Сверхпроводимость — это как фокус, который физики устроили с электричеством. Вы знаете, когда вы пытаетесь запустить свой старый компьютер и он как будто "подустал"? Вот, сверхпроводники не знают, что такое сопротивление: здесь электрический ток течет так же легко, как вода из крана! Но эта магия случается не при обычных условиях, и важным вопросом остаётся: как это работает?

Наиболее известная теория, объясняющая этот феномен, состоит в том, что в определенных условиях электроны образуют пары (знаменитые пары Купера), и сопротивление исчезает как по мановению волшебной палочки.

Недавно физики провели исследование, которое поставило под сомнение уже устоявшуюся точку зрения о роли водорода в сверхпроводимости на основе оксида никеля. Исследование и его выводы были представлены в значимых журналах, таких как Nature Communications и Physical Review Letters. Как оказалось, присутствие водорода в чистом сверхпроводящем оксиде никеля не оказалось таким уж значительным!

Команда под руководством профессора Ариандо при помощи самомодной техники — вторичной ионной масс-спектрометрии, помимо прочего, пыталась проверить "водородный аргумент". Но вот сюрприз: оказалось, что водорода в чистых образцах нет или его очень мало!

Эти результаты становятся настоящим шлёпком по лицу для предыдущих исследований, которые утверждали, что водород играет критическую роль в появлении сверхпроводимости. "Эти результаты помогают направить исследовательское направление на понимание фундаментального механизма сверхпроводимости высококритических неконвенциональных сверхпроводников," — заметил профессор Ариандо. Кому, как не им, знать, о чем идет речь?

Другой участник исследовательской группы, аспирант Лин Эр Чоу, добавил еще одну яркую деталь: "Удивительно, но водород даже не присутствует в большом количестве в чистом сверхпроводящем оксиде никеля." Можно представить, как он встал и прокричал: «Где же вы, водород? Мы вас ждали!»

Научное сообщество уже давно следит за загадкой неконвенциональной сверхпроводимости. Исследования показывают, что для полного понимания нужно отбрасывать примеси и уклоняться от прежних заблуждений. И это открытие вновь открывает дверь для новых подходов и идей!

В конечном счете, загадка не раскрыта. Потенциально это означает, что впереди нас ждет реформа в теоретических основах сверхпроводимости, возможно, даже на пути к созданию новых высокоэффективных энергетических технологий.

Мы все, конечно, будем следить за новыми открытиями в этой области, ведь за каждой загадкой скрывается возможность создать что-то великое!

Исследователи из Мексики, США, России и Китая совершили значительный прорыв в изучении внутренней структуры протонов — элементарных частиц, составных единиц ядер атомов. Впервые они продемонстрировали, что кварки и глюоны, из которых состоят протоны, обладают удивительным свойством квантовой запутанности — феноменом, который некогда ставил в замешательство самого Альберта Эйнштейна.

Квантовая запутанность подразумевает, что две связанные частицы способны мгновенно влиять друг на друга, вне зависимости от расстояния между ними — даже если они находятся на противоположных концах Вселенной. Этот уникальный феномен казался невозможным с точки зрения теории относительности, согласно которой ничто не может двигаться быстрее света.

Эйнштейн был настолько озадачен квантовой запутанностью, что охарактеризовал её как "жуткое дальнодействие" (spukhafte Fernwirkung). Тем не менее, несмотря на его скептицизм, данная концепция неоднократно находила экспериментальные подтверждения. Большинство предыдущих исследований сосредотачивались на запутанности на значительных расстояниях. Новый эксперимент, напротив, пришёл к обнаружению запутанности на расстоянии всего в одну квадриллионную долю метра — внутри отдельных протонов.

"До нашей работы никто не исследовал квантовую запутанность внутри протона в контексте экспериментальных данных столкновений высоких энергий", — рассказывает физик Лаборатории Брукхейвена Жоудунмин Ту. "Десятилетиями мы придерживались традиционного взгляда на протон как на совокупность кварков и глюонов, сосредоточиваясь на исследовании свойств отдельных частиц и их распределения. Теперь же, обладая доказательствами запутанности кварков и глюонов, мы сталкиваемся с гораздо более сложной и динамичной системой".

Теперь учёным предстоит выяснить, что происходит с квантовой запутанностью, когда протон оказывается в более сложной среде. Например, в условиях плотной ядерной среды, где частица окружена множеством взаимодействующих протонов и нейтронов, может ли это нарушить её свойства? Процесс, известный как "квантовая декогеренция", станет одним из главных направлений будущих исследований.

Общее исследование, которое продолжалось шесть лет, значительно углубило понимание того, как квантовая запутанность влияет на структуру протонов. Чтобы изучить их внутреннее строение, учёные анализировали данные, полученные в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. При столкновении частиц на гигантских скоростях другие частицы разлетаются в стороны, подобно осколкам в результате автомобильной аварии.

Команда использовала методику, разработанную в 2017 году, которая применяет принципы квантовой информатики к столкновениям электронов и протонов. Это позволяет определить, что и как влияет на траектории разлетающихся фрагментов. Если кварки и глюоны действительно находятся в состоянии квантовой запутанности внутри протонов, это должно отображаться на хаотичности или "энтропии" потоков производных частиц.

"Представьте детскую комнату, где одежда и игрушки разбросаны повсюду", — поясняет Ту. "В таком беспорядке энтропия будет высокой". Низкая же энтропия, наоборот, напоминает аккуратно убранное пространство, в котором всё располагается на своём месте. Таким образом, наличием беспорядка можно указать на присутствие запутанности.

Учёные смогли проверить свои теоретические предсказания сразу на двух наборах экспериментальных данных. Кроме экспериментов на БАК, они использовали результаты более "чистых" электрон-протонных столкновений с ускорителя HERA. Данные HERA были предоставлены командой H1 и её представителем Стефаном Шмиттом из исследовательского центра DESY после трёхлетнего поиска в архивах. Сравнение этих сведений с расчётами энтропии идеально совпало с предсказаниями учёных. Вот оно — убедительное доказательство максимальной запутанности кварков и глюонов внутри протонов.

Исследование, проведенное международной командой ученых, открывает новые горизонты в понимании элементарных частиц и их взаимодействий. Прорыв в изучении квантовой запутанности внутри протонов не только подтверждает существование этого загадочного явления, но и ставит перед исследователями ряд новых вопросов.

Одним из наиболее интригующих аспектов является возможность применения полученных знаний в различных областях физики. Например, понимание квантовой запутанности может привести к разработке новых технологий в области квантовых вычислений и квантовой криптографии. Если запутанность может сохраняться даже в сложных ядерных средах, это откроет путь к созданию более мощных и безопасных квантовых систем.

Кроме того, исследование может помочь в понимании процессов, происходящих во Вселенной в момент ее рождения. Квантовая запутанность играет ключевую роль в ранних стадиях формирования материи, и изучение ее свойств в протонах может дать подсказки о том, как формировались звезды и галактики.

В заключение, открытие о квантовой запутанности внутри протонов не только расширяет наши знания о структуре материи, но и открывает новые перспективы для будущих исследований в области физики элементарных частиц. Ученым предстоит еще много работы, чтобы разгадать тайны, которые скрываются за этим феноменом, и понять, как они могут изменить наше восприятие мира на микроскопическом уровне.

1. Матрица коэффициентов гравитации несвязанных частиц показывает, будет ли частица одного типа притягиваться или отталкиваться от частицы другого типа в случае, когда они не связаны между собой, и с какой силой.

2. Матрица коэффициентов гравитации связанных частиц показывает, будет ли частица одного типа притягиваться или отталкиваться от частицы другого типа в случае, когда они связаны между собой, и с какой силой.

3. Список лимитов связей показывает, какое максимальное количество связей могут иметь частицы каждого типа.

4. Матрица лимитов связей показывает, какое максимальное количество связей могут иметь частицы каждого типа с частицами разных типов.

5. Тензор влияния частиц на связи своих соседей (как близость частицы типа A влияет на прочность связи частицы типа B с частицей типа C).

На последнем пункте остановимся поподробнее. Без этого правила почти все сгенерированные вселенные через какое-то время застывали или приходили в вечное движение, но без регулярного образования новых связей. Для решения этой проблемы я ввел правило, по которому частица каждого типа имеет возможность повлиять на максимальную длину связей частиц разных типов в сторону увеличения или уменьшения. Таким образом получилось достичь эффекта непрекращающегося синтеза и распада сложных «молекулярных» соединений.

Всеми основными параметрами симуляции можно управлять через пользовательский интерфейс, меняя таким образом «физику» мира. Кроме того, за счет настраиваемой рандомизации можно создавать практически неограниченное количество уникальных новых «вселенных» со своими неповторимыми законами. В общем, получилась занимательная и залипательная штука.

Для высокопроизводительной обработки взаимодействий между тысячами частиц пришлось применить множество приемов оптимизации (объектный пул, прокси-фасад, кубическая кластеризация пространства и другие). Расти в этом направлении еще есть куда, но эту работу я уже буду продолжать на Python с использованием Numpy и Numba, потому что браузер позволяет использовать только одно ядро процессора на одну открытую вкладку, что сильно ограничивает возможности масштабирования.

Вот ссылки на демо нескольких любопытных конфигураций со сложным поведением частиц:

• звездоподобные соединения с рецепторами, обрастающие концентрическими кольцами и другими замысловатыми структурами, свободные радикалы;

• длинные полимерные цепочки с рецепторами, свободные радикалы, протекторы и акселераторы;

• длинные разветвленные цепочки с рецепторами.

Потыкать и почувствовать себя демиургом можно здесь.
Исходный код живет на гитхабе.
Поделиться ссылкой на интересную конфигурацию можно здесь, в комментариях, или на гитхабе.

Кстати, встретив интересный набор законов, не хочется, чтобы он канул в лету после закрытия окна браузера, — поэтому я внедрил кнопку создания ссылки на запуск симуляции с заданным набором параметров. А поделиться ссылками на интересные конфигурации можно в специальном issue либо здесь, в комментариях.

Спасибо за внимание!