Три физика, специалисты в области конденсированного состояния вещества, которые повысили наше понимание странных материалов, известных как топологические изоляторы, были награждены Международным центром теоретической физики в Триесте (Италия) медалями Дирака.

Дункан Холдейн (Duncan Haldane) из Принстонского университета, Чарльз Кейн (Charles Kane) из Университета Пенсильвании и Шоучен Чжан (Shoucheng Zhang) из Стэнфордского университета получили приз 5 тыс. долл. - премия им. Поля Дирака, выдающегося английского физика-теоретика, Нобелевского лауреата, присуждаемая ежегодно 8 августа, в день его рождения.

Сегодня топологические изоляторы являются самой «горячей» темой в физике конденсированного состояния. Будучи изоляторами внутри, они проводят электричество по поверхности благодаря специфическим электронным состояниям, являющимися «топологически защищенными» (топологические инварианты). Это означает, что в отличие от обычных поверхностных состояний, они не могут быть разрушены с помощью примесей или дефектов. Более того, фермионы, носители заряда, упорядочиваются на квазичастицы со спином «вверх», двигающиеся в одном направлении, и со спином «вниз», двигающиеся в другом. Такой спиновый ток может быть полезным для построения спинтронных устройств.

Эти изоляторы имеют необычную историю, поскольку в отличие от всех других экзотических фаз вещества были предсказаны теоретически. Кейн был среди тех, кто участвовал в ранних исследованиях, базировавшихся на зонной теории твердых тел – стандартного квантовомеханического подхода для описания электронных свойств материалов. Топологические изоляторы в 2D- и 3D-материалах были предсказаны теоретически в 2005 и 2007 гг., перед их экспериментальным открытием в 2007 г.

Принимая, что топологические 3D-изоляторы являются в какой-то степени объемными полупроводниками, чьи топологические характеристики могут сохраняться при высоких температурах, их новые свойства могут привести к ряду интересных приложений.

Слева направо: Шоучен Чжан, Дункан Холдейн и Чарльз Кейн

Характерные неклассические особенности квантовой физики впервые обсуждались в плодотворной статье Эйнштейна, Подольского и Розена (EPR) в 1935 г. В своем немедленном ответе Шредингер ввел понятие зацепления (entanglement), которое сегодня рассматривают как важнейший ресурс в квантовой информации и квантовой метрологии. Далее, он показал, что суть аргументов в EPR заключается в явлении, которое он назвал steering -«управление» (ну прямо «Улитка на склоне»). В отличие от зацепления и нарушения неравенств Белла, управление подразумевает направленность между составляющими частями. Недавние теоретические работы точно определили это свойство, но возник вопрос, имеются ли двухкомпонентные состояния с управлением только в одном направлении?

В статье, опубликованной в Nature Photonics физиками из University of Hannover's Center for Quantum Engineering and Space-Time Research (QUEST), Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute) и Institute for Theoretical Physics (все в Ганновере), представлена экспериментальная реализации двух зацепленных гауссовых мод света, которые фактически демонстрируют управление в одном направлении, но не в другом. Полученное однонаправленное управление проливает новый свет на квантовую физику и может открыть новое поле для приложений в квантовой информации.

Напомним, что при квантовом управлении два участника (Алиса и Боб) играют определенные роли, которые не взаимозаменяемы. Конкретнее, если Алиса выбирает наблюдаемую для измерения, то измерение меняет состояние системы Боба. Если Боб выбирает наблюдаемую для измерения, тогда роли меняются и Боб управляет системой Алисы.

Чтобы продемонстрировать возможность одностороннего управления, физики осуществили зацепление двух лазерных лучей с помощью сложной установки, которая включала смешивание лучей с двумя вакуумными модами. Одна выходная мода направлялась Алисе, и одна – Бобу. Если лучи подготавливались с вакуумным вкладом в определенном промежуточном диапазоне, исследователи наблюдали, что Алиса могла делать измерения на своей стороне, определяя тем самым результаты измерения Боба, но измерения Боба не влияли на результаты Алисы. Другими словами, они наблюдали одностороннее управление. Однако изменение вклада вакуума могло менять результаты. Исследователи обнаружили, что для вакуумного вклада менее 39%, двустороннее управление позволялось. Для вакуумного вклада более 70% управление не позволялось. В промежутке между этими двумя значениями только Алиса могла управлять.

«С самого начала в 1935 г. EPR и Шредингер фокусировались на вопросе, может ли одна подсистема (из зацепленного состояния) быть описана классической моделью с помощью некоторых измерений на другой подсистеме, - сказал соавтор статьи Роман Шнабел (Roman Schnabel). – В нашей работе мы впервые приготовили зацепленное состояние, которое позволяет чисто классическое описание одной подсистемы, но не другой. Наш результат подтверждает важность вопроса EPR и Шредингера, так как мы продемонстрировали, что ответ более разнообразный, чем можно было ожидать». Как он объяснил далее, результаты также дают понимание, насколько квантовая механика отличается от классической механики, что является одним из фундаментальных вопросов в физике. «Наш эксперимент точно определил эффект нарушения когерентности, - продолжил он. – Наше состояние было произведено посредством отбрасывания информации от одной подсистемы (вследствие большого вклада вакуума). Односторонняя потеря информации привела в результате к новой ситуации, что эта подсистема может быть описана классической моделью, тогда как другая подсистема все еще требует квантовой модели. Велись долгие дебаты о том, как в действительности происходит переход от явной (зацепленной) квантовой системы к системе, которая может быть описана классической моделью. Наш эксперимент является такой хорошей моделью системы, которая показывает, как декогерентность порождает переход от квантового к классическому миру».

Как объяснили физики, одностороннее управление приводит к необычной ситуации, в которой два экспериментатора, выполняющие измерение на одном разделяемом состоянии, могут прийти к различным заключениям.

Дальнейшие исследования в этом направлении могли бы дать результаты в таких областях, как распределение квантовых ключей и в информатике в общем.

Одностороннее управление встречается, когда вторая вакуумная мода, использованная для генерирования управляемых состояний, лежала между 39% и 70% (белая область). Когда значение для одного управляемого направления меньше 1,0 (красная гистограмма) и значение для другого управляемого направления больше 1,0 (синяя гистограмма) происходит одностороннее управление

Использование магнетизма индивидуальных молекул вместо электронных или магнитных ячеек памяти могло бы революционизировать технологию устройств памяти, поскольку молекулярная память была бы в тысячи раз меньше. Ученые из Кильского университета существенно продвинулись вперед в разработке таких молекулярных устройств хранения. Они достигли успеха в избирательном переключении намагниченности индивидуальных молекул, так называемом спиновом переходе (spin crossover), с помощью электронов.

«В принципе, данные могут быть сохранены в одной молекуле. Однако методы, которые сделали бы такой подход осуществимым, стали доступны только сегодня», - пояснил проф. Рихард Берндт (Richard Berndt) из Института экспериментальной и прикладной физики при Кильском университете. С 1980-х ученые способны получить изображение индивидуальной молекулы на поверхности с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).

Текущее исследование фокусируется на магнетизме молекул. Используя СТМ, д-р Тируванкерил Гопакумар (Thiruvancheril Gopakumar) смог переключать индивидуальные молекулы между двумя магнитными состояниями, несмотря на их плотную упаковку в молекулярном слое. Молекулы (комплексы со спиновым переходом) были синтезированы в Институте неорганической химии Кильского университета.

Следующий шаг – адаптировать молекулы таким образом, чтобы переключение можно было бы осуществить с помощью света, а не электронов или повышения температуры.

Компьютерный график молекулы со спиновым переходом на поверхности золотого образца, которая использовалась для экспериментов, и СТМ-изображение ее разных магнитных состояний

Африканская Pollia condensata (собирательное название мраморных ягод) для создания своего синего цвета не использует пигмент, а взамен этого использует конструктивный цвет – метод отражения света определенных длин волн. Таково заключение нового исследования.

Большинство цветов вокруг нас определяется пигментами. Однако несколько примеров в природе, включая павлинов, жуков скарабеев и теперь вот и Pollia condensata, используют конструктивный цвет. Плоды сделаны из клеток, каждая из которых окружена оболочкой, содержащей целлюлозу. Однако исследователи обнаружили, что в Pollia condensata целлюлоза располагается в нижних слоях, формируя асимметричную структуру, которая способна взаимодействовать со светом и обеспечивать селективное отражение только специфического цвета. В результате этой уникальной структуры она отражает преимущественно синий свет.

Ученые также открыли, что каждая индивидуальная клетка генерирует цвет независимо, производя эффект в стиле пуантилизма (письма картин точками в стиле Сера). Этот цвет производится посредством отражения света определенных длин волн от слоев целлюлозы в оболочке клетки. Длину волны отраженного света определяет толщина слоев. В результате некоторые клетки имеют более тонкие слои и отражают синий, у других – более толстые слои, и они отражают зеленый или красный. Исследователи полагают, что растения развили у себя сложную цветовую структуру в качестве механизма распространения семян. Хотя Pollia не представляет никакой питательной ценности, птиц притягивает ее яркий цвет, возможно, как средство для украшения гнезд или чтобы произвести впечатление на партнера. Д-р Беверли Глоувер (Beverley Glover) из Кембриджского университета сказал: «Это малоизвестное маленькое растение поражает фантастическим способом создания неотразимо блестящего, многоцветного переливчатого сигнала каждой птице в окрестности без затраты драгоценного фотосинтеза, чтобы служить пищей для птиц. Эволюция очень разумна».

Вследствие способа своего создания цвет Pollia condensata не блекнет. Исследователи обнаружили, что образец в гербарии, датированный XIX веком, был таким же ярким, как будто вырос сегодня.

«Беря пример с природы, можно получить многофункциональные материалы, используя накатанные пути работы с материалами типа целлюлозы. Мы считаем, что использование целлюлозы для создания цветных материалов может привести ко многим промышленным приложениям», - сказала д-р Сильвия Виньолини (Silvia Vignolini) из физического департамента Кембриджского университета.

В течение многих лет ученые ищут способы имитировать удивительную способность листа лотоса отталкивать воду. Лист лотоса «ненавидит» воду так сильно, что капли без всяких усилий скатываются с поверхности, оставляя ее чистой. Теперь международная команда исследователей с центром в финском Университете Аалто выступили с полностью новой концепцией записи и отображения данных на поверхности с помощью воды. Они использовали уникальное поведение захваченного слоя воздуха на водоотталкивающей поверхности с дуальной структурой, погруженной под воду.

Для максимального водоотталкивания, поверхность должна быть сверхгидрофобной: она должна иметь микроскопические поверхностные структуры, которые предотвращают смачивание, оставляя тонкий слой воздуха между водой и поверхностью. Когда такая поверхность погружается в воду, захваченный слой воздуха полностью ее покрывает.

Исследователи, возглавляемые д-ром Робином Расом (Robin Ras), изготовили поверхность со структурой в двух шкалах размера: микростолбиков, которые имеют размер 10 мкм, и нановорсинок, выращенных на столбиках. На такой двухуровневой поверхности слой воздуха может находиться в двух разных формах (состояниях смачивания), что соответствует двум шкалам размера. Исследователи обнаружили, что можно легко переключаться между этими двумя состояниями локально, используя форсунки, которые создают повышенное и пониженное давление в воде, что изменяет состояние воздушного слоя.

«Минимальная энергия, необходимая для переключения между состояниями, делает систему бистабильной, что является важным свойством устройств памяти, например. Однако имеется особенность, являющаяся более интересной: это резкий оптический контраст между состояниями благодаря изменению шероховатости на границе вода-воздух. Это делает поверхность бистабильным отражающим дисплеем.

Переключение опирается на изменение состояния только воздушного слоя, с самой поверхностью ничего не происходит. Она остается полностью сухой, без всяких следов перезаписи.

«Этот результат представляет первый шаг в создании несмачиваемых поверхностей как платформы для хранения и даже обработки данных», - сказал проф. Олли Иккала (Olli Ikkala).

Трение является ключевым явлением в прикладной физике, чье происхождение изучалось столетиями. Вплоть до недавнего времени считалось, что механическая износоустойчивость и жидкая смазка воздействуют на трение, но фундаментальное происхождение трения скольжения было неизвестно. Д-р Лассе Макконен (Lasse Makkonen), главный научный сотрудник Технического исследовательского центра в Финляндии, представил теперь объяснение происхождения трения скольжения между твердыми объектами.

Согласно его теории сила трения зависит от поверхностной энергии соприкасающихся материалов. Модель Макконена является первой, которая позволяет выполнить количественные вычисления коэффициента трения материалов.

Происхождение трения связано с микроскопическими контактами, образующимися как результат новой структуры поверхности. Теория объясняет происхождение силы трения и нагревания при сухом контакте. Она может быть применена для вычисления коэффициента трения при различных комбинациях трущихся материалов.

Модель также позволяет манипулировать трением посредством выбора определенных материалов или материалов, используемых для смазки, на основе поверхностной энергии между ними.

Не в таком уж далеком будущем ученые смогут использовать ДНК для выращивания специализированных материалов благодаря концепции направленной эволюции. Ученые из Калифорнийского университета Санта-Барбары (UCSB) впервые использовали генную инженерию и молекулярную эволюцию для разработки ферментативного синтеза полупроводников.

«В мире технологий, созданных человеком, это будет новым методом, но это очень старый метод для природы», - сказал Лукмаан Бавазер (Lukmaan Bawazer), первый автор публикации «Эволюционный отбор ферментативносинтезированнных полупроводников из имитированных человеком минерализованных везикул».

Используя силикатеины, – протеины, ответственные за формирование скелетов из двуокиси кремния (кремнезема) в морских губках, – исследователям удалось сгенерировать новые минеральные архитектуры, направляя развитие этих энзимов. Силикатеины, которые генетически кодированы, служат в качестве шаблонов для кремнеземных скелетов и управляют их минерализацией, участвуя таким образом в процессах, подобных тем, посредством которых формируются скелеты у животных и человека. Двуокись кремния, известная также как кремний, является основным материалом в большинстве производимых полупроводников.

В данном исследовании полистироловые микробусинки, покрытые специфическими силикатеинами, подвергались реакции минерализации посредством выдерживания их в водно-масляной эмульсии, которая содержала химические предшественники для минерализации: силициды либо титан, растворенные в масляной или в водяной фазе эмульсии. По мере того как силикатеины вступали в реакцию с растворенными металлами, они осаждали их, объединяя металлы в результирующую структуру и формируя наночастицы из двуокиси кремния или двуокиси титана.

Создав пул генов силикатеина – комбинации и рекомбинации различных силикатеиновых генетических материалов – ученые смогли создать множество силикатеинов и затем выбрать материал с желательными свойствами.

Процесс привел к формам силикатеинов, не доступным в природе. Например, некоторые силикатеины самособирались в листы и образовывали рассеянные минеральные наночастицы, в противоположность агломерированным частицам, образуемых естественными силикатеинами в типичных случаях. В некоторых случаях образовывались также кристаллические материалы, демонстрируя способность к кристаллообразованию, которая приобреталась посредством направленной эволюции.

Поскольку силикатеины являются энзимами с относительно длинными аминокислотными цепочками, которые могут укладываться в точные формы, имеются возможности для большей функциональности, чем при использовании более коротких биополимеров или при более традиционных подходах синтезирования. В добавок, процесс потенциально мог бы работать с различными металлами, что позволило бы получать разные типы материалов. Изменяя лабораторную среду, в которой происходит направленная эволюция, возможно будет получать материалы со специфическими свойствами, к примеру, высокопроизводительные солнечные элементы.

Изображение показывает процесс синтеза двуокиси кремния с помощью направленной эволюции силикатеиновых протеинов

Не исключено, что наступит день, когда станет возможна передача электроэнергии от ветряной турбины, находящейся в открытом море, на сушу без потерь. Материалы, известные как высокотемпературные сверхпроводники (даже если эффект проявляется при температуре -140°C), могут превратить эту мечту в реальность.

Однако в последние 25 лет ученые не достигли сколь-нибудь значительного прогресса в этой области. Исследования, которые проводятся в Лаборатории квантового магнетизма (LQM) Швейцарского федерального технологического института (EPFL), могут изменить ситуацию. Изучение магнетизма в сверхмалых масштабах может дать физикам инструмент для исследования новых сверхпроводящих материалов.

Существует ряд керамических материалов, которые являются прекрасными изоляторами при комнатных температурах, но становятся совершенными проводниками при погружении в жидкий азот. Однако это явление, известное как высокотемпературная сверхпроводимость, не до конца понятно физикам. Они предполагают, что при этих температурах начинают играть роль коллективные квантовые магнитные свойства атомов. Но изучение магнитных свойств этих материалов на атомной шкале требует огромных усилий.

Марк Дин (Mark Dean), Джон Хилл (John Hill) и Айвэн Бозович (Ivan Bozovic) из Брукхэвенской национальной лаборатории, Тростен Шмитт (Thorsten Schmitt) из Института Поля Шеррера (PSI) и Бастиен Далла Пьяцца (Bastien Dalla Piazza) и Хенрик Роннов (Henrik Ronnow) из EPFL приоткрыли завесу над этим явлением. Используя уникальное устройство, команда из Брукхэвена создала слой толщиной в один атом. Затем ученые из PSI смогли применить сверхчувствительный прибор для измерения магнитной динамики атомов. А исследователи из EPFL уложили последний элемент мозаики с помощью математических моделей, описывающих результаты измерений.

«Теперь у нас есть своего рода маяк, который будет указывать нам направление наших дальнейших исследований», - объяснил Роннов. Без понимания того, как эти сверхпроводящие свойства возникают при данных температурах, исследователи пробирались к решению проблемы наощупь, используя метод проб и ошибок. Объединяя эти результаты с другими недавними работами, выполненными в LQM Николаем Цирулиным (Nikolai Tsyrulin), команда из EPFL разработала новый метод, который поможет физикам в их исследовании новых сверхпроводников. Это давно ожидаемый шаг в этой области, ведь Нобелевская премия за открытие высокотемпературной сверхпроводимости была вручена 25 лет тому назад.

Явление, впервые наблюдаемое античным греческим философом более 2300 лет назад, стало основой нового устройства, разработанного для сбора огромного количества теряемой в форме тепла энергии, для производства электричества.

Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang) с коллегами из Технологического университета Джорджии объяснил, что более 50% энергии, генерируемой в США каждый год, теряется в виде тепла, - от компьютеров и автомобилей и до линий электропередач. Тепло может быть преобразовано в электричество с помощью так называемого пироэлектрического эффекта, впервые описанного древнегреческим философом Теофрастом в 314 г. до н.э., когда он заметил, что турмалин производит статическое электричество и притягивает соломинки при нагревании. Нагревание и охлаждение перестраивают молекулярную структуру некоторых материалов, включая турмалин, и создают дисбаланс электронов, что приводит к появлению электрического тока. Группа д-ра Вана решила применить это явление для изготовления наногенератора, который будет использовать тепловые изменения в современном мире, к примеру, связанные с суточными колебаниями температуры, для производства электричества.

Чтобы сделать это, исследователи поместили нанопроволоку из окиси цинка в сложную конструкцию, составленную из краски, пластика и электроники. Используя массив коротких нанопроволок, поставленных вертикально, они продемонстрировали устройство, которое генерировало ток при нагревании или охлаждении. Ученые предполагают, что наногенератор может производить ток за счет флуктуаций дневной и ночной температур.

Новый тип наногенератора может быть основой для нанотехнологий с автономным питанием, которые используют термальную энергию температурных флуктуаций в окружающей среде для таких приложений, как беспроводные датчики, медицинская диагностика и персональная электроника.

Теории первичной Вселенной предсказывают существование узлов в структуре пространства, известной как текстура космоса, которые могут быть идентифицированы с помощью анализа реликтового излучения.

Используя данные спутника NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), исследователи из Лондонского университетского колледжа (UCL), Имперского колледжа Лондона и Perimeter Institute for Theoretical Physics (Канада) выполнили первый поиск текстуры на полном небосводе, и не обнаружили данных, подтверждающих наличие узлов в пространстве.

По мере того как Вселенная охлаждалась, она испытывала серию фазовых переходов, аналогичных тем, которые испытывает вода, превращаясь в лед. Много переходов не могли происходить согласованно во всем пространстве, приводя в ряде теорий к неоднородностям в структуре остывающего вещества, известным как космические текстуры.

Если бы в ранней Вселенной существовали текстуры, то они взаимодействовали бы с реликтовым излучением и оставили набор характерных горячих и холодных участков. Будучи обнаруженными, такие сигнатуры предоставили бы бесценную информацию о фазовых переходах, происходивших во Вселенной в возрасте долей секунды, и оказали бы глубокое влияние на физику элементарных частиц.

Предыдущее изучение, опубликованное в 2007 г. в Science, содержало привлекательный намек, что особенность реликтового излучения, известная как «холодная область», могла образоваться благодаря космической текстуре. Однако холодная область охватывает только около 3% небесной сферы, и анализ, использующий полную микроволновую карту неба, не выполнялся.

Новое изучение, опубликованное в Physical Review Letters, приняло в расчет самые лучшие пределы теорий о текстурах, исключив теории с 95% достоверностью, которые порождают более чем шесть детектируемых текстур на нашем небе.

Стивен Фини (Stephen Feeney) из департамента физики и астрономии UCL сказал: «Если бы текстуры наблюдались, они бы предоставили бесценную информацию о том, как работает природа при колоссальных энергиях, пролив свет на теорию объединения сил в физике».

В то же время, соавтор статьи Мэтт Джонсон (Matt Johnson) из Perimeter Institute отметил, что хотя экспериментальные данные о наличии таких объектов не обнаружены, это не последнее слово: через несколько месяцев они будут иметь доступ к более точным данным, полученным со спутника Планка. «Или мы обнаружим текстуры, или введем новые ограничения на теории, которые их предсказывают. Только время даст ответ», - добавил он.

Симуляция на суперкомпьютере случайного набора текстур в высоком разрешении. Красный цвет указывает положительное искривление плотности топологического заряда, голубой – на отрицательное