La oss gjøre vårt og kanskje det blir en revolusjon

Store funn, dristige teorier, vitenskapelige gjennombrudd. Mediene er fulle av slike formuleringer, vanligvis overdrevne. Et sted i skyggen av «stor fysikk», LHC, fundamentale kosmologiske spørsmål og kampen mot standardmodellen, gjør hardtarbeidende forskere jobben sin i stillhet, tenker på praktiske anvendelser og utvider kunnskapsfeltet trinn for trinn.

"La oss gjøre våre egne ting" kan absolutt være slagordet til forskere som er involvert i utviklingen av termonukleær fusjon. For til tross for de store svarene på de store spørsmålene, er løsningen av praktiske, tilsynelatende ubetydelige problemer knyttet til denne prosessen, i stand til å revolusjonere verden.

Kanskje vil det for eksempel være mulig å gjøre småskala atomfusjon – med utstyr som får plass på et bord. Forskere ved University of Washington bygde enheten i fjor Z-klype (1), som er i stand til å opprettholde en fusjonsreaksjon innen 5 mikrosekunder, selv om den viktigste imponerende informasjonen var miniatyriseringen av reaktoren, som bare er 1,5 m lang. Z-klemmen fungerer ved å fange og komprimere plasmaet i et kraftig magnetfelt.

Ikke veldig effektivt, men potensielt ekstremt viktig innsats for å . Ifølge forskning fra det amerikanske energidepartementet (DOE), publisert i oktober 2018 i tidsskriftet Physics of Plasmas, har fusjonsreaktorer evnen til å kontrollere plasmaoscillasjon. Disse bølgene skyver høyenergipartikler ut av reaksjonssonen, og tar med seg noe av energien som trengs for fusjonsreaksjonen. En ny DOE-studie beskriver sofistikerte datasimuleringer som kan spore og forutsi bølgedannelse, noe som gir fysikere muligheten til å forhindre prosessen og holde partikler under kontroll. Forskere håper arbeidet deres vil hjelpe i konstruksjonen ITER, kanskje det mest kjente eksperimentelle fusjonsreaktorprosjektet i Frankrike.

Også prestasjoner som f.eks plasmatemperatur 100 millioner grader Celsius, oppnådd på slutten av fjoråret av et team av forskere ved China Institute of Plasma Physics i Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), er et eksempel på en steg-for-steg fremgang mot effektiv fusjon. Ifølge eksperter som kommenterer studien, kan den være av sentral betydning i det nevnte ITER-prosjektet, der Kina deltar sammen med 35 andre land.

Superledere og elektronikk

Et annet område med stort potensial, hvor det tas ganske små, møysommelige grep i stedet for store gjennombrudd, er jakten på høytemperatur-superledere. (2). Dessverre er det mange falske alarmer og for tidlige bekymringer. Vanligvis rave medieoppslag viser seg å være overdrivelser eller rett og slett usanne. Selv i mer seriøse rapporter er det alltid et "men". Som i en fersk rapport har forskere ved University of Chicago oppdaget superledning, evnen til å lede elektrisitet uten tap ved de høyeste temperaturene som noen gang er registrert. Ved å bruke banebrytende teknologi ved Argonne National Laboratory studerte et team av lokale forskere en klasse materialer der de observerte superledning ved temperaturer rundt -23 °C. Dette er et hopp på rundt 50 grader fra forrige bekreftede rekord.

2. Superleder i et magnetfelt

Haken er imidlertid at du må legge mye press. Materialene som ble testet var hydrider. I noen tid har lantanperhydrid vært av spesiell interesse. I eksperimenter ble det funnet at ekstremt tynne prøver av dette materialet viser superledning under påvirkning av trykk i området fra 150 til 170 gigapascal. Resultatene ble publisert i mai i tidsskriftet Nature, medforfatter av prof. Vitaly Prokopenko og Eran Greenberg.

For å tenke på den praktiske bruken av disse materialene, må du senke trykket og også temperaturen, for selv ned til -23 ° C er ikke veldig praktisk. Arbeidet med det er typisk småtrinnsfysikk, som pågår i årevis i laboratorier rundt om i verden.

Det samme gjelder anvendt forskning. magnetiske fenomener i elektronikk. Nylig, ved hjelp av svært sensitive magnetiske sonder, har et internasjonalt team av forskere funnet overraskende bevis på at magnetismen som oppstår ved grensesnittet mellom tynne lag av ikke-magnetisk oksid lett kan kontrolleres ved å bruke små mekaniske krefter. Oppdagelsen, som ble annonsert i desember i fjor i Nature Physics, viser en ny og uventet måte å kontrollere magnetisme på, som teoretisk gir mulighet for å tenke på tettere magnetisk minne og spintronikk, for eksempel.

Denne oppdagelsen skaper en ny mulighet for miniatyrisering av magnetiske minneceller, som i dag allerede har en størrelse på flere titalls nanometer, men deres videre miniatyrisering ved hjelp av kjente teknologier er vanskelig. Oksydgrensesnitt kombinerer en rekke interessante fysiske fenomener som todimensjonal ledningsevne og superledning. Styring av strøm ved hjelp av magnetisme er et meget lovende felt innen elektronikk. Å finne materialer med de riktige egenskapene, men likevel rimelige og billige, vil tillate oss å bli seriøse med utviklingen spintronic.

det er slitsomt også spillvarmekontroll i elektronikk. UC Berkeley-ingeniører har nylig utviklet et tynnfilmmateriale (filmtykkelse 50-100 nanometer) som kan brukes til å gjenvinne spillvarme for å generere kraft på nivåer som aldri er sett før i denne typen teknologi. Den bruker en prosess kalt pyroelektrisk kraftkonvertering, som ny teknisk forskning viser er godt egnet for bruk i varmekilder under 100 °C. Dette er bare ett av de siste eksemplene på forskning på dette området. Det finnes hundrevis eller til og med tusenvis av forskningsprogrammer rundt om i verden knyttet til energiledelse innen elektronikk.

"Jeg vet ikke hvorfor, men det fungerer"

Eksperimentering med nye materialer, deres faseoverganger og topologiske fenomener er et veldig lovende forskningsområde, lite effektivt, vanskelig og sjelden attraktivt for media. Dette er en av de hyppigst siterte forskningene innen fysikk, selv om den fikk mye omtale i media, den såkalte. mainstream vinner de vanligvis ikke.

Eksperimenter med fasetransformasjoner i materialer gir noen ganger uventede resultater, for eksempel metallsmelting med høye smeltepunkter romtemperatur. Et eksempel er den nylige oppnåelsen av å smelte gullprøver, som typisk smelter ved 1064 °C ved romtemperatur, ved bruk av et elektrisk felt og et elektronmikroskop. Denne endringen var reversibel fordi å slå av det elektriske feltet kunne størkne gullet igjen. Dermed har det elektriske feltet sluttet seg til de kjente faktorene som påvirker fasetransformasjoner, i tillegg til temperatur og trykk.

Faseendringer ble også observert under intens pulser av laserlys. Resultatene av studien av dette fenomenet ble publisert sommeren 2019 i tidsskriftet Nature Physics. Det internasjonale teamet for å oppnå dette ble ledet av Nuh Gedik (3), professor i fysikk ved Massachusetts Institute of Technology. Forskerne fant at under optisk indusert smelting skjer faseovergangen gjennom dannelsen av singulariteter i materialet, kjent som topologiske defekter, som igjen påvirker den resulterende elektron- og gitterdynamikken i materialet. Disse topologiske defektene, som Gedik forklarte i sin publikasjon, er analoge med små virvler som oppstår i væsker som vann.

For sin forskning brukte forskerne en forbindelse av lantan og tellur LaTe.₃. Forskerne forklarer at neste steg vil være å prøve å finne ut hvordan de kan «generere disse defektene på en kontrollert måte». Potensielt kan dette brukes til datalagring, hvor lyspulser vil bli brukt til å skrive eller reparere feil i systemet, som vil tilsvare dataoperasjoner.

Og siden vi kom til ultraraske laserpulser, er bruken av dem i mange interessante eksperimenter og potensielt lovende anvendelser i praksis et tema som ofte dukker opp i vitenskapelige rapporter. For eksempel viste gruppen til Ignacio Franco, assisterende professor i kjemi og fysikk ved University of Rochester, nylig hvordan ultraraske laserpulser kan brukes til å forvrengende egenskaper til materie Oraz generering av elektrisk strøm med en hastighet som er raskere enn noen teknikk kjent for oss så langt. Forskerne behandlet tynne glassfilamenter med en varighet på en milliondels milliarddels sekund. På et øyeblikk ble det glassaktige materialet til noe som ligner et metall som leder elektrisitet. Dette skjedde raskere enn i noe kjent system i fravær av påført spenning. Strømningsretningen og intensiteten til strømmen kan styres ved å endre egenskapene til laserstrålen. Og siden den kan kontrolleres, ser enhver elektronikkingeniør med interesse.

Franco forklarte i en publikasjon i Nature Communications.

Den fysiske naturen til disse fenomenene er ikke fullt ut forstått. Franco selv mistenker at mekanismer som sterk effekt, dvs. korrelasjonen mellom emisjonen eller absorpsjonen av lyskvanter med et elektrisk felt. Hvis det var mulig å bygge fungerende elektroniske systemer basert på disse fenomenene, ville vi hatt en annen episode av ingeniørserien kalt We Don't Know Why, But It Works.

Følsomhet og liten størrelse

Gyroskoper er enheter som hjelper kjøretøy, droner, samt elektroniske verktøy og bærbare enheter med å navigere i tredimensjonalt rom. Nå er de mye brukt i enheter som vi bruker hver dag. Opprinnelig var gyroskoper et sett med nestede hjul, som hver roterte rundt sin egen akse. I dag finner vi i mobiltelefoner mikroelektromekaniske sensorer (MEMS) som måler endringer i krefter som virker på to identiske masser, som oscillerer og beveger seg i motsatt retning.

MEMS-gyroskoper har betydelige følsomhetsbegrensninger. Så det bygger optiske gyroskoper, uten bevegelige deler, for de samme oppgavene som bruker et fenomen kalt Sagnac-effekt. Men til nå har det vært et problem med miniatyriseringen deres. De minste høyytelses optiske gyroskopene som er tilgjengelige er større enn en pingpongball og ikke egnet for mange bærbare bruksområder. Imidlertid har ingeniører ved Caltech University of Technology, ledet av Ali Hadjimiri, utviklet et nytt optisk gyroskop som fem hundre ganger mindredet som er kjent så langt4). Han forbedrer sin følsomhet ved å bruke en ny teknikk kalt "gjensidig forsterkning» Mellom to lysstråler som brukes i et typisk Sagnac-interferometer. Den nye enheten ble beskrevet i en artikkel publisert i Nature Photonics i november i fjor.

4. Optisk gyroskop utviklet av Ali Hadjimiri og hans kolleger. 

Utviklingen av et nøyaktig optisk gyroskop kan i stor grad forbedre orienteringen til smarttelefoner. På sin side ble den bygget av forskere fra Columbia Engineering. første flate linse som er i stand til å fokusere et bredt spekter av farger på samme punkt uten behov for tilleggselementer, kan påvirke de fotografiske egenskapene til mobilt utstyr. Den revolusjonerende mikron-tynne flatlinsen er betydelig tynnere enn et papirark og leverer ytelse som kan sammenlignes med førsteklasses komposittlinser. Gruppens funn, ledet av Nanfang Yu, en assisterende professor i anvendt fysikk, presenteres i en studie publisert i tidsskriftet Nature.

Forskere har bygget flate linser fra "metaatomer". Hvert metaatom er en brøkdel av en bølgelengde av lys i størrelse og forsinker lysbølger med en annen mengde. Ved å bygge et veldig tynt flatt lag av nanostrukturer på et underlag så tykt som et menneskehår, klarte forskerne å oppnå samme funksjonalitet som et mye tykkere og tyngre konvensjonelt linsesystem. Metalenses kan erstatte voluminøse linsesystemer på samme måte som flatskjerm-TV-er har erstattet CRT-TV-er.

Hvorfor en stor kolliderer når det er andre måter

Fysikken til små skritt kan også ha ulike betydninger og betydninger. For eksempel - i stedet for å bygge monstrøst store typestrukturer og kreve enda større, slik mange fysikere gjør, kan man prøve å finne svar på store spørsmål med mer beskjedne verktøy.

De fleste akseleratorer akselererer partikkelstråler ved å generere elektriske og magnetiske felt. Men i noen tid eksperimenterte han med en annen teknikk - plasmaakseleratorer, akselerasjon av ladede partikler som elektroner, positroner og ioner ved bruk av et elektrisk felt kombinert med en bølge generert i et elektronplasma. I det siste har jeg jobbet med den nye versjonen deres. AWAKE-teamet ved CERN bruker protoner (ikke elektroner) for å lage en plasmabølge. Bytte til protoner kan ta partikler til høyere energinivåer i ett enkelt akselerasjonstrinn. Andre former for plasmaoppvåkningsfeltakselerasjon krever flere trinn for å nå samme energinivå. Forskere tror deres protonbaserte teknologi kan gjøre oss i stand til å bygge mindre, billigere og kraftigere akseleratorer i fremtiden.

5. To-trinns miniatyrakselerator fra DESY - visualisering

På sin side satte forskere fra DESY (forkortelse for Deutsches Elektronen-Synchrotron - tysk elektronisk synkrotron) en ny rekord innen miniatyrisering av partikkelakseleratorer i juli. Terahertz-akseleratoren mer enn doblet energien til de injiserte elektronene (5). Samtidig forbedret oppsettet kvaliteten på elektronstrålen betydelig sammenlignet med tidligere eksperimenter med denne teknikken.

Franz Kärtner, leder for ultrarask optikk og røntgengruppen ved DESY, forklarte i en pressemelding. -

Den tilknyttede enheten produserte et akselererende felt med en maksimal intensitet på 200 millioner volt per meter (MV/m) - i likhet med den kraftigste moderne konvensjonelle akseleratoren.

I sin tur en ny, relativt liten detektor ALPHA-g (6), bygget av det kanadiske selskapet TRIUMF og sendt til CERN tidligere i år, har som oppgave å måle gravitasjonsakselerasjonen til antimaterie. Akselererer antimaterie i nærvær av et gravitasjonsfelt på jordens overflate med +9,8 m/s2 (ned), med -9,8 m/s2 (opp), med 0 m/s2 (ingen gravitasjonsakselerasjon i det hele tatt), eller har noen annen verdi? Den siste muligheten ville revolusjonere fysikken. Et lite ALPHA-g-apparat kan, i tillegg til å bevise eksistensen av «antigravitasjon», lede oss på en vei som leder til universets største mysterier.

I en enda mindre skala prøver vi å studere fenomener på et enda lavere nivå. Ovenfor 60 milliarder omdreininger per sekund den kan designes av forskere fra Purdue University og kinesiske universiteter. I følge forfatterne av eksperimentet i en artikkel publisert for noen måneder siden i Physical Review Letters, vil en slik raskt roterende skapelse tillate dem å forstå bedre hemmeligheter .

Objektet, som er i samme ekstreme rotasjon, er en nanopartikkel på omtrent 170 nanometer bred og 320 nanometer lang, som forskerne syntetiserte fra silika. Forskerteamet leviterte et objekt i et vakuum ved hjelp av en laser, som deretter pulserte det med en enorm hastighet. Det neste trinnet vil være å gjennomføre eksperimenter med enda høyere rotasjonshastigheter, som vil tillate nøyaktig forskning av grunnleggende fysiske teorier, inkludert eksotiske former for friksjon i et vakuum. Som du kan se, trenger du ikke bygge kilometer med rør og gigantiske detektorer for å møte grunnleggende mysterier.

I 2009 klarte forskere å lage et spesielt sort hull i laboratoriet som absorberer lyd. Siden da disse звук  viste seg å være nyttig som laboratorieanaloger av et lysabsorberende objekt. I en artikkel publisert i tidsskriftet Nature i juli beskriver forskere ved Technion Israel Institute of Technology hvordan de skapte et sonisk sort hull og målte Hawking-strålingstemperaturen. Disse målingene var i tråd med temperaturen spådd av Hawking. Dermed ser det ut til at det ikke er nødvendig å foreta en ekspedisjon til et sort hull for å utforske det.

Hvem vet om svarene på de største spørsmålene er skjult i disse tilsynelatende mindre effektive vitenskapelige prosjektene, i møysommelig laboratorieinnsats og gjentatte eksperimenter for å teste små, fragmenterte teorier. Vitenskapshistorien lærer at dette kan skje.