Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Квантовая физика остается для нас загадкой, хотя повсеместно используется в современных технологиях

В 2021 году лауреатом Гамбургской премии по теоретической физике одной из самых престижных наград для физиков стал российско-американский исследователь Евгений Демлер, работающий над пониманием сильно коррелированной квантовой материи от электронов в твердых телах до разреженных одноатомных газов и фотонов.В 2016 году ПостНаука подготовила с Евгением материал о динамике неравновесных квантовых систем, а сейчас публикуем развернутую беседу о его исследованиях и квантовой физике в целом.Что вас больше всего увлекает в квантовой физике?При словах квантовая физика большинство читателей наверняка представит себе какие-нибудь экзотические эксперименты, которые проводят в университетских лабораториях или на гигантских ускорителях вроде DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, Немецкий Электронный Синхротрон). На самом деле квантовая физика окружает нас повсюду. В качества примера можно привести мобильные телефоны: любой современный смартфон работает как мини компьютер благодаря миллиардам полупроводниковых транзисторов. Создание полупроводниковых технологий было бы невозможно без понимания квантовых свойств электронов в полупроводниках. Квантовые эффекты стали особенно важны в устройствах последних поколений, где один транзистор может насчитывать всего двадцать пять атомов в ширину. Фильтры СВЧ, установленные на вышках сотовой связи, играют ключевую роль в обеспечении беспроводной коммуникации между мобильными телефонами, позволяя одной станции передавать одновременно множество разговоров, не смешивая их между собой. Наиболее качественные фильтры СВЧ основаны на сверхпроводимости квантовом феномене, при котором электрический ток может проходить по материалу без сопротивления. Навигационные системы в мобильных телефонах опираются на атомные часы на бортах спутников GPS, которые обеспечивают супер точные измерения времени благодаря квантовой механике. Как это ни удивительно, квантовая физика остается для нас загадкой, хотя она повсеместно используется в современных технологиях. Ричард Фейнман сказал, что квантовую механику не понимает никто. Современное отношение к квантовой физике описывается фразой молчи и считай. Не то чтобы мы поняли квантовую механику, но мы научились принимать ее странности.Лично для меня одна из самых поразительных особенностей квантовой физики это ее универсальность. Физики постоянно говорят об универсальности, но давайте я объясню это понятие для тех, кому повезло не оказаться рядом с физиком на вечеринке. Первый пример восходит еще к Исааку Ньютону, который понял, что и падение яблока с дерева, и вращение планеты вокруг Солнца можно описать одним и тем же законом гравитации. Еще один, надеюсь, знакомый пример электромагнитное излучение. Радиоволны, микроволны, видимый свет, рентгеновское излучение все это разные примеры электромагнитного излучения с частотами от 106 Гц для радиоволн и 1020 Гц для рентгеновского излучения, но все эти волны можно описать уравнениями Максвелла, что является свидетельством универсальности электромагнитной теории. То же верно и для квантовых явлений. В 2011 году в экспериментах с холодными атомами в Гамбурге и в Мюнхене удалось пронаблюдать резонанс Хиггса. Вы наверняка слышали о том, что в 2012 году в ЦЕРН удалось увидеть в экспериментах бозон Хиггса последнюю частицу Стандартной модели элементарных частиц. Для этого физикам пришлось ускорить протоны до энергий в 120 ГэВ это примерно в 1012 раз выше комнатной температуры. Для экспериментов с холодными атомами же их нужно было охладить до температур меньше нанокельвина, то есть примерно в 1012 раз ниже комнатной температуры. Хотя кажется, что в этих экспериментах исследовались совершенно не связанные феномены, наблюдаемые в разных физических системах и на радикально разных энергиях (с разницей в 1024 раза!), это были проявления одного и того же явления квантовой физики.Мои исследования связаны с теоретическими аспектами физики конденсированного состояния. По правде сказать, в квантовую теорию конденсированного состояния я попал по счастливой случайности. На Физтехе меня интересовала физика в целом, но мое решение заняться теорией было в первую очередь связано с интересом к астрофизике. Когда я попал в группу Виталия Гинзбурга, в первый же день он прочитал лекцию, где по сути сказал, что все крупные проблемы в астрофизике уже решены, так что молодым людям лучше работать над проблемой высокотемпературной сверхпроводимости. Сегодня трудно согласиться с оценкой Гинзбурга, но нужно помнить, что это было еще в 1991 году: тогда мы не знали о темной энергии, и экзопланеты тоже еще не были открыты. С другой стороны, проблема высокотемпературной сверхпроводимости была на пике своей популярности. После того, как я начал изучать теоретическую физику конденсированного состояния, меня все больше и больше захватывала идея о том, что я могу работать над решением сложнейших загадок природы, в то же время помогая приблизить технологии будущего.Что в физике конденсированного состояния особенно привлекательно для теоретиков, так это возможность экспериментально проверить свои идеи. Это как проверить согласна ли природа с твоими идеями. Еще один важный аспект физики конденсированного состояния это ее междисциплинарность. Возьмем например, область ультрахолодные атомов. При изучении ультрахолодных атомов экспериментаторы используют инструменты традиционной атомной физики, созданные для исследования отдельных атомов. С помощью этих методов они решают задачи из области многочастичных квантовых систем, которые возникают при описании свойств электронов в кристаллах. Другой пример эксперименты типа накачка зондирование. Инструменты классической и квантовой оптики применяются для проведения исследований в нескольких областях физики твердого тела, таких как магнетизм и высокотемпературная сверхпроводимость. И, наверное, самой важной особенностью квантовой физики конденсированного состояния является то, насколько часто в ней происходят новые экспериментальные открытия как например недавнее получение графена и иных ван-дер-ваальсовых гетероструктур. Теоретики в этой области постоянно должны осмыслять новые системы и новые физические феномены.Что вдохновляет вас на исследования? Как вы находите новые проблемы, исследуете новые области?Есть несколько путей, как физики-теоретики находят новые проблемы. Первый путь связан с попыткой разрешить возникшие в ходе экспериментов вопросы и парадоксы. У экспериментальных физиков есть собственное глубокое понимание изучаемых феноменов, и большую часть наблюдений они могут объяснить сами но иногда оказывается, что разработка численной модели эксперимента требует особых знаний в области теории. Или еще интереснее: результаты эксперимента расходятся с гипотезами. В таких ситуациях на помощь приходят теоретики. Их роль не сводится только к тому, чтобы решать особенно сложные математические уравнения: в первую очередь теоретики задаются вопросом, какова правильная физическая модель для описания данного эксперимента. Более полное понимание модели может изменить направление экспериментального исследования. Я помню несколько обсуждений с физиками-экспериментаторами, когда они рассказывали, что результаты искажаются из-за технических проблем. Но когда мы начали обсуждать их эксперименты, мы поняли, что они недооценили сложность и нетривиальность своей системы. То, что они называли техническими проблемами с экспериментами, на самом деле было проявлением новых интереснейших физических явлений!Второй путь, который помогает теоретикам найти новые проблемы, в каком-то смысле обратен первому. Размышляя о прогрессе в той или иной области, теоретики могут предложить идеи для исследования феноменов, которые раньше не наблюдались. Это может привести к новым экспериментам или по крайней мере к новому анализу результатов прошлых экспериментов. Работая над таким проектом, недостаточно просто написать теоретическую статью: нужно убедить коллег-экспериментаторов реализовать предложение в экспериментах. А когда они начинают проводить эксперименты, обычно они обнаруживают, что жизнь намного сложнее упрощенной теоретической модели. Приведу пример. Мы предложили измерять топологические свойства некоторых квантовых систем с использованием интерференции спиновых состояний атомов. Когда мы только начинали разрабатывать теоретическую модель эксперимента, мы предположили, что магнитное поле в лаборатории будет постоянным. Но когда наши коллеги в группе Иммануила Блоха в Мюнхене начали реализовывать эксперимент, они обнаружили, что ничего не работает по совершенно прозаической причине: рядом с лабораторией проходила ветка метро, и каждый раз, когда мимо проезжал поезд, магнитное поле менялось. По обычным меркам это изменение было незначительным, но его хватало для того, чтобы подавить сигнал, который они пытались измерить. Во время совместных обсуждений мы поняли, что это не техническая проблема, а важный концептуальный вопрос. Топологические свойства естественнее всего определять путем сравнения двух разных конфигураций системы, а не при исследовании только одной из них. Мы скорректировали протокол, чтобы измерить разницу между двумя конфигурациями, и это также позволило убрать шум, вызванный флуктуациями магнитного поля. Постоянное взаимодействие между теорией и экспериментами в этом проекте было критически необходимо не только чтобы успешно провести эксперименты, но и чтобы прояснить теоретические концепции.Третий путь, которым теоретики приходят к новым проблемам это разработка методов описания феноменов, которые не поддавались теоретическому анализу в прошлом. Считайте это разработкой математического аппарата теоретической физики хотя не стоит считать, что такая работа полностью оторвана от экспериментов. Теоретики могут работать в самых разных направлениях, и самое интересное формулировать гипотезы, которые можно впоследствии проверить экспериментально. Иногда успешные эксперименты напрямую требуют разработки новых теоретических моделей. Когда меняется техника проведения экспериментов, становится возможным измерять те вещи, которые раньше измерить не удавалось и для теоретиков это значит, что мы задаемся вопросами, которые раньше у нас не возникали.По вашему мнению, насколько важна ваша работа? И насколько для вас важна ее практическая применимость?Когда я начинаю новый проект, я не думаю о его важности. Мне сложно решить, имеет ли проект в области магнетизма большее или меньшее значение по сравнению с проектом в области оптики. Безусловно, идей всегда больше, чем времени, так что среди них нужно выбирать приоритетные. Мы в моей группе пользуемся таким критерием: соотношение удивления к усилиям. Лучше всего, когда конечный результат удивляет как можно больше людей, в то время как сам проект требует меньше всего усилий. Хуже всего, когда работы было проведено много, а результат оказался таким, как все ожидали.Если встает вопрос о выборе области исследования, то мне нравятся те, где эксперименты поставили много неразрешенных проблем. Леонардо да Винчи призывал художников учиться у природы, а не у других художников. Думаю, это применимо и к физикам-теоретикам. Основной мотив моей работы попытаться понять, как работает природа. Я предпочитаю решать возникшие в результате экспериментов проблемы, а не улучшать работы других теоретиков. Теоретиков часто делят на тех, кто ищет красоту, и тех, кто ищет истину. Я отношу себя к последним; полагаю, что когда вы ищете истину, вы находите красоту.Во многом моя работа связана с вопросом о том, от чего зависят свойства материалов от магнетизма и электропроводимости до их оптических характеристик. Эти знания затем можно использовать для создания материалов и устройств с новыми функциями и лучшими свойствами. Возьмем сверхпроводимость. Если мы сможем поднять рабочую температуру сверхпроводников до комнатной, производство сверхпроводящих проводов станет экономически целесообразным, и тогда мы сможем избежать потерь при передаче электроэнергии. Сверхпроводники, которые работают при комнатной температуре, найдут множество других применений в электроэнергетике, транспорте и беспроводных коммуникациях. Пока что поиск новых сверхпроводников шел методом проб и ошибок: материаловеды и химики синтезировали новые материалы без особой опоры на теорию. Это связано с плохим пониманием феномена высокотемпературной сверхпроводимости. Ее обнаружили экспериментально 35 лет назад, но теоретики до сих пор не разобрались в ее причинах хотя не то чтобы мы не пытались: эта область привлекла внимание большого количества как экспериментаторов, так и теоретиков.В моей группе мы активно исследуем возможность использования ультрахолодных атомов в качестве квантовых симуляторов высокотемпературных сверхпроводников. Идея квантовых симуляторов восходит еще к Фейнману, который предложил использовать одну квантовую систему для моделирования другой. В сверхпроводниках на основе оксида меди мы можем получить одновременно магнетизм и сверхпроводимость электронов при температурах в сотни градусов Кельвина; ультрахолодные атомы позволяют нам создать аналоги таких материалов с использованием пойманных в ловушку атомов при температурах, измеряемых в нанокельвинах. Преимущество симуляторов на холодных атомах состоит в том, что мы можем контролировать все составляющие модели по отдельности, включая кинетическую энергию атомов и взаимодействия между ними. Полагаю, что в течение нескольких лет ключевые открытия в области высокотемпературной сверхпроводимости будут совершены благодаря симуляторам на холодных атомах. Те же экспериментальные системы также можно использовать для исследования других любопытнейших феноменов в электронных системах с квантовыми корреляциями и сильными взаимодействиями например, для исследования квантового магнетизма, когда спиновые флуктуации продолжаются даже при нулевой температуре.Какими вопросами вы хотели бы заняться в будущем? Над чем вы хотели бы работать в Швейцарском Федеральном Технологическом Институте Цюриха?Одна из особенно активных областей исследования в квантовой физике это поиск практических применений существующих сегодня квантовых компьютеров. Когда ученые всерьез взялись за разработку квантовых компьютеров, у них были заоблачные ожидания. Среди них самым оптимистичным был так называемый закон Роуза, сформулированный в начале 2000-х: согласно этому закону, к 2014 году уже должен был появиться квантовый компьютер с несколькими тысячами идеальных кубитов, которые для задач дискретной оптимизации могли проводить расчеты систем размер которых сравним с количеством частиц во Вселенной. Реальность оказалась намного сложнее. У нас есть квантовые компьютеры на десятки или максимум несколько сотен кубитов, но эти кубиты далеки от совершенства и сильно зависят от влияния окружающего шума. Сейчас непонятно, можно ли найти практические задачи, при решении которых такие несовершенные квантовые компьютеры будут иметь хоть какое-то преимущество перед обычными. Я предполагаю и так же думают некоторые мои коллеги что несовершенные квантовые компьютеры будут полезны только для решения задач которые по своей изначальной природе квантовые. В частности, мы в моей группе недавно начали работать над созданием эффективных протоколов для интерпретации спектров ЯМР сложных органических молекул. Спектры ЯМР определяются динамикой спинов ядер и, следовательно, являются квантовыми по своей природе, так что вполне логично попытаться смоделивать их на квантовых компьютерах. Разработка протоколов для интерпретации спектров ЯМР с опорой на квантовые компьютеры поможет биологам и медикам идентифицировать химические соединения в живых тканях. Недавно совместно с группой экспериментаторов под руководством Криса Монро из университета Мэрилэнда мы смогли продемонстрировать первое успешное моделирование спектра ЯМР на квантовом компьютере.Еще одно важное новое направление исследований это оптический контроль свойств материалов. Одни из самых впечатляющих экспериментов в этой области были проведены исследовательской группой из Института структуры и динамики материи общества Макса Планка (Гамбург) под руководством Андреа Каваллери. Он впервые экспериментально доказал, что импульсы интенсивного света могут индуцировать свойства сверхпроводимости в материалах, которые в состоянии равновесия не являются сверхпроводниками. Интуитивно кажется, что импульсы интенсивного света должны разогреть материал и подавить сверхпроводимость, но эксперименты по меньшей мере на трех разных материалах показали обратный эффект: импульсы света усиливают сверхпроводимость, пусть даже на короткий срок не больше десяти наносекунд. Для объяснения этого эффекта было предложено несколько теорий начиная от того, что импульсы света охлаждают электроны, до того, что фотоиндуцированные вибрации решетки усиливают скрытые сверхпроводящие электронные корреляции. Эксперименты с другими материалами также продемонстрировали удивительные фотоиндуцированные явления например, в изоляторе Ta2NiSe5, для которого характерен совершенно другой тип электронных корреляций. Мы в моей исследовательской группе уже пытаемся выйти за рамки упрощенных моделей и добавить в анализ фотоиндуцированных свойств изоляторов и сверхпроводников параметры, связанные с их материалами. Здесь возникает интересный вопрос, можно ли изменить свойства материалов не благодаря внешнему свету, но изменяя равновесные флуктуации электромагнитных полей: это можно сделать, например, добавив на поверхность материала специальные наноструктуры.
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 06.01.2022 12:04:33
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2022, umnikizdes.ru