Učinimo svoje i možda dođe do revolucije

Velika otkrića, hrabre teorije, znanstvena otkrića. Mediji su puni takvih formulacija, obično pretjeranih. Negdje u sjeni "velike fizike", LHC-a, temeljnih kozmoloških pitanja i borbe protiv Standardnog modela, vrijedni istraživači u tišini rade svoj posao, razmišljaju o praktičnim primjenama i korak po korak proširuju polje našeg znanja.

“Uradimo svoje” svakako može biti slogan znanstvenika uključenih u razvoj termonuklearne fuzije. Jer, unatoč velikim odgovorima na velika pitanja, rješenje praktičnih, naizgled beznačajnih problema povezanih s ovim procesom, sposobno je revolucionirati svijet.

Možda će, na primjer, biti moguće napraviti nuklearnu fuziju malih razmjera - s opremom koja stane na stol. Znanstvenici sa Sveučilišta Washington napravili su uređaj prošle godine Z-štipanje (1), koji je sposoban održati fuzijsku reakciju unutar 5 mikrosekundi, iako je glavna impresivna informacija bila minijaturizacija reaktora, koji je dugačak samo 1,5 m. Z-pinč radi tako što hvata i komprimira plazmu u snažnom magnetskom polju.

Ne baš učinkovito, ali potencijalno iznimno važno nastojanja da se . Prema istraživanju američkog Ministarstva energetike (DOE), objavljenom u listopadu 2018. u časopisu Physics of Plasmas, fuzijski reaktori imaju sposobnost kontroliranja oscilacije plazme. Ti valovi potiskuju visokoenergetske čestice iz reakcijske zone, uzimajući sa sobom dio energije potrebne za reakciju fuzije. Nova studija DOE opisuje sofisticirane računalne simulacije koje mogu pratiti i predvidjeti formiranje valova, dajući fizičarima mogućnost da spriječe proces i drže čestice pod kontrolom. Znanstvenici se nadaju da će njihov rad pomoći u izgradnji ITER, možda najpoznatiji projekt eksperimentalnog fuzijskog reaktora u Francuskoj.

Također i postignuća kao npr temperatura plazme 100 milijuna stupnjeva Celzija, koji je krajem prošle godine dobio tim znanstvenika s Kineskog instituta za fiziku plazme u eksperimentalnom naprednom supravodljivom tokamaku (EAST), primjer je korak po korak napretka prema učinkovitoj fuziji. Prema riječima stručnjaka koji komentiraju studiju, ona bi mogla biti od ključne važnosti u spomenutom projektu ITER, u kojem Kina sudjeluje s još 35 zemalja.

Supervodiči i elektronika

Još jedno područje s velikim potencijalom, gdje se poduzimaju mali, mukotrpni koraci umjesto velikih otkrića, jest potraga za visokotemperaturnim supravodičima. (2). Nažalost, puno je lažnih uzbuna i preuranjenih briga. Obično se bahati medijski izvještaji pokažu kao pretjerivanja ili jednostavno neistiniti. Čak iu ozbiljnijim izvještajima uvijek postoji "ali". Kao iu nedavnom izvješću, znanstvenici sa Sveučilišta u Chicagu otkrili su supravodljivost, sposobnost provođenja električne energije bez gubitaka na najvišim temperaturama ikada zabilježenim. Koristeći najsuvremeniju tehnologiju u Nacionalnom laboratoriju Argonne, tim lokalnih znanstvenika proučavao je klasu materijala u kojima su uočili supravodljivost na temperaturama oko -23°C. Ovo je skok od oko 50 stupnjeva u odnosu na prethodni potvrđeni rekord.

2. Supervodič u magnetskom polju

Kvaka je, međutim, u tome što morate izvršiti veliki pritisak. Materijali koji su testirani bili su hidridi. Već neko vrijeme lantan perhidrid je bio od posebnog interesa. Eksperimentima je utvrđeno da izuzetno tanki uzorci ovog materijala pokazuju supravodljivost pod djelovanjem tlakova u rasponu od 150 do 170 gigapaskala. Rezultati su objavljeni u svibnju u časopisu Nature, čiji je koautor prof. Vitalij Prokopenko i Eran Greenberg.

Da biste razmišljali o praktičnoj primjeni ovih materijala, morat ćete sniziti tlak, a također i temperaturu, jer ni do -23 °C nije baš praktično. Rad na njemu tipična je fizika malih koraka, koja traje godinama u laboratorijima diljem svijeta.

Isto vrijedi i za primijenjena istraživanja. magnetske pojave u elektronici. Nedavno je, koristeći visokoosjetljive magnetske sonde, međunarodni tim znanstvenika pronašao iznenađujuće dokaze da se magnetizam koji se javlja na sučelju tankih slojeva nemagnetskog oksida može lako kontrolirati primjenom malih mehaničkih sila. Otkriće, objavljeno prošlog prosinca u časopisu Nature Physics, pokazuje novi i neočekivani način kontrole magnetizma, teoretski dopuštajući razmišljanje o gušćem magnetskom pamćenju i spintronici, na primjer.

Ovo otkriće stvara novu priliku za minijaturizaciju magnetskih memorijskih ćelija, koje danas već imaju veličinu od nekoliko desetaka nanometara, ali je njihova daljnja minijaturizacija poznatim tehnologijama otežana. Oksidna sučelja kombiniraju brojne zanimljive fizikalne fenomene kao što su dvodimenzionalna vodljivost i supravodljivost. Upravljanje strujom pomoću magnetizma vrlo je obećavajuće područje u elektronici. Pronalaženje materijala s pravim svojstvima, a opet pristupačnih i jeftinih, omogućilo bi nam da se ozbiljno posvetimo razvoju spintronic.

i to je zamorno kontrola otpadne topline u elektronici. Inženjeri UC Berkeley nedavno su razvili tankoslojni materijal (debljina filma 50-100 nanometara) koji se može koristiti za povrat otpadne topline za proizvodnju energije na razinama koje dosad nisu viđene u ovoj vrsti tehnologije. Koristi proces koji se zove piroelektrična pretvorba energije, za koji nova inženjerska istraživanja pokazuju da je vrlo prikladan za upotrebu u izvorima topline ispod 100°C. Ovo je samo jedan od najnovijih primjera istraživanja u ovom području. Postoje stotine ili čak tisuće istraživačkih programa diljem svijeta koji se odnose na upravljanje energijom u elektronici.

"Ne znam zašto, ali radi"

Eksperimentiranje s novim materijalima, njihovim faznim prijelazima i topološkim fenomenima vrlo je obećavajuće područje istraživanja, ne baš učinkovito, teško i rijetko privlačno medijima. Ovo je jedno od najčešće citiranih istraživanja u području fizike, iako je dobilo veliki publicitet u medijima, tzv. mainstream obično ne pobjeđuju.

Eksperimenti s faznim transformacijama u materijalima ponekad donose neočekivane rezultate, na primjer taljenje metala s visokim talištem sobna temperatura. Primjer je nedavno postignuće taljenja uzoraka zlata, koji se obično tope na 1064°C na sobnoj temperaturi, koristeći električno polje i elektronski mikroskop. Ova promjena je bila reverzibilna jer bi gašenje električnog polja moglo ponovno učvrstiti zlato. Tako se električno polje pridružilo poznatim čimbenicima koji utječu na fazne transformacije, osim temperature i tlaka.

Promjene faza također su uočene tijekom intenzivnog impulsi laserske svjetlosti. Rezultati istraživanja ovog fenomena objavljeni su u ljeto 2019. u časopisu Nature Physics. Međunarodni tim za postizanje ovog cilja predvodio je Nuh Gedik (3), profesor fizike na Massachusetts Institute of Technology. Znanstvenici su otkrili da tijekom optički induciranog taljenja dolazi do faznog prijelaza kroz stvaranje singulariteta u materijalu, poznatih kao topološki defekti, koji zauzvrat utječu na rezultirajuću dinamiku elektrona i rešetke u materijalu. Ovi topološki nedostaci, kako je Gedik objasnio u svojoj publikaciji, analogni su sićušnim vrtlozima koji se javljaju u tekućinama kao što je voda.

Znanstvenici su za svoje istraživanje koristili spoj lantana i telura LaTe.₃. Istraživači objašnjavaju da će sljedeći korak biti pokušati utvrditi kako mogu "generirati ove nedostatke na kontroliran način". Potencijalno, ovo bi se moglo koristiti za pohranu podataka, gdje bi se svjetlosni impulsi koristili za pisanje ili popravak grešaka u sustavu, što bi odgovaralo operacijama s podacima.

A budući da smo došli do ultrabrzih laserskih impulsa, njihova upotreba u mnogim zanimljivim eksperimentima i potencijalno obećavajućim primjenama u praksi tema je koja se često pojavljuje u znanstvenim izvješćima. Na primjer, grupa Ignacia Franca, asistenta profesora kemije i fizike na Sveučilištu Rochester, nedavno je pokazala kako se ultrabrzi laserski impulsi mogu koristiti za iskrivljujuća svojstva materije Oraz stvaranje električne struje brzinom bržom od bilo koje do sada poznate tehnike. Istraživači su obrađivali tanke staklene filamente u trajanju od milijunti dio milijarde sekunde. U tren oka, staklasti materijal se pretvorio u nešto poput metala koji provodi struju. To se dogodilo brže nego u bilo kojem poznatom sustavu u nedostatku primijenjenog napona. Smjer toka i intenzitet struje mogu se kontrolirati promjenom svojstava laserske zrake. A budući da se može kontrolirati, svaki inženjer elektronike gleda sa zanimanjem.

Franco je objasnio u publikaciji u Nature Communications.

Fizička priroda ovih pojava nije u potpunosti shvaćena. Sam Franco sumnja da mehanizmi poput oštar učinak, tj. korelacija emisije ili apsorpcije svjetlosnih kvanta s električnim poljem. Kad bi bilo moguće izgraditi funkcionalne elektroničke sustave temeljene na ovim fenomenima, imali bismo još jednu epizodu inženjerske serije pod nazivom Ne znamo zašto, ali radi.

Osjetljivost i mala veličina

Žiroskopi su uređaji koji pomažu vozilima, bespilotnim letjelicama, kao i elektroničkim alatima i prijenosnim uređajima za navigaciju u trodimenzionalnom prostoru. Sada se široko koriste u uređajima koje koristimo svaki dan. U početku su žiroskopi bili skup ugniježđenih kotača od kojih se svaki okretao oko svoje osi. Danas u mobilnim telefonima nalazimo mikroelektromehaničke senzore (MEMS) koji mjere promjene sila koje djeluju na dvije iste mase koje osciliraju i kreću se u suprotnom smjeru.

MEMS žiroskopi imaju značajna ograničenja osjetljivosti. Dakle, gradi se optički žiroskopi, bez pokretnih dijelova, za iste zadatke koji koriste fenomen tzv Sagnac efekt. Međutim, do sada je postojao problem njihove minijaturizacije. Najmanji dostupni optički žiroskopi visokih performansi veći su od ping pong loptice i nisu prikladni za mnoge prijenosne aplikacije. Međutim, inženjeri na Tehnološkom sveučilištu Caltech, predvođeni Alijem Hadjimirijem, razvili su novi optički žiroskop koji petsto puta manješto se do sada zna4). On pojačava svoju osjetljivost korištenjem nove tehnike pod nazivom "međusobno pojačanje» Između dvije zrake svjetlosti koje se koriste u tipičnom Sagnac interferometru. Novi uređaj opisan je u članku objavljenom u časopisu Nature Photonics prošlog studenog.

4. Optički žiroskop koji su razvili Ali Hadjimiri i njegove kolege. 

Razvoj preciznog optičkog žiroskopa može uvelike poboljšati orijentaciju pametnih telefona. Zauzvrat, izgradili su ga znanstvenici iz Columbia Engineeringa. prva ravna leća sposoban za ispravno fokusiranje širokog raspona boja na istoj točki bez potrebe za dodatnim elementima može utjecati na fotografske sposobnosti mobilne opreme. Revolucionarna ravna leća tanka mikrona znatno je tanja od lista papira i pruža performanse usporedive s vrhunskim kompozitnim lećama. Nalazi grupe, koje vodi Nanfang Yu, docent primijenjene fizike, predstavljeni su u studiji objavljenoj u časopisu Nature.

Znanstvenici su napravili ravne leće od "metaatomi". Svaki metaatom veličine je djelić valne duljine svjetlosti i odgađa svjetlosne valove za različitu količinu. Izgradnjom vrlo tankog ravnog sloja nanostruktura na podlozi debljine ljudske dlake, znanstvenici su uspjeli postići istu funkcionalnost kao mnogo deblji i teži konvencionalni sustav leća. Metalenses može zamijeniti glomazne sustave leća na isti način na koji su televizori s ravnim ekranom zamijenili CRT televizore.

Zašto veliki sudarač kada postoje drugi načini

Fizika malih koraka također može imati različita značenja i značenja. Na primjer - umjesto da gradi monstruozno velike strukture i zahtijevaju čak i veće, kao što mnogi fizičari rade, može se pokušati pronaći odgovore na velika pitanja skromnijim alatima.

Većina akceleratora ubrzava zrake čestica generiranjem električnih i magnetskih polja. Međutim, neko je vrijeme eksperimentirao s drugom tehnikom - plazma akceleratori, ubrzanje nabijenih čestica kao što su elektroni, pozitroni i ioni korištenjem električnog polja u kombinaciji s valom generiranim u elektronskoj plazmi. U posljednje vrijeme radim na njihovoj novoj verziji. Tim AWAKE u CERN-u koristi protone (ne elektrone) za stvaranje plazma vala. Prebacivanje na protone može dovesti čestice do viših energetskih razina u jednom koraku ubrzanja. Drugi oblici ubrzanja polja buđenja plazme zahtijevaju nekoliko koraka da bi se postigla ista energetska razina. Znanstvenici vjeruju da bi nam njihova tehnologija temeljena na protonima mogla omogućiti izgradnju manjih, jeftinijih i snažnijih akceleratora u budućnosti.

5. Dvostupanjski minijaturni akcelerator tvrtke DESY - vizualizacija

Zauzvrat, znanstvenici iz DESY-a (skraćenica od Deutsches Elektronen-Synchrotron - njemački elektronički sinkrotron) postavili su u srpnju novi rekord u području minijaturizacije akceleratora čestica. Teraherc akcelerator je više nego udvostručio energiju ubrizganih elektrona (5). Istodobno, postavka je značajno poboljšala kvalitetu elektronske zrake u usporedbi s prethodnim eksperimentima s ovom tehnikom.

Franz Kärtner, voditelj grupe za ultrabrzu optiku i X-zrake u DESY-ju, objasnio je u priopćenju za javnost. -

Povezani uređaj proizveo je polje ubrzanja s maksimalnim intenzitetom od 200 milijuna volti po metru (MV/m) - slično najmoćnijem modernom konvencionalnom akceleratoru.

Zauzvrat, novi, relativno mali detektor ALFA-g (6), koju je izgradila kanadska tvrtka TRIUMF i ranije ove godine otpremila u CERN, ima zadatak izmjeriti gravitacijsko ubrzanje antimaterije. Ubrza li se antimaterija u prisutnosti gravitacijskog polja na površini Zemlje za +9,8 m/s2 (dolje), za -9,8 m/s2 (gore), za 0 m/s2 (uopće nema gravitacijskog ubrzanja) ili ima nešto druga vrijednost? Posljednja mogućnost bi revolucionirala fiziku. Mali ALPHA-g aparat može nas, osim što dokazuje postojanje "antigravitacije", odvesti na put koji vodi do najvećih misterija svemira.

U još manjoj mjeri pokušavamo proučavati fenomene još niže razine. Iznad 60 milijardi okretaja u sekundi mogu ga dizajnirati znanstvenici sa Sveučilišta Purdue i kineskih sveučilišta. Prema autorima eksperimenta u članku objavljenom prije nekoliko mjeseci u Physical Review Letters, tako brzo rotirajuća kreacija omogućit će im bolje razumijevanje Tajne .

Objekt koji se nalazi u istoj ekstremnoj rotaciji je nanočestica široka oko 170 nanometara i duga 320 nanometara, koju su znanstvenici sintetizirali iz silicija. Istraživački tim je levitirao objekt u vakuumu pomoću lasera, koji ga je potom pulsirao ogromnom brzinom. Sljedeći korak bit će provođenje eksperimenata s još većim brzinama rotacije, što će omogućiti točno istraživanje osnovnih fizikalnih teorija, uključujući egzotične oblike trenja u vakuumu. Kao što vidite, ne morate graditi kilometre cijevi i divovskih detektora da biste se suočili s temeljnim misterijama.

Znanstvenici su 2009. uspjeli u laboratoriju stvoriti posebnu vrstu crne rupe koja upija zvuk. Od tada ovi zvuk  pokazao se korisnim kao laboratorijski analozi predmeta koji apsorbira svjetlost. U radu objavljenom u časopisu Nature ovog srpnja, istraživači s Technion Israel Institute of Technology opisuju kako su stvorili zvučnu crnu rupu i izmjerili njezinu temperaturu Hawkingovog zračenja. Ta su mjerenja bila u skladu s temperaturom koju je predvidio Hawking. Stoga se čini da nije potrebno ići u ekspediciju u crnu rupu da bi je istražili.

Tko zna kriju li se u ovim naizgled manje učinkovitim znanstvenim projektima, u mukotrpnim laboratorijskim naporima i ponovljenim eksperimentima za testiranje malih, fragmentiranih teorija, odgovori na najveća pitanja. Povijest znanosti uči da se to može dogoditi.