- 14,920
- 22
- 8 Ноя 2022
Физики приручили свет, чтобы разгадать важнейшую космическую головоломку.
Учёные из Сингапура Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся одной из величайших тайн космоса. Группа из Наньянского технологического университета разработала методику, которая может стать основой для обнаружения тёмной материи во Вселенной и помочь раскрыть фундаментальные секреты мироздания.
В современной астрофизике видимая материя - звёзды, планеты и прочие небесные тела - составляет лишь малую часть всего, что существует в космосе. По оценкам специалистов, около 85% вещества во Вселенной представляет собой невидимую тёмную материю. Непостижимая для современных приборов субстанция служит гравитационным клеем, не позволяющим галактикам распасться под действием центробежных сил.
Термин "тёмная материя" впервые прозвучал в научных кругах в 1930-х годах, когда астрономы столкнулись с необъяснимым феноменом: наблюдаемого вещества в галактиках категорически не хватало для создания гравитационных сил. Уже позже исследователи пришли к выводу, что тёмная материя может служить тем самым фундаментальным каркасом, который определяет процессы формирования и эволюции звездных формирований.
Несмотря на четыре десятилетия интенсивных поисков, обнаружение тёмной материи остаётся сложнейшей нерешенной задачей современной физики. Главная трудность заключается в природе самого объекта исследований: она не излучает и не отражает свет, не обладает электрическим зарядом и демонстрирует крайне слабое взаимодействие с обычным веществом, что делает её практически неуловимой для существующих научных инструментов.
В поисках элементов, составляющих тёмную материю, физики обратили особое внимание на гипотетические частицы под названием аксионы. Их история началась в 1977 году, когда Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили теоретическую концепцию для решения фундаментальной проблемы в физике элементарных частиц - сильной CP-проблемы.
Год спустя ученые Франк Вильчек и Стивен Вайнберг, работая независимо друг от друга, пришли к выводу, что концепция Печчеи-Куинн предполагает существование новой частицы. Вильчек, проявив научное остроумие, назвал частицу аксионом в честь марки стирального порошка, поскольку она теоретически "вычищала" несоответствия в физических теориях.
Современные космологические теории предполагают, что аксионы возникли в первые мгновения существования Вселенной, во время стремительного расширения пространства сразу после Большого взрыва. Если эти частицы действительно составляют основную часть тёмной материи, их обнаружение представляет собой исключительно сложную задачу из-за их уникальных свойств.
Группа исследователей под руководством профессора Чжан Байле из Школы физических и математических наук Наньянского технологического университета предложила новый подход к поиску аксионов. Учёные создали специальные кристаллические структуры на основе искусственного граната - иттрий-железного граната, который обладает уникальным сочетанием магнитных и оптических свойств и уже применяется в микроволновых устройствах радаров и телекоммуникационных системах.
До этого прорыва команда профессора Чжана работала со слоистыми кристаллическими структурами, магнитные свойства которых позволяли модифицировать поведение фотонов внутри материала. Изначально целью исследований была симуляция редких экзотических частиц, но в процессе экспериментов учёные неожиданно обнаружили признаки, указывающие на возможное присутствие аксионоподобного поведения.
Анализируя теоретические работы, связывающие аксионы с противоположно направленными магнитными полями, исследователи выдвинули гипотезу: фотоны внутри кристалла могут проявлять свойства аксионов при условии, что слои кристалла обладают чередующимися магнитными характеристиками. Эта идея легла в основу дальнейших экспериментов.
В ходе лабораторных испытаний было зафиксировано уникальное явление: фотоны перемещались в одном направлении по трёхмерным граням кристаллической структуры - как в горизонтальной и вертикальной плоскостях, так и вбок - без эффекта обратного рассеивания. Теоретические модели предсказывают именно такое поведение для аксионов.
Предшествующие эксперименты в этой области ограничивались наблюдением частиц в двумерном пространстве. Исследователи пытались доказать, что электроны способны двигаться подобно аксионам, но фиксировали такую активность только в двух измерениях, что не позволяло получить полную картину возможных свойств тёмной материи.
Согласно теоретическим предсказаниям, настоящие аксионы способны преобразовываться в фотоны под воздействием мощного магнитного поля силой 10 Тесла. Для сравнения: это поле в десять раз превышает мощность промышленных электромагнитов, применяемых на автомобильных свалках для подъёма металлолома. Однако процесс конверсии аксионов в фотоны характеризуется крайне низкой эффективностью, из-за чего регистрация получаемых сигналов очень и очень затруднена.
Для будущих экспериментов по поиску реальных аксионов учёные планируют усовершенствовать дизайн кристаллов и использовать их в условиях экстремально сильных магнитных полей. Такие эксперименты потребуют значительных ресурсов и сложного технического оснащения, но могут привести к революционным результатам в понимании природы тёмной материи.
Помимо фундаментального значения для космологии, проведённое исследование открывает новые перспективы в других областях. Например, способность кристаллов направлять фотоны строго в одном направлении вдоль своих граней без изменения траектории может улучшить качество передачи данных в телекоммуникационных системах.
Особенно важное свойство кристаллических структур - их устойчивость к дефектам: даже при наличии несовершенств в решётке фотоны сохраняют заданное направление движения. Так мы сможем создавать более надёжные квантовые компьютеры с пониженным уровнем ошибок вычислений.
Профессор Яннис Семерцидис из Корейского института передовых технологий, признанный эксперт в области исследования аксионов, высоко оценил работу сингапурских коллег. По его мнению, разработанные кристаллические структуры с их уникальными внутренними магнитными полями представляют собой идеальный инструмент для обнаружения аксионов и могут стать основным методом поиска тёмной материи в обозримом будущем.
В реализации проекта приняли участие учёные из ведущих научных центров мира: университета Шербрука (Канада), Института химической физики твёрдого тела Макса Планка (Германия), Высшей технической школы Цюриха (Швейцария), Международного центра физики в Сан-Себастьяне, Университета Страны Басков, Баскского научного фонда (Испания), а также ряда китайских университетов, включая Дунгуаньский технологический университет, Нанкинский университет, Южный университет науки и технологий, Университет электронной науки и технологий Китая и Университет Вэстлейк.
Учёные из Сингапура Для просмотра ссылки Войди
В современной астрофизике видимая материя - звёзды, планеты и прочие небесные тела - составляет лишь малую часть всего, что существует в космосе. По оценкам специалистов, около 85% вещества во Вселенной представляет собой невидимую тёмную материю. Непостижимая для современных приборов субстанция служит гравитационным клеем, не позволяющим галактикам распасться под действием центробежных сил.
Термин "тёмная материя" впервые прозвучал в научных кругах в 1930-х годах, когда астрономы столкнулись с необъяснимым феноменом: наблюдаемого вещества в галактиках категорически не хватало для создания гравитационных сил. Уже позже исследователи пришли к выводу, что тёмная материя может служить тем самым фундаментальным каркасом, который определяет процессы формирования и эволюции звездных формирований.
Несмотря на четыре десятилетия интенсивных поисков, обнаружение тёмной материи остаётся сложнейшей нерешенной задачей современной физики. Главная трудность заключается в природе самого объекта исследований: она не излучает и не отражает свет, не обладает электрическим зарядом и демонстрирует крайне слабое взаимодействие с обычным веществом, что делает её практически неуловимой для существующих научных инструментов.
В поисках элементов, составляющих тёмную материю, физики обратили особое внимание на гипотетические частицы под названием аксионы. Их история началась в 1977 году, когда Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили теоретическую концепцию для решения фундаментальной проблемы в физике элементарных частиц - сильной CP-проблемы.
Год спустя ученые Франк Вильчек и Стивен Вайнберг, работая независимо друг от друга, пришли к выводу, что концепция Печчеи-Куинн предполагает существование новой частицы. Вильчек, проявив научное остроумие, назвал частицу аксионом в честь марки стирального порошка, поскольку она теоретически "вычищала" несоответствия в физических теориях.
Современные космологические теории предполагают, что аксионы возникли в первые мгновения существования Вселенной, во время стремительного расширения пространства сразу после Большого взрыва. Если эти частицы действительно составляют основную часть тёмной материи, их обнаружение представляет собой исключительно сложную задачу из-за их уникальных свойств.
Группа исследователей под руководством профессора Чжан Байле из Школы физических и математических наук Наньянского технологического университета предложила новый подход к поиску аксионов. Учёные создали специальные кристаллические структуры на основе искусственного граната - иттрий-железного граната, который обладает уникальным сочетанием магнитных и оптических свойств и уже применяется в микроволновых устройствах радаров и телекоммуникационных системах.
До этого прорыва команда профессора Чжана работала со слоистыми кристаллическими структурами, магнитные свойства которых позволяли модифицировать поведение фотонов внутри материала. Изначально целью исследований была симуляция редких экзотических частиц, но в процессе экспериментов учёные неожиданно обнаружили признаки, указывающие на возможное присутствие аксионоподобного поведения.
Анализируя теоретические работы, связывающие аксионы с противоположно направленными магнитными полями, исследователи выдвинули гипотезу: фотоны внутри кристалла могут проявлять свойства аксионов при условии, что слои кристалла обладают чередующимися магнитными характеристиками. Эта идея легла в основу дальнейших экспериментов.
В ходе лабораторных испытаний было зафиксировано уникальное явление: фотоны перемещались в одном направлении по трёхмерным граням кристаллической структуры - как в горизонтальной и вертикальной плоскостях, так и вбок - без эффекта обратного рассеивания. Теоретические модели предсказывают именно такое поведение для аксионов.
Предшествующие эксперименты в этой области ограничивались наблюдением частиц в двумерном пространстве. Исследователи пытались доказать, что электроны способны двигаться подобно аксионам, но фиксировали такую активность только в двух измерениях, что не позволяло получить полную картину возможных свойств тёмной материи.
Согласно теоретическим предсказаниям, настоящие аксионы способны преобразовываться в фотоны под воздействием мощного магнитного поля силой 10 Тесла. Для сравнения: это поле в десять раз превышает мощность промышленных электромагнитов, применяемых на автомобильных свалках для подъёма металлолома. Однако процесс конверсии аксионов в фотоны характеризуется крайне низкой эффективностью, из-за чего регистрация получаемых сигналов очень и очень затруднена.
Для будущих экспериментов по поиску реальных аксионов учёные планируют усовершенствовать дизайн кристаллов и использовать их в условиях экстремально сильных магнитных полей. Такие эксперименты потребуют значительных ресурсов и сложного технического оснащения, но могут привести к революционным результатам в понимании природы тёмной материи.
Помимо фундаментального значения для космологии, проведённое исследование открывает новые перспективы в других областях. Например, способность кристаллов направлять фотоны строго в одном направлении вдоль своих граней без изменения траектории может улучшить качество передачи данных в телекоммуникационных системах.
Особенно важное свойство кристаллических структур - их устойчивость к дефектам: даже при наличии несовершенств в решётке фотоны сохраняют заданное направление движения. Так мы сможем создавать более надёжные квантовые компьютеры с пониженным уровнем ошибок вычислений.
Профессор Яннис Семерцидис из Корейского института передовых технологий, признанный эксперт в области исследования аксионов, высоко оценил работу сингапурских коллег. По его мнению, разработанные кристаллические структуры с их уникальными внутренними магнитными полями представляют собой идеальный инструмент для обнаружения аксионов и могут стать основным методом поиска тёмной материи в обозримом будущем.
В реализации проекта приняли участие учёные из ведущих научных центров мира: университета Шербрука (Канада), Института химической физики твёрдого тела Макса Планка (Германия), Высшей технической школы Цюриха (Швейцария), Международного центра физики в Сан-Себастьяне, Университета Страны Басков, Баскского научного фонда (Испания), а также ряда китайских университетов, включая Дунгуаньский технологический университет, Нанкинский университет, Южный университет науки и технологий, Университет электронной науки и технологий Китая и Университет Вэстлейк.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
