Показаны сообщения с ярлыком конденсированные среды. Показать все сообщения
Показаны сообщения с ярлыком конденсированные среды. Показать все сообщения

14 декабря 2010 г.

Пустые жидкости

На днях, просматривая ленту последних публикаций, я зацепился взглядом за необычный термин «пустые жидкости» (empty liquids). Прочитал саму статью и пару предыдущих работ и подивился тому, как много нового и необычного продолжает появляться в таком казалось бы приземлённом разделе науки как физика дисперсных систем. Вот небольшой рассказ о том, что это за пустые жидкости.

15 августа 2010 г.

Филип Болл, «Критическая масса»

Дочитываю сейчас научно-популярную книжку Филипа Болла «Критическая масса». Это книга про физику сложных систем — про то, как в наборе из большого числа взаимодействующих элементов сами собой возникают новые коллективные явления, не заложенные в систему изначально. Причем иллюстрируются эти явления не на чисто физических, а на самых разных социальных и экономических примерах: транспортные потоки, паникующая толпа, динамика численности фирм и компаний, военные противостояния, выборы в условиях демократии и т.д.

Книга устроена как череда рассказов про многочисленные попытки найти и обосновать математические закономерности в социальных явлениях. Но это канва. А суть в том, что по ходу дела автор знакомит читателя с некоторыми терминами и явлениями из статистической физики (фазовая диаграмма, фазовые переходы, критическая точка, самоорганизованная критичность, гистерезис, энергетический ландшафт, фрустрация и т.п.) и — что важно — дальше уже обсуждает конкретные примеры на этом статфизическом языке. Очень приятно, что эти термины не «висят» сами по себе, а тут же интерпретируются в понятных словах на конкретных примерах. Скажем, не просто «фазовый переход», а «резкая криминализация общества» или «неожиданное возникновение пробки в казалось бы однородном потоке транспорта».

В общем, автор не просто показывает физические явления в казалось бы разрозненных социальных фактах. Он обучает читателя их видеть и анализировать самому. А это умение, на мой взгляд, очень полезно любому человеку.

Недостатки тоже есть: на мой взгляд, слишком много «воды» и чужих цитат (этим вообще почему-то принято пичкать научно-популярные книги), слишком поверхностное описание некоторых тем (подозреваю, по экономике тоже), зацикливание на многочисленных примерах численного моделирования. Но может быть, это недостатки для меня, а для массового читателя без математического или естественнонаучного образования такой стиль как раз самое то. Так что книжку я рекомендую. Ну и для специалиста она тоже может быть интересной - своими социальными/экономическими примерами.

8 октября 2009 г.

Квазичастицы с неабелевой статистикой

Вот, кстати, еще один пример плодотворного сотрудничества между разными разделами физики, а конкретно, между теоретической физикой элементарных частиц и физикой конденсированных сред, про которое я писал не так давно. Эксперименты, проведенные в последние год-два, похоже, подтверждают идею (пришедшую из квантовой теории поля) о том, что в некоторых конденсированных средах могут реализоваться совершенно экзотические неабелевы фазы. В этих фазах квазичастицы обладают не просто дробной (т.е. не-бозонной и не-фермионной), а неабелевой статистикой.

5 сентября 2009 г.

По поводу магнитных монополей

По разным СМИ пробежала новость об открытии магнитных монополей в спиновом льду. Человека, немножко следящего за новостями в физике, она при беглом чтении может сбить с толку ("Неужели монополи, за которыми охотились десятилетиями, наконец-то открыты?!"). Мне показалось полезным пояснить, что на самом деле там было сделано, и подчеркнуть по поводу этой новости несколько вещей.

22 июня 2009 г.

И снова про графен

В комментариях к ЖЖ-синдикату прошлой заметки про графен много интересного про его получение рассказал Данил Бухвалов (ЖЖ-юзер brother2), который как раз с этим графеном и работает. Я подумал, что полезно будет вынести два его комментария в отдельный пост.

21 июня 2009 г.

Графен: статус и перспективы

В свежем выпуске Science появился небольшой обзор Андре Гейма про текущую ситуацию с изучением графена -- совершенно удивительного материала, ставшего за несколько лет одной из самых горячих тем во всей физике.

5-страничный обзор не претендует, конечно, на сколько-нибудь детальное освещение всех направлений исследований, но он обрисовывает глобальный "стратегический план": что сейчас делается, что можно ожидать в ближайшее время, а что пока остается в далекой перспективе. Вот некоторые выжимки из обзора.

13 мая 2009 г.

Практическая польза от теоретической физики элементарных частиц

В комментариях к предыдущим постам (1,2), а также в обсуждениях в ЖЖ-синдикате (1,2) раз за разом возникает вопрос -- ну всё-таки, какая практическая польза от хиггсовского бозона или от теоретической физики элементарных частиц вообще?

Хорошо, отвечу, а точнее, снова повторю, но на этот раз с новым примером из свежего выпуска Nature Physics.

12 мая 2008 г.

Новое про адиабатический предел

В журнале Nature Physics появилась очень любопытная статья, касающаяся квантово-механических тонкостей адиабатических процессов.

При изучении физики адиабатические процессы встречаются впервые в курсе термодинамики. Так называются процессы, не сопровождающиеся увеличением энтропии. Это, конечно, идеализация -- в реальной жизни энтропия всегда растет, но иногда этим приростом можно пренебречь. Для этого нужно, чтобы процесс, с одной стороны, протекал достаточно быстро, но с другой стороны, -- достаточно медленно. Достаточно быстро для того, чтобы на него не успел повлиять тепломассообмен с окружающей средой, а достаточно медленно для того, чтобы в каждый момент времени система была близка к состоянию термодинамического равновесия (такой процесс называется квазистатическим).

Кстати, если словосочетание "адиабатический процесс" кому-то кажется скучным, то вот вам наглядная демонстрация того, что он может делать:


Конусообразный туман за самолетом как раз возникает из-за адиабатического расширения влажного воздуха.

Но вернемся к сути разговора. Существование квазистатических процессов в той или иной термодинамической системе -- вещь далеко не очевидная. Оно опирается на такое предположение:
чем медленнее термодинамическая система переходит из начального состояния в конечное, тем меньший будет прирост энтропии при таком процессе.

Это утверждение можно развернуть:
Пусть для конечной системы, изменяющейся из начального состояния в конечное с конечной скоростью, приращение плотности энтропии составляет ΔS. Предполагается, что предел этой величины при устремлении размеров системы к бесконечности и устремлении скорости изменения к нулю существует и равен нулю.

Всегда ли это предположение справедливо? Именно на этот вопрос отвечает новая статья.

Сначала авторы напоминают адиабатическую теорему в квантовой механике: если квантовая система находится в собственном состоянии гамильтониана и если энергия этого состояния отделена от других некоторой конечной щелью, то переходы в другие состояния при медленном (адиабатическом) изменении гамильтониана экспоненциально подавлены. Раз так, то приращение энтропии (для системы при достаточно низкой температуре) экспоненциально мало, и сформулированное выше предположение справедливо.

Однако, во многих многочастичных системах (по крайней мере в термодинамическом пределе) щель отсутствует -- там возникают длинноволновые колебания со сколь угодно малой энергией, поэтому утверждение об экспоненциальном подавлении уже не работает. Тем не менее, в "обычных" трехмерных системах приращение энтропии всё равно мало и стремится к нулю в адиабатическом пределе.

Интуитивно понятно, что чем большую роль играют длинноволновые возмущения со сколь угодно малой энергией, тем легче будет разрушаться исходное состояние при медленном изменении системы, и тем большее может быть приращение энтропии в конце. Роль этих длинноволновых возмущений растет при понижении размерности, и возникает такой вопрос:
а не может ли предположение о существовании адиабатического предела вообще нарушиться в низкоразмерных структурах с бесщелевыми возбуждениями?

Авторы утверждают: может! Они обнаружили, что существует режим отклика на медленное воздействие, в котором адиабатический предел не существует. А именно, изменение энтропии пропорционально не только какой-то (положительной, но дробной) степени скорости изменения условий, но и какой-то положительной степени размеров системы. Т.е. даже при сколь угодно медленном изменении условий, такая бесконечно большая система испытывает ненулевое изменение энтропии и энергии.

Это означает, что термодинамику таких систем надо строить предельно осторожно: никаких квазистационарных процессов в них не существует!

Источник:
A.Polkovnikov, V.Gritsev, Breakdown of the adiabatic limit in low-dimensional gapless systems, Nature Physics, published online: 11 May 2008.
Текст доступен в архиве епринтов: arXiv:0706.0212 (сама статья) и arXiv:0803.3967 (дополнительная информация).

22 апреля 2008 г.

Высокотемпературные сверхпроводники на основе железа набирают обороты


У физиков, изучающих высокотемпературную сверхпроводимость, похоже, начинается бум, связанный с новым классом сверхпроводников -- слоистыми структурами на основе арсенида железа FeAs. Т.е. впервые на арену вышли некупратные ВТСП.

Бум начался с того, что пару месяцев назад японская группа обнаружила сверхпроводимость в соединении LaO1−xFxFeAs с x=0.11 при температуре 26 К. Сверхпроводящим тут является слой FeAs, работающий вместо CuO в купратных ВТСП. Это конечно очень мало по сравнению с рекордсменами среди ВТСП-керамик, но с другой стороны это очень много по сравнению с подавляющим большинством "обычных" сверхпроводников.

За последние недели исследованием этих "железных слоек" начали заниматься всё больше и больше групп. Были опробованы разные редкоземельные металлы, критическая температура повысилась до 43К, затем до 52К, сейчас рекорд -- 55К. По всей видимости, это не предел.

Интерес тут связан не только с тем, что наконец-то получили новый тип слоеных сверхпроводников с другим "рабочим элементом" (вместо меди), но и с тем, что железо, в отличие от меди, обычно любит магнититься. А магнетизм и сверхпроводимость уживаются с трудом. Так что у теоретиков появляется новая возможность проверить свои теории. А поле для исследований, похоже, очень широкое -- в свежей статье arXiv:0804.2582 сообщается о сверхпроводимости в большом классе соединений:
Here we report a novel class of superconductors prepared by high pressure synthesis in the quaternary layered-structure ReFeAsO1-delta (Re = Sm, Nd, Pr, Ce, La) family without F-doping.

Интересно тут еще то, что кроме потери сопротивления непосредственно при Tc, у этих соединений начинаются какие-то аномалии и при гораздо более высоких температурах. Как это связано со сверхпроводимостью, я пока не понял.

Вот список интересных ссылок по теме:


Кстати, очень рекомендую три блога по физике конденсированных сред, на которые я недавно наткнулся:

Напомню также, что на русском языке вот уже который год выходит Экспресс-бюллетень ПерсТ -- всё самое свежее и интересное о сверхпроводниках, нанотрубках, фуллеренах, спинтронике и т.п. Правда вот про новые сверхпроводники там почему-то еще не написали.

18 февраля 2008 г.

Новая идея в теории сверхпроводимости -- куперовские квартеты

По наводке Юрия Ерина познакомился с препринтом "Superconductivity from four Fermion complexes" (arXiv:0802.1271). В этой статье рассматривается новый тип сверхпроводимости -- когда вместо образование куперовских пар, четверки электронов объединяются в куперовские квартеты.

График, приведенный в статье, наводит на мысль, что этот механизм может даже привести к более высоким температурам перехода в сверхпроводящее состояние. Правда, у меня при чтении статьи возникли кое-какие сомнения.

С одной стороны, идея вполне имеет право на существование, ведь сложное взаимодействие во многочастичной системе, вообще говоря, вовсе не сводится к набору попарных взаимодействий. В ней существуют и трехчастичные, и четырехчастичные и т.д. взаимодействия. А в классической теории БКШ используются только парные корреляции между электронами. Поэтому возникает вопрос: что будет, если учесть четверные корреляции между электронами?

Автор утверждает, что если им ничто не мешает, то они смогут объединиться в квартеты с некоторой энергией связи, и эти квартеты сформируют конденсат. Автор замечает, что, еонечно, это всё не относится к уже существующим сверхпроводникам, но может быть когда-нибудь откроют и экзотический материал с таким типов сверхпроводимости.

Всё это интересно, но тут есть такой вопрос. Автор для простоты предположил, что есть только четверичные взаимодействия, а парных -- нет вообще. Так конечно проще, но по-моему, такой вариант имеет чисто академический интерес по двум причинам.

Прежде всего, мне трудно представить, как это в БКШ теории с электрон-электронным взаимодействием за счет фононного обмена можно устроить так, чтобы парных корреляций не было, а четверичные были. Автор этого не обсуждает. Единственное, что может придти на ум -- это аналог ефимовских состояний, когда притяжение между двумя частицами слишком слабо для образования связанного состояния, а между тремя или больше -- уже достаточно сильно. Но как-то сомнительно, что для электронов в твердом теле такое сработает.

Если же учитывать как парные, так и четверичные корреляции, то тогда обязательно надо учитывать взаимодействие между двумя конденсатами -- парным и четверичным. Получается задача с двумя взаимодействующими параметрами порядка, и основное состояние системы может оказаться нетривиальным.

Наконец, график, приведенный в статье, довольно обманчив. Он говорит, что если сверхпроводимость квартетами имеет в несколько раз более высокую температуру, чем сверхпроводимость обычная, парная -- при условии, конечно, что соответствующие константы равны! Но пока нет микроскопической теории, нет никаких оснований считать, что они равны, и вообще, что они одного порядка. Без таких реалистических оценок все выводы статьи подвисают в воздухе.

И еще вот что пришло в голову. В парном взаимодействии спин-синглетное состояние пары выгодно, потому что спиновая волновая функция получается антисимметричной, а значит координатная волновая функция будет симметричной -- значит, частицы сидят ближе друг к другу и сильнее притягиваются, чем в спин-триплетном случае. Если же взять четыре электрона, то полностью антисимметричное (по спинам любой пары!) состояние создать невозможно, а значит, максимально симметричную координатную волновую функцию тоже не создашь. Т.е. притяжение будет не настолько эффективным, как хотелось бы.

Обзор по квантовому магнетизму для неспециалистов


Quantum magnetism and criticality (arXiv:0711.3015) -- обзор для неспециалистов по квантовым многочастичным явлениям, включая квантовые фазовые переходы и квантовые критические состояния, на примере магнетизма.

20 октября 2006 г.

Сверхтекучий твердый гелий

Мне совершенно непонятна ситуация с этим сверхтекучим твердым гелием (в англоязычной терминологии -- "супертвердым гелием", supersolid). Вроде бы после первоначальной сенсации появились работы, давшие более приземленное объяснение наблюдавшимся там аномалиям момента инерции (см заметки Сверхтекучесть твердого гелия: сенсация отменяется? и Новые эксперименты с твердым гелием не подтверждают сенсацию). Потом я следил вполглаза и мне казалось, что на этом дело и успокоилось.

Однако сейчас в свежем Phys. Rev. Lett. вышли рядышком друг с другом две статьи с прямо противоположными результатами. Одна из них Phys. Rev. Lett. 97, 165301 (2006) утверждает прямым текстом, что сверхтекучесть действительно наблюдается (цитата: "We have confirmed the existence, as first reported by Kim and Chan, of a supersolid state in solid 4He at temperatures below 250 mK."), а другая, Phys. Rev. Lett. 97, 165302 (2006), не менее открытым текстом сообщает, что признаков перехода в сверхтекучее состояние не наблюдается при понижении температуры аж до 10 мК.

Кому верить? Может ли кто прокомментировать?

Эта история всё больше напоминает историю с пентакварками.

[Комментарии на Элементах]

20 марта 2006 г.

Сверхпроводимость в MgB2 -- пять лет спустя

Пять лет назад была совершенно неожиданно открыта сверхпроводимость в дибориде магния аж при 40 К. Это оказалось уникальной находкой, поскольку в отличие от высокотемпературных сверхпроводников вещество это очень простое и поддается гораздо более точному расчету, а кроме того, сверхпроводимость в нем, опять же в отличие высокотемпературных сверхпроводников, хорошо описывается старой доброй моделью БКШ.

В первые же месяцы после обнародования этой находки возник шквал публикаций, теоретических и экспериментальных, причем не только по самому дибориду магния, но и по другим похожим соединениям. Научно-популярные сообщения не скупились на слова "прорыв", "революционная находка" и т.д.

И вот прошло 5 лет. Интересно, в каком состоянии сейчас эта область? Сбылись ли "высокие надежды"? Стало ли изучение MgB2 революционным в теории сверхпроводимости? Появились ли какие-то технологии, основанные на этом сверхпроводнике?

[Комментарии на Элементах]

17 марта 2006 г.

Твердый гелий не дает физикам покоя

Пару лет назад была опубликована сенсационная экспериментальная работа, авторы которой утверждали, что обнаружили, что твердый гелий тоже может быть сверхтекучим (см. популярные заметки Сверхтекучесть твердого гелия и Экспериментальное подтверждение сверхтекучести твердого гелия).

Пока теоретики думали, как же такое может быть, появились работы, ставящие вывод о сверхтекучести твердонго гелия под сомнение (см. заметки Сверхтекучесть твердого гелия: сенсация отменяется? и Новые эксперименты с твердым гелием не подтверждают сенсацию).

Сейчас в журнале Physical Review Letters появилось сразу две статьи про свойства твердого гелия.

Во-первых, был поставлен самый что ни есть прямой эксперимент по проверке сверхтекучески (или вообще хоть какой-нибудь текучести) твердого гелия. Просто пьезоэлектрической диафрагмой пытались "протолкнуть" кусочек тверого гелия сквозь капилляры. И ничего не вышло: не течет твердый гелий.

Вторая работа, наоборот, полна оптимизма. Теоретически открыта новая фаза твердого гелия: сверхтекучий стеклоподобный твердый гелий. Такое состояние получают быстрым остужанием некоторого неупорядоченного начального состояния, и в результате получается аморфное метастабльное твердое тело со сверхтекучими свойствами.

Такие вот гелиевые пироги.

[Комментарии на Элементах]