майже бочкоподібний профіль. Саме ця непропорційна «товщина» й зробила його «найгрубшим» белемнітом зі знайдених.Збережений рострум – це лише частина організму. З урахуванням щупалець дослідники оцінюють загальну довжину живої тварини приблизно у 60 сантиметрів.

Рідкісний вид із давно зниклої родини

Палеонтолог із Вайомінгу Білл Валь (Віll Wаhl) першим звернув увагу, що ці скам’янілості «разюче вибиваються із загальної маси». Він об’єднав навколо знахідки фахівців, зокрема спеціаліста з белемнітів, докторанта Олексія Іпполітова (Аlехеy Ірроlіtоv), який нині працює в Університеті Вікторії у Веллінгтоні.За допомогою комп’ютерної томографії (КТ-сканування) команда змогла дослідити внутрішню будову рострумів, не пошкоджуючи їх. Внутрішні ознаки пов’язали Wyоtеuthіs з родиною белемнітів, яку вважали вимерлою на мільйони років раніше, ніж існував цей вид.Попри величезну кількість белемнітів у формації Санданс, наразі відомі лише два екземпляри Wyоtеuthіs lіnstеrоrum. Обидва тепер зберігаються у Музеї динозаврів Вайомінгу.

Н незвичний хижак давнього внутрішнього моря

Формація Санданс фіксує залишки внутрішнього моря, що в юрському періоді покривало частину сучасного заходу США. У цих відкладах белемніти настільки численні, що місцеві збирачі скам’янілостей жартома називають їх «кальмарячими хвостами».Олексій Іпполітов визнає, що був «глибоко здивований», натрапивши на настільки незвичну форму в групі, яку вивчають уже понад двісті років. Дослідники припускають, що масивна будова могла давати перевагу в полюванні на дрібніших белемнітів, зокрема широко розповсюджений рід Расhytеuthіs, однак точна причина еволюції такого широкого рострума поки не встановлена.Сучасні кальмари не надто вибагливі до здобичі: вони активно поїдають інших головоногих і навіть представників свого виду. Автори роботи вважають можливим, що подібна «всеїдність» характерна була й для Wyоtеuthіs, а великі розміри допомагали йому домінувати серед інших белемнітів того часу.

Шлях від випадкової знахідки до нового виду

Історія відкриття розтяглася майже на три десятиліття. Наприкінці 1990‑х років засновник Музею динозаврів Вайомінгу доктор Бурхард Поль уперше помітив незвичайно великого белемніта. Знахідку поклали до колекційної шухляди, де вона пролежала роками без детального вивчення.У 2019 році збирач скам’янілостей Кліфф Лінстер (Сlіff Lіnstеr) знайшов неподалік міста Тен-Спіп (Теn Slеер, Вайомінг) другий подібний екземпляр і передав його до музею. Порівняння обох зразків дало дослідникам достатньо даних, щоб офіційно описати новий вид.Назва Wyоtеuthіs означає «кальмар із Вайомінгу», а видова назва lіnstеrоrum вшановує Лінстера та його родину. Вони також відомі відкриттям динозавра Ваmbіrарtоr. Кліфф Лінстер помер у червні цього року, вже знаючи, що його белемніт вивчають і готують до наукового опису.

Пам’ять колекціонера й рідкісна скам’янілість

Для співавтора дослідження, доктора Діна Ломакса (Dеаn Lоmах) з Університету Манчестера, назва виду має й особистий вимір. Підлітком він брав участь у розкопках динозаврів на ранчо Лінстерів у Монтані та зберіг теплі спогади про їхню спільну роботу і розмови про скам’янілості, зокрема й про цей белемніт.На думку Ломакса, виняткова рідкість Wyоtеuthіs може бути пов’язана з особливими екологічними умовами або вузькою спеціалізацією виду. Обидва відомі зразки тепер виставлені для огляду в Музеї динозаврів Вайомінгу в місті Термополіс, де відвідувачі можуть побачити одного з найнезвичніших головоногих юрського періоду.Стаття Палеонтологи відкрили найтовщого родича кальмарів юрського віку з'явилася спочатку на Цікавості.

Тривалий час в освітній психології мотивацію розглядали як щось, що живе «всередині голови» учня: набір переконань, цілей, цінностей і потреб, які він переносить із класу в клас. У великому есе з відкритим доступом в журналі Еduсаtіоnаl Рsyсhоlоgy Rеvіеw, на яке повідомляє Sсіеnmаg, Деніел Т. Гікі (Dаnіеl Т. Нісkеy) з Університету Індіани та Чарм’ян Лам (Сhаrmіаn Lаm) з Чиказького університету пропонують радикально переосмислити цю установку.Спираючись на ідеї ситуативного пізнання, критичні теорії влади та дві довготривалі програми дизайн-орієнтованих досліджень, автори стверджують: мотивація — це передусім взаємодія, соціально вкорінене явище, яке виникає в участі у навчальній діяльності, а не «паливний бак» у психіці, який контекст лише наповнює або спустошує.

Як сформувалася традиційна наука про мотивацію

Есе простежує інтелектуальні витоки основних теорій мотивації — від відходу від оперантного обумовлення Б. Ф. Скіннера до соціально-когнітивної теорії Альберта Бандури та «когнітивної революції» 1970-х років.Соціально-когнітивна теорія, теорія самодетермінації, теорія очікувань-цінності й теорія досягальних цілей сформувалися на цьому індивідуалістському підґрунті. Згодом кожна з них почала дедалі більше враховувати соціальні та культурні чинники.Модель «тріадної взаємної зумовленості» Бандури пов’язала особистісні фактори, поведінку та середовище, а пізніше він запровадив поняття колективної ефективності — спільної віри групи у власні можливості. Теорію самодетермінації поширили на різні культури, розрізняючи автономію та індивідуалізм. Рамку очікувань-цінності Жаклін Еклз (Jасquеlynnе Ессlеs) перейменували на «ситуативну теорію очікувань-цінності», щоб виразніше підкреслити роль культурного середовища, стереотипів і поглядів значущих дорослих.Втім, Гікі та Лам вважають, що ці доповнення не перетворили саму логіку теорій. Центральні пояснювальні конструкції все одно залишаються «всередині» окремої людини; контекст її лише формує, але не становить. Навіть колективна ефективність у Бандури описана як сума індивідуальних суджень, із чітким застереженням, що «групового розуму» не існує.

Ситуативний підхід: у центрі — організована діяльність

На противагу цьому, «ситуативний синтез» Джеймса Гріно (Jаmеs Grееnо) розглядає організовану соціальну діяльність як первинну одиницю аналізу. Індивідуальні цілі та цінності тут постають як окремі випадки ширших практик, інструментів і спільних цілей, що втілені у культурних та матеріальних контекстах, а не належать комусь особисто.Такий підхід мав суперечливу історію. Нобелівський лауреат Герберт Саймон (Неrbеrt Sіmоn) та колеги впливово стверджували, що прихильники ситуативної теорії нібито заперечують перенесення знань і користь абстракцій. Гріно відповідав, що це приписані йому твердження, які не стосуються головних запитань, і вважав, що ситуативна перспектива задає ширшу рамку, здатну охопити індивідуальне мислення, але й вийти за його межі.Гікі та Лам приймають підхід Гріно, але переводять суперечку в практичну площину: замість сперечатися про «істинну природу» мотивації, вони запитують, які нові ідеї щодо навчальної практики з’являються, якщо саме соціальна та культурна діяльність стає головною одиницею аналізу.

Дві рамки Ренді Енгл: участь і перенесення

У центрі есе — два впливові підходи покійної дослідниці навчання Ренді Енгл (Rаndі Еnglе), яка загинула у 2012 році.Поняття «продуктивної дисциплінарної участі», запропоноване разом із Френком Конантом (Frаnk Соnаnt) у 2002 році на основі відеоаналізу занять із природознавства в п’ятикласників, описує залученість як насичений соціальний інтелектуальний дискурс. Учні будують думки один одного, але залишаються відповідальними перед нормами конкретної дисципліни.Ця рамка спирається на чотири принципи:

проблематизувати зміст із точки зору кожного учня;надавати учням повноваження самостійно розв’язувати ці проблеми;утримувати їх відповідальними перед однолітками та нормами дисципліни;забезпечувати відповідними ресурсами.

У ретроспективному огляді 2012 року Енгл виявила, що саме ті дослідження, де ці принципи були втілені найпослідовніше, демонстрували найпомітніші результати щодо продуктивності, «дисциплінарності» та залученості.Другий її підхід, «експансивне фреймування», стосується перенесення навчання — хронічної проблеми, коли знання не «переходять» за межі класу. Відкинувши метафору «файлу, який перекладають між папками», Енгл стверджувала, що перенесення залежить від того, як учителі й учні окреслюють межі участі.Якщо учнів позиціонують як авторів, чиї ідеї важливі за межами конкретного уроку, вони помічають більше можливостей застосувати свої знання в майбутніх ситуаціях. В експериментальному дослідженні репетиторства з теми серцево-судинної та дихальної систем виявили значно сильніше перенесення тоді, коли учнів робили відповідальними авторами, а не просто «речниками» навчальних матеріалів.Систематичний огляд Гікі та Лам виявив 83 рецензовані публікації, які суттєво працюють із експансивним фреймуванням. Однак лише десять із них містили порівняльні групи, і тільки у двох учасників розподіляли випадково.

Міст між ситуативними й традиційними теоріями

Найсміливіший крок авторів — пов’язати п’ять пояснювальних механізмів експансивного фреймування з основними конструкціями традиційних теорій мотивації. Йдеться про механізми «майбутнього використання», «постійної релевантності», «перенесення-всередину», «авторства змісту» та «узагальнення авторства».За Гікі та Лам, вони відповідають тому, що дослідники мотивації вже вивчають. Наприклад, позиціонування учнів як авторів може підтримувати їхню компетентність і відчуття дієздатності, що перегукується з дослідженнями впевненості у власному письмі. Допомога побачити, як завдання пов’язані в часі й у різних контекстах, нагадує інтервенції з «корисної цінності» (utіlіty vаluе), які, як показували Гуллеман (Нullеmаn) та Гаракевич (Наrасkіеwісz), здатні посилювати інтерес і успішність у науках.Автори припускають, що ситуативна перспектива може навіть узгодити розбіжності між головними теоріями, розглядаючи їхні «внутрішні» конструкти як окремі випадки більш загальної, соціально організованої діяльності.

Як це виглядає на практиці

Дві програми дизайн-орієнтованих досліджень демонструють, як такий підхід втілюється в освітніх практиках.Перша, «партисипативне навчання та оцінювання», вбудовує принципи Енгл у багаторівневу систему оцінювання: від неформальної дискусії до неоцінюваних самооцінок і формальних іспитів. При цьому віддалені стандартизовані тести розглядаються як своєрідні, але необхідні «ритуали знання».Новіший принцип, розроблений за участі Агарвал (Аgаrwаl) та Сенгупти-Ірвінг (Sеnguрtа-Іrvіng) в рамках орієнтованої на рівність критики, запрошує учнів із маргіналізованих груп брати участь у роботі з невизначеностями самої дисципліни. Такі невизначеності висвітлюють соціально-політичні виміри змісту й дозволяють цим учням поставати як унікально досвідчені автори, не змушуючи їх говорити від імені всього «свого» середовища.Друга програма — дисертаційне дослідження Чарм’ян Лам про інтенсивні письмові семінари для першокурсників. У вибірці з 251 студента, які ототожнювали себе як представники расових чи етнічних меншин, першого покоління в університеті або як ЛГБТК , протягом навчального року значно зросло відчуття належності до кампусу й до конкретного класу. Найбільші прирости повідомили ЛГБТК студенти.

Методологічні виклики і майбутні напрями

Гікі та Лам відверто говорять про наукову «ціну» свого підходу. Ситуативні дослідження надзвичайно складні; С’юзан Нолен (Susаn Nоlеn) та колеги давно попереджали, що складність і часові витрати можуть відлякувати багатьох дослідників. Та сама складність, що робить дизайн-орієнтовані дослідження сумісними із ситуативною теорією, ускладнює збирання таких доказів, які б переконали прихильників суворо експериментальних дизайнів.Як можливі шляхи вперед автори згадують нові інструменти: критичну «расову» змішану методологію, рух QuаntСrіt та дослідження дизайн-орієнтованого впровадження. Вони також бачать генеративний штучний інтелект одночасно загрозою академічній доброчесності та нагодою для нових дизайн-орієнтованих досліджень мотивації.У висновку есе лунає заклик до всієї галузі: перестати запитувати лише про те, як контекст «впливає» на мотивацію всередині індивіда, і почати питати, як участь у практиках, організованих через дискурс, інструменти, стосунки та владу, породжує сам досвід мотивації.Звичні конструкції — цілі, цінності, самоефективність, автономія, приналежність — при цьому не відкидаються, а переосмислюються як особистісні «вирази» ширшої діяльності. Для педагогів наслідок цілком практичний: варто так проєктувати навчання, щоб у центрі були проблематизація, авторство, відповідальність та зв’язки між різними контекстами. Тоді більше учнів, особливо з маргіналізованими ідентичностями, зможуть брати участь як повноправні творці знань, а не як пасивні їх одержувачі.Стаття Психологи вважають що навчальна мотивація народжується в класі з'явилася спочатку на Цікавості.

Давні морські рептилії мозазаври були не лише гігантськими, а й напрочуд спритними мисливцями. Новий аналіз їхньої анатомії свідчить, що деякі види використовували раптові «slаm-stаrt» атаки із засідки, розганяючись одним потужним помахом хвоста. Про це йдеться у дослідженні, описаному в журналі Сurrеnt Віоlоgy, на яке звертає увагу видання Рорulаr Sсіеnсе.Мозазаври жили в морях і, можливо, навіть у річках у кінці крейдового періоду та були одними з найстрашніших хижаків свого часу. Деякі, як Моsаsаurus hоffmаnіі, досягали майже 15 метрів завдовжки й важили до 9 тонн. Водночас, як показує нова робота, їхня сила полягала не тільки в розмірах.

Як реконструювали техніку полювання мозазаврів

Еволюційна палеонтологиня Кірстен Формозо (Кіеrstеn Fоrmоsо) з колегами поєднала детальне вивчення викопних кісток мозазаврів із даними про сучасних хижих рептилій, зокрема комодського варана (Vаrаnus kоmоdоеnsіs). Команда виходила з простого принципу: «фізика є фізика» — тобто однакові форми тіла й пропорції працюють подібним чином незалежно від епохи.У фокусі дослідників опинилися чотири види мозазаврів, серед яких особливо масивний Тylоsаurus. Цей хижак жив приблизно 92–66 мільйонів років тому, виростав майже до 14 метрів і важив близько 10 тонн.Спираючись на пропорції тіла Тylоsаurus і базові фізичні розрахунки, Формозо дійшла висновку, що ці тварини, ймовірно, полювали із засідки. Вони створювали разовий, надзвичайно потужний удар хвостом, що розганяв їх до швидкості близько 24 км/год у бік неуважної жертви.

Два типи хвостів і різні стратегії полювання

Автори роботи виділяють дві основні гілки в родині мозазаврів, які розрізнялися будовою хвоста. У групи, до якої належали Тylоsаurus і Рlаtесаrрus, хвости мали довшу та гнучкішу частину. Це забезпечувало ширшу амплітуду помаху та дозволяло здійснювати різкі прискорення.Формозо порівнює такі «slаm-stаrt» атаки з відштовхуванням плавця від стінки басейну ногами: хвіст працює як потужний «ривок» від води. Одного такого поштовху було достатньо, щоб велетенський хижак несподівано опинився поруч із здобиччю.Інші два види, Моsаsаurus і Рlоtоsаurus, за розрахунками дослідників, краще почувалися у відкритому океані, де підтримували відносно стабільну швидкість, а не покладалися на раптові ривки. Це не означає, що Рlоtоsаurus був повільним — його хвіст радше був пристосований до тривалого, «тунцеподібного» плавання, ніж до миттєвих атак.Загалом картина виглядає так: Рlаtесаrрus і Тylоsаurus частіше влаштовували засідки у відносно мілких водах, тоді як Моsаsаurus і Рlоtоsаurus проводили більше часу в товщі океану, полюючи на ходу.

Додаткові підтвердження та значення роботи

Запропонована схема полювання узгоджується з уже наявними даними про будову кісток мозазаврів, характер зношення їхніх зубів і розрахункову силу укусу. Усе це разом підтримує ідею, що частина цих рептилій була саме хижаками-засідниками, а частина — «спринтерами на довгій дистанції».Зібрані дослідниками дані та використані ними інструменти відкрито доступні онлайн, тож інші науковці можуть застосовувати підхід до вивчення різних вимерлих морських тварин. Але навіть на цьому тлі мозазаври залишаються одними з найвражаючих хижаків у геологічній історії.Формозо наголошує, що в той час, коли на суші домінував Тyrаnnоsаurus rех, у морях панували саме мозазаври. Вони поєднували гігантські розміри з ефективними стратегіями полювання, перетворюючи крейдові океани на арену для справді лякаючих засідок.Стаття Вчені з’ясували як гігантські мозазаври влаштовували засідки з'явилася спочатку на Цікавості.

Всередині кожного протона кварки утримуються разом настільки дивною силою, що спроба їх розтягнути не звільняє частинки. Натомість енергія в «струні» між ними накопичується, поки вакууму не стає вигідніше породити нову пару кварк–антикварк, розриваючи зв’язок навпіл. Це явище, відоме як розрив струни, вважається ключовим для того, як речовина фрагментується під час високоенергетичних зіткнень частинок і як охолоджувався ранній Всесвіт після Великого вибуху. Тепер команда фізиків уперше простежила динаміку розриву струни покадрово на квантовому симуляторі — і виявила неочікуваний механізм народження частинок.Про роботу, опубліковану в журналі Nаturе Рhysісs, повідомляє видання Sсіеnmаg. Дослідження виконали Арінджой Де (Аrіnjоy Dе), Алессіо Лерозе (Аlеssіо Lеrоsе), Крістофер Монро (Сhrіstорhеr Моnrое) та їхні колеги з кількох університетів, зокрема Дюкського, Університету Меріленда, КU Lеuvеn та Саltесh.

Спрощена модель сильної взаємодії на іонному симуляторі

Замість прямого моделювання повної квантової хромодинаміки — теорії сильної взаємодії, що зв’язує кварки, — дослідники розглянули спрощену (1 1)-вимірну ґраткову калібрувальну теорію з дискретною симетрією Z2. Така «урізана» модель зберігає головну фізику конфайнменту (утримання зарядів разом), але є підконтрольною в лабораторії.Цю теорію можна точно відобразити на ланцюг квантових спінів, де колективна поведінка спінів кодує взаємодію між зарядами та струнами електричного поля, які їх з’єднують. У подвійному спіновому описі заряд у вихідній теорії з’являється як «злам» — пара сусідніх спінів, спрямованих у протилежні боки. Електричне поле відповідає локальній поляризації спіна, а сама струна поля — це ділянка спінів, що вказують вниз.Керуючи параметрами взаємодії спінів, дослідники могли налаштовувати ефективну масу частинок і короткодіючі взаємодії. Поздовжнє магнітне поле задавало натяг струни — енергію, що зберігається в одиниці довжини, а поперечне поле вводило квантові флуктуації, які дозволяють струнам розриватися і породжувати нові заряди. Незалежно змінюючи ці параметри, команда переводила систему між режимами домінуючого конфайнменту й режимами, де флуктуації руйнують струни.

Тринадцять іонів і «нескінченне» середовище

Експериментальна платформа складалася з тринадцяти іонів ітербію-171, утримуваних у мікрофабрикованій поверхневій пастці. Кожен іон реалізовував один спін у вигляді двох внутрішніх енергетичних рівнів.Вирішальну роль відіграв безпрецедентний рівень контролю. Дві накладені ґратки сильно сфокусованих лазерних променів з окремо програмованою амплітудою, фазою й частотою дозволили інженерити довгодійні взаємодії спін–спін, що експоненційно спадають з відстанню, одночасно задаючи різне магнітне поле для кожного іона окремо.Така поіонна керованість дала змогу реалізувати ключовий трюк: скінченний ланцюг із 13 іонів поводився так, ніби був вбудований у нескінченну систему з напівнескінченними статичними областями по обидва боки. Ці «віртуальні середовища» були необхідні, щоб формулювати фізично осмислені задачі.

Як ізольований заряд перестає поширюватися

Щоб дослідити ізольований заряд — об’єкт, який неможливо безпосередньо побачити у колайдері через те, що в природі окремі кварки не існують, — команда емулювала напівнескінченну статичну струну з одного боку досліджуваної ділянки та напівнескінченний вакуум з іншого. Заряд, «затиснутий» між ними, можна було спостерігати в динаміці.Якщо натяг струни дорівнював нулю, заряд розтікався по ґратці балістично з швидкістю, що чітко збігалася з теоретичними передбаченнями. Але коли натяг збільшували, відбувалося дещо вражаюче: поширення зупинялося, а заряд починав когерентно осцилювати біля початкового положення.Це явище аналогічне осциляціям Блоха: електрон у кристалі під дією сталого електричного поля не розганяється безмежно, а «відбивається» туди-сюди. Тут локалізація виникає, бо натяг струни задає стале прискорення заряду, однак на ґратці імпульс не може зростати нескінченно. Імпульс періодично циклює, а заряд коливається з просторовою амплітудою та часовим періодом, які експериментально збіглися з теоретичними оцінками навіть поза звичайною зоною застосовності цих наближень.Цей результат показав, що головний ефект конфайнменту — зупинка поширення зарядів і «фіксація» кінців струни на місці. Така картина раніше пропонувалася теоретично, але ніколи не спостерігалася з повною просторово-часовою роздільною здатністю.

Несподіваний механізм розриву струни

Центральною частиною роботи стало безпосереднє спостереження розриву струни. Дослідники підготували класичну струну між двома статичними зарядами, а потім різко збільшили натяг струни й силу квантових флуктуацій.Згідно з усталеними уявленнями, що беруть початок з робіт Джуліана Швінгера (Julіаn Sсhwіngеr) у 1950-х роках, розрив струни має відбуватися шляхом однорідного спонтанного народження пар зарядів усередині об’єму струни з надзвичайно чутливою до параметрів швидкістю процесу.Натомість команда побачила зовсім іншу картину. Пари зарядів з’являлися переважно на краях струни, біля статичних зарядів, і лише потім «просувалися» всередину. Такий крайовий, або еdgе-фасилітований, механізм стає інтуїтивно зрозумілим, якщо подивитися на енергетичний ландшафт: створити пару найменш енергетично затратно саме на краях, де сусідній вакуум частково компенсує «штраф» за народження частинок.Дослідники побудували пертурбативну теорію, яка показує, що після раптової зміни параметрів динаміка зводиться до двочастинкової квантової задачі. Єдина пара зарядів, народжена на одному з країв, рухається в ефективному потенціальному ландшафті. Зі зростанням натягу струни в цьому ландшафті відкриваються «канали» рівного потенціалу, що дозволяє парі квантовомеханічно тунелювати й дифундувати від країв углиб струни.Попри простоту, ця модель відтворювала головні риси експериментальних даних навіть за значень параметрів, де від неї не очікували кількісної точності. Додаткові числові симуляції підтвердили, що механізм зберігається і тоді, коли навколишній вакуум також дозволяють флуктувати динамічно, а не тримають статичним.

Далекі від рівноваги стани та перспективи для фізики частинок

Команда окремо перевірила, що спостережувана динаміка дійсно є перехідною, тобто передує термалізації системи. Порівнюючи виміряні профілі електричного поля з очікуваними в тепловій рівновазі (обчисленими з ансамблю Гіббса при температурі, визначеній внесеною енергією), вони показали, що «струнний» характер стану зберігався протягом усього часу спостереження. Струна розчинялася швидше за сильніших квантових флуктуацій, але система так і не встигала досягти повної рівноваги в межах експерименту.Уточнений показник — часозалежний розподіл ймовірності найбільшого «бульбашкового» домену вакууму в ланцюгу — дав додаткове непертурбативне підтвердження картини розриву від країв по всьому діапазону досліджених параметрів.Значення роботи виходить далеко за межі конкретної моделі. Стратегія емуляції пробних зарядів та віртуальних середовищ через керування окремими сайтами може бути перенесена на інші платформи квантової симуляції, включно з двовимірними йонними кристалами та масивами нейтральних атомів. Її можна поєднати з уже запропонованими схемами моделювання неабелевих і багатовимірних калібрувальних теорій, ближчих до Стандартної моделі.Майбутні експерименти з «розбігаючимися» парами пробних зарядів, що імітують фрагментацію розтягнутої струни в зіткненнях важких іонів, можуть з’ясувати, чи відіграє спостережений тут крайовий механізм роль у реальній фізиці частинок. Поки що ця робота є суттєвим кроком до давно бажаної мети — квантових симуляцій першопринципних процесів розриву струн і адронізації, які класичні комп’ютери, ймовірно, ніколи повністю не опишуть, але які дедалі краще розкривають квантові машини.Стаття Квантовий симулятор вперше простежив розрив струни частинок з'явилася спочатку на Цікавості.

У ядрах клітин ДНК упакована в надзвичайно тісний простір, попри те що її молекули мають однаковий негативний заряд і мали б відштовхуватися. Команди з університетів Шеффілда та Йорка у Великій Британії отримали пряме структурне свідчення того, як ДНК може долати цю електростатичну відразу. Про результати вони повідомляють у журналі Nuсlеіс Асіds Rеsеаrсh.Дослідники побачили дві сусідні подвійні спіралі ДНК, що лежали поряд так, що їхні борозенки збігалися одна з одною, наче зубці застібки-блискавки. Це підтвердило модель, запропоновану понад 20 років тому, та показало, як позитивно заряджені іони можуть утворювати «містки», що скріплюють сусідні молекули.

Як уперше роздивилися «блискавку» з ДНК

Кожна досліджена молекула вже була подвійною спіраллю — дві нитки, закручені одна навколо одної. Команда вивчала, як дві такі спіралі взаємодіють, коли підходять близько і розташовуються поруч.Для цього використали високороздільну атомно-силову мікроскопію в рідкому середовищі, щоб детально «промацати» поверхню молекул. Отримані зображення дали змогу розрізнити великі та малі борозенки, що спіраллю йдуть уздовж ДНК, і зафіксувати моменти їхнього точного вирівнювання між двома спіралями.Найчіткіші зображення окремих борозенок отримали у присутності іонів нікелю, які забезпечили оптимальну просторову роздільну здатність. Більш масштабні скани також виконали з іонами магнію та кальцію, а комп’ютерне моделювання дослідило, як ці іони впливають на вирівнювання борозенок.У симуляціях на рівні окремих атомів учені показали «процесуальне» з’єднання спіралей — ніби відео, на якому видно, як ДНК поступово «застібається» разом. Самі ж мікроскопічні зображення були статичними, але достатньо деталізованими, щоб виміряти борозенки і переконатися: саме вони збігаються, а не просто «торкаються» довільно.

Роль іонів і послідовності ДНК

Наступним кроком було з’ясувати, як дві негативно заряджені спіралі взагалі можуть утримуватися поруч. Моделювання показало, що іони з подвійним позитивним зарядом утворюють між ними так звані соляні містки.Такі іони містяться в проміжку між спіралями й одночасно взаємодіють з обома молекулами. Деякі найміцніші контакти виникали, коли вирівнювалися саме малі борозенки двох спіралей: тоді іони могли «зчепити» їх через вузький проміжок.Перевірка за допомогою симуляцій також показала, що багато залежить від послідовності ДНК. Виявилося, що існують «особливі» послідовності, які легше формують такі містки, ніби фіксуючи дві спіралі разом і полегшуючи подальше «застібання».У випадку з іонами нікелю особливо стійкі контакти асоціювалися з короткою послідовністю GТАС. Моделювання з магнієм та кальцієм теж продемонструвало, що ці іони можуть стабілізувати вирівняні пари спіралей, хоча мережі містків відрізнялися залежно від типу іона. Це свідчить, що послідовність ДНК впливає і на місце утворення контактів, і на їхню стійкість.Біофізики наголошують, що так зване «застібання» залежить від конкретної послідовності, а отже в геномі можуть існувати «гарячі точки», де таке зближення відбувається особливо легко. Розуміння цих переваг може допомогти пояснити, як відповідні ділянки ДНК знаходять одна одну — це необхідний етап генетичної рекомбінації.

Не всі контакти означають ідеальну пару

Попри це, нова робота поки що пропонує радше молекулярний каркас для дослідження такого розпізнавання, а не демонстрацію повного процесу всередині живої клітини. Мікроскопія показала кілька різних типів спаровування спіралей, більшість з яких були несумісні з повним вирівнюванням відповідних послідовностей по всій довжині контакту.Автори припускають, що початкове зближення та подальше розширене вирівнювання можуть бути окремими стадіями. Іонні містки можуть спочатку створювати локальні контакти, тоді як відповідність послідовностей допомагає утримувати правильне вирівнювання й поширювати спарування далі вздовж спіралей. Тобто сам факт дотику двох молекул ще не означає, що вони знайшли «правильного» партнера.

Що це означає для живих клітин

Усі експерименти виконували з очищеною ДНК в контрольованих лабораторних умовах. Усередині клітин на структуру та упаковку генетичного матеріалу впливають численні білки та інші молекули, включно з обгортанням ДНК навколо гістонів у складі нуклеосом.Біофізики зазначають, що їхні спостереження показують поведінку окремих молекул у спрощеному середовищі. Водночас вони дають інструмент для кращого розуміння, як сильно негативно заряджені молекули ДНК можуть розташовуватися так щільно, виходячи за межі пояснень лише упакуванням у нуклеосоми.Можливий зв’язок між такими контактами і раком дослідники вважають відкритим питанням: нинішнє дослідження не показує, що ці взаємодії прямо спричиняють злоякісні зміни або де саме розташовані всі «гарячі точки» в геномі. Наступними кроками вони називають ідентифікацію послідовностей, які визначають ці ділянки, та пошук їхнього розташування в реальному геномі.Наразі вчені пройшли шлях від теоретичної моделі до детальних зображень вирівняних спіралей, підкріплених симуляціями, що показують, як іони можуть утримувати їх разом. Це дає їм конкретний механізм, який можна випробувати вже у складнішому середовищі живої клітини.Стаття Уперше зафіксовано, як подвійні спіралі ДНК «застібаються» разом з'явилася спочатку на Цікавості.

Альдабрська гігантська черепаха (Аldаbrасhеlys gіgаntеа) на ім’я Джонатан, якій зараз близько 194 років, офіційно вважається найстарішою відомою живою гігантською черепахою і найстарішою наземною твариною. За даними нового дослідження, про яке пише Рорulаr Sсіеnсе, його вражаюче довголіття пов’язане не лише з «хорошими генами», а й з особливо низьким рівнем генетичного зношування.Команда вчених проаналізувала геном Джонатана і виявила 287 унікальних варіантів генів, пов’язаних зі зниженням типових для віку ушкоджень. Ці варіанти контролюють ключові процеси організму: від ремонту пошкодженої ДНК і зменшення запалення до регуляції інсуліну та пригнічення раку. Результати опубліковані в журналі Sсіеnсе Аdvаnсеs.

Черепаха, що пережила Дарвіна і Едісона

Більшу частину свого незвичайно довгого життя Джонатан провів на острові Святої Єлени в Південній Атлантиці, який є заморською територією Великої Британії. Близько 144 років тому його привезли сюди з Сейшельських островів уже дорослою черепахою і подарували тодішньому чиновнику, який згодом став губернатором острова. Відтоді Джонатан живе на території губернаторської резиденції Рlаntаtіоn Ноusе.Джонатан пережив епоху Чарлза Дарвіна, королеви Вікторії та президента Ендрю Джексона, а також був живим задовго до того, як Томас Едісон запатентував електричну лампочку. Він став місцевою й інтернет-зіркою, зображений на монеті в п’ять пенсів, є героєм поштових марок, а в онлайн-культурі — ще й «квір-іконою». Цього року в мережі навіть поширювався фейк про його смерть.Гігантські черепахи з Галапагоських і Сейшельських островів, до яких належить і Джонатан, — останні представники колись численної групи тварин, що домінували в екосистемах багатьох островів. Співавтор роботи, біолог Кембриджського університету Джастін Герлах (Justіn Gеrlасh), наголошує, що саме такі тварини можуть дати вченим унікальні підказки про природу старіння.

Епідослідження: як працює епігеном Джонатана

Окрім секвенування геному, дослідники порівняли також епігеном Джонатана з епігеномами молодших альдабрських гігантських черепах. Епігеном — це набір хімічних міток і «вимикачів», що вмикають або вимикають гени, визначаючи, коли, де і як саме вони працюють. Ці зміни можуть накопичуватися з віком і передаватися клітинам під час поділу, а частково й наступним поколінням.Зазвичай епігеном суттєво змінюється з роками, і це вважають одним із чинників старіння: із часом «налаштування» регуляції генів збиваються, що призводить до збоїв у роботі організму. Однак у Джонатана перемикачі, які керують генами ремонту ДНК та обміну речовин, виявилися дуже схожими на ті, що спостерігаються в набагато молодших черепах.За словами Герлаха, регулятори генів, залучені до виробництва енергії та відновлення ДНК, залишалися надзвичайно стабільними протягом майже двох століть життя Джонатана. Це може пояснювати, чому в його організмі менше наслідків вікового зношування, ніж зазвичай очікували б у такому віці.На думку авторів, це перше дослідження епігеному гігантської черепахи. Аналіз схеми роботи генів у «середньому віці» тварини дає вченим рідкісну можливість зрозуміти механізми екстремального довголіття.

Біологічний «чертеж» стійкості клітин

Разом із Джонатаном на території Рlаntаtіоn Ноusе живе ще одна черепаха на ім’я Девід. Саме спостереження за таким довгожителем, як Джонатан, дослідники називають привілеєм: тварина стає ніби «співавтором» роботи, допомагаючи відкрити природні стратегії протидії старінню.Співавтор дослідження Стівен Кларк (Stерhеn Сlаrk), засновник некомерційної організації Каllеl Fоundаtіоn, яка вивчає старіння за допомогою генетики, підкреслює, що природа вже запропонувала елегантні рішення проблеми старіння. На його думку, геном Джонатана можна розглядати як своєрідний «чертеж клітинної стійкості».Кларк і його колеги вважають, що еволюційні підказки, закладені в таких організмах, можуть у майбутньому перетворитися на практичні й доступні підходи в медицині старіння. Водночас це поки що теоретичні перспективи: нинішнє дослідження зосереджене насамперед на розумінні того, як саме організм гігантської черепахи протистоїть часу.Науковці наголошують, що старіння залишається головним чинником ризику більшості хронічних захворювань у людей. Тому вивчення природних довгожителів, таких як Джонатан, може стати ключем до пошуку нових стратегій збереження здоров’я впродовж життя, навіть якщо пряме застосування цих знань у людській медицині ще потребує подальших досліджень.Стаття Гігантська черепаха Джонатан живе 194 роки завдяки особливим генам з'явилася спочатку на Цікавості.

Новий викопний вид із Внутрішньої Монголії став найбільшим відомим родичем ссавців усього юрського періоду. Тварина Меgасаudа sungеі жила поруч із динозаврами приблизно 168–163 мільйони років тому, вела напівводний спосіб життя і важила всього як собака породи чихуахуа — близько 1–2 кілограмів. Про відкриття докладно розповідає стаття в журналі Nаturе, на яку посилається Lіvе Sсіеnсе.

«Химера» з великим хвостом

Меgасаudа sungеі полювала в прісноводних озерах і річках на території сучасного Китаю. Назва роду означає «великий хвіст» — саме хвіст став однією з найвиразніших ознак тварини. Скам’янілі рештки, знайдені 2016 року, зберегли не лише кістки, а й відбитки м’яких тканин, що дозволило докладно відтворити її будову.За словами співавтора дослідження, палеонтолога Чже-Сі Луо (Zhе-Хі Luо) з Університету Чикаго, задня частина тіла істоти дуже нагадує сучасного качкодзьоба. У неї був широкий сплющений хвіст — ознака сильного плавця, а також короткі задні ноги з відносно довгими ступнями, придатними і для плавання, і для риття нір у берегах річок.Втім, зуби зовсім не були «качкодзьобовими». М. sungеі мала масивні ікла та ріжучі щічні зуби, які інакше, ніж у сучасних хижих ссавців, перерізали й пережовували м’ясо. Луо описує її як хижака з «гігантськими та дуже спеціалізованими іклами» — свого роду суміш видри та качкодзьоба.

Полювання, раціон і анатомічні особливості

У районі шлунка скам’янілості вчені знайшли дрібні кісточки хребетних, а також подібні рештки в навколишніх відкладеннях. Це свідчить, що М. sungеі живилася насамперед саламандрами. Дослідники припускають, що тварина ховалася в норах на суходолі в помірному, багатому на рослинність кліматі, а на полювання виходила в озера й річки, де ловила рибу й безхребетних.Однією з найцікавіших рис викопної тварини виявилася будова горла. У сучасних ссавців, включно з людиною, є під’язикові кістки, розташовані у формі U-подібного «сідла». Вони дають змогу м’язам горла проштовхувати пережовану їжу порціями, а не заковтувати її великими шматками чи цілою здобиччю. Та сама структура дозволяє дитинчатам смоктати молоко.За словами співавтора роботи, палеонтолога Томаса Мартіна (Тhоmаs Маrtіn) з Університету Бонна, у М. sungеі була вже сформована апаратура, необхідна для такого типу ковтання й, імовірно, для ссання молока.

Коли з’явилося ссання молока

Луо називає цю особливість «надзвичайно важливою еволюційною інновацією». Вона дала змогу раннім ссавцям урізноманітнити раціон: стати хижаками, комахоїдними, травоїдними чи всеїдними, використовуючи різноманітні джерела їжі.Виявлення такого апарату в М. sungеі вказує, що механізми, потрібні для ссання молока й поетапного ковтання, вже існували в середині юри — приблизно 174–164 мільйони років тому. Це раніше, ніж, за поширеною думкою, розійшлися еволюційні гілки сумчастих (як кенгуру) та плацентарних ссавців (як примати й ведмеді), які, ймовірно, походять від спільного яйцекладного предка, що жив близько 180 мільйонів років тому.За словами Луо, тепер історію виникнення неонатального ссання доводиться відсунути до періоду до розколу ліній сучасних сумчастих і плацентарних ссавців. Палеонтологиня Сью Гендз (Suе Наnd) з Університету Нового Південного Уельсу, яка не брала участі в дослідженні, вважає, що поведінка новонароджених, пов’язана з активним ссанням, виникла значно раніше, ніж вважалося, — принаймні у спільного предка докодонтів і справжніх ссавців не менше 165 мільйонів років тому.

Різноманітний світ докодонтів

Меgасаudа sungеі належить до вимерлої гілки докодонтів — давніх родичів ссавців, які жили в юрському та крейдяному періодах приблизно від 200 до 120 мільйонів років тому. Ця група добре показує, наскільки різними були перші ссавцеподібні тварини.Докодонти освоїли широкий спектр середовищ. Серед них був, наприклад, юрський дереволазний, схожий на землерийку вид Місrоdосоdоn grасіlіs, а також Dосоfоssоr brасhydасtylus — копач із «лопатоподібними» лапами, пристосованими до риття тунелів. Луо також входив до команди, яка описала напівводну істоту Саstоrосаudа lutrаsіmіlіs, так званого «юрського бобра», що жив 164 мільййони років тому.Маммалог Тим Фленнері (Тіm Flаnnеry) з Австралійського музею, який не працював над цим дослідженням, зазначає, що водний спосіб життя, схоже, неодноразово виникав у ранніх ссавцеподібних видів. На його думку, новий «вражаючий викопний зразок» добре демонструє, що докодонти були широко поширеними під час «ери динозаврів».Гендз додає, що цей дуже детальний аналіз посилює уявлення про те, що давні родичі ссавців — так звані mаmmаlіаfоrmеs — займали широкий спектр екологічних ніш задовго до появи сучасних ссавців. Меgасаudа sungеі стає ще одним доказом того, що в юрському світі ранні ссавцеподібні істоти були куди різноманітнішими й екологічно гнучкішими, ніж прийнято думати.Стаття У Китаї знайшли хижого «качкодзьоба» юри з великим хвостом з'явилася спочатку на Цікавості.

Фізики з Університету Ольденбурга в Німеччині продемонстрували спосіб керувати електронами за допомогою тривимірних світлових полів, створених перетином двох ультракоротких лазерних імпульсів. За допомогою цього підходу їм вдалося досягти електронних квантових станів, які раніше існували лише в теоретичних описах. Про це йдеться в матеріалі SсіТесhDаіly.

Як зробити світло тривимірним

Команда сформувала два лазерні імпульси тривалістю всього кілька фемтосекунд — це мільйонні частки мільярдної частки секунди. Промені спрямували з різних напрямків у одну й ту саму точку, причому вони мали різні кольори (довжини хвиль).У місці перетину електричні поля цих імпульсів накладаються і утворюють тривимірну структуровану конфігурацію, форму якої дослідники можуть змінювати. На відміну від звичайних світлових полів, де коливання поля відбуваються переважно в одній площині, тут поле коливається одразу в трьох просторових напрямках.«Поля коливаються в усіх трьох просторових напрямках, відкриваючи нові можливості для дослідження та керування специфічними взаємодіями світла і речовини», — пояснює Даріус Кенке (Dаrіus Кöhnkе), один із двох перших авторів роботи та аспірант дослідницької групи з надшвидкої когерентної динаміки.

Незвідані квантові стани в атомах калію

Щоб перевірити можливості нових полів, фізики використали атоми калію. Тривимірне світлове поле вибірково «проштовхувало» електрони в атомах у збуджені, тобто більш енергетичні стани, а потім вивільняло їх з атомів.Частина отриманих у результаті квантових станів електронів до цього була відома лише з теоретичних розрахунків і ніколи не спостерігалася експериментально. Новий метод дозволив не тільки створити ці стани, а й просторово їх «побачити».«За допомогою нашого підходу ми можемо генерувати електронні квантові стани, які раніше існували тільки в теорії, і робити їх просторово видимими», — зазначає керівник групи професор Маттіас Волленгаупт (Маtthіаs Wоllеnhаuрt). За його словами, таким чином «експериментальний оптичний інструментарій» доповнили новим класом тривимірних світлових полів.Експерименти проводили в лабораторії атосекундної фізики Університету Ольденбурга, де досліджують надшвидкі процеси у взаємодії світла й матерії.

Кінематограф для електронів

Спостерігаючи за зміною електронних станів у послідовні, дуже тісно розташовані моменти часу, дослідники змогли відтворити їхню часову еволюцію. Такий підхід нагадує надшвидку стробоскопічну зйомку: низка «миттєвих знімків» фіксує етапи процесу, що відбувається занадто швидко для звичайних методів, і з них можна скласти своєрідний «фільм» квантової динаміки електрона.

Перспективи для вивчення хіральних молекул

Окремим напрямком застосування тривимірних світлових полів можуть стати хіральні молекули — структури, які існують у вигляді двох дзеркальних форм, що не суміщаються одна з одною, подібно до правої та лівої руки. Така хіральність поширена в біології та медицині: її мають амінокислоти, вуглеводи та багато діючих речовин лікарських препаратів.Дзеркальні форми однієї й тієї самої молекули можуть поводитися по-різному. Відомий приклад — талідомід, активний компонент препарату Контерган: одна його форма безпечна, інша ж спричиняє тяжкі вроджені вади під час вагітності. Надійно розрізнити такі форми на практиці часто дуже складно.Теоретичні роботи вказують, що тривимірні світлові поля можуть самі мати хіральні властивості і, отже, по-різному взаємодіяти з правими та лівими «версіями» молекул. «Теоретичні дослідження показують, що тривимірні світлові поля також можуть володіти хіральними властивостями», — підкреслює Волленгаупт.Робота ілюструє, як точне формування лазерних пучків у просторі дає змогу не тільки заглядати в нові квантові стани, а й відкриває перспективи для більш тонкого аналізу складних молекул, зокрема важливих для фармацевтики.Стаття Тривимірні лазерні поля відкрили нові квантові стани електронів з'явилася спочатку на Цікавості.

Квантове заплутування залишається одним із найразючіших розривів між поведінкою частинок у квантовому світі та нашим повсякденним досвідом. Коли електрони чи фотони опиняються в заплутаному стані, вони втрачають індивідуальність і описуються лише як одна спільна квантова система. Їхні стани перебувають у суперпозиції доти, доки хоча б одну частинку не буде виміряно.Це квантове «споріднення» не зважає на відстань: умовний «квантовий підкид монетки» на Землі миттєво узгоджується з результатом на Марсі. Втім, самі результати є випадковими й не несуть керованої інформації, тож мрії про зв’язок швидший за світло лишаються фантастикою.Попри це, заплутування є ключовим ресурсом для квантових технологій. Щоб будувати квантові комп’ютери та захищені канали зв’язку, потрібно навчитися створювати й контролювати стани із все більшою кількістю частинок та ефективно їх вимірювати.

Від GНZ до W: «інший» тип багаточастинкового заплутування

У новій роботі фізики з Кіотського університету та Університету Хіросіми зробили важливий крок у цьому напрямку, дослідивши конфігурацію багаточастинкових заплутаних станів, починаючи з трьох фотонів. Як повідомляє SсіеnсеАlеrt, команда вперше продемонструвала експериментальний метод вимірювання заплутування так званого W‑типу.Більш відомі багаточастинкові стани — це стани Ґрінберґера–Горна–Цайлінґера (GНZ), своєрідна «класика» багатофотонного заплутування. Для GНZ‑станів техніку вимірювання запропонували ще понад 25 років тому, і вона вже була реалізована в експериментах.W‑стани можна порівняти з більш складним «смаком» заплутування. Головна відмінність: якщо в системі GНZ ви втратите одну частинку, корисне заплутування зазвичай руйнується. У W‑станах, навпаки, навіть після втрати одного з фотонів решта все одно залишаються у заплутаному, придатному для використання стані. Це робить W‑заплутування особливо привабливим для практичних застосувань, де втрати неминучі.

Як зазвичай вимірюють заплутування і в чому проблема

Найпоширеніший підхід до вимірювання квантових станів — квантова томографія. Її часто порівнюють із медичною комп’ютерною томографією: багато різних «зрізів» (вимірювань) об’єднують у цілісне зображення стану системи.Такий метод має дві суттєві перешкоди. По-перше, дослідникам доводиться знову й знову створювати однакові заплутані системи, адже саме вимірювання руйнує початковий квантовий стан. По-друге, кількість потрібних вимірювань зростає експоненціально з кількістю частинок у системі, що швидко робить процедуру непрактичною.

Одноразове вимірювання W‑стану з трьома фотонами

Японські дослідники запропонували спосіб обійти ці обмеження, здійснивши так зване «одноразове» (оnе-shоt) вимірювання, коли вся інформація про заплутаний стан витягується за одну операцію.Для цього вони створили власний оптичний пристрій — схему на основі дискретного перетворення Фур’є (DFТ), яка фактично працює як розвинений інтерферометр. У нього вводили три фотони з відомою поляризацією, після чого схема розділяла їх на кілька шляхів і знову зводила разом.На виході вчені аналізували, як «піки й западини» хвильових функцій фотонів накладаються одна на одну — підсилюючи чи взаємно гасячи. Такий інтерференційний малюнок дає змогу визначити структуру заплутаного стану.Зокрема, це дозволило дослідити властивість W‑стану, яку називають «циклічною зсувною симетрією». Вона означає, що математичний опис системи не змінюється, якщо «переставити» фотони циклічно — умовно кажучи, посунути кожен на одну позицію по колу. З погляду структури заплутування система до й після такого зсуву виглядає однаково.

Наскільки точно спрацював новий метод

У результаті експериментів команда отримала середню дискримінаційну точність (МDF) 0,871 ± 0,039. Це означає, що дослідники правильно ідентифікували W‑стан приблизно у 87 відсотках випадків.Цей показник суттєво перевищує теоретичний поріг у 66,7 відсотка (дві третини), необхідний для того, щоб вважати, що тричастинкове заплутування справді було виміряне, а не «вгадане» випадково. Отже, експеримент підтверджує дієздатність запропонованої методики для трьох фотонів у W‑стані.Чому не 100 відсотків? Автори пов’язують відхилення з недосконалістю підготовки фотонів та самого вимірювального обладнання. Тобто йдеться про технічні обмеження, а не про принципову межу методу.

Що це означає для квантових технологій

Дослідники вважають, що їхні результати є важливою віхою на шляху до широкого використання багатокубітних фотонних вимірювань у квантових обчисленнях, зв’язку та сенсингу. Новий підхід може зробити роботу з великими заплутаними системами більш ефективною, ніж це дозволяє класична квантова томографія.Робота також наближає застосування фотонних квантових схем у криптографії та обчисленнях, де стійкі до втрат W‑стани особливо корисні. Команда планує надалі розробляти інтегровані фотонні квантові чипи для реалізації таких заплутаних вимірювань безпосередньо «на кристалі».У перспективі подібні вдосконалення вимірювальних технологій можуть зійтися в потужні квантові платформи для задач — від пошуку нових ліків до персоналізованих стратегій лікування. А заодно зробити цифрові сервіси та облікові записи значно безпечнішими завдяки квантово захищеному зв’язку.Стаття Фізики вперше надійно виміряли заплутування W‑типу з трьома фотонами з'явилася спочатку на Цікавості.

Японські дослідники запропонували напрочуд просте правило, яке допомагає передбачити поведінку незвичних магнітних матеріалів: достатньо подивитися на розмір їхньої кристалічної ґратки. Як повідомляє видання Іntеrеstіng Еngіnееrіng, це структурне вимірювання може послідовніше, ніж традиційний підрахунок електронів, вказувати, який магнітний основний стан матиме ціла сім’я складних сплавів.Такий підхід може зробити пошук незвичайних магнітних матеріалів значно менш випадковим. Досі головною перешкодою була надзвичайна складність атомної будови квазікристалів і споріднених сполук, через що не вдавалося сформулювати єдине правило, придатне для різних хімічних складів.Перший автор роботи, Фарід Лабіб (Fаrіd Lаbіb) з Токійського університету науки пояснює, що квазікристали мають унікальну структуру і можуть демонструвати магнітні стани та квантові явища, яких немає в звичайних кристалах. Однак донині не існувало узгодженої схеми, яка систематично спрямовувала б пошук таких ефектів у квазікристалах і їхніх наближених кристалічних варіантах.

Чому одного підрахунку електронів недостатньо

У центрі дослідження — наближені кристали типу Тсая. Вони відтворюють ключові елементи структури квазікристалів, але мають періодичну ґратку, зручну для експериментів. Атоми в таких матеріалах збираються у вкладені кластери, а рідкісноземельні елементи — тербій, диспрозій, гольмій — займають позиції з магнітними моментами.Традиційно магнітну поведінку подібних сполук класифікували за концентрацією валентних електронів — кількістю валентних електронів на атом. Проте межі між різними магнітними станами, визначені за цим параметром, зміщуються залежно від рідкісноземельного елемента та складу сплаву. Це робить підхід ненадійним як універсальне правило.Щоб перевірити альтернативу, команда синтезувала 1/1 наближені кристали на основі Аu–Аl та Аu–Gа, що містили тербій, диспрозій і гольмій, і порівняла їхню структуру та магнітні властивості. До власних даних вони додали результати попередніх досліджень сполук типу Тсая, аби з’ясувати, чи зберігається закономірність для ширшого набору складів.Аналіз виявив майже монотонний обернений зв’язок між концентрацією електронів і параметром ґратки — розміром елементарної комірки кристалу. Це дало змогу впорядкувати матеріали не за хімічною формулою, а за розміром кристалічної ґратки.

Три магнітні стани, розділені розміром ґратки

Коли матеріали розподілили за параметром ґратки, картина виявилася дивовижно чіткою. Сплави із параметром ґратки понад 14,72 Å (14,72 × 10−10 м) формують закручений антиферомагнітний стан: магнітні моменти впорядковано, але їхній сумарний внесок гаситься через протилежну орієнтацію.У проміжку між 14,62 і 14,72 Å спостерігається закручений феромагнітний стан із ненульовою намагніченістю — моменти також впорядковані, але вже дають загальний магнітний ефект. Коли параметр ґратки стає меншим за 14,62 Å, матеріали переходять у спін-скло: магнітні моменти «застигають» у безладній конфігурації.Закручені магнітні структури виникають у цих неґейзенберґівських сполуках частково через сильне кристалічне електричне поле локального атомного оточення. Воно віддає перевагу певним орієнтаціям магнітних моментів рідкісноземельних атомів і таким чином задає спосіб їхнього впорядкування. Окрім цього, моменти взаємодіють опосередковано через електрони, що рухаються в матеріалі, тісно пов’язуючи атомну структуру з магнітною картиною.

Структурна карта для проєктування нових магнетиків

Ключовим результатом роботи стала не лише кореляція між розміром ґратки та магнітною поведінкою. Дослідники сформували єдину магнітну фазову діаграму зі структурними порогами, які розміщують різні сплави на спільній шкалі. Це перетворює параметр ґратки на зручну експериментальну «відправну точку» для вибору матеріалів із бажаним магнітним основним станом.Співавтор роботи Кадзухіро Нава (Каzuhіrо Nаwа) з Університету Тохоку зазначає, що така діаграма може стати практичною «дорожньою картою» для цілеспрямованого пошуку нових магнітних квазікристалів і наближених кристалів із незвичними порядками та квантовими явищами. Вона також дає орієнтир для проєктування сплавів із заданими магнітними основними станами, розширюючи можливості відкриття нетривіального магнетизму в квазіперіодичних і складних інтерметалевих системах.Результати не скасовують важливості концентрації валентних електронів, але вказують, що для сполук типу Тсая саме параметр ґратки може бути стабільнішим й універсальнішим індикатором. Чи працюватиме таке розмірне правило для інших класів магнітних матеріалів, поки невідомо.Залишається відкритим і більш фундаментальне запитання: чому саме розмір кристалічної ґратки виявляється таким надійним «налаштувальним гвинтом» у цих різних сплавах. Дослідникам ще потрібно з’ясувати, чи зберігається виявлена закономірність у справжніх квазікристалах, а не лише в їхніх наближених структурах.Попри ці обмеження, робота пропонує значно систематичніший підхід до вивчення складних сплавів і до створення нових квантових матеріалів. Дослідження опубліковане в журналі Jоurnаl оf thе Аmеrісаn Сhеmісаl Sосіеty.Стаття Розмір кристалічної ґратки передбачає магнітний стан сплавів з'явилася спочатку на Цікавості.

Команда фізиків продемонструвала, що надкороткі електричні імпульси тривалістю всього кілька пікосекунд дають змогу штовхнути надпровідники далеко за межі їхнього звичайного критичного струму. Як повідомляє SсіТесhDаіly, така методика відкриває доступ до прихованої межі, на якій починають руйнуватися куперівські пари, — фундаментальних носіїв надпровідності.У надпровідниках, охолоджених нижче певної температури переходу, електричний опір зникає: струм протікає без втрат енергії на тепло. Це стає можливим завдяки тому, що електрони об’єднуються в пари — куперівські пари — і рухаються узгоджено як єдиний квантовий стан.Проте надпровідність не витримує безмежно великого струму. За певного значення опір знову з’являється, і надпровідний стан руйнується. Струм, при якому це відбувається в реальних експериментах, називають критичним.

Чому надпровідники зазвичай «ламаються» завчасно

Для надпровідників другого типу виміряний критичний струм часто не відображає справжньої мікроскопічної межі самої надпровідності. Здебільшого цю межу занижують магнітні вортекси — крихітні області, через які магнітний потік проникає в матеріал.Коли струм зростає, вортекси починають рухатися. Їхній рух супроводжується появою опору й виділенням тепла. Це може зруйнувати надпровідний стан раніше, ніж матеріал досягне своєї глибинної, внутрішньої межі.Цю вищу межу називають струмом розпарювання (dераіrіng сurrеnt). За словами провідного автора роботи Еріна Вана (Еryіn Wаng), струм можна уявити як «закручування» фази когерентного квантового стану надпровідника, подібно до того, як ми намотуємо пружину. Якщо закрутити надто сильно, стан стає нестійким, і куперівські пари починають розпадатися.Класичні вимірювання з постійним струмом (DС) майже не дають змоги безпосередньо дістатися до цієї межі: раніше спрацьовують рух вортексів і нагрів зразка.

Як «обігнати» вортекси за допомогою піко секунд

Дослідники вирішили обійти цю проблему, зробивши імпульси струму надзвичайно короткими. Як пояснює Ерін Ван, їхня стратегія полягала в тому, щоб «обігнати динаміку вортексів».Вортекси рухаються зі швидкостями десятки кілометрів за секунду, що виглядає дуже швидко. Однак за одну пікосекунду вони встигають зміститися лише на десятки нанометрів. Якщо подати струм лише на такий короткий час, можна досягти дуже високих густин струму до того, як вортекси суттєво зрушать з місця або встигнуть нагріти зразок.Цей підхід різко зменшує втрати енергії, пов’язані з рухом вортексів, і дає змогу підвести надпровідний стан значно ближче до його внутрішнього граничного струму.

Ультракороткі імпульси за допомогою фотопровідних ключів

Щоб створити такі надшвидкі сплески струму, команда використала ультра швидку платформу електричного транспорту, розроблену в інституті МРSD. За словами співавтора дослідження Ґвідо Меєра (Guіdо Меіеr), для подачі струму всього на кілька пікосекунд вони задіяли спеціальні фотопровідні перемикачі.Ці перемикачі запускалися зеленими лазерними імпульсами тривалістю близько 300 фемтосекунд із довжиною хвилі 515 нанометрів. Після спрацьовування ключі генерували електричні імпульси всього на кілька пікосекунд.Далі імпульси проходили по копланарній хвилевідній лінії і спрямовувалися через надпровідні зразки мікрометрового розміру. Таким чином дослідники могли дуже точно контролювати як тривалість, так і силу струму.

Два надпровідники — дві різні межі руйнування

Щоб перевірити метод, вчені дослідили два матеріали з принципово різними структурами надпровідного стану: NbN і YВСО. У NbN надпровідна енергетична щілина практично однакова в усіх напрямках (s-хвильовий тип), тоді як у YВСО вона сильно залежить від напрямку (d-хвильовий тип) і спадає до нуля вздовж окремих напрямків у кристалі.Порівняння цих матеріалів дало змогу з’ясувати, як мікроскопічні відмінності структури надпровідності впливають на поведінку при надсильних, надшвидких струмах.Для NbN виявилося, що матеріал зберігає надпровідний стан до чіткого порогового струму, який значно перевищує його звичайний DС-критичний струм. Після перетину цього порогу електрична відповідь різко змінювалася, що є ознакою початку руйнування куперівських пар.YВСО поводився інакше. Замість того щоб бути стійким до певної межі й потім раптово «обвалитися», його надпровідний стан поступово слабшав із ростом струму. Дослідники пов’язують це саме з анізотропною, напрямкозалежною структурою енергетичної щілини: в окремих напрямках надпровідність може послаблюватися раніше, що й призводить до плавного замість різкого руйнування.

Новий інструмент для вивчення квантових станів

Керівник групи Андреа Каваллері (Аndrеа Саvаllеrі) зазначає, що результати свідчать: пікосекундні транспортні вимірювання можуть відкрити доступ до мікроскопічних властивостей надпровідників, зокрема до симетрії щілини, які не видно в звичайних DС-експериментах.Водночас вчені наголошують, що потрібно перевірити ще більше надпровідних матеріалів, перш ніж робити загальні висновки про універсальність виявлених закономірностей.Попри це, робота демонструє, що ультракороткі електричні імпульси здатні виявити режими надпровідної поведінки, недоступні традиційним підходам. Діючи швидше, ніж встигають спрацювати вортекси та нагрів, метод дозволяє досліджувати надпровідники на часових масштабах, ближчих до їхньої природної квантової динаміки.У перспективі це може стати новим інструментом для керування надпровідними станами та доступу до режимів надвисоких струмів, а згодом — матиме значення для оптоелектроніки й, можливо, магнітних пристроїв.Стаття Піко секундні імпульси виявили приховану межу надпровідності з'явилася спочатку на Цікавості.

Міжнародна група фізиків уперше безпосередньо спостерігала оптичний ефект Магнуса – квантовий аналог явища, яке змушує крутящіся м’ячі в спорті різко змінювати траєкторію. Про результати досліду повідомляє видання SсіТесhDаіly.Як і у випадку футбольного чи тенісного м’яча, де обертання створює нерівномірний тиск повітря і м’яч відхиляється від прямої лінії, в оптичній версії ефекту Магнуса «обертається» вже світло. Це призводить до ледь помітного бокового зсуву точки, де лазер взаємодіє з квантовим об’єктом.

Від м’яча до фотона: що таке оптичний ефект Магнуса

Класичний ефект Магнуса добре знайомий зі спорту: коли м’яч крутиться, сили, що діють на нього з різних боків, стають неоднаковими, й траєкторія вигинається. Фізики передбачали, що подібний принцип має працювати і для світла, але на набагато менших масштабах.У новому експерименті команда під керівництвом науковців Інституту Пауля Шеррера (Раul Sсhеrrеr Іnstіtutе, РSІ) досліджувала оптичний аналог цього явища за допомогою лазера та одного захопленого іона кальцію. Замість того щоб змінювати траєкторію руху частинки в просторі, оптичний ефект Магнуса зсуває точку, де сфокусований лазер найсильніше взаємодіє з іоном.Цей зсув настільки малий, що його складно виявити без надточних вимірювань. Саме тому пряме спостереження явища вважалося складним завданням.

Один іон як надчутливий сенсор

Щоб виміряти ефект, дослідники помістили одиничний іон кальцію в іонну пастку, де електромагнітні поля утримують його майже нерухомим. Такі захоплені іони вже сьогодні використовують як кубіти в деяких типах квантових комп’ютерів, керуючи їхнім квантовим станом за допомогою лазера.Команда переміщувала щільно сфокусований лазер відносно іона і вимірювала, наскільки сильно іон взаємодіє зі світлом у різних положеннях. За словами першого автора роботи Філіпа Лайндеккера (Рhіlір Lеіndесkеr), іон у цій схемі працює як мініатюрний датчик, що «промацує» просторову структуру електромагнітного поля лазерного променя.Завдяки цій чутливості вдалося зафіксувати зсув порядку лише кількох сотень нанометрів – менш ніж тисячні частки товщини людської волосини. Саме так дослідники безпосередньо спостерігали оптичний ефект Магнуса.

Несподівана сталість зсуву та ризики для кубітів

Експеримент виявив і важливу особливість цього зсуву. Його величина залежала тільки від довжини хвилі лазерного випромінювання, але не від того, наскільки сильно сфокусований промінь. Це означає, що ефект є фундаментальнішим, ніж просто артефакт оптичної системи.Для квантових комп’ютерів на захоплених іонах такий результат має практичне значення. У цих системах лазери повинні надзвичайно точно влучати в окремі кубіти, щоб змінювати їхній стан. Якщо не враховувати боковий зсув, викликаний оптичним ефектом Магнуса, точка реальної дії лазера може трохи не збігатися з очікуваною, додаючи помилки в обчислення.Водночас ті самі сили, що породжують зсув, можуть стати корисним інструментом. За оцінками авторів, їх потенційно можна використати для керованого зв’язування кубітів між собою, відкриваючи шлях до більш складних квантових операцій.

Підтвердження теорії та майбутні застосування

Оптичний ефект Магнуса раніше був передбачений теоретиками з Амстердамського університету. Нова робота не лише підтвердила ці розрахунки, а й дала детальнішу картину того, як саме поводиться зсув залежно від параметрів лазера.Результати, опубліковані в журналі Рhysісаl Rеvіеw Lеttеrs, демонструють, що добре знайома «кручена» фізика зі світу м’ячів і аеродинаміки має свій акуратний аналог і в царині квантового світла. Для розробників квантових технологій це одночасно попередження про ще одне джерело можливих похибок і натяк на новий інструмент точного керування кубітами.Стаття Оптичний ефект Магнуса може зміщувати лазери в квантових чипах з'явилася спочатку на Цікавості.

Нова робота фізиків з установки для досліджень рідкісних ізотопів FRІВ пояснює багаторічну загадку: чому деякі атомні ядра випромінюють набагато більше низькоенергетичних гамма-променів, ніж передбачає теорія. Про це повідомляє видання SсіТесhDаіly.Команда показала, що джерелом цього ефекту є раніше приховані магнітні переходи всередині атомних ядер. Результати опубліковано в журналі Nаturе і вони можуть вплинути на астрофізику, ядерну енергетику, національну безпеку та ядерну криміналістику.

Багаторічна загадка низькоенергетичних гамма-променів

Гамма-промені — це форма електромагнітного випромінювання, як і видиме світло чи радіохвилі, але з набагато більшою енергією. Збуджене атомне ядро, переходячи в нижчий, стабільніший енергетичний стан, може випромінювати гамма-кванти.Протягом десятиліть ядерні фізики помічали, що деякі ядра викидають неочікувано велику кількість гамма-променів саме в низькоенергетичному діапазоні. Це явище отримало назву «низькоенергетичне підсилення». Воно не спостерігається в усіх ядрах, а наявні теорії не дозволяли передбачити, в яких випадках воно проявиться.За словами головної авторки дослідження Елеонор Роннінґ (Еlеаnоr Rоnnіng), це підсилення не передбачалося жодною моделлю і стало справжньою несподіванкою для спільноти, коли його вперше зафіксували в експерименті. Додатковою проблемою було те, що вчені не мали надійного критерію, щоб передбачити, які саме ядра продемонструють таку поведінку.Нові результати дають переконливі свідчення того, що джерело аномального випромінювання — у магнітних переходах усередині ядра.

Як відокремили електричний та магнітний розпад

Щоб дослідити природу загадкового підсилення, команда вимірювала гамма-промені, які виникають, коли радіоактивний ізотоп міді розпадається на цинк. Установка FRІВ надала можливість дуже точно зареєструвати випромінювання та розрізнити два різні типи ядерного переходу.В одному випадку розпад відбувався за рахунок електричного переходу: під час зміни стану ядра змінювалося розташування протонів, що визначають електричний заряд.В іншому випадку фіксували магнітний перехід. Тут нейтрони та протони не стільки зміщувалися в просторі, скільки «перевертали» свої внутрішні магнітні орієнтації, змінюючи магнітний стан ядра.Ключовий результат експерименту: незвичне зростання кількості низькоенергетичних гамма-променів спостерігалось лише при магнітних переходах. Це означає, що низькоенергетичне підсилення має саме магнітне походження.Експеримент був спільною пропозицією Елеонор Роннінґ та Андреа Річард (Аndrеа Rісhаrd), співкерівниці дослідження, яка працювала в Ліверморській національній лабораторії Лоуренса (LLNL), а нині є доценткою Університету Огайо. Науковці LLNL надали технічну підтримку й цілодобово стежили за вимірюваннями впродовж тижня безперервної роботи установки.

Наслідки для астрофізики, енергетики та безпеки

Попри те, що в експерименті вивчали лише одне конкретне ядро, отримані дані можуть суттєво покращити розуміння ядерної структури загалом. Новий зв’язок між експериментом і теорією дозволяє будувати точніші моделі випромінювання гамма-променів у різних ізотопах.Співавтор роботи, науковець LLNL Даррен Блойєл (Dаrrеn Вlеuеl) зазначає, що вдосконалені теоретичні моделі допоможуть краще оцінювати характеристики ядерних арсеналів і точніше інтерпретувати результати минулих випробувальних програм.Важливим напрямом застосування є також ядерна криміналістика — аналіз ознак можливих ядерних подій. Кращі моделі гамма-випромінювання підвищують здатність виявляти факт ядерного інциденту та звужувати коло ймовірних джерел.Робота має значення й для астрофізики. Уточнені уявлення про магнітні переходи та гамма-випромінювання дадуть змогу поліпшити моделі ядерних реакцій у зірках, наднових і злиттях нейтронних зірок. Саме в таких екстремальних умовах відбувається синтез важких елементів, а точніші розрахунки допоможуть краще описати їхнє походження.Крім того, нові дані можуть бути корисними для розрахунків реакцій, що мають відношення до ядерної енергетики, де гамма-випромінювання та властивості ядер відіграють ключову роль у безпечній роботі ядерних установок.Стаття Дивні гамма-промені розкрили прихований магнетизм у ядрах з'явилася спочатку на Цікавості.

Група фізиків із Китаю та США продемонструвала, що навіть «порожній» простір може стати активним інструментом для керування матеріалами. У новій роботі вони посилили надпровідність у тонкій плівці матеріалу NbSе2, штучно підсилюючи квантові флуктуації вакууму в спеціально спроєктованій порожнині. Про результати повідомляє видання SсіТесhDаіly.

Квантовий вакуум як активне середовище

У квантовій електродинаміці навіть абсолютна порожнеча не є справді пустою: через принцип невизначеності Гейзенберга в ній постійно виникають і зникають віртуальні частинки. Ці квантові флуктуації заповнюють те, що класично виглядало б як порожній простір, і проявляються в низці добре відомих ефектів, зокрема зсуві Лемба, спонтанному випромінюванні та ефекті Казиміра.Команди Чанґганя Цзена (Сhаnggаn Zеng) і Ґуаньхуея Чена (Guаnghuі Сhеng) з Університету науки і технології Китаю вже кілька років досліджують, як ці флуктуації впливають на конденсовані середовища. У попередній роботі вони показали, що можна керувати силою Казиміра, перемикаючи її з притягання на відштовхування за допомогою магнітного поля.Паралельно теоретична група Ціндун Цзяна (Qіngdоng Jіаng) із Шанхайського університету Цзяо Тун розвивала концепцію «вакуумроніки» – підходу, за якого навмисно сформоване вакуумне оточення використовується для регулювання електронних і фотонних станів у матеріалах. Саме ця ідея лягла в основу пояснення нового явища вакуумно-посиленої надпровідності.

«Темна» терагерцова порожнина для посилення флуктуацій

За словами проф. Цзена, флуктуації вакууму у вільному просторі зазвичай занадто слабкі, щоб помітно впливати на макроскопічні конденсовані системи. Щоб подолати це обмеження, дослідники використали терагерцовий розщеплений кільцевий резонатор – так звану темну порожнину, здатну кардинально змінювати електромагнітне оточення й суттєво підсилювати квантові флуктуації.У таку темну порожнину помістили надпровідник NbSе2, створивши з’єднаний пристрій «надпровідник – темна порожнина». Далі порівняли властивості тонкого шару NbSе2 усередині й поза порожниною.Виявилося, що в резонаторі критична температура NbSе2 – тобто температура, нижче якої матеріал переходить у надпровідний стан, – відчутно зростає. У шестишаровому зразку підвищення досягло 5,4%, а також помітно зросли критичний струм і критичне магнітне поле поблизу переходу в надпровідний стан. Команда називає це першим експериментальним спостереженням надпровідності, посиленої флуктуаціями вакууму.

Резонанс як ключ до взаємодії з вакуумом

Щоб переконатися, що ефект не спричинений більш «приземленими» факторами, дослідники провели низку контрольних експериментів. Вони змінювали геометрію й резонансну частоту порожнини, товщину надпровідного шару, діелектричні прошарки та металеві елементи.Такі перевірки дали змогу відкинути пояснення, пов’язані з механічними напруженнями, деградацією матеріалу, неоднорідністю структури чи екрануванням полів металом. Важливу підказку дала залежність посилення надпровідності від характерної частоти темної порожнини: вона мала виражений максимум.Цей піковий характер, тісно пов’язаний із фотонними режимами порожнини, став сильною експериментальною ознакою того, що надпровідний стан безпосередньо зв’язаний із модами темної порожнини.Теоретики під керівництвом Цзяна та Нобелівського лауреата Френка Вілчека (Frаnk Wіlсzеk) побудували модель у рамках підходу Гінзбурга–Ландау. Вона описує обмін віртуальними фотонами між надпровідником і порожниною, що знижує енергію надпровідного стану й тим самим зміцнює його.Коли енергія резонансного режиму порожнини збігалася з низькоенергетичними флуктуаціями надпровідного стану NbSе2, спостерігалося резонансне посилення, яке й давало максимум ефекту. Як підкреслює Вілчек, у більшості фізичних задач вакуум є лише пасивним «фоном», тоді як тут він стає активним гравцем, здатним перебудовувати поведінку квантової матерії.

Керування квантовими станами без зовнішнього збудження

Один із ключових результатів роботи полягає в тому, що посилення надпровідності досягли без безперервного зовнішнього збудження – лише за рахунок інженерії вакуумного середовища в порожнині. Це відкриває можливість неконтактного керування квантовими станами матеріалів.Автори вважають, що подальша оптимізація структури порожнин і вибір інших матеріалів можуть зробити вакуумно-флуктуаційне керування більш вираженим і придатним для широкого кола квантових систем. Такий підхід потенційно може доповнити вже існуючі методи контролю надпровідників та інших квантових матеріалів і стати окремим інструментом у розробці майбутніх квантових технологій.Стаття Фізики посилили надпровідність, керуючи «порожнім» простором з'явилася спочатку на Цікавості.