Японская KAGRA присоединится к глобальной сети гравитационных антенн
Представители всех четырех работающих гравитационных антенн — LIGO, Virgo, KAGRA и GEO600 — подписали меморандум о договоренности, устанавливающий порядок совместных действий установок и обмен данными. Таким образом, начавшая ранее в этом году подготовку к наблюдениям японская установка KAGRA, в которой используется ряд новых технологий, присоединится к существующим детекторам, что обеспечит увеличенную точность определения параметров гравитационных сигналов, говорится в пресс-релизе на сайте обсерватории LIGO.
Гравитационные волны — это периодические колебания пространства-времени, которые создаются любыми не сферически симметричными ускоренными движениями масс. Это явление предсказано общей теорией относительности Альберта Эйнштейна в начале XX века. Так как гравитация намного слабее других взаимодействий, то и ее волны также весьма слабы. В связи с этим заметные возмущения порождают лишь экстремально быстрые движения больших масс. На современном этапе развития науки можно регистрировать подобные сигналы лишь от слияния черных дыр или нейтронных звезд.
Существующие гравитационные антенны устроены по принципу интерферометра Майкельсона: в L-образном туннеле вдоль обоих плеч движутся лазерные лучи, которые затем сводятся вместе и интерферируют. Если картина интерференции остается постоянной, то никакой волны нет, если же она меняется, значит изменяются и отношения между длинами плеч, что говорит о прохождении гравитационной волны. Существуют и другие варианты гравитационных антенн, но по своим параметрам они намного уступают лазерным.
Сегодня в мире полноценно работает четыре лазерно-интерферометрические антенны: германо-британская GEO600, европейская Virgo и пара американских LIGO. GEO600 наиболее старая и ее точности не хватает для регистрации реальных событий. Однако ее роль исключительно важна, так как на ней отрабатываются многие ключевые технологии.
В декабре 2019 года к наблюдениям должна присоединиться японская установка KAGRA. Весной ученые начали подготовительные работы: 13 апреля из ее туннелей начали откачивать воздух, а 2 мая началось охлаждение пробных масс. В KAGRA применяется ряд новых технологических решений. В частности, это первая антенна с достаточной для фиксации реальных слияний чувствительностью, расположенная под землей. Также в ней впервые используется криогенное охлаждение пробных масс, к которым прикреплены зеркала для лазеров.
4 октября представители LIGO, Virgo и KAGRA подписали меморандум о договоренности, который предполагает проведение совместных наблюдений и обмен получаемыми данными. Включение новой обсерватории, которая расположена далеко от существующих, значительно улучшит локализацию событий: так как гравитационные волны проходят сквозь установки в разное время, то по временной задержке удается восстановить направление на их источник.
Например, единственное на данный момент гравитационное событие, которое также наблюдали обычные телескопы, — слияние нейтронных звезд в 2017 году — было локализовано LIGO и Virgo в области неба площадью 30 квадратных градусов, то есть порядка 0,07 процентов всей сферы. Это достаточно мало для покрытия телескопами, но требует заметного времени. Включение KAGRA должно сократить такую область в три раза, что позволит ученым быстрее найти объект, и, следовательно, получить более ценную информацию об электромагнитной яркости спустя короткое время после излучения гравитационных волн.
Также все более реальными становятся планы по строительству копии антенны LIGO в Индии — ее запуск предполагается осуществить в 2025 году. Ранее сообщалось, Китай начал строить собственную гравитационную антенну, в которой будет наблюдаться интерференция не излучения, а волн материи — атомных лазеров. Также ученым удалось воспроизвести квантовый шум гравитационных антенн при комнатной температуре, а астрономы выяснили, что будущая космическая гравитационная антенна LISA сможет найти планеты у двойных белых карликов по всей Галактике.
Тимур Кешелава
Это первый легкий металл, в котором его удалось обнаружить
Физики впервые зафиксировали орбитальный эффект Холла в легком металле. Для этого они измерили угол изменения направления света при прохождении через титан, который использовали в качестве образца из-за высокой проводимости. Открытие поможет уточнить механизм поведения металлов в магнитном поле, сообщают ученые в Nature. Если проводник с током находится во внешнем магнитном поле, то кроме классического эффекта Холла (возникновение разности потенциалов при протекании тока, перпендикулярного полю) в нем можно увидеть еще две разновидности этого явления: спиновый и орбитальный эффекты Холла. В первом случае из-за разницы в электронной проводимости электронов образуется поток спина: электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным сторонам проводника. А во втором — поток орбитального момента: он возникает благодаря действию на электроны силы Лоренца и направлен перпендикулярно току. Ранее считалось, что именно спиновый эффект преобладает в твердых телах с ненулевым значением спин-орбитального взаимодействия. При этом орбитальный эффект не требует спин-орбитального взаимодействия и потому более распространен: для легких металлов (металлы с небольшой плотностью, например алюминий, олово, титан и другие) орбитальная холловская даже превышает спиновую. Однако орбитальный эффект влияет на магнитные свойства металла только косвенно, причем изменения эти настолько малы, что зафиксировать их не удается. Чтобы преодолеть эти ограничения и разглядеть орбитальный эффект Холла в легком металле, физики из Южной Кореи под руководством Хён У Ли (Hyun-Woo Lee) предложили измерять его косвенно — по углу керровского поворота, который характеризует угол наклона плоскости поляризации света при прохождении через материал. Орбитальные токи Холла меняют показатель преломления материала, и, следовательно, угол керровского поворота. В качестве объекта исследования был выбран легкий металл титан — благодаря большой орбитальной кривизне Берри у него текстурированная структура поверхностей Ферми, что, согласно расчетам, должно приводить к очень высокой орбитальной холловской проводимости. С помощью оптической спектроскопии ученым удалось уловить эти изменения — на основании данных спектроскопии они построили график зависимости угла керровского поворота от плотности тока в титане. Зависимость оказалось линейной: чем больше модуль плотности тока, тем больше изменение угла, что подтвердило наличие орбитального эффекта Холла. Его величину ученые определяли по значению эффективной орбитальной холловской проводимости. Оно составило 130h/e обратных ом, это почти в 30 раз меньше расчетной. Причины несоответствия установить не удалось, но ученые собираются провести дополнительные исследования. Несмотря на расхождение с теорией, полученные результаты не только подтвердили наличие орбитального эффекта, но и показали, что именно из-за него в легких металлах возникает и спиновый эффект Холла. То есть чтобы предсказать поведение металлов в магнитном поле, учитывать этот эффект обязательно. У эффекта Холла существует несколько различных механизмов, и каждый из них тщательно исследуется учеными. Например, физики уже изучили, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла и придали ультрахолодным атомам дробное квантовое состояние Холла.