Эксперимент подтвердил электрическую теорию преодоления сантиметрового барьера
Эксперименты в условиях микрогравитации подтвердили способность частиц миллиметрового размера приобретать электрический заряд при соударениях, который помогает им слипаться в образования большего размера. Это позволяет преодолеть сантиметровый барьер роста структур в протопланетных дисках, после которого начинают работать другие механизмы, такие как потоковая неустойчивость, пишут авторы в журнале Nature Physics.
Планеты формируются в протопланетных дисках из газа и пыли вокруг молодых звезд. Изначально в них присутствуют частицы размером порядка микрометра. Существует достаточно ясное теоретическое понимание ключевых процессов, участвующих в росте объектов от метров, которые при соударениях объединяются в более крупные тела, которые в итоге начинают притягивать вещество собственной гравитацией. Однако полноценного объяснения перехода к частицам размером около метра и менее нет — эту ситуацию физики называют сантиметровым барьером.
Теоретические оценки показывают, что существует два проблемных явления. Во-первых, в численных симуляциях частицы больше миллиметра испытывают преимущественно упругие соударения, из-за чего отскакивают друг от друга, а не теряют кинетическую энергию и слипаются. Во-вторых, при типичных относительных скоростях в протопланетных дисках тела с диаметром около сантиметра должны дробиться при соударениях, а не слипаться. Существует ряд гипотез, претендующих на объяснение этого перехода, но пока что ни одна из них не получила полноценного экспериментального подтверждения.
Ученые из Германии и США под руководством Герхарда Вурма (Gerhard Wurm) из Университета Дуйсбурга—Эссена провели эксперименты, которые подтвердили одну из предложенных идей. Ученые подбрасывали контейнер с имитирующими хондры стеклянными шариками диаметром 0,4 миллиметра внутри 120-метровой вакуумной трубы — испытательной башни в Бремене. В результате выяснилось, что соударения в условиях микрогравитации приводят к появлению электростатического заряда на поверхности даже одинаковых частиц. Затем эти заряды позволяют формироваться комкам размером до нескольких сантиметров.
Эксперименты осуществлялись в режиме катапульты, при котором ударопрочный контейнер с гранулами, высокоскоростными камерами и другим измерительным оборудованием выстреливается со дна башни. При этом в течение всего полета вверх и вниз (9,3 секунды) объекты внутри находятся в режиме микрогравитации, что позволяет изучать намного более слабые взаимодействия между телами, которые будут совершенно незначительны по сравнению с силой тяжести на поверхности Земли.
Перед запуском контейнер с частицами встряхивали, благодаря чему некоторые объекты получали заряд. В процессе полета, когда вес гранул становился пренебрежимо мал, электростатические силы между ними заставляли их объединяться в группы, некоторые из которых были размером в несколько сантиметров и состояли из более чем тысячи элементов. Также оказалось, что эти агрегаты обладают достаточной механической прочностью, которая позволяла им не распадаться при соударениях даже с относительно быстрыми частицами, легко разрушающими незаряженные скопления.
Для подтверждения полученных результатов авторы провели численные симуляции процессов. Оказалось, что учет электростатических взаимодействий приводит к согласованию результатов, но при игнорировании вклада данного процесса настолько больших групп не образуется.
Авторы заключают, что им удалось подтвердить один из возможных механизмов преодоления обеих проблем сантиметрового барьера. При этом в их экспериментах скорости частиц соответствовали ожидаемым в протопланетных дисках на расстоянии порядка одной астрономической единицы от звезды. Однако дополнительных исследований требует соотнесение состава частиц, так как в данном случае использовали лишь стеклянные гранулы. Ученые пишут, что изучили столкновительную электризацию базальтовых гранул, которая оказалась еще выше. Также они отмечают, что возможны другие механизмы электризации, связанные с космическими лучами или радиоактивными распадами.
Недавно астрономы выяснили, что столкновения планетезималей могут вернуть пыль в протопланетный диск, впервые обнаружили в таком образовании муравьиную кислоту, а также нашли первый околозвездный диск, напоминающий спиральную галактику.
Тимур Кешелава
Один компьютер — на сверхпроводящих контурах, другой — на ионах в ловушках
Сразу две группы физиков сообщили о результатах по симуляции неабелевых энионов на квантовом процессоре. Группа Google Quantum AI использовала для этого сверхпроводящий квантовый компьютер — их результаты опубликованы в журнале Nature. Группа Quantinuum воспользовалась квантовым компьютером на ионах в ловушках. Ознакомиться с их исследованием можно по препринту. Энионами называют класс частиц и квазичастиц, которые занимают промежуточное положение между бозонами и фермионами относительно того, как меняется волновая функция после перестановки двух частиц из пары. Их существование возможно только в двумерном пространстве. Интерес к энионам обусловлен тем, что, переставляя их, можно проводить топологически защищенные квантовые вычисления. Подробнее об этом читайте в материалах «Наплели моду» и «Спиновая жидкость». Важное условие для этого — неабелевость энионов. Так называют ситуацию, при котором операторы перестановки не коммутируют. Другими словами, важны не только сами частицы, но и последовательности их перестановок. Обычно это представляют в виде переплетения мировых линий частиц. Поиск неабелевых энионов (или неабелеонов) велся по большей части в твердотельных платформах. Физики пытались найти квазичастицы с такими свойствами. Другой подход основан на симуляции неабелеонной волновой функции с помощью ресурсов квантового процессора. Именно это удалось недавно сделать двум группам: команде Google Quantum AI, работающей на сверхпроводящем квантовой компьютере, и команде Quantinuum, в распоряжении которой есть квантовый компьютер на ионах. Работа физиков из Google во многом пересекается с исследованием, в котором они доказали выгоду от масштабирования коррекции ошибок с помощью поверхностного кода (мы рассказывали об этом недавно). Поверхностным кодом называется объединение нескольких физических кубитов в один логический. Такой подход позволяет исправлять потерю квантовой информации, вызванную декогеренцией. В новом исследовании роль неабелевых энионов играли определенные дефекты в поверхностном коде, представленном в виде квадратного графа. Дефекты имели топологический характер, а потому демонстрировали нужные свойства. Физики показали, что, перемещая дефекты по графу, можно проводить плетение и кодировать таким способом квантовую информацию. Процессор позволил создать восемь неабелионов, которые авторы использовали, чтобы закодировать три логических кубита и перевести их в состояние Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ состояние). Таким образом физики показали, что логические кубиты на основе неабелевых энионов в сверхпроводящем квантовом процессоре потенциально пригодны для квантовых вычислений. Физики из Quantinuum работали на квантовом компьютере H2, который состоит из 33 ионов иттербия, удерживаемых в чипе электронными ловушками. Стартовой точкой в этом исследовании стало запутывание 27 из них в состояние, которое можно было бы описать с помощью решетки кагомэ с периодическими граничными условиями. Такую решетку проще всего представить свернутой в тор. Полученная поверхность представляла собой виртуальное двумерное пространство, в котором могли существовать неабелевы энионы. Физики возбуждали их парами, применяя определенные логические операторы к запутанному состоянию. Они убедились, что движение возбуждений по решетке имеет неабелев характер и допускает плетение. Таким путем они создали из мировых линий трех неабелеонов топологические кольца Борромео. Манипуляции с топологией привлекают большое внимание ученых. Эти исследования были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году. Подробнее о том, за что ее вручили, мы рассказывали в материале «Топологически защищен».