Ultima Thule#Рубрика_для_ностальгирующих_по_науке
Когда-то прежде и на прошлой неделе я была на персональных и групповых (с Физтех-союзом) экскурсиях по лабам РКЦ, который один из немногих в стране занимается развитием frontier технологий. Из самого интересного, что я видела — это ионный квантовый компьютер, оптическая машина Изинга, чувствительные, но не подверженные засветке лидары, сенсоры и микрорезонаторы на модах шепчущей галереи (там еще есть трындец футуристичные штуки типа биологических чипов, но я лично не трогала не видела).
Сегодня мы с Клодом попробуем разобраться в теме воспроизведения эффектов сверхпроводника при комнатных температурах.
—
Есть задачи, которые нельзя посчитать. Не «дорого» и не «долго» — а пока что нельзя.
Сверхпроводник, материал с нулевым сопротивлением, открыли в 1911 году. С тех пор на нём держатся томографы, магниты коллайдера, катушки термоядерных установок, кубиты квантовых компьютеров — и все они работают только на сильном холоде (до 4,2К). Материал, который делал бы то же самое при комнатной температуре, снял бы это ограничение целиком: электросети без потерь, томограф без жидкого гелия. Его ищут сорок лет и пока не нашли.
При этом уравнение известно. Оно называется моделью Хаббарда и состоит из двух слагаемых: электрон может перепрыгнуть в соседний узел кристаллической решётки, а если в одном узле оказались два электрона — они отталкиваются. Всё. Записывается на салфетке. Решается — никак: число вариантов растёт экспоненциально с числом частиц. Точный расчёт для четырёх частиц в простейшем одномерном случае занимает месяц на суперкомпьютере. Реальный материал — это 10²³ частиц в двух и трёх измерениях.
И тогда физики делают ход, который в бизнесе назвали бы сменой постановки задачи. Если уравнение нельзя решить, его можно не решать — а собрать систему, которая ему подчиняется, и посмотреть ответ.
Электроны заменяют нейтральными атомами: атом светится, и его видно камерой поштучно. Подойдут разные — в мире работают на рубидии, литии, калии, стронции; РКЦ одни из единиц в мире, кто выбрал тулий. У него спин ядра ½, из-за чего каждый энергетический уровень расщепляется надвое, а промежуток между половинками приходится примерно на полтора гигагерца — то есть переключать внутреннее состояние атома можно антенной, не трогая всю остальную оптику. И магнитный момент у тулия большой, четыре магнетона Бора: атомы заметно чувствуют друг друга магнитно, поэтому силу их взаимодействия удаётся настраивать умеренным полем. У рубидия, на котором работает половина мира, для того же нужны поля в тысячи гаусс, при которых в лаборатории магнитится всё подряд.
Кристаллическую решётку — решёткой из лазерных лучей: встречные пучки дают стоячую волну, и максимумы интенсивности работают как узлы кристалла, только крупнее в тысячу раз. Атомы охлаждают до 40 нК, рассаживают по узлам, фотографируют, отпускают и фотографируют снова. Природа отрабатывает те самые уравнения сама, остается записать результаты.
Так романтично, что физики берут названия из мифологии. Элемент Тулий (¹⁶⁹Tm) был назван в честь Туле — острова, о котором писал Пифей, доплывший около 325 года до нашей эры куда-то за Британию: последняя земля перед тем, как земля кончается. Предположительно этим островом была Исландия, но это не точно. У Вергилия он превращается в *ultima Thule*, предел известного мира, и дальше живёт уже как выражение — крайняя точка чего угодно. В 1879 году Пер Теодор Клеве выделил новый редкоземельный элемент и назвал его тулием, в честь дальнего севера. В 2019-м зонд New Horizons долетел до тела за орбитой Плутона — самого далёкого, к которому вообще приближался аппарат, — и тому дали имя Ultima Thule. У инноагента Oxxxymiron есть трек Ultima Thule.
Одно и то же слово: край земли, строчка, вынесенная за нижнюю границу таблицы Менделеева, край Солнечной системы. Теперь ещё и край температурной шкалы — сорок миллиардных долей градуса над абсолютным нулём. Каждый раз оно означает не конкретное место, а границу, до которой дошли.
t.me/cherniagina