Кристалл общего назначения идеально подходит для низкотемпературной световой технологии
Микроскопический «океан» на чипе раскрывает новое нелинейное волновое поведение
Глубоко под горой в Италии исследователи продолжают раздвигать границы науки с помощью эксперимента, который может переписать Стандартную модель физики элементарных частиц.
Их эксперимент, известный как Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE), в котором участвуют исследователи из Йеля, собрал два тонно-года данных (эквивалент сбора данных в течение двух лет, если бы кристаллы кубической формы в детекторе CUORE весили одну тонну) в многолетних попытках задокументировать теорию редкого ядерного распада частиц, называемого безнейтринным двойным бета-распадом.
Стандартный двойной бета-распад — уже доказанный процесс в физике элементарных частиц. Когда он происходит, два нейтрона, которые являются незаряженными частицами в ядре атома, превращаются в два протона и испускают два электрона и два антинейтрино.
Безнейтринный двойной бета-распад — это теоретизируемый процесс, в котором не создаются антинейтрино. Согласно теории, это доказало бы, что нейтрино и антинейтрино — это одно и то же, что нейтрино является своей собственной античастицей.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, исследователи CUORE использовали свои последние данные, чтобы установить новые ограничения на частоту безнейтринного двойного бета-распада в атоме теллура. Они говорят, что это происходит не чаще одного раза в 50 септиллионов лет — или одного раза в триллион триллионов лет.
Исследователям помогал специально разработанный алгоритм, который фильтровал посторонние «шумы» — вибрации, включая приглушённые звуки разговоров исследователей поблизости, океанские волны, бьющиеся о итальянское побережье, и землетрясения, посылающие сейсмические волны в любой точке мира.
«Фокус этого выпуска данных — понимание источников внешних вибраций и изучение того, как вычесть их из наших данных, чтобы лучше искать этот чрезвычайно редкий распад», — сказала профессор физики и астрономии в Йельском факультете искусств и наук (FAS) и член CUORE Рейна Маруяма.
Эксперимент, проводимый Министерством энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и с участием более 20 исследовательских институтов, включая Йель, начал работу в 2017 году после многих лет планирования и разработок.
CUORE продолжит сбор данных до конца этого года. Его преемник, CUORE Upgrade with Particle Identification (CUPID), затем возьмёт на себя поиск безнейтринного двойного бета-распада в том же месте.
Команда CUPID добавит усовершенствованные световые датчики к тепловым детекторам эксперимента, чтобы улучшить идентификацию событий и дискриминацию фона. Также будут использоваться обогащённые кристаллы молибдена вместо теллура.
«Обнаружение безнейтринного двойного бета-распада показало бы, что нейтрино являются своими собственными античастицами, известными как частицы Майораны», — сказал Карстен Хегер, профессор физики в Йеле, директор лаборатории Райта в Йеле и недавний международный представитель эксперимента CUPID.
«Уникальная природа нейтрино может объяснить асимметрию материи и антиматерии во Вселенной — тот факт, что материи больше, чем антиматерии», — добавил Хегер. «Это также нарушило бы фундаментальный принцип Стандартной модели физики элементарных частиц, называемый числом лептонов, и предоставило бы однозначное доказательство новой физики».
Сверхпроводимость и квантовые вычисления
Сверхпроводимость и квантовые вычисления — две области, которые вышли из теоретических кругов в массовое сознание. Нобелевская премия по физике 2025 года была присуждена за работу в сверхпроводящих квантовых схемах, которые могут управлять сверхмощными компьютерами. Но менее известно то, что эти перспективные технологии часто возможны только при криогенных температурах — вблизи абсолютного нуля. К сожалению, немногие материалы могут выдержать такие экстремальные условия. Их ценные физические свойства исчезают при сильном охлаждении.
В новой статье, опубликованной в Science, группа инженеров из Стэнфордского университета обращает внимание на перспективный материал — титанат стронция, или STO для краткости, — где оптические и механические характеристики не ухудшаются при экстремально низких температурах, а, наоборот, значительно улучшаются, превосходя существующие материалы с большим отрывом.
Они считают, что эти результаты позволяют предположить, что STO может стать основой для новых световых и механических криогенных устройств, которые выведут квантовые вычисления, освоение космоса и другие области на новый уровень.
Микроскопический «океан» на чипе
Исследователи из Университета Квинсленда создали микроскопический «океан» на кремниевом чипе для миниатюризации изучения волновой динамики. Устройство, изготовленное в Школе математики и физики UQ, использует слой сверхтекучего гелия толщиной всего в несколько миллионных долей миллиметра на чипе размером меньше рисового зёрнышка.
Работа опубликована в журнале Science.
Доктор Кристофер Бейкер сказал, что это самый маленький в мире волновой танк, при этом квантовые свойства сверхтекучего гелия позволяют ему течь без сопротивления, в отличие от классических жидкостей, таких как вода, которые становятся неподвижными из-за вязкости в таких малых масштабах.
Профессор Уорвик Боуэн сказал, что подход в масштабе чипа в Лаборатории квантовой оптики Квинсленда может сократить продолжительность экспериментов в миллион раз, сокращая дни сбора данных до миллисекунд.
Профессор Боуэн сказал, что разработка UQ открывает путь к программируемой гидродинамике, объясняя: «Поскольку геометрия и оптические поля в этой системе изготавливаются с использованием тех же методов, что и для полупроводниковых чипов, мы можем с исключительной точностью спроектировать эффективную гравитацию жидкости, дисперсию и нелинейность».
Будущие эксперименты могут использовать эту технологию для открытия новых законов гидродинамики и ускорения проектирования технологий, начиная от турбин и заканчивая корпусами кораблей. Эксперименты на этой крошечной платформе улучшат нашу способность прогнозировать погоду, исследовать энергетические каскады и даже квантовую динамику вихрей — вопросы, центральные как для классической, так и для квантовой гидродинамики.