Взаимозависимые сверхпроводящие сети

В 2010 году профессор Шломо Хавлин и его сотрудники опубликовали в журнале Nature статью, в которой предположили, что внезапное отключение электричества, вызвавшее знаменитое отключение электроэнергии в Италии в 2003 году, было следствием взаимозависимости двух сетей. Согласно теории Хавлина, зависимость между электросетью и ее системой связи привела к каскадным отказам и внезапным коллапсам. Основополагающая работа Хавлина зажгла новую область в статистической физике, известную как «сеть сетей» или «взаимозависимые сети», и проложила путь к пониманию и предсказанию эффектов взаимодействия между сетями. Главное новшество модели Хавлина — существование двух типов связей, представляющих два качественно различных вида взаимодействия. В сетях связи между узлами описывают связность, такую как электроэнергия или коммуникационные соединения. Между сетями, с другой стороны, ссылки описывают отношения зависимости, в которых функциональность узла в одной сети зависит от функциональности узла в другой. Коммуникационные узлы нуждаются в электричестве, а электростанции зависят от управления связью. Эта зависимость приводит к каскадному эффекту, при котором отказ одного узла в одной из сетей может привести к резкому выходу из строя обеих сетей.

За последнее десятилетие или около того Хавлин с физического факультета Университета Бар-Илан в Израиле и другие применили эту концепцию к множеству абстрактных систем, таких как Интернет, дорожное движение, экономика, инфраструктура и другие. более. Но, будучи теоретиком, Хавлин не смог реализовать гипотезу на реальных экспериментальных физических системах, и поэтому теория не могла быть подтверждена в контролируемых экспериментах и не могла быть реализована для приложений типа устройств.

Недавно Хавлин объединил усилия со своим коллегой, профессором Авиадом Фридманом, экспериментатором физического факультета Бар-Илана, который специализируется на электрических свойствах неупорядоченных систем, в частности сверхпроводников. Сверхпроводимость — это явление, наблюдаемое в некоторых металлах, когда электрическое сопротивление исчезает при охлаждении системы ниже критической температуры.

Вдохновленная теорией Хавлина, группа Фридмана разработала управляемую систему взаимозависимых сверхпроводящих сетей, физическую аналогию взаимозависимым сетям, участвовавшим в отключении электричества в Италии. Две сверхпроводящие сети разделены слоем, который является электрическим изолятором, но обеспечивает передачу тепла между сетями, создавая таким образом систему двух типов взаимодействий. Внутри каждого слоя электрические токи представляют собой связи между сетями, в то время как потоки тепла между сетями представляют собой связи зависимости, поскольку они могут разрушать сегменты сверхпроводимости.

В группы Хавлина и Фридмана входили руководитель лаборатории доктор Ира Волоценко и три аспиранта, доктор Иван Бонамасса, Бная Гросс и Мааян Лаав.

Исследование, проведенное двумя группами и опубликованное сегодня, 1 мая, в журнале Nature Physics, показывает, что в то время как отдельные несвязанные сети демонстрируют плавный непрерывный переход между сверхпроводником и обычным металлом при повышении температуры, связанные системы демонстрируют резкий скачок. , прерывистый переход, как и предсказывает теория. Это связано с тем, что ток, протекающий в нормальном сегменте одного слоя, заставляет наложенный сегмент в другом слое нагреваться и, следовательно, терять свою сверхпроводимость. Этот процесс тепловой обратной связи между слоями продолжается самораспространяющимся образом (т. е. каскадным движением туда и обратно между слоями) и в конечном итоге приводит к самопроизвольно распространяющейся лавине переходов, входящих в металлическую фазу.

Прорывное исследование устанавливает первый эталон физической лаборатории для проявления теории взаимозависимых сетей, позволяя экспериментальным исследованиям контролировать и развивать многомасштабные явления сложных взаимозависимых материалов.

Это исследование имеет огромное значение в нескольких дисциплинах, включая фундаментальную физику, материаловедение и применение устройств. В фундаментальной физике научное влияние заключается в открытии новых физических явлений, связанных с фазовыми переходами. Результаты показывают, что фазовые переходы, управляемые одним типом взаимодействия, широко изучаемые более 100 лет, являются лишь предельным случаем гораздо более богатого общего явления, определяемого несколькими типами взаимодействий.

Результаты могут также привести к созданию новой области сетевых метаматериалов на основе связанных слоев с различными межслойными взаимодействиями, демонстрирующими новые физические явления. Исследование также показывает, что внезапный выход из строя сетевой системы может быть желательным явлением. Если его использовать, его можно будет применять для разработки систем самовосстановления или для разработки высокочувствительных переключателей или датчиков, например, для обнаружения одиночных фотонов.

Хотя сетевая наука возникла из физики в 2000 году, ее последующее развитие и приложения на удивление принесли пользу не физике, а почти всем другим научным и технологическим областям. Настоящее исследование воссоединяет сетевую науку и физику. Это первая демонстрация того, что новые концепции, разработанные наукой о сетях, могут значительно помочь физике при открытии новых физических процессов, таких как новые типы фазовых переходов, при изучении взаимозависимых физических систем.