Сверхпроводимость обычно возникает в материалах, охлажденных до экстремально низких температур или находящихся под высоким давлением. Согласно базовой теории сверхпроводимости, теории БКШ, ниже критической температуры электроны в материале объединяются в куперовские пары, что помогает току в материале течь без сопротивления.
Теория БКШ не объясняет поведение всех типов сверхпроводников и экзотические случаи, в которых сверхпроводимость все равно возможна. В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, физики смогли найти и объяснить взаимодействие между куперовскими парами, которое раньше ускользало от исследователей. Оказалась, эти структуры коррелированы, то есть поведение каждой пары зависит от окружающих.
Теория БКШ постулирует, что куперовские пары распределены по сверхпроводнику независимо и вероятность найти пару электронов вблизи выбранной точки не связана с расположением других пар.
[shesht-info-block number=1]
Ученые работали с газом Ферми. Они заставили специально подготовленные и сильно охлажденные атомы лития вести себя как частицы-фермионы. Электроны относятся к этому же типу частиц и подчиняются тем же законам взаимодействия и организации пар. Поэтому физики часто используют ферми-газ как модель, хорошо описывающую происходящее в сверхпроводнике.
Физики заперли атомы в гексагональной оптической решетке и постоянно снимали их положение в пространстве с помощью микроскопии квантового газа с атомным разрешением, в условиях, где атомы могут перемещаться. Оказалось, после того, как атомы объединились в пары, они стали двигаться синхронно. Более того, их положение зависело от положения других пар.
Спаренные атомы сохраняли дистанцию от других спаренных атомов. Ученые сравнили это с тем, как танцующие пары держатся на расстоянии от других в бальном зале. Такой эффект не был предсказан теорией БКШ.
[shesht-info-block number=2]
Для подтверждения результатов провели численное моделирование, которое точно воспроизвело ту же систему. Результаты совпали с экспериментальными данными. Ученые смогли рассчитать дистанцию между электронными парами.
Этот результат меняет наше фундаментальное понимание сверхпроводников и других квантовых материалов, состоящих из фермионов. Новые данные могут приблизить ученых к созданию высокотемпературных сверхпроводников.
Физики нашли взаимодействие, пропущенное в основной теории сверхпроводимости
Старший научный сотрудник центра декарбонизации АПК и региональной экономики КБГУ Амиран Занилов представил работу «Влияние минеральных и органо-минеральных систем удобрения в Геосети многолетних опытов на формирование углеродного баланса в агроэкосистеме». По расчетам ученого, высокое содержание углерода в почве отражает наличие положительного углеродного баланса в агроэкосистеме и ее благополучие в целом, что ведет к росту урожайности и качества продукции. Использование исключительно минеральной системы удобрения ограничивает углеродсеквестрирующую способность почвы — 28,7 тонн CO₂-эквивалента на гектар против 98,5 тонн CO₂-эквивалента при органо-минеральной системе. Результаты исследования опубликованы в «Бюллетене Почвенного института им. В.В. Докучаева», который входит в перечень ВАК.
Почему это важно?
На сельское хозяйство приходится четверть всех выбросов на планете. Проблема повышения концентрации парниковых газов тесно связана со снижением запасов гумуса в почвах и трансформацией азотных соединений, в том числе из удобрений. Несмотря на незначительные концентрации закиси азота в атмосфере, ее потенциал глобального потепления почти в 300 раз выше, чем углекислого газа.
При этом полностью отказаться от синтетических удобрений нельзя: они дают 40% прироста урожая во всем мире. Органическое же земледелие в России занимает только 1,2% всех полей. Перед ученым стояла задача: понять, какая технология окажется экологически, климатически и экономически более благополучной. Занилов видит выход в модернизации современного агропроизводства за счет внедрения углероднакопительных технологий.
Как изучали влияние удобрений на климат?
«Исследования проводились на озимой пшенице в селе Опытное Терского района Кабардино-Балкарии. Участок заложен еще в 1947–1948 годах и входит в Геосеть многолетних опытов», — отмечает автор.
На этой территории проводилось сравнение действия минеральных и органо-минеральных систем удобрения. По результатам мониторинга проводился расчет углеродного баланса в агроэкосистеме. Оказалось, что если сочетать органические удобрения с минеральными, то на фоне повышения урожайности прослеживается сохранение органического вещества в почве, а в некоторых случаях и его накопление.
«Рассмотрение статей углеродного баланса в системе «удобрение – почва – растение» свидетельствует о преимущественной роли почвы как резервуара углерода: 84,7% секвестрированного диоксида углерода при минеральной системе и 95% — при органо-минеральной. Выбросы закиси азота при второй системе выше на 10–15%, но выгода от накопления углерода многократно перекрывает этот минус», — приходит к выводу Амиран Занилов.
Зачем это нужно?
Полученные данные могут использоваться при реализации почвенно-климатических проектов на основе биологически модифицированных систем питания культурных растений. Такие разработки могут помочь агропромышленным предприятиям снизить экологические выбросы и повысить конкурентоспособность своей продукции. Существенно возрастет и эколого-климатический рейтинг региона, что позволит облегчить доступ к «зеленому» льготному финансированию отрасли.
По сравнению с 1990 годом эмиссия парниковых газов в России сокращена в два раза, но все еще выбрасывается около двух миллиардов тонн CO₂-эквивалента без учета поглощения экосистемами. Страна взяла курс на углеродную нейтральность до 2060 года: в реестр включены 85 климатических проектов и более 36 миллионов углеродных единиц. Власти оценивают объем инвестиций в климатическую повестку до 2030 года примерно в 19 триллионов рублей.
В России выяснили, как удобрения могут помочь в борьбе с изменением климата
Несмотря на то что уже существуют субволновые нанолазеры, размеры которых меньше длины волны света по всем трем измерениям, в таких диапазонах, как ультрафиолет, красный и зеленый, однако до сих пор не был разработан аналогичный лазер в видимом синем спектре (400–500 нм). Между тем лазеры этого диапазона востребованы для современных технологий. Основная проблема заключалась в том, что такой лазер должен быть наноразмерным. Это значит, что его объем не должен превышать куба длины волны, например при длине волны 415 нм это около 0,07 мкм3. Из-за фундаментальных ограничений дифракционного предела ранее не получалось локализовать моды в наноскопических объемах без потерь эффективности.
«В предыдущих работах не удавалось синтезировать высококачественные одиночные нанокристаллы размером менее 200 нм из перовскита с формулой CsPbCl3, а также расположить их на металлической подложке. В этой работе мы в ИТМО успешно справились с задачей. Кроме того, плодотворная кооперация с физиками-теоретиками из МФТИ позволила оптимизировать форму и размер для нанокристалла, чтобы достичь от него лазерной генерации», — рассказал Сергей Макаров, д. ф.-м. н., профессор, заведующий лабораторией гибридной нанофотоники и оптоэлектроники, директор Инжинирингового центра фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО.
Физики из ИТМО синтезировали нанокубоиды из перовскита CsPbCl₃ размерами 145 × 195 × 190 нм, объем которых составил 0,005 мкм³, что примерно в 13 раз меньше куба длины волны излучения. Затем они нанесли их на специальную подложку: серебряную пленку с тонким диэлектрическим слоем (Al₂O₃), усиливающую оптические резонансы внутри кубика. Дальше они охлаждали образцы до 80 K и возбуждали их короткими лазерными импульсами, наблюдая, как спонтанное свечение переходит в лазерную генерацию.
Излучение в таком лазере происходит за счет механизма поляритонного лазирования. Он характерен для фотоактивных материалов, в которых носители электрического заряда существуют в виде связанных квазичастиц — экситонов, способных к когерентному излучению. Чтобы понять принцип работы этого механизма Денис Баранов из МФТИ построил теоретическую модель. Он рассчитал оптические моды кубика с учетом сильной связи экситонов и фотонов, приводящей к формированию гибридных частиц — поляритонов. А также показал, что лазирование происходит за счет конденсации этих поляритонов на нижнем энергетическом уровне, обеспечивая когерентное излучение.
«Такой кубик светит в довольно хитром полиртонном режиме. Это значит, что фотоны испускаются не каждым отдельным элементарным кусочком перовскита самим по себе, а коллективными состояниями среды, „размазанными” по нанокубику, — поляритонами. Нам нужно было придумать аппарат для описания такого излучения, и мы его разработали вместе с Николаем Солодовченко из ИТМО», — объяснил Денис Баранов, заведующий лабораторией передовой нанофотоники и квантовых материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
«Примечательно, что поляритонное лазирование требует гораздо меньше энергозатрат по сравнению с традиционным механизмом лазерной генерации. Поэтому нам удалось создать рекордно компактный нанолазер, который не требует сверхвысоких интенсивностей подводимой накачки для достижения его рабочего режима», — добавил Сергей Макаров.
Это самый маленький нанолазер в синем диапазоне (400–500 нм) из всех когда-либо продемонстрированных. Новый лазер в десятки раз компактнее ранее созданных аналогов и впервые преодолевает дифракционный предел во всех трех измерениях. Кроме того, он обладает низким порогом накачки — около 10 мкДж/см² при охлаждении до 80 K, что делает его перспективным для интеграции в фотонные чипы.
Пока максимальную эффективность лазер демонстрирует только при 80 K из-за диссоциации экситонов при комнатной температуре. Однако авторы полагают, что этот недостаток возможно преодолеть, если перейти к резонаторам из перовскитов с пониженной размерностью.
Разработанный нанолазер представляет огромный интерес для создания таких устройств, как сверхкомпактные источники оптического сигнала, которые могут быть востребованы для оптических вычислений на чипе. Также их можно использовать в качестве фотонных ускорителей для электронных процессоров в системах искусственного интеллекта. В дальнейшем коллектив ученых планирует продолжить разработку теоретического инструмента для описания формирования поляритонных линий в излучении нанокубика, а также заняться интеграцией разработанных источников света в фотонные интегральные схемы. Это позволит реализовать оптические вычисления на компактном чипе для широкого круга задач — от логистики до классификации данных и ускорения работы ИИ.
Статья опубликована в журнале npj Nanophotonics. В работе принимали участие ученые из Университета ИТМО, МФТИ, Сколтеха, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и Циндаоского центра инноваций и развития Харбинского инженерного университета (Китай).
Российские физики создали самый маленький лазер в синем диапазоне
Компактные звезды — белые карлики и нейтронные звезды — давно считаются одними из самых экстремальных объектов во Вселенной с огромной плотностью, сильнейшей гравитацией и в ряде случаев с колоссальными магнитными полями. Наблюдения показывают, что вблизи центра Млечного Пути таких объектов больше, чем предсказывают теории: особенно много магнитных белых карликов, а вот обычные пульсары почти не встречаются — астрономы называют это «проблемой пропавших пульсаров».
Одно из возможных объяснений связано с темной материей: считается, что ее частицы (до сих пор неизвестные науке) могут накапливаться внутри звезд, постепенно образуя в их центре крошечную черную дыру (ЧД). Такая «эндопаразитическая» ЧД должна расти, поглощая вещество светила, и в итоге полностью ее уничтожить.
Новая научная работа, однако, предполагает неожиданный поворот в этой истории: ученые описали механизм под названием магнитно-остановленная трансмутация. Суть в том, что сильное магнитное поле внутри звезды может создавать давление, способное уравновесить притяжение растущей ЧД.
[shesht-info-block number=1]
Поясним: в обычной ситуации вещество падает внутрь черной дыры под действием гравитации, но если магнитное давление становится сопоставимым с гравитационным, аккреция — то есть «питание» ЧД — резко замедляется или прекращается вовсе.
Чтобы проверить, так ли это на самом деле, исследователи вывели условие: все зависит от соотношения между магнитным полем, плотностью вещества и массой «зародыша» черной дыры. Если параметр, объединяющий эти величины, остается ниже критического значения, рост ЧД останавливается на ранней стадии — она увеличивается незначительно и не разрушает звезду.
Кроме того, в магнитных белых карликах и магнетарах — нейтронных звездах с экстремально сильными магнитными полями — могут выполняться условия для такого «торможения». Дело в том, что в их недрах магнитное поле настолько велико, что удерживает вещество от падения в черную дыру.
[shesht-info-block number=2]
Эта идея призвана объяснить сразу несколько астрономических загадок. Например, почему в центре Млечного Пути наблюдается избыток магнитных белых карликов: они могут выживать дольше обычных, поскольку их внутренние ЧД «задушены» магнитным полем. Также можно понять, почему там практически нет обычных пульсаров: их поля слабее, из-за чего они быстро разрушаются. Даже существование редкого магнетара рядом со Стрельцом А* может оказаться следствием этого механизма.
Хотя модель пока теоретическая и требует детальных расчетов, она предлагает новый способ связать воедино сразу несколько явлений: эволюцию звезд, свойства экстремальных магнитных полей и поведение темной материи.
Если будущие наблюдения подтвердят предсказания из исследования, опубликованного в The European Physical Journal C, это станет важным шагом к пониманию того, как устроены самые плотные объекты во Вселенной и что на самом деле происходит в их скрытых недрах.
Астрофизики объяснили, почему некоторые звезды не умирают в центре Млечного Пути
Геологи картируют морское дно с помощью пневматических излучателей. Корабли буксируют пушки, которые каждые 10–20 секунд стреляют звуковыми волнами в толщу воды. Частота этих импульсов совпадает с частотой общения усатых китов, в частности финвалов (около 20 герц). Долгое время оставалось неясным, действительно ли животные реагируют на шум. Сторонники промышленного освоения шельфа утверждали, что киты продолжают петь, но их голоса просто теряются для микрофонов на фоне грохота взрывов.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Scientific Reports, проверили гипотезу о маскировке. Они использовали акустические данные 2013 года, собранные у берегов Испании в районе Галисии. В тот период на площади около 1600 квадратных километров работало исследовательское судно, а на дне находилась сеть из десятков сейсмометров и гидрофонов. Запись велась непрерывно 63 дня. План экспедиции случайно сыграл на руку экологам: корабль сейсморазведки несколько раз ломался и уходил в порт на ремонт. Эти паузы создали контрольные периоды тишины.
Ученые перевели аудиофайлы в визуальные спектрограммы и проанализировали их сверточной нейросетью EfficientNetB0, которая изначально создавалась для распознавания изображений. Программа с точностью 85,6 процента научилась отличать специфические паттерны китовых песен от шума взрывов.
Алгоритм обработал записи и выявил резкое падение активности животных. В периоды работы сейсморазведки количество зафиксированных китовых песен снижалось в среднем на 70,4 процента. Даже после применения поправки на маскировку падение составило 52 процента. Финвалы реагировали на шум практически мгновенно: их вокальная активность обрывалась в первые один-два дня после начала стрельбы и так же быстро восстанавливалась, когда судно прекращало работу. За два месяца наблюдений у китов не выработалось никакого привыкания к грохоту.
Акустические данные не позволяют точно сказать, затаились ли финвалы в состоянии стресса или уплыли за десятки километров от источника звука. Однако оба сценария нарушают нормальные циклы коммуникации, размножения и питания исчезающего вида. Результаты указывают на необходимость замены жестких пневматических пушек на более тихие вибрационные системы и введения строгих зон тишины на маршрутах миграции китов.
Внимание астрономов 3I/ATLAS привлек сразу после обнаружения в июле 2025 года. Такие тела встречаются очень редко и считаются «капсулами времени», прибывшими к нам из других звездных систем. Интересно, что до сближения с Солнцем химический состав третьего межзвездного объекта сильно отличался от привычных комет: соотношение углекислого газа (CO₂) к воде было аномально высоким — примерно в несколько раз выше, чем у типичных объектов Солнечной системы.
В одном исследовании это значение статистически сильно выбивалось из нормы, что указывало на необычную историю формирования межзвездного гостя или последующей переработки вещества. Вот почему в новой работе ученые решили проследить, как именно меняется состав кометы после прохождения перигелия — момента, когда нагрев Солнцем максимален.
Для этого астрономы использовали спектроскопию высокого разрешения с помощью телескопа «Субару». Вместо прямого наблюдения молекул воды и CO₂ исследователи проанализировали так называемые запрещенные линии атомарного кислорода — слабые спектральные сигналы на длинах волн около 557,7 нанометров (зеленая линия) и 630-636,4 нанометра (красные линии).
[shesht-info-block number=1]
Они возникают, когда солнечное ультрафиолетовое излучение разрушает молекулы в коме объекта, а по их соотношению можно восстановить, какие именно молекулы присутствовали изначально.
Выяснилось, что после перигелия вклад CO₂ заметно снизился, то есть соотношение стало ближе к значениям, характерным для водяных комет. При этом полное исчезновение углекислого газа не наблюдалось — его доля оставалась повышенной, но не доминирующей. Это важный момент: речь идет не о случайной флуктуации, а о систематическом изменении состава по мере нагрева.
Дополнительные наблюдения также показали, что другие характеристики кометы например, цвет и пылевая активность, менялись одновременно. Судя по всему, поверхность 3I/ATLAS эволюционировала, выбрасывая вещество при приближении к светилу. Более того, усиление «покраснения» и изменения спектра пыли согласуются с идеей о том, что наружные слои объекта сдуваются, обнажая более «свежий» материал.
[shesht-info-block number=2]
Наиболее правдоподобное объяснение — слоистая структура ядра. Авторы исследования, принятого к публикации в The Astrophysical Journal Letters, предположили, что за миллионы лет в межзвездном пространстве верхние слои кометы обогащались углекислым газом и другими летучими веществами. При нагреве эти слои испаряются первыми, создавая иллюзию углекислой кометы на раннем этапе развития. Когда они исчезают, проявляется более глубокий слой, где доминирует вода — более типичный компонент кометного льда.
Такое «переключение» состава особенно важно. Оно показывает, что химия межзвездных объектов — не просто отражение условий их рождения, а результат длительной эволюции в галактической среде. Наблюдая, как именно меняется состав 3I/ATLAS в реальном времени, астрономы фактически получают доступ к внутренней структуре объекта без посадки аппаратов и многолетних миссий.
Сближение с Солнцем изменило химический состав 3I/ATLAS вопреки ожиданиям