Fisica dei sistemi complessi
Il Comitato per il Nobel ha incluso quest'area della scienza praticamente estranea
"Siamo sull'orlo di un abisso", ha detto di recenteIl segretario generale dell'ONU António Guterres. - La temperatura media è già aumentata di 1,2°C rispetto a quella dell'era preindustriale. Questo è molto vicino alla lettura critica di 1,5 ° C. Quest'anno sarà decisivo. Se falliremo [nel controllo del clima e nella transizione alle tecnologie verdi], saremo in grave pericolo".
Nel prossimo futuro possiamo aspettarci un aumento dei volumiattività di ricerca nel campo della fisica dei sistemi complessi e della fisica del clima. Le principali scoperte in questa zona sono state fatte decenni fa. Ad esempio, negli anni '60, Shukuro Manabe ha creato un kit di strumenti per modellare il sistema climatico, dieci anni dopo, Klaus Hasselman ha collegato tempo e clima. Il premio potrebbe essere condiviso con loro dal fisico sovietico Andrei Monin, uno dei fondatori dell'idrodinamica geofisica, che ha aperto la strada alla ricerca in tutto il mondo.
Ora in Russia ci sono pochi scienziati chesono impegnati a modellare sistemi complessi in termini di clima e allo stesso tempo a ottenere riconoscimenti a livello internazionale. Ad esempio, il lavoro di Evgeny Volodin dell'Istituto di matematica computazionale. Marchuk RAS è entrato a far parte del più ampio modello IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) diversi anni fa. Nella comunità scientifica, c'è un'opinione secondo cui ora la ricerca russa è molto indietro rispetto alle opere occidentali e semplicemente non ci sono specialisti a livello di premi Nobel nel paese. Le ragioni sono la mancanza di fondi e il calo delle competenze.
Non esiste un'istituzione globale separata in Russia,che si occupa di fisica dei sistemi complessi. Ma ci sono iniziative regionali, ad esempio il centro educativo e scientifico "Fisica dei sistemi complessi", aperto nel 2009 a Kazan. Il programma del master è implementato secondo il principio dello scambio di esperienze con l'Istituto per i problemi della meccanica e della scienza dei materiali moderni ISMANS (Francia).
I modelli climatici sono solo uno deiambiti pratici, che sta raccogliendo i frutti delle scoperte nel campo della fisica dei sistemi complessi. Così, il terzo premio Nobel Giorgio Parisi ha ricevuto un premio per la scoperta delle leggi matematiche che sorgono in materiali complessi (caotici), che hanno permesso agli scienziati di descrivere molti fenomeni diversi - non solo in fisica, ma anche in matematica, biologia, neuroscienze, e apprendimento automatico. Inoltre, il suo lavoro è stato molto utile nella creazione di un computer quantistico.
La fisica quantistica
Un computer quantistico è uno dei più potentirisultati applicati. Secondo le stime più ottimistiche, appariranno in Russia tra pochi anni e finora ci sono solo prototipi di diversi tipi di processori quantistici. Questi includono il primo schema unico a cinque qubit per il calcolo quantistico, creato presso il laboratorio MIPT.
Nel 2021 è apparsa anche una piattaforma a 20 ioni,un approccio alternativo alla creazione di un computer quantistico, "National Quantum Laboratory". Per la Russia, entrambi gli eventi sono un grande passo avanti, ma tuttavia questo è un ritardo significativo nel mondo, dove esiste già un computer quantistico a tutti gli effetti con 27 qubit e una macchina D-Wave da 5000 qubit per calcoli limitati funziona.
“Secondo Gartner, i dati quantistici diventeranno una realtàper la maggior parte già nel 2023, e non tra 20 anni, come si pensava in precedenza”, osserva Elena Zislin, vicepresidente del Technology Business Development di JPMorgan Chase. — Tra due anni, il 20% delle aziende nel mondo avrà già progetti nel campo dell’informatica quantistica. Per fare un confronto, oggi è solo l’1%”..
Esperimenti per costruire computer quantistici inLa Russia chiede molti soldi. Ma alcune aree di ricerca sono spesso svolte da più istituti. Come parte di gruppi internazionali, scienziati russi hanno contribuito a diverse importanti scoperte. Ad esempio, un gruppo di ricerca Skoltech con IBM ha inventato gli interruttori quantistici, una tecnologia che riduce drasticamente il consumo di energia di un computer quantistico. In teoria, ciò consentirà di evitare l'uso di costosi sistemi di raffreddamento, che complicano notevolmente il funzionamento del dispositivo.
Un altro ha più o meno lo stesso significato pratico.scoperte - dipendenti del Russian Quantum Center con colleghi dell'Università statale di Mosca e dell'Università federale di Kazan. Per la prima volta nella storia, hanno ottenuto fenomeni quantistici di superconduttività e superfluidità a temperatura ambiente. Questo è stato per decenni il sogno dei ricercatori di tutto il mondo.
Ci sono anche molte scoperte fatte inle composizioni di gruppi internazionali. Ad esempio, gli scienziati dell'Istituto di fisica dello stato solido. Osipyan e Skoltech, insieme ai colleghi di Princeton (USA) e del Walter Schottky Institute (Germania), hanno proposto un metodo originale per rilevare stati quantistici complessi: le modalità Majorana. Gli scienziati hanno cercato a lungo di rilevare queste particelle, ma è estremamente difficile: non hanno carica e non hanno spin. Il potenziale vantaggio della scoperta risiede nell'uso di proprietà uniche durante la creazione di un computer quantistico di nuova generazione (la velocità di calcolo è maggiore, l'effetto dell'interferenza ambientale è minore).
Una forte scuola scientifica si sviluppa dove c’ècontinuità. Nell'ottobre 2021, un'unità di ricerca è apparsa al MIPT, dove il direttore scientifico sarà Andrei Geim, un famoso fisico e laureato al MIPT che ha ricevuto il Premio Nobel per la scoperta del grafene insieme a Konstantin Novoselov. Il laboratorio si occuperà di mesofisica, ovvero della manifestazione di fenomeni quantomeccanici su scala macroscopica. Le scoperte in quest'area possono essere di grande importanza pratica per lo sviluppo della microelettronica.
Fisica dei materiali
Coinvolgimento in progetti scientifici russiPremi Nobel è un importante passo strategico verso la creazione di un polo di attrazione per i giovani scienziati, dove si concentrerebbe il potenziale intellettuale del Paese. Questo è ciò che sta facendo il MIPT ora. Uno dei fisici più citati del nostro tempo, professore all'Università di Manchester, il nobelista Konstantin Novoselov era a capo del dipartimento di Phystech, focalizzato sugli esperimenti con materiali intelligenti bidimensionali. Questa è un'area molto promettente con un grande effetto potenziale per la microelettronica e la tecnologia. Si prevede che tali materiali possano essere utilizzati come base per computer neuromorfici.
Impegnato anche in nanomateriali in RussiaIstituto Kurcatov. Recentemente i fisici hanno sintetizzato una classe fondamentalmente nuova di materia sottile: le pellicole magnetiche submonostrato. Sono spessi un atomo, ma molto scarichi. Questi sono i magneti artificiali più sottili mai creati in un laboratorio. Questa scoperta potrebbe essere associata a un impulso nello sviluppo della spintronica (un sistema che utilizza lo spin come vettore di informazioni nell'informatica quantistica). Nel corso del loro lavoro di ricerca, i fisici dell'Istituto Kurchatov hanno collaborato con il Centro europeo per la ricerca sul sincrotrone, dove esiste una struttura di accelerazione unica che consente di studiare le proprietà del nanomateriale. Questo ci porta molto vicino a parlare dello stato della fisica degli acceleratori in Russia.
Fisica nucleare e degli acceleratori
All'inizio del 2021, la Russia ne ha lanciati duemega-impianti: il reattore di neutroni di ricerca ad alto flusso più potente del mondo PIK e il reattore termonucleare T-15MD (noto anche come Tokamak). Con il suo aiuto, gli scienziati russi vogliono fare scoperte che renderanno possibile creare tecnologie per l'energia nucleare a due componenti. All'Istituto Kurchatov, sono anche chiamati "simili alla natura", cioè chiusi su se stessi e naturalmente integrati nella circolazione delle risorse dell'ambiente.
Inoltre, gli scienziati dell'Istituto Kurchatov stanno lavorando surealizzazione di centrali nucleari a bassa potenza basate su materiali termoelettrici, che praticamente non necessitano di manutenzione. Il prototipo della struttura, che può essere definita una batteria atomica compatta, è in funzione da diversi decenni. Forse sono i fisici russi che stanno aprendo la strada alla creazione di tecnologie in grado di garantire la vita umana su altri pianeti.
Nonostante la presenza di diverse installazioni nel paesedi classe mondiale, nuovi acceleratori e reattori vengono costruiti meno frequentemente di quanto fallisca l'eredità sovietica. Questo è un problema serio: dopotutto, la maggior parte delle scoperte nella fisica delle particelle e nella fisica nucleare si verificano durante gli esperimenti su tali strutture.
"Negli ultimi 30 anni, c'è stata una tendenza versoriduzione della quota di lavoro svolto nei centri di ricerca della Federazione Russa. Ciò è dovuto alla mancanza di una moderna base sperimentale nel paese. Sullo sfondo dello stato generale, direi, depressivo della scienza fondamentale nel paese, la creazione di grandi impianti di acceleratori scientifici ha rallentato. Ciò ha portato al fatto che c'è stato un ritardo significativo nello sviluppo delle tecnologie degli acceleratori domestici in una serie di aree importanti, come la medicina nucleare, la scienza dei materiali, l'industria dei semiconduttori, che ora dipendono da fornitori stranieri, "l'accademico Boris Sharkov ha detto in una recente riunione dell'Accademia russa delle scienze.
Il lato positivo della situazione è che il livellola base sperimentale può essere sollevata, e nei prossimi anni. Nel 2022, il collisore NICA sarà completato e lanciato a Dubna. A Sarov è in fase di allestimento il Centro nazionale di fisica e matematica, dove apparirà un altro collisore, la fabbrica Super c-tau. Forse è con il suo aiuto che gli scienziati russi studiano processi e fenomeni che vanno oltre il "modello standard". Ma possono anticiparli: nel mondo, gli esperimenti vengono effettuati ogni giorno presso le installazioni di acceleratori e gli scienziati sono molto vicini alle scoperte che getteranno le basi per la "nuova fisica".
Nel frattempo, i fisici teorici russi devonopersuadendo letteralmente il CERN a condurre esperimenti. Per fare ciò, è necessario convincerli della potenziale utilità della scoperta. Ora questo è ottenuto da Dmitry Karlovets, che ha dimostrato matematicamente la conservazione dell'insolito stato di "torsione" e le proprietà dell'onda nelle particelle ad alta velocità. In precedenza, i ricercatori hanno studiato queste proprietà quantistiche solo a energie moderate. Se ci sia qualche vantaggio pratico qui è una grande domanda, ma non tutti gli esperimenti rivoluzionari nella storia della fisica lo hanno fissato come obiettivo. La cognizione è sempre stata la cosa principale.
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