Fizyka układów złożonych
Komitet Noblowski wchodzący w skład tej dziedziny nauki praktycznie niezwiązanej
„Jesteśmy na skraju przepaści” – powiedział niedawnoSekretarz Generalny ONZ António Guterres. - Średnia temperatura wzrosła już o 1,2°C powyżej tej z ery przedindustrialnej. Jest to bardzo zbliżone do krytycznego odczytu 1,5 ° C. Ten rok będzie decydujący. Jeśli poniesiemy porażkę [w kontroli klimatu i przejściu na zielone technologie], będziemy w wielkim niebezpieczeństwie.”
W najbliższej przyszłości możemy spodziewać się wzrostu wolumenówprace badawcze z zakresu fizyki układów złożonych i fizyki klimatu. Główne odkrycia w tej dziedzinie dokonano kilkadziesiąt lat temu. Na przykład w latach 60. Shukuro Manabe stworzył zestaw narzędzi do modelowania systemu klimatycznego, dziesięć lat później Klaus Hasselman połączył pogodę z klimatem. Sowiecki fizyk Andrei Monin, jeden z twórców hydrodynamiki geofizycznej, która utorowała drogę do badań na całym świecie, mógł podzielić się z nimi nagrodą.
Teraz w Rosji jest niewielu naukowców, którzyzajmują się modelowaniem złożonych systemów pod kątem klimatu i jednocześnie zdobywają uznanie na poziomie międzynarodowym. Na przykład praca Jewgienija Wołodyna z Instytutu Matematyki Obliczeniowej. Marchuk RAS stał się częścią większego modelu IPCC (Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu) kilka lat temu. W środowisku naukowym panuje opinia, że obecnie rosyjskie badania pozostają daleko w tyle za badaniami zachodnimi, a w kraju po prostu nie ma specjalistów na poziomie laureatów Nagrody Nobla. Przyczyny to niedofinansowanie i spadek wiedzy.
W Rosji nie ma odrębnej globalnej instytucji,który zajmuje się fizyką układów złożonych. Ale są inicjatywy regionalne - na przykład centrum edukacyjno-naukowe „Fizyka systemów złożonych”, otwarte w 2009 roku w Kazaniu. Program magisterski realizowany jest zgodnie z zasadą wymiany doświadczeń z Instytutem Problemów Mechaniki i Współczesnej Nauki o Materiałach ISMANS (Francja).
Modele klimatyczne to tylko jeden zsfery praktyczne, czyli zbieranie owoców odkryć w dziedzinie fizyki układów złożonych. Tym samym trzeci noblista Giorgio Parisi otrzymał nagrodę za odkrycie praw matematycznych, które powstają w złożonych (chaotycznych) materiałach, co pozwoliło naukowcom opisać wiele różnych zjawisk – nie tylko w fizyce, ale także w matematyce, biologii, neuronauce, i uczenie maszynowe. Ponadto jego praca była bardzo pomocna przy tworzeniu komputera kwantowego.
Fizyka kwantowa
Komputer kwantowy jest jednym z najpotężniejszychzastosowane osiągnięcia. Według najbardziej optymistycznych szacunków pojawią się one w Rosji za kilka lat, a na razie istnieją tylko prototypy różnych typów procesorów kwantowych. Należą do nich pierwszy unikalny pięciokubitowy schemat obliczeń kwantowych, stworzony w laboratorium MIPT.
Platforma 20-jonowa pojawiła się również w 2021 roku,alternatywne podejście do tworzenia komputera kwantowego, „Narodowe Laboratorium Kwantowe”. Dla Rosji oba wydarzenia są dużym przełomem, ale mimo wszystko jest to znaczne opóźnienie na świecie, w którym działa już pełnoprawny komputer kwantowy z 27 kubitami i 5000-kubitowa maszyna D-Wave do ograniczonych obliczeń.
„Według Gartnera ilości staną się rzeczywistościądla większości już w 2023 r., a nie za 20 lat, jak wcześniej sądzono” – zauważa Elena Zislin, wiceprezes ds. rozwoju biznesu technologicznego w JPMorgan Chase. — Za dwa lata 20% firm na świecie będzie już miało projekty z zakresu obliczeń kwantowych. Dla porównania, dziś jest to zaledwie 1%..
Eksperymenty do budowy komputerów kwantowych wRosja domaga się dużych pieniędzy. Ale niektóre obszary badań są często prowadzone przez kilka instytutów. W ramach międzynarodowych grup rosyjscy naukowcy mieli swój udział w kilku ważnych odkryciach. Na przykład grupa badawcza Skoltech wraz z IBM wynalazła przełączniki kwantowe - technologię, która radykalnie zmniejsza zużycie energii przez komputer kwantowy. W teorii pozwoli to uniknąć stosowania drogich systemów chłodzenia, które znacznie komplikują pracę urządzenia.
Inny ma mniej więcej takie samo praktyczne znaczenie.odkrycia - pracownicy Rosyjskiego Centrum Kwantowego wraz z kolegami z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego i Kazańskiego Uniwersytetu Federalnego. Po raz pierwszy w historii uzyskali zjawiska kwantowe nadprzewodnictwa i nadciekłości w temperaturze pokojowej. To było marzenie naukowców na całym świecie od dziesięcioleci.
Istnieje również wiele odkryć dokonanych wskłady zespołów międzynarodowych. Na przykład naukowcy z Instytutu Fizyki Ciała Stałego. Osipyan i Skoltech wraz z kolegami z Princeton (USA) i Waltera Schottky Institute (Niemcy) zaproponowali oryginalną metodę wykrywania złożonych stanów kwantowych - mody Majorany. Naukowcy od dawna próbują wykryć te cząstki, ale jest to niezwykle trudne: nie mają ładunku ani spinu. Potencjalna korzyść z odkrycia polega na wykorzystaniu unikalnych właściwości przy tworzeniu komputera kwantowego nowej generacji (szybkość obliczeń jest wyższa, wpływ ingerencji środowiska jest mniejszy).
Silna szkoła naukowa rozwija się tam, gdzie jestciągłość. W październiku 2021 roku w MIPT pojawiła się jednostka badawcza, której dyrektorem naukowym będzie Andrei Geim, słynny fizyk i absolwent MIPT, który wraz z Konstantinem Nowosełowem otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie grafenu. Laboratorium będzie zajmować się mezofizyką – czyli przejawem zjawisk mechaniki kwantowej w skalach makroskopowych. Odkrycia w tym zakresie mogą mieć ogromne znaczenie praktyczne dla rozwoju mikroelektroniki.
Fizyka materiałów
Zaangażowanie w rosyjskie projekty naukoweLaureaci Nobla to ważny strategiczny krok w kierunku stworzenia ośrodka przyciągania młodych naukowców, w którym koncentrowałby się potencjał intelektualny kraju. To właśnie robi teraz MIPT. Jeden z najczęściej cytowanych fizyków naszych czasów, profesor Uniwersytetu w Manchesterze, noblista Konstantin Novoselov kierował wydziałem Phystech, skupiającym się na eksperymentach z dwuwymiarowymi inteligentnymi materiałami. Jest to bardzo obiecująca dziedzina o ogromnym potencjalnym wpływie na mikroelektronikę i technologię. Oczekuje się, że takie materiały mogą stanowić podstawę komputerów neuromorficznych.
Zajmuje się również nanomateriałami w RosjiInstytut Kurczatowa. Ostatnio fizycy zsyntetyzowali całkowicie nową klasę cienkiej materii - submonowarstwowe błony magnetyczne. Mają grubość jednego atomu, ale są bardzo rozładowane. To najcieńsze sztuczne magnesy, jakie kiedykolwiek stworzono w laboratorium. Odkrycie to może być związane z impulsem do rozwoju spintroniki (systemu wykorzystującego spin jako nośnik informacji w obliczeniach kwantowych). W toku prac badawczych fizycy Instytutu Kurchatowa współpracowali z Europejskim Centrum Badań Synchrotronowych, gdzie znajduje się unikalny obiekt akceleratorowy umożliwiający badanie właściwości nanomateriałów. To bardzo zbliża nas do rozmowy o stanie fizyki akceleratorów w Rosji.
Fizyka jądrowa i akceleratorowa
Na początku 2021 r. Rosja uruchomiła dwamegainstalacje: najpotężniejszy na świecie wysokostrumieniowy badawczy reaktor neutronowy PIK oraz reaktor termojądrowy T-15MD (znany również jako Tokamak). Z jego pomocą rosyjscy naukowcy chcą dokonać odkryć, które umożliwią stworzenie technologii dla dwuskładnikowej energetyki jądrowej. W Instytucie Kurchatowa nazywa się je również „podobnymi do natury”, to znaczy zamkniętymi na sobie i naturalnie wbudowanymi w obieg zasobów środowiska.
Pracują również naukowcy z Instytutu Kurchatowatworzenie elektrowni jądrowych małej mocy w oparciu o materiały termoelektryczne, które praktycznie nie wymagają serwisowania. Prototyp obiektu, który można nazwać kompaktową baterią atomową, działa od kilkudziesięciu lat. Być może to rosyjscy fizycy torują drogę do stworzenia technologii, które mogą zapewnić ludzkie życie na innych planetach.
Pomimo obecności kilku instalacji w krajuświatowej klasy, nowe akceleratory i reaktory są budowane rzadziej niż zawodzi sowiecka spuścizna. To poważny problem – w końcu większość odkryć w fizyce cząstek elementarnych i fizyce jądrowej ma miejsce podczas eksperymentów na takich obiektach.
„W ciągu ostatnich 30 lat pojawiła się tendencja dozmniejszenie udziału prac wykonywanych w ośrodkach badawczych Federacji Rosyjskiej. Wynika to z braku nowoczesnej bazy doświadczalnej w kraju. Na tle ogólnego, powiedziałbym, depresyjnego stanu nauk podstawowych w kraju, tworzenie się dużych instalacji akceleratorów naukowych uległo spowolnieniu. Doprowadziło to do znacznego opóźnienia w rozwoju krajowych technologii akceleratorowych w wielu ważnych dziedzinach, takich jak medycyna nuklearna, materiałoznawstwo, przemysł półprzewodników, które są obecnie zależne od dostawców zagranicznych” – powiedział akademik Boris Sharkov powiedział na niedawnym spotkaniu Rosyjskiej Akademii Nauk.
Pozytywną stroną sytuacji jest to, że poziombaza eksperymentalna może zostać podniesiona, aw nadchodzących latach. W 2022 roku w Dubnej zostanie ukończony i uruchomiony zderzacz NICA. Narodowe Centrum Fizyki i Matematyki powstaje w Sarowie, gdzie pojawi się kolejny zderzacz, Fabryka Super c-tau. Być może z jego pomocą rosyjscy naukowcy badają procesy i zjawiska wykraczające poza „model standardowy”. Ale mogą ich wyprzedzić: na świecie codziennie przeprowadza się eksperymenty w instalacjach akceleratorowych, a naukowcy są bardzo bliscy odkryć, które położą podwaliny pod „nową fizykę”.
Tymczasem rosyjscy fizycy teoretyczni muszą:dosłownie przekonać CERN do przeprowadzenia eksperymentów. Aby to zrobić, musisz przekonać ich o potencjalnej użyteczności odkrycia. Teraz osiągnął to Dmitrij Karlovets, który matematycznie udowodnił zachowanie niezwykłego stanu „skręcenia” i właściwości fal w cząstkach przy dużych prędkościach. Wcześniej naukowcy badali te właściwości kwantowe tylko przy umiarkowanych energiach. To, czy istnieje jakakolwiek praktyczna korzyść, jest dużym pytaniem, ale nie wszystkie przełomowe eksperymenty w historii fizyki stawiają to sobie za cel. Poznanie zawsze było najważniejsze.
Czytaj więcej
Hubble zrobił zdjęcie tej samej aktywnej galaktyki w odstępie 20 lat
Astronomowie opowiedzieli, gdzie i jak we wszechświecie powstaje złoto i platyna
Posłuchaj odgłosów Marsa nagranych przez misję Wytrwałość