年末年始は終わりに近づいています。つまり、 アメリカ物理学協会 でその年のことを検討する時です。 この年は、すべての面で興味深いことが判明しました-基本的な発見と技術的な成果の両方です。

今年の発見：グラフェンの超伝導

おそらく、今年の主な発見は、 2層グラフェンの超伝導でした 。 一番下の行は単純です：グラフェンのシートを取り、その上に別のシートを置き、わずかな角度で回転させます。 「マジック」角が約1.1ºの場合、構造体は約1 Kの温度で超伝導になります。この温度は実際の用途には低すぎ、開口部のパルプは完全に異なります。超伝導2層グラフェンは、高温超伝導体。

高温超伝導の性質は依然として理解不能であり、YBaCuOタイプの複雑な結晶でのみ観察されたことを思い出してください。 その中で何が起こっているのかを理解するためにそのような物質をシミュレートすることは、ほとんど不可能な作業です。 したがって、比類のないほど単純なグラフェンが半世紀の自然の謎に光を当てることができるという事実は、嬉しい驚き以上のものです。 また、グラフェンは作業がはるかに便利です-磁場/電界に配置し、さまざまな角度で回転させることができますが、これはすべて複数回行われ、よく研究されているため、比較するものがあります。

何が起こっているのかまだ明確な理解はありませんが、基本的な考え方は明確です：グラフェンの2枚のシートの適用は、数十原子の距離で繰り返される複雑なパターンを形成します（図の黄色の線）。 これにより、周期的な超格子が作成されます。これはグラフェンのエネルギーゾーンに影響を与え、「魔法」の角度で超伝導をもたらします。 2層の材料を使った研究は、世界中の数十の科学グループによってすでに取り上げられており、今後数年のうちに、本当に興味深い結果が待ち受けています。

今年のサプライズ：ニュートリノ振動

ニュートリノは、核反応でしばしば現れる超軽量の素粒子です。 今日、私たちは3種類のニュートリノ（電子、ミュー粒子、タウニュートリノ）を知っています。 そして、それらはあるタイプから別のタイプにその場で「回転」できます-この素晴らしい効果はニュートリノ振動と呼ばれ（Habréで良いレビューがありました）、その発見は2015年のノーベル賞でマークされました。

今回、 Fermilabから興味深いニュースが届きました。 MiniBooNE実験では、ミューニュートリノが生成され、電子への変換が研究されました。 ニュートリノ振動が予想よりもはるかに頻繁に発生したことが判明しました。 最も単純な説明の1つは、4番目のタイプのニュートリノ、いわゆる滅菌ニュートリノの存在です。 他のタイプとは異なり、滅菌ニュートリノは重力によってのみ周囲の物質と相互作用します（したがって、それらを直接検出することはほとんど不可能です）が、ニュートリノ振動の周波数に影響を与える可能性があります。

原則として、そのような理論は長い間知られています。 しかし、新しいタイプのニュートリノの導入は、素粒子の標準モデルをかなり変えます。 現在、精製実験が計画されており（フェルミラボのMicroBooNE、カリーニンNPPのDANSS）、滅菌ニュートリノの問題はこれまでのところ未解決のままです。

リドルオブザイヤー：ダークマター

私たちが知っているように、宇宙の大部分は暗黒物質で構成されています-未知の性質の見えない物質で、銀河の大部分を占めています。 長い間、暗黒物質の役割の主な候補はWIMPでした -重力のみによって外界と相互作用する未知の質量素粒子（たとえば、前述の滅菌ニュートリノなど）。 多くの異なる検出器がそれらを検索するために構築されましたが、それらのどれも肯定的な結果をもたらさなかったため、現在、関心は徐々に他の可能な説明にシフトしています。

ホーキングによって半世紀前に提唱された最も単純な代替案はブラックホールです-それらはただ巨大で目に見えません。 たとえば、10 ^-8から10の太陽質量の主要なブラックホールは、原子の出現前に宇宙の夜明けに形成された可能性があります。 そのような物体が存在する場合、時々、それらが重力レンズ効果により目に見える星の円盤をどのように通過するかを観察し、その形状と明るさをゆがめなければなりません。

昨年の作品の1つで、著者は観測されたタイプ1a超新星の同様の歪みを探しました 。 無駄に。 これは、太陽質量が0.01を超える一次ブラックホールでは、観測可能なすべての暗黒物質を説明するには明らかに不十分であることを意味します。 ただし、その一部を構成できます。

別の興味深い結果は、星間水素の吸収の研究でした。 宇宙の初期段階のいくつかでは、水素がモデルが予測するよりもはるかに寒かったことが判明しました。 これに対する最も論理的な説明は、暗黒物質粒子との相互作用による星間ガスの冷却です。 それはその性質に光を当てるのではなく、ブラックホールの仮説に対して証言します。 要するに、これまでのところ、暗黒物質の探索は古典的な科学的謎のままです。明確なものは何もありませんが、非常に奇妙です。

保守派の年：ヒッグスボソンと標準モデル

2012年のヒッグス粒子の発見については誰もが耳にしました。 このタスクは簡単なものではありませんでした。標準モデルにおける役割と他の素粒子との相互作用の特徴を正しく理解しているかどうかを確認するのはさらに難しいことがわかりました。 理論によれば、フェルミオンとの相互作用の力は後者の質量の増加とともに増大するため、最も重いフェルミオンとの相互作用を観察するのが最も簡単です。 実際、過去1年はこのトピックに関する2つの結果によって特徴付けられました。

最初に、CERNのATLASとCMSのコラボレーションは、トップクォークとトップクォークのペア（いわゆるttHプロセス）とともにヒッグス粒子の誕生を実証しました 。 これへの道は厄介で、かつてはttHプロセスが予測よりも可能性が高いようでした（ 良いレビュー ）が、2018年の結果はすべてが標準モデルと完全に一致していることを示しています。

同じコラボレーションの2番目の結果は、ヒッグス粒子のクォークと反クォークへの崩壊です。 ここで、原理は同じです。崩壊生成物が重いほど、その可能性が高くなります。 ただし、ヒッグス粒子には、最も重いトップクォークとトップ反クォークに崩壊するのに十分なエネルギーがないため、最も可能性の高い（58％）がbクォークとb反クォークに崩壊します。 問題は、陽子が衝突器で衝突して同じクォークと反クォークのペアに崩壊したいという事実によって追加されたため、陽子の衝突からのノイズが最小になることが判明したトリッキーな実験条件を選択する必要がありました。 繰り返しになりますが、結果は標準モデルの予測と一致しました。したがって、この分野では新しい物理学は予想できません。

スプートニクオブザイヤー：ミシウス

数年前、私は中国の量子衛星ミシウスの打ち上げについて話しました。 この間、彼は衛星量子インターネットへの道を開くことに成功し、北京とウィーン間の量子鍵配布を実証しました 。 キーは、衛星が地上局を通過するときに生成され、ビットレートは3〜9 kb / sであり、1回の通過で長さが50〜100キロバイトのキーを提供します。

量子インターネットのデモンストレーションは、それほど美しくないことが判明しました。 覚えているように、無線で送信された最初のメッセージはモールスによって反発された「ヘンリー・ハーツ」という名前でした。 伝統を続けて、衛星量子インターネット上の最初のメッセージは、中国の哲学者Mo-Tzu（衛星にちなんで命名された）とEdwinSchrödinger（ウィーンに住んでいた）の写真でした。

次のデモンストレーションは、中国とオーストリアの科学アカデミー間のビデオ会議の暗号化でした。 ビデオは、AESアルゴリズムを使用して暗号化され、128ビットキーは毎秒変更されました。 その結果、75分間続くビデオ会議には72キロバイトの秘密鍵しか使用されませんでした。

近い将来、Miciusのビジネスは新しい衛星で継続されます。 1550 nmの波長で絡み合った光子を生成します。この場合、太陽からの照明はわずかに少なくなり、大気の透過率は現在の850 nmよりもわずかに高くなります。 これは、新しい地上ベースの検出器（既に正常にテストされています）とともに、夜間だけでなく日中にも衛星から信号を受信できるようにします。 また、より高い軌道に打ち上げられると、衛星の視界時間が長くなります。 これまでのところ、すべてが完璧に進んでいます;残っているのは、作成者に公正な風を願うことです。

今年の革命：SIシステムの再定義

キログラム基準-重量と測定のチャンバーからの同じプラチナイリジウムシリンダー-は2019年5月20日に辞任します。 新しいキログラムは、基本定数の1つであるプランク定数によって決定されます。 それとともに、ケルビン度（ボルツマン定数に関連付けられます）、アンペア（電子の電荷によって表されます）、およびモル（正確には6.02214076 x 10 ²³原子が存在する）の定義が変更されます。 したがって、 今後 、SIシステムのすべての値は基本的な物理定数によって決定されます 。

新しいSI単位システムは、私たちにとって便利な単位で物理量を測定するのではなく、世界中で同じ物理エンティティに単位を追加するという点で美しいです。 たとえば、1メートルは、真空中を1/299 792 458秒で移動する光の量とまったく同じです。 299 792 458という数字は、私たち自身が設定しているため、正確です。 次に、2番目はセシウム原子の2つのエネルギーレベルで設定され、その間の距離は9 192 631 770 Hzに正確に等しくなります。 したがって、崇拝の基準からの計測はレシピに変わります。セシウム原子、光の速度、プランクの定数はどこでも同じであり、突然火星に連れて行かれた場合、ユニットのシステム全体を復元できます。

今年のビデオ：成長するクリスタル

原子分解能の電子顕微鏡を使った写真は誰も驚かないでしょう。 別のこと-ビデオ、さらには！ パリのグループは、ヒ化ガリウム結晶がどのように過飽和溶液から原子ごとに成長するかを写真に収めました。

原則として、ここでは新しいことは何もありません-結晶成長の特徴は長い間よく研究されており、半導体産業で積極的に使用されています。 しかし、あなたが見るビデオは、魅惑的です。

ナノテクノロジーオブザイヤー：最速のスピニングトップ

チューリッヒ高等技術学校とパデュー大学の2つのグループは、ナノ粒子を毎秒10億回転以上の速度でスピンさせる方法を示しました 。 このために、ナノ粒子、つまりガラスの液滴またはサイズが100〜200ナノメートルのダンベルが、集束レーザーによって形成された光ピンセットに取り込まれました。 レーザーの偏光が円形の場合、レーザービームには回転モーメントがあり、粒子に伝達されるため、粒子がねじれます。

もちろん、光子の回転モーメントは非常に小さいため、巻き戻しは数分かけて非常にゆっくりと進行しました。 周囲の空気に対するナノ粒子の減速も障害でした;したがって、最大速度は深真空（10 ^-5 mbar）でのみ達成されました。 しかし、その結果は印象的でした。最高速度では、遠心力がナノ粒子を破壊しそうになるため、この技術は材料の強度を測定するのに興味深いかもしれません。 そして、そのような革命では、カシミール効果が現れます-真空中の仮想粒子の存在によって引き起こされる基本的な量子現象。

新年のボーナス：鹿のセーターとその方程式

APSは、年末に何か異常なことをするのが大好きです。 今回、編集者はニット生地の特性に関する研究を気に入っていました。 私たちは皆、ボールのウールがほとんど伸びていないことを知っていますが、お正月休み後に5キロも増えたとしても、ニットのセーターはあなたに簡単にフィットします。 この理由は、もちろん、ループ内にあり、ループが形を変えて、生地が伸びることができます。

初期のニット生地のパターンは、すべてのループがほぼ同じように変形することを示唆していました。 これがそうではないことは明らかです。スカーフを伸ばすと、真ん中で大きく収縮し、スカーフを保持している場所ではほとんど収縮しません。 そして、スレッドは、あるループから別のループに少し移動して、境界を変更できます。

これらの質問はすべてフランスの3人の科学者を魅了し、ニット生地のきちんとしたモデルを作成することにしました 。 2つの主なポイントがありました。糸は非伸縮性であり、ファブリックはループ内の糸の曲げによって引き起こされる総エネルギーを最小化しようとします。 結果は、ファブリック内のループの位置に応じてループの変形を記述するかなり単純なモデルです。 そうそう、これと並行して、彼らはナイロン生地を縛り、あらゆる方法でそれを伸ばし始めました。 もちろん、モデルは実験結果と非常によく一致していることがわかりました。

結論の代わりに

これは、過去1年間を思い出す方法です。 そして今、仕事のために、そして私たちは来年も同様に面白くしようとします;）。