Naredimo svoje in morda bo prišlo do revolucije

Velika odkritja, drzne teorije, znanstveni preboj. Mediji so polni takšnih formulacij, običajno pretiranih. Nekje v senci "velike fizike", LHC-ja, temeljnih kozmoloških vprašanj in boja proti Standardnemu modelu, pridni raziskovalci tiho opravljajo svoje delo, razmišljajo o praktičnih aplikacijah in korak za korakom širijo polje našega znanja.

"Naredimo svoje" je zagotovo lahko slogan znanstvenikov, ki se ukvarjajo z razvojem termonuklearne fuzije. Kajti kljub odličnim odgovorom na velika vprašanja je rešitev praktičnih, na videz nepomembnih problemov, povezanih s tem procesom, sposobna revolucionirati svet.

Morda bo na primer mogoče izvesti jedrsko fuzijo majhnega obsega - z opremo, ki se prilega na mizo. Znanstveniki z univerze v Washingtonu so napravo izdelali lani Z-ščip (1), ki je sposoben vzdrževati fuzijsko reakcijo v 5 mikrosekundah, čeprav je bila glavna impresivna informacija miniaturizacija reaktorja, ki je dolg le 1,5 m. Z-ščip deluje tako, da ujame in stisne plazmo v močnem magnetnem polju.

Ni zelo učinkovito, a potencialno izjemno pomembno prizadevanja za . Glede na raziskavo ameriškega ministrstva za energijo (DOE), objavljeno oktobra 2018 v reviji Physics of Plasmas, imajo fuzijski reaktorji možnost nadzora plazemskega nihanja. Ti valovi potisnejo visokoenergijske delce iz reakcijskega območja in s seboj odnesejo nekaj energije, potrebne za fuzijsko reakcijo. Nova študija DOE opisuje sofisticirane računalniške simulacije, ki lahko sledijo in napovedujejo nastanek valov, kar daje fizikom možnost, da preprečijo proces in obdržijo delce pod nadzorom. Znanstveniki upajo, da bo njihovo delo pomagalo pri gradnji ITER, morda najbolj znan projekt eksperimentalnega fuzijskega reaktorja v Franciji.

Tudi dosežki kot npr temperatura plazme 100 milijonov stopinj Celzija, ki ga je konec lanskega leta pridobila skupina znanstvenikov s Kitajskega inštituta za fiziko plazme v Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), je primer postopnega napredka k učinkoviti fuziji. Po mnenju strokovnjakov, ki komentirajo študijo, je lahko ključnega pomena pri omenjenem projektu ITER, v katerem sodeluje Kitajska skupaj s 35 drugimi državami.

Superprevodniki in elektronika

Drugo področje z velikim potencialom, kjer se namesto velikih prebojev delajo precej majhni, mukotrpni koraki, je iskanje visokotemperaturnih superprevodnikov. (2). Žal je veliko lažnih alarmov in prezgodnjih skrbi. Ponavadi se izkaže, da so navdušena medijska poročila pretiravana ali preprosto neresnična. Tudi v resnejših poročilih je vedno »ampak«. Kot v nedavnem poročilu so znanstveniki na Univerzi v Chicagu odkrili superprevodnost, sposobnost prevajanja električne energije brez izgube pri najvišjih temperaturah, ki so jih kdaj zabeležili. Z uporabo najsodobnejše tehnologije v nacionalnem laboratoriju Argonne je skupina lokalnih znanstvenikov preučevala razred materialov, v katerih so opazili superprevodnost pri temperaturah okoli -23 °C. To je skok za približno 50 stopinj od prejšnjega potrjenega rekorda.

2. Superprevodnik v magnetnem polju

Zaloga pa je v tem, da je treba izvajati velik pritisk. Materiali, ki so bili testirani, so bili hidridi. Že nekaj časa je bil še posebej zanimiv lantanov perhidrid. Eksperimenti so pokazali, da izredno tanki vzorci tega materiala kažejo superprevodnost pri tlakih od 150 do 170 gigapascalov. Rezultati so bili objavljeni maja v reviji Nature, katere soavtor je prof. Vitalij Prokopenko in Eran Greenberg.

Če želite razmišljati o praktični uporabi teh materialov, boste morali znižati tlak in tudi temperaturo, saj tudi do -23 °C ni zelo praktično. Delo na njej je tipična fizika majhnih korakov, ki poteka že leta v laboratorijih po vsem svetu.

Enako velja za uporabne raziskave. magnetni pojavi v elektroniki. Pred kratkim je mednarodna skupina znanstvenikov z uporabo zelo občutljivih magnetnih sond našla presenetljive dokaze, da je magnetizem, ki se pojavi na vmesniku tankih plasti nemagnetnega oksida, enostavno nadzorovati z uporabo majhnih mehanskih sil. Odkritje, objavljeno decembra lani v Nature Physics, kaže nov in nepričakovan način nadzora magnetizma, ki teoretično omogoča razmišljanje o gostejšem magnetnem spominu in spintroniki, na primer.

To odkritje ustvarja novo priložnost za miniaturizacijo magnetnih pomnilniških celic, ki imajo danes že velikost nekaj deset nanometrov, vendar je njihova nadaljnja miniaturizacija z uporabo znanih tehnologij težka. Oksidni vmesniki združujejo številne zanimive fizikalne pojave, kot sta dvodimenzionalna prevodnost in superprevodnost. Nadzor toka s pomočjo magnetizma je zelo obetavno področje v elektroniki. Iskanje materialov s pravimi lastnostmi, a cenovno dostopnih in poceni, bi nam omogočilo, da se resno lotimo razvoja spintronic.

tudi utrujajoče je nadzor odpadne toplote v elektroniki. Inženirji UC Berkeley so pred kratkim razvili tankoslojni material (debelina filma 50-100 nanometrov), ki ga je mogoče uporabiti za rekuperacijo odpadne toplote za proizvodnjo energije na nivojih, ki jih pri tovrstni tehnologiji še nikoli nismo videli. Uporablja postopek, imenovan piroelektrična pretvorba energije, za katero nove inženirske raziskave kažejo, da je zelo primerna za uporabo v virih toplote pod 100 °C. To je le eden najnovejših primerov raziskav na tem področju. Po vsem svetu je na stotine ali celo tisoče raziskovalnih programov, povezanih z upravljanjem energije v elektroniki.

"Ne vem zakaj, ampak deluje"

Eksperimentiranje z novimi materiali, njihovimi faznimi prehodi in topološkimi pojavi je zelo obetavno področje raziskav, ki ni zelo učinkovito, težko in redko privlačno za medije. Gre za eno najpogosteje citiranih študij s področja fizike, čeprav je dobila veliko medijsko odmevnost, t.i. mainstream običajno ne zmagajo.

Eksperimenti s faznimi transformacijami v materialih včasih prinesejo na primer nepričakovane rezultate taljenje kovin z visokimi tališči sobna temperatura. Primer je nedavni dosežek taljenja vzorcev zlata, ki se običajno talijo pri 1064°C pri sobni temperaturi, z uporabo električnega polja in elektronskega mikroskopa. Ta sprememba je bila reverzibilna, ker bi izklop električnega polja lahko ponovno strdil zlato. Tako se je znanim dejavnikom, ki vplivajo na fazne transformacije, poleg temperature in tlaka pridružilo tudi električno polje.

Med intenzivnimi so opazili tudi fazne spremembe impulzi laserske svetlobe. Rezultati študije tega pojava so bili objavljeni poleti 2019 v reviji Nature Physics. Mednarodno ekipo za dosego tega je vodil Nuh Gedik (3), profesor fizike na Massachusetts Institute of Technology. Znanstveniki so ugotovili, da med optično induciranim taljenjem pride do faznega prehoda s tvorbo singularnosti v materialu, znanih kot topološke napake, ki posledično vplivajo na posledično dinamiko elektronov in mreže v materialu. Te topološke napake, kot je Gedik pojasnil v svoji publikaciji, so analogne drobnim vrtincem, ki se pojavljajo v tekočinah, kot je voda.

Za svoje raziskave so znanstveniki uporabili spojino lantana in telurja LaTe.₃. Raziskovalci pojasnjujejo, da bo naslednji korak poskus ugotoviti, kako lahko "nadzorovano ustvarijo te napake." Potencialno bi to lahko uporabili za shranjevanje podatkov, kjer bi se svetlobni impulzi uporabljali za zapisovanje ali popravilo napak v sistemu, ki bi ustrezale podatkovnim operacijam.

In ker smo prišli do ultra hitrih laserskih impulzov, je njihova uporaba v številnih zanimivih poskusih in potencialno obetavnih aplikacijah v praksi tema, ki se pogosto pojavlja v znanstvenih poročilih. Na primer, skupina Ignacia Franca, docenta za kemijo in fiziko na Univerzi v Rochesterju, je pred kratkim pokazala, kako je mogoče uporabiti ultra hitre laserske impulze za izkrivljanje lastnosti snovi Oraz proizvodnja električnega toka s hitrostjo, ki je hitrejša od katere koli tehnike, ki nam je doslej znana. Raziskovalci so obdelali tanke steklene filamente s trajanjem milijoninke milijardenke sekunde. V hipu se je stekleni material spremenil v nekaj podobnega kovini, ki prevaja elektriko. To se je zgodilo hitreje kot v katerem koli znanem sistemu brez uporabljene napetosti. Smer toka in jakost toka je mogoče nadzorovati s spreminjanjem lastnosti laserskega žarka. In ker ga je mogoče nadzorovati, vsak elektronik gleda z zanimanjem.

Franco je pojasnil v publikaciji v Nature Communications.

Fizična narava teh pojavov ni popolnoma razumljena. Franco sam sumi, da so mehanizmi kot močan učinek, torej korelacija oddajanja ali absorpcije svetlobnih kvantov z električnim poljem. Če bi bilo mogoče zgraditi delujoče elektronske sisteme na podlagi teh pojavov, bi imeli še eno epizodo inženirske serije z naslovom Ne vemo, zakaj, vendar deluje.

Občutljivost in majhna velikost

Žiroskopi so naprave, ki pomagajo vozilom, dronom, pa tudi elektronskim pripomočkom in prenosnim napravam krmariti v tridimenzionalnem prostoru. Zdaj se pogosto uporabljajo v napravah, ki jih uporabljamo vsak dan. Sprva so bili žiroskopi niz ugnezdenih koles, od katerih se je vsako vrtelo okoli svoje osi. Danes v mobilnih telefonih najdemo mikroelektromehanske senzorje (MEMS), ki merijo spremembe sil, ki delujejo na dve enaki masi, ki nihajo in se gibljejo v nasprotni smeri.

MEMS žiroskopi imajo pomembne omejitve občutljivosti. Torej se gradi optični žiroskopi, brez gibljivih delov, za iste naloge, ki uporabljajo pojav, imenovan Sagnac učinek. Vendar je do zdaj obstajal problem njihove miniaturizacije. Najmanjši visokozmogljivi optični žiroskopi, ki so na voljo, so večji od žogice za ping pong in niso primerni za številne prenosne aplikacije. Vendar pa so inženirji na Tehnološki univerzi Caltech, ki jih vodi Ali Hadjimiri, razvili nov optični žiroskop, ki petstokrat manjkar je doslej znano4). Svojo občutljivost poveča z uporabo nove tehnike, imenovane "medsebojno okrepitev» Med dvema žarkoma svetlobe, ki se uporabljata v tipičnem Sagnacovem interferometru. Nova naprava je bila opisana v članku, objavljenem v Nature Photonics novembra lani.

4. Optični žiroskop, ki so ga razvili Ali Hadjimiri in njegovi sodelavci. 

Razvoj natančnega optičnega žiroskopa lahko močno izboljša orientacijo pametnih telefonov. Po drugi strani so ga zgradili znanstveniki iz Columbia Engineering. prva ravna leča zmožen pravilno izostriti širok razpon barv na isti točki brez potrebe po dodatnih elementih, lahko vpliva na fotografske zmogljivosti mobilne opreme. Revolucionarna ploska leča, tanka do mikronov, je bistveno tanjša od lista papirja in zagotavlja zmogljivost, primerljivo z vrhunskimi kompozitnimi lečami. Ugotovitve ekipe, ki jih vodi Nanfang Yu, docent za uporabno fiziko, so predstavljene v študiji, objavljeni v reviji Nature.

Znanstveniki so izdelali ravne leče iz "metaatomi". Vsak metaatom je velik delček valovne dolžine svetlobe in upočasni svetlobne valove za različno količino. Z izgradnjo zelo tanke ploščate plasti nanostruktur na substratu, debelem kot človeški las, so znanstveniki lahko dosegli enako funkcionalnost kot veliko debelejši in težji običajni sistem leč. Metalens lahko nadomesti obsežne sisteme leč na enak način, kot so televizorji z ravnim zaslonom zamenjali televizorje s katodno cevjo.

Zakaj velik trkalnik, če obstajajo drugi načini

Tudi fizika majhnih korakov ima lahko različne pomene in pomene. Na primer - namesto da bi gradili pošastno velike tipske strukture in zahtevali še večje, kot to počnejo številni fiziki, lahko poskušamo najti odgovore na velika vprašanja s skromnejšimi orodji.

Večina pospeševalnikov pospešuje žarke delcev z ustvarjanjem električnih in magnetnih polj. Vendar je nekaj časa eksperimentiral z drugačno tehniko - plazemski pospeševalniki, pospeševanje nabitih delcev, kot so elektroni, pozitroni in ioni z uporabo električnega polja v kombinaciji z valom, ustvarjenim v elektronski plazmi. Zadnje čase sem delal na njihovi novi različici. Ekipa AWAKE v CERN-u uporablja protone (ne elektrone) za ustvarjanje plazemskega vala. Preklop na protone lahko delce dvigne na višje energetske ravni v enem samem koraku pospeška. Druge oblike pospeševanja polja prebujanja plazme zahtevajo več korakov, da dosežemo enako raven energije. Znanstveniki verjamejo, da bi nam njihova tehnologija, ki temelji na protonu, lahko omogočila gradnjo manjših, cenejših in zmogljivejših pospeševalnikov v prihodnosti.

5. Dvostopenjski miniaturni pospeševalnik DESY - vizualizacija

Po drugi strani so znanstveniki iz DESY (okrajšava za Deutsches Elektronen-Synchrotron - nemški elektronski sinhrotron) julija postavili nov rekord na področju miniaturizacije pospeševalnikov delcev. Teraherčni pospeševalnik je več kot podvojil energijo vbrizganih elektronov (5). Hkrati je postavitev bistveno izboljšala kakovost elektronskega žarka v primerjavi s prejšnjimi poskusi s to tehniko.

Franz Kärtner, vodja skupine za ultrahitro optiko in rentgenske žarke pri DESY, je pojasnil v sporočilu za javnost. -

Povezana naprava je ustvarila pospeševalno polje z največjo intenzivnostjo 200 milijonov voltov na meter (MV/m) - podobno najmočnejšemu sodobnemu običajnemu pospeševalniku.

Po drugi strani pa nov, relativno majhen detektor ALFA-g (6), ki ga je zgradilo kanadsko podjetje TRIUMF in je bilo poslano v CERN v začetku tega leta, ima nalogo meri gravitacijski pospešek antimaterije. Ali se antisnov ob prisotnosti gravitacijskega polja na zemeljskem površju pospeši za +9,8 m/s2 (dol), za -9,8 m/s2 (navzgor), za 0 m/s2 (brez gravitacijskega pospeška) ali ima nekaj druga vrednost? Zadnja možnost bi revolucionirala fiziko. Majhen aparat ALPHA-g nas lahko poleg dokazovanja obstoja "antigravitacije" popelje na pot, ki vodi do največjih skrivnosti vesolja.

V še manjšem obsegu poskušamo proučevati pojave še nižje ravni. Zgoraj 60 milijard vrtljajev na sekundo lahko ga oblikujejo znanstveniki z univerze Purdue in kitajskih univerz. Po mnenju avtorjev eksperimenta v članku, objavljenem pred nekaj meseci v Physical Review Letters, jim bo tako hitro vrteča se kreacija omogočila boljše razumevanje skrivnosti .

Objekt, ki je v enaki skrajni rotaciji, je nanodelec, širok okoli 170 nanometrov in dolg 320 nanometrov, ki so ga znanstveniki sintetizirali iz silicijevega dioksida. Raziskovalna skupina je z laserjem levitirala predmet v vakuumu, ki ga je nato utripal z izjemno hitrostjo. Naslednji korak bo izvedba eksperimentov s še višjimi vrtilnimi hitrostmi, kar bo omogočilo natančne raziskave osnovnih fizikalnih teorij, vključno z eksotičnimi oblikami trenja v vakuumu. Kot lahko vidite, vam ni treba graditi kilometrov cevi in ​​velikanskih detektorjev, da bi se soočili s temeljnimi skrivnostmi.

Leta 2009 so znanstveniki v laboratoriju uspeli ustvariti posebno vrsto črne luknje, ki absorbira zvok. Od takrat ti zvok  se je izkazalo za uporabno kot laboratorijski analog predmeta, ki absorbira svetlobo. V članku, ki je bil julija objavljen v reviji Nature, raziskovalci na Technion Israel Institute of Technology opisujejo, kako so ustvarili zvočno črno luknjo in izmerili njeno Hawkingovo sevanje. Te meritve so bile v skladu s temperaturo, ki jo je napovedal Hawking. Tako se zdi, da ni treba opraviti odprave v črno luknjo, da bi jo raziskali.

Kdo ve, ali se v teh na videz manj učinkovitih znanstvenih projektih, v mukotrpnih laboratorijskih prizadevanjih in ponavljajočih se poskusih za preizkušanje majhnih, razdrobljenih teorij skrivajo odgovori na največja vprašanja. Zgodovina znanosti uči, da se to lahko zgodi.