مجله فیزیک گلچینی از خبرهای محبوبش در سال 2018 را فهرست کرده که در ادامه خلاصه‌ای از‌ آن را می‌خوانید:

با نزدیک شدن به پایان سال 2018، نگاهی دوباره می‌اندازیم به مهمترین خبرهای سال از پژوهش‌های برجسته تا شعری الهام گرفته از فیزیک کوانتوم.

با آرزوی بهترین‌ها در سال 2019- گروه ویراستاران

گرافن- یک ابررسانای جدید

مهمترین‌ نتیجه‌ی فیزیک ماده چگال در مورد دو صفحه‌ی گرافن است. گزارش پژوهشگران آمریکایی و ژاپنی حاکی از یافتن ابررسانایی در دو لایه‌ی stacked گرافن است که یکی از آن‌ها نسبت به دیگری پیچش دارد. ابررسانایی مشاهده شده، مشابه ابررساناهای دمای بالا است و بالقوه استفاده از گرافن را به عنوان سیستم مدل برای مطالعه‌ی این رفتار امکانپذیر می‌کند. انتشار خبر این تحقیق در یک گردهمایی همراه با پخش زنده، باعث موج جدیدی از پژوهش‌های نظری برای توضیح این رفتار غیرمنتظره شد. یکی از پیش‌بینی ها این است که ابررسانایی گرافن پیچش یافته ممکن است توپولوژیکی هم باشد، یک ویژگی مطلوب برای محاسبات کوانتومی.

هیگز با سنگین‌ترین کوارک‌ها دیده می‌شود

بعد از کشف بوزون هیگز در 2012، قدم بعدی آزمایش رفتار مورد انتظار از این ذره بود. دو مورد از این آزمایش‌ها که در سرن انجام شد برهمکنش‌های سنگین‌ترین کوارک‌ها را با هیگز اندازه‌گیری می‌کرد و در اهمیت آماری استاندارد طلایی «5 سیگما» را دریافت کرد. CMS و ATLAS در تحلیل برخوردهای پروتون-پروتون، قدرت برهمکنش بین کوارک‌ بالا و بوزون‌های هیگز را با اندازه‌گیری دفعاتی که بوزون هیگز با یک کوارک بالا و یک پادکوارک بالا تولید می‌شد تعیین کردند. همان مجموعه‌ها بعداً اولین مشاهده از واپاشی بوزون هیگز به کوارک‌های ته گزارش کردند. این واپاشی محتمل‌ترین سرنوشت برای هیگز-بوزون‌هاست اما مشاهده‌ی آن بالاتر از زمینه‌ی غالب کوارک‌های ته که نوعاً در آزمایش‌ها تولید می‌شوند فوق العاده دشوار بود. تاکنون اندازه‌گیری‌ها با مدل استاندارد فیزیک ذرات در توافق است اما عدم قطعیت‌ها هنوز جای کافی برای فیزیک‌های جدید باقی گذاشته است.

نظریه‌های ماده تاریک مورد انتقاد قرار گرفتند

بیشتر خبرهای مهم امسال در مورد ماده تاریک بود. با یک نمایش ناامید‌کننده از امیدهای اصلی برای ماده‌ی تاریک به نام WIMP ها (ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف)، دیگر کاندیدها در تلاش بودند که به جایگاه نخست این رقابت دست پیدا کنند. یکی از این گزینه‌های ماده‌ی تاریک، یعنی سیاه‌چاله‌های اولیه، پس از کشف ادغام سیاه‌چاله‌ها توسط مجموعه‌ی LIGO-Virgo توجه زیادی را به خود را جلب کرد. اما پس از اینکه تحقیق لنز ابرنواختر نشان داد که سیاه‌چاله‌ها نمی‌توانند مسئول همه‌ی ماده‌ی تاریک باشند، هیجان‌ها فروکش کرد. اما بزرگترین سر و صدای سال مربوط به سیگنال جذب غیر منتظره‌ای از گاز هیدروژن در زمان ستاره‌های اولیه بود. برای توضیح این مشاهدات، نظریه‌پردازان پیشنهاد داده‌اند که گاز کاملاً به خاطر برهمکنش با ماده‌ی تاریک سرد شده بوده است. یک احتمال این است که ذرات ماده‌ی تاریک بار الکتریکی بسیار کوچکی (شاید بتوان گفت WIMPy) دارند.

رمزنگاری کوانتومی از طریق ماهواره

پژوهشگران در چین و اتریش از ارتباط ماهواره‌ای برای برگزاری اولین ویدیوکنفرانس حفاظت شده با رمزنگاری کوانتومی استفاده کردند. امنیت داده‌ها با توزیع کلید کوانتومی (QKD) انجام شد. این روش، کلیدهای رمزنگاری‌ را که با فوتون‌های درهم تنیده‌ی کوانتومی کدگذاری شده اند رد و بدل می‌کند. QKDهای دوربرد قبلاً در شبکه‌های تارهای نوری زمینی استفاده می‌شدند اما تلفات نوری در این تارها فاصله‌ی مخابراتی را به چند صد کیلومتر محدود کرده بود. با به کارگیری انتشار بدون اختلال فوتون‌ها در فضا، آزمایش ماهواره با دو ایستگاه به فاصله 7600 کیلومتر از یکدیگر انجام شد. گروه با استفاده از تبادل کلید‌های مخفی در نرخ‌های کیلوهرتز توانست تصاویر رمزنگاری شده‌ی کوانتومی را ارسال کرده و ویدیوی کنفرانسی ایمن برگزار کند که 75 دقیقه طول کشید و به 2 گیگابایت اطلاعات احتیاج داشت. این نمایش خبر خوبی برای آنهایی است که در رویای ساخت «اینترنت کوانتومی» با یک شبکه جهانی از ایستگاه‌های زمینی و ماهواره‌ها هستند.

معمای نوترینو باز هم پیچیده‌تر می‌شود

محققان با آزمایش MiniBooNE در آزمایشگاه فرمی در ایلینویز سیگنالی را کشف کردند که با نوسانات نوترینو که سه طعم شناخته‌ شده‌ی نوترینو را داشته باشد ناسازگار است. با تائید نتایج قبلی از آشکارساز نوترینوی جرقه‌زننده‌ی مایع (LSND) در لس آلاموس، یافته‌های جدید- با اهمیت آماری بالاتر- پیشنهاد می‌کنند که نورینوهای موئون می‌توانند در مسافت‌های بسیار کوتاهتری از آنچه انتظار می‌رفت به نوترینوی الکترون تبدیل شوند. نتایج حاصل از هردوی MiniBooNE و LSND را شاید بتوان با نظریه‌ای شامل چهارمین نوترینوی «بی بار» که فقط از طریق گرانش برهمکنش می‌کند توضیح داد. از آنجا که این فرض با نتایج جدید با نوترینوهای تولید شده در شتابدهنده‌ها و رآکتورها ناسازگار است، به نظر می‌رسید که فرض نوترینوهای بی بار مشکلات اساسی داشته باشد. اما نتایج جدیدِ MiniBooNE باعث شد بحث و گفتگو در مورد این ذرات که وجود آن‌ها بالقوه می‌تواند توضیحی برای ماده‌ی تاریک و نامتقارنیِ ماده-پادماده در کیهان باشد دوباره از سر گرفته شود.

سریعترین چرخش با 60 میلیارد دور در دقیقه

تصور کنید که یک گردونه با سرعت 60 میلیارد دور بر دقیقه بچرخد! دو گروه تحقیق مستقل با چرخاندن اجسام با چنین آهنگی، یک رکورد جهانی ثبت کردند. این محققان، از موسسه فناوری فدرال سوییس (ETH) در زوریخ و دانشگاه پوردو در هند با به کار گیری نور قطبیده‌ی دایروی که میدان الکتریکی دوار دارد، توانستنداجسام نانومقیاس را بچرخانند. به گفته‌ی تیم پژوهشگر، نیروی مرکزگرا در این آهنگهای دورانی تقریباً برای متلاشی شدن چرخنده‌های سیلیکونی کافی است بنابراین می‌توان از این روش برای تست استرس اجزای ماشین‌های نانومتری استفاده کرد. همچنین می‌توان از آن برای مطالعه‌ی شکل کوانتومی از اصطکاک دورانی به نام گشتاور کازیمیر که آشکارسازی آن سخت است بهره برد. این اثر اصطکاکی به خاطر برهمکنش‌های اجسام با ذرات مجازیِ خلاءِ کوانتومی به وجود می‌آید.

SI استاندارد کیلوگرم را حذف می‌کند

واحدهای اندازه‌گیری به طور تاریخی بر مبنای دسترس‌پذیری انتخاب ‌می‌شده‌اند مانند دست انسان، حجم مقداری آب یا یک تکه از فلز. اما این چیزها ممکن است با زمان یا مکان تغییر کند و به همین دلیل هم مجمع جهانی اندازه‌گیری در نوامبر رای به بکارگیری تعاریف جهانی بیشتری برای سیستم بین‌المللی واحدها (SI) داد. چهار واحد کیلوگرم، آمپر، کلوین و مول اکنون بر حسب ثابت‌های بنیادی فیزیک مانند ثابت پلانک و بار بنیادی الکتریکی تعریف خواهند شد. اما ترازوهای حمام، دماسنج‌های تب و سایر ابزارهای اندازه‌گیری هر روزه نباید نگران باشند چرا که جایشان امن است. تنها ضرر‌کننده بزرگ نمونه بین المللی کیلوگرم – استوانه‌ی پلاتین-ایریدیوم که در پاریس نگه‌داری می‌شود- است که دیگر عنوان استاندارد جرم دنیا را نخواهد داشت.

رشد بلور سینماتیک

میکروسکوپ‌های الکترونی در طول دهه‌ها تصاویر شگفت‌انگیزی از اتم‌ها و مولکول‌ها فراهم کرده‌اند. اما این ویدیو از رشد نانوسیم و ایجاد لایه‌ای تک اتمی با زمان، معروفترین تصویری بوده است که ما در شبکه‌های اجتماعی به اشتراک گذاشته‌ایم- شاید به خاطر اینکه مانند مشاهده‌ی کوچکترین پرینتر سه‌بعدی جهان در حال کار است. برای درک اینکه اتم‌ها هنگام رشد بلور خارج از یک مایع، چطور جایگیری می‌کنند، پژوهشگران در فرانسه این فرآیند را با یک میکروسکوپ الکترونی عبوری رصد کردند. مایع یک نانو قطره طلا بود که با اتم‌های گالیوم و آرسناید فوق‌ِاشباع شده بود. این ویدئو نشان می‌دهد که اتم‌ها از زیر قطره فرو‌ می‌افتند تا در گوشه‌ای از مرز مایع-جامد یک «پله» درست کنند. این پله سپس با افزایش تعداد بیشتری اتم‌ در امتداد سطح تکرار می‌شود تا لایه‌ی جدیدی از بلور ایجاد شود.

معادلات پارچه‌ی بافته شده

نخ در مقابل کشش مقاوم است اما ژاکت‌های بافتنی قابلیت کشش بالایی دارند. با توجه به این تناقض ظاهری، فیزیکدان‌ها در École Normale Supérieure در پاریس و لیون فرآیند کشش را برای پارچه‌های کشباف بررسی کردند. گروه، کشش‌های تحت کنترل را به پارچه بافته شده با الیاف نایلون وارد کردند و به معادلات ساده‌ای رسیدند که شامل ویژگی‌های مشاهده شده در ماده است. پیش از این افراد دیگری پیشنهاد داده بودند که این نتایج کشسانی ناشی از لغزیدن نخ از یک دوخت به دوخت دیگر و از کج شدن دوخت‌ها به وجود می‌آید. اما معادلات جدید، که می‌توان آن‌ها را با هر طرح دوختی تطبیق داد، فرآیند را به طور کمی توضیح میدهد. این تیم امیدوار است که نتایجشان بتواند به مهندسان در توسعه‌ی پارچه‌های به اصطلاح هوشمند که به عنوان مثال می‌توانند در برابر گرما شکلهای خاصی به خود بگیرند کمک کند.

فیزیک کوانتوم به شعر راه پیدا می‌کند

از دید بسیاری از افراد پیدا کردن کلماتی که دنیای متغیر اجسام کوانتومی و قوانین منطق ناپذیر آن را توصیف کند کار دشواری است. اما پژوهشگران و همچنین هنرمندان دقیقاً در تلاش برای همین کارند. یکی از این هنرمندان، خانم شاعر آمی کاتانزانو Amy Catanzano فکر می‌کند که شاعری می‌تواند ابزاری برای ایجاد یک زبان موثرتر برای برقراری ارتباط با ایده‌های پیچیده‌ی فیزیک کوانتوم باشد. او امسال ایده‌اش را با شعری در مورد کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی با 4 کوانتوم بیت عملی کرد. این شعر تلاش می‌کند تا با انتخاب کلمات و نوع ساختارش، نظریه‌ی کوانتومیِ پشت این کامپیوترها را ترجمه کند. اینکه آیا فیزیکدان‌ها شعر را به عنوان زبان فیزیک کوانتوم بپذیرند یا نه همچنان مورد بحث است. در هر حال، این شعر راهی است تا کسانی که خارج از دنیای فیزیک هستند با برخی از مفاهیم شگفت انگیز کوانتوم آشنا شوند.

اطلاعات بیشتر در مورد هر خبر را می‌توانید در منبع زیر مشاهده کنید:

Highlights of the Year