Róbmy swoje, a może będzie rewolucja

Wielkie odkrycia, śmiałe teorie, przełomy naukowe. Media pełne są takich sformułowań, zwykle przesadzonych. Gdzieś w cieniu „wielkiej fizyki”, LHC, fundamentalnych zagadnień kosmologicznych i walki z Modelem Standardowym, pracowici badacze po cichu wykonują swoją pracę, myśląc o praktycznych zastosowaniach i krok po kroku poszerzając swoją wiedzę.

„Zróbmy swoje” z pewnością może być hasłem naukowców zaangażowanych w rozwój syntezy termojądrowej. Bo pomimo świetnych odpowiedzi na wielkie pytania, rozwiązanie praktycznych, pozornie nieistotnych problemów związanych z tym procesem jest w stanie zrewolucjonizować świat.

Być może uda się na przykład przeprowadzić syntezę jądrową na małą skalę - przy użyciu sprzętu mieszczącego się na stole. Naukowcy z University of Washington zbudowali urządzenie w zeszłym roku Z-szczypta (1), który jest w stanie podtrzymać reakcję syntezy jądrowej w ciągu 5 mikrosekund, chociaż główną imponującą informacją była miniaturyzacja reaktora, który ma tylko 1,5 m. Z-pinch działa poprzez uwięzienie i sprężenie plazmy w silnym polu magnetycznym.

Niezbyt skuteczny, ale potencjalnie niezwykle ważny starania, aby . Według badań Departamentu Energii USA (DOE), opublikowanych w październiku 2018 r. w czasopiśmie Physics of Plasmas, reaktory termojądrowe mają zdolność kontrolowania oscylacji plazmy. Fale te wypychają wysokoenergetyczne cząstki ze strefy reakcji, zabierając ze sobą część energii potrzebnej do reakcji syntezy jądrowej. Nowe badanie DOE opisuje zaawansowane symulacje komputerowe, które mogą śledzić i przewidywać powstawanie fal, dając fizykom możliwość zapobiegania temu procesowi i kontrolowania cząstek. Naukowcy mają nadzieję, że ich praca pomoże w budowie ETER, być może najsłynniejszy eksperymentalny projekt reaktora termojądrowego we Francji.

Również osiągnięcia np temperatura plazmy 100 milionów stopni Celsjusza, uzyskany pod koniec ubiegłego roku przez zespół naukowców z Chińskiego Instytutu Fizyki Plazmy w Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), jest przykładem stopniowego postępu w kierunku wydajnej syntezy jądrowej. Zdaniem ekspertów komentujących badanie, może to mieć kluczowe znaczenie we wspomnianym projekcie ITER, w którym Chiny uczestniczą wraz z 35 innymi państwami.

Nadprzewodniki i elektronika

Innym obszarem o dużym potencjale, w którym zamiast wielkich przełomów podejmuje się raczej małe, żmudne kroki, są poszukiwania nadprzewodników wysokotemperaturowych. (2). Niestety, istnieje wiele fałszywych alarmów i przedwczesnych zmartwień. Zazwyczaj entuzjastyczne doniesienia mediów okazują się przesadzone lub po prostu nieprawdziwe. Nawet w poważniejszych reportażach zawsze znajdzie się jakieś „ale”. Jak w ostatnim raporcie, naukowcy z University of Chicago odkryli nadprzewodnictwo, zdolność do przewodzenia elektryczności bez strat w najwyższych temperaturach, jakie kiedykolwiek zarejestrowano. Korzystając z najnowocześniejszej technologii w Argonne National Laboratory, zespół lokalnych naukowców zbadał klasę materiałów, w których zaobserwowali nadprzewodnictwo w temperaturach około -23°C. To skok o około 50 stopni od poprzedniego potwierdzonego rekordu.

2. Nadprzewodnik w polu magnetycznym

Haczyk polega jednak na tym, że trzeba wywierać duży nacisk. Badanymi materiałami były wodorki. Od pewnego czasu szczególnym zainteresowaniem cieszy się nadwodnik lantanu. Eksperymenty wykazały, że niezwykle cienkie próbki tego materiału wykazują nadprzewodnictwo pod ciśnieniem w zakresie od 150 do 170 gigapaskali. Wyniki opublikowano w maju w czasopiśmie Nature, którego współautorem jest prof. Witalij Prokopenko i Eran Greenberg.

Aby pomyśleć o praktycznym zastosowaniu tych materiałów, trzeba będzie obniżyć ciśnienie, a także temperaturę, bo nawet do -23°C jest mało praktyczne. Praca nad nią to typowa fizyka małych kroków, trwająca latami w laboratoriach na całym świecie.

To samo dotyczy badań stosowanych. zjawiska magnetyczne w elektronice. Niedawno, używając bardzo czułych sond magnetycznych, międzynarodowy zespół naukowców znalazł zaskakujące dowody na to, że magnetyzm występujący na granicy cienkich warstw niemagnetycznego tlenku można łatwo kontrolować za pomocą niewielkich sił mechanicznych. Odkrycie, ogłoszone w Nature Physics w grudniu ubiegłego roku, pokazuje nowy i nieoczekiwany sposób kontrolowania magnetyzmu, teoretycznie pozwalając na przykład na gęstszą pamięć magnetyczną i spintronikę.

Odkrycie to stwarza nową szansę na miniaturyzację magnetycznych komórek pamięci, które dziś mają już rozmiar kilkudziesięciu nanometrów, ale ich dalsza miniaturyzacja przy użyciu znanych technologii jest utrudniona. Interfejsy tlenkowe łączą szereg interesujących zjawisk fizycznych, takich jak dwuwymiarowe przewodnictwo i nadprzewodnictwo. Sterowanie prądem za pomocą magnetyzmu jest bardzo obiecującą dziedziną elektroniki. Znalezienie materiałów o odpowiednich właściwościach, a jednocześnie przystępnych cenowo i tanich, pozwoliłoby nam poważnie zająć się rozwojem spintroniczny.

to też jest męczące kontrola ciepła odpadowego w elektronice. Inżynierowie z UC Berkeley opracowali niedawno materiał cienkowarstwowy (grubość warstwy 50-100 nanometrów), który można wykorzystać do odzyskiwania ciepła odpadowego w celu generowania mocy na poziomach niespotykanych wcześniej w tego typu technologii. Wykorzystuje proces zwany piroelektryczną konwersją mocy, który według nowych badań inżynierskich doskonale nadaje się do stosowania w źródłach ciepła poniżej 100°C. To tylko jeden z najnowszych przykładów badań w tej dziedzinie. Na całym świecie istnieją setki, a nawet tysiące programów badawczych związanych z zarządzaniem energią w elektronice.

„Nie wiem dlaczego, ale działa”

Eksperymentowanie z nowymi materiałami, ich przejściami fazowymi i zjawiskami topologicznymi to bardzo obiecujący obszar badań, mało wydajny, trudny i rzadko atrakcyjny dla mediów. To jedno z najczęściej cytowanych badań z dziedziny fizyki, choć zyskało duży rozgłos w mediach, tzw. głównego nurtu zwykle nie wygrywają.

Eksperymenty z przemianami fazowymi w materiałach czasami przynoszą nieoczekiwane rezultaty, na przykład wytapianie metali o wysokich temperaturach topnienia temperatura pokojowa. Przykładem jest niedawne osiągnięcie topnienia próbek złota, które zazwyczaj topią się w temperaturze 1064°C w temperaturze pokojowej, przy użyciu pola elektrycznego i mikroskopu elektronowego. Ta zmiana była odwracalna, ponieważ wyłączenie pola elektrycznego mogło ponownie zakrzepnąć złoto. Tym samym pole elektryczne dołączyło do znanych czynników wpływających na przemiany fazowe, oprócz temperatury i ciśnienia.

Przemiany fazowe obserwowano również podczas intensywnych impulsy światła laserowego. Wyniki badań tego zjawiska opublikowano latem 2019 roku w czasopiśmie Nature Physics. Międzynarodowy zespół, który miał to osiągnąć, był kierowany przez Nuh Gedik (3), profesor fizyki w Massachusetts Institute of Technology. Naukowcy odkryli, że podczas topnienia indukowanego optycznie przemiana fazowa zachodzi poprzez tworzenie się osobliwości w materiale, zwanych defektami topologicznymi, które z kolei wpływają na wynikową dynamikę elektronów i sieci w materiale. Te defekty topologiczne, jak wyjaśnił Gedik w swojej publikacji, są analogiczne do maleńkich wirów, które występują w cieczach takich jak woda.

Do swoich badań naukowcy wykorzystali związek lantanu i telluru LaTe.₃. Naukowcy wyjaśniają, że następnym krokiem będzie próba ustalenia, w jaki sposób mogą „generować te defekty w kontrolowany sposób”. Potencjalnie można by to wykorzystać do przechowywania danych, gdzie impulsy świetlne byłyby wykorzystywane do zapisu lub naprawy defektów w systemie, co odpowiadałoby operacjom na danych.

A skoro dotarliśmy do ultraszybkich impulsów laserowych, ich wykorzystanie w wielu ciekawych eksperymentach i potencjalnie obiecujących zastosowaniach w praktyce to temat, który często pojawia się w doniesieniach naukowych. Na przykład grupa Ignacio Franco, adiunkta chemii i fizyki na Uniwersytecie w Rochester, niedawno pokazała, w jaki sposób można wykorzystać ultraszybkie impulsy laserowe do zniekształcające właściwości materii Oraz wytwarzanie prądu elektrycznego z prędkością większą niż jakakolwiek znana nam dotychczas technika. Naukowcy potraktowali cienkie szklane włókna o czasie trwania jednej milionowej jednej miliardowej sekundy. W mgnieniu oka szklisty materiał zamienił się w coś w rodzaju metalu przewodzącego prąd. Stało się to szybciej niż w jakimkolwiek znanym systemie przy braku przyłożonego napięcia. Kierunek przepływu i natężenie prądu można kontrolować, zmieniając właściwości wiązki laserowej. A że da się nim sterować, każdy elektronik patrzy z zainteresowaniem.

Franco wyjaśnił w publikacji w Nature Communications.

Fizyczna natura tych zjawisk nie jest w pełni poznana. Sam Franco podejrzewa, że ​​takie mechanizmy jak ostry efekt, czyli korelacja emisji lub absorpcji kwantów światła z polem elektrycznym. Gdyby możliwe było zbudowanie działających układów elektronicznych opartych na tych zjawiskach, mielibyśmy kolejny odcinek inżynierskiej serii zatytułowanej Nie wiemy dlaczego, ale działa.

Czułość i mały rozmiar

Żyroskopy to urządzenia, które pomagają pojazdom, dronom, a także urządzeniom elektronicznym i urządzeniom przenośnym poruszać się w przestrzeni trójwymiarowej. Teraz są szeroko stosowane w urządzeniach, z których korzystamy na co dzień. Początkowo żyroskopy były zestawem zagnieżdżonych kół, z których każde obracało się wokół własnej osi. Dziś w telefonach komórkowych znajdziemy czujniki mikroelektromechaniczne (MEMS), które mierzą zmiany sił działających na dwie identyczne masy, oscylujące i poruszające się w przeciwnych kierunkach.

Żyroskopy MEMS mają znaczne ograniczenia czułości. Więc się buduje żyroskopy optyczne, bez ruchomych części, do tych samych zadań, które wykorzystują zjawisko zwane Efekt Sagnaca. Jednak do tej pory istniał problem ich miniaturyzacji. Najmniejsze dostępne żyroskopy optyczne o wysokiej wydajności są większe niż piłeczka do ping-ponga i nie nadają się do wielu zastosowań przenośnych. Jednak inżynierowie z Caltech University of Technology, kierowani przez Ali Hadjimiri, opracowali nowy żyroskop optyczny, który pięćset razy mniejco wiadomo do tej pory4). Wzmacnia swoją wrażliwość poprzez zastosowanie nowej techniki zwanej „wzajemne wzmocnienie» Pomiędzy dwiema wiązkami światła używanymi w typowym interferometrze Sagnaca. Nowe urządzenie zostało opisane w artykule opublikowanym w Nature Photonics w listopadzie ubiegłego roku.

4. Żyroskop optyczny opracowany przez Ali Hadjimiri i jego współpracowników. 

Opracowanie dokładnego żyroskopu optycznego może znacznie poprawić orientację smartfonów. Z kolei zbudowali go naukowcy z Columbia Engineering. pierwsza płaska soczewka zdolne do prawidłowego ogniskowania szerokiej gamy kolorów w tym samym punkcie bez konieczności stosowania dodatkowych elementów, mogą wpływać na możliwości fotograficzne sprzętu mobilnego. Rewolucyjna płaska soczewka o mikronowej grubości jest znacznie cieńsza niż kartka papieru i zapewnia wydajność porównywalną z wysokiej jakości soczewkami kompozytowymi. Odkrycia zespołu, kierowanego przez Nanfanga Yu, adiunkta fizyki stosowanej, przedstawiono w badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nature.

Naukowcy zbudowali płaskie soczewki z „metaatomy". Każdy metaatom ma rozmiar ułamka długości fali światła i opóźnia fale świetlne o inną wartość. Budując bardzo cienką płaską warstwę nanostruktur na podłożu o grubości ludzkiego włosa, naukowcom udało się osiągnąć taką samą funkcjonalność, jak znacznie grubszy i cięższy konwencjonalny system soczewek. Metalens może zastąpić nieporęczne systemy soczewek w taki sam sposób, w jaki telewizory z płaskim ekranem zastąpiły telewizory z kineskopem.

Po co wielki zderzacz, skoro są inne sposoby

Fizyka małych kroków może mieć również różne znaczenia i znaczenia. Na przykład - zamiast budować potwornie duże struktury czcionek i wymagać jeszcze większych, jak robi to wielu fizyków, można spróbować znaleźć odpowiedzi na wielkie pytania za pomocą skromniejszych narzędzi.

Większość akceleratorów przyspiesza wiązki cząstek, generując pola elektryczne i magnetyczne. Jednak przez pewien czas eksperymentował z inną techniką - akceleratory plazmy, przyspieszanie cząstek naładowanych, takich jak elektrony, pozytony i jony, za pomocą pola elektrycznego połączonego z falą generowaną w plazmie elektronowej. Ostatnio pracowałem nad ich nową wersją. Zespół AWAKE w CERN używa protonów (nie elektronów) do wytworzenia fali plazmy. Przejście na protony może przenieść cząstki na wyższy poziom energii w jednym kroku przyspieszenia. Inne formy przyspieszenia pola przebudzenia plazmy wymagają kilku kroków, aby osiągnąć ten sam poziom energii. Naukowcy są przekonani, że ich technologia oparta na protonach pozwoli nam w przyszłości budować mniejsze, tańsze i mocniejsze akceleratory.

5. Dwustopniowy miniaturowy akcelerator firmy DESY - wizualizacja

Z kolei naukowcy z DESY (skrót od Deutsches Elektronen-Synchrotron – niemiecki elektroniczny synchrotron) ustanowili w lipcu nowy rekord w dziedzinie miniaturyzacji akceleratorów cząstek. Akcelerator terahercowy ponad dwukrotnie zwiększył energię wstrzykiwanych elektronów (5). Jednocześnie konfiguracja znacznie poprawiła jakość wiązki elektronów w porównaniu z poprzednimi eksperymentami z tą techniką.

Franz Kärtner, szef ultraszybkiej optyki i grupy rentgenowskiej w DESY, wyjaśnił w komunikacie prasowym. -

Powiązane urządzenie wytwarzało przyspieszające pole o maksymalnym natężeniu 200 milionów woltów na metr (MV/m) – podobnie jak najpotężniejszy współczesny konwencjonalny akcelerator.

Z kolei nowy, stosunkowo niewielki detektor ALFA g (6), zbudowany przez kanadyjską firmę TRIUMF i wysłany do CERN-u na początku tego roku, ma za zadanie zmierzyć przyspieszenie grawitacyjne antymaterii. Czy antymateria przyspiesza w obecności pola grawitacyjnego na powierzchni Ziemi o +9,8 m/s2 (w dół), o -9,8 m/s2 (w górę), o 0 m/s2 (brak przyspieszenia grawitacyjnego) lub ma jakieś inna wartość? Ta ostatnia możliwość zrewolucjonizowałaby fizykę. Niewielki aparat ALPHA-g może oprócz udowodnienia istnienia „antygrawitacji” naprowadzić nas na ścieżkę wiodącą do największych tajemnic wszechświata.

Na jeszcze mniejszą skalę staramy się badać zjawiska jeszcze niższego poziomu. Powyżej 60 miliardów obrotów na sekundę mogą go zaprojektować naukowcy z Purdue University i chińskich uniwersytetów. Według autorów eksperymentu w artykule opublikowanym kilka miesięcy temu w Physical Review Letters, tak szybko obracający się twór pozwoli im lepiej zrozumieć Tajemnice .

Obiekt, który znajduje się w tej samej skrajnej rotacji, jest nanocząsteczką o szerokości około 170 nanometrów i długości 320 nanometrów, którą naukowcy zsyntetyzowali z krzemionki. Zespół badawczy unosił obiekt w próżni za pomocą lasera, który następnie pulsował go z ogromną prędkością. Kolejnym krokiem będzie przeprowadzenie eksperymentów z jeszcze większymi prędkościami obrotowymi, co pozwoli na dokładne zbadanie podstawowych teorii fizycznych, w tym egzotycznych form tarcia w próżni. Jak widać, nie trzeba budować kilometrów rur i gigantycznych detektorów, aby stawić czoła fundamentalnym zagadkom.

W 2009 roku naukowcom udało się stworzyć w laboratorium specjalny rodzaj czarnej dziury, która pochłania dźwięk. Od tego czasu te звук  okazały się przydatne jako laboratoryjne analogi obiektu pochłaniającego światło. W artykule opublikowanym w lipcu w czasopiśmie Nature naukowcy z Technion Israel Institute of Technology opisują, w jaki sposób stworzyli dźwiękową czarną dziurę i zmierzyli jej temperaturę promieniowania Hawkinga. Pomiary te były zgodne z temperaturą przewidywaną przez Hawkinga. Wydaje się więc, że nie trzeba wyprawić się do czarnej dziury, aby ją zbadać.

Kto wie, czy te pozornie mniej skuteczne projekty naukowe, żmudne prace laboratoryjne i powtarzane eksperymenty w celu sprawdzenia małych, fragmentarycznych teorii, mogą nie być odpowiedziami na najważniejsze pytania. Historia nauki uczy, że może się to zdarzyć.