Tehdään asiamme ja ehkä tulee vallankumous

Suuria löytöjä, rohkeita teorioita, tieteellisiä läpimurtoja. Media on täynnä tällaisia, yleensä liioiteltuja, muotoiluja. Jossain "suuren fysiikan", LHC:n, kosmologisten peruskysymysten ja standardimallin vastaisen taistelun varjossa ahkerat tutkijat tekevät hiljaa työtään, miettivät käytännön sovelluksia ja laajentavat tietämyksemme alaa askel askeleelta.

"Tehdään omat juttumme" voi varmasti olla lämpöydinfuusion kehittämiseen osallistuvien tiedemiesten iskulause. Sillä huolimatta suurista vastauksista suuriin kysymyksiin, tähän prosessiin liittyvien käytännöllisten, näennäisesti merkityksettömien ongelmien ratkaiseminen pystyy mullistamaan maailman.

Ehkä esimerkiksi on mahdollista tehdä pienimuotoinen ydinfuusio - pöydälle mahtuvilla laitteilla. Washingtonin yliopiston tutkijat rakensivat laitteen viime vuonna Z-puristus (1).

Ei kovin tehokasta, mutta mahdollisesti erittäin tärkeää pyrkimyksiä . Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) tutkimuksen mukaan, joka julkaistiin Physics of Plasmas -lehdessä lokakuussa 2018, fuusioreaktoreilla on kyky hallita plasman värähtelyä. Nämä aallot työntävät korkeaenergiset hiukkaset ulos reaktioalueelta ja vievät mukanaan osan fuusioreaktioon tarvittavasta energiasta. Uusi DOE-tutkimus kuvaa kehittyneitä tietokonesimulaatioita, jotka voivat seurata ja ennustaa aallonmuodostusta, mikä antaa fyysikoille mahdollisuuden estää tämä prosessi ja pitää hiukkaset hallinnassa. Tiedemiehet toivovat, että heidän työnsä auttaa rakentamisessa ITER, ehkä tunnetuin kokeellinen fuusioreaktoriprojekti Ranskassa.

Myös saavutuksia, kuten plasman lämpötila 100 miljoonaa celsiusastetta, jonka viime vuoden lopussa Kiinan plasmafysiikan instituutin tutkijaryhmä kokeellisessa edistyneessä suprajohtavassa tokamakissa (EAST) sai, on esimerkki askel askeleelta edistymisestä kohti tehokasta fuusiota. Selvitystä kommentoivien asiantuntijoiden mukaan sillä voi olla keskeinen merkitys edellä mainitussa ITER-hankkeessa, jossa Kiina on mukana 35 muun maan ohella.

Suprajohteet ja elektroniikka

Toinen suuren potentiaalin alue, jossa suurien läpimurtojen sijaan otetaan melko pieniä, vaivalloisia askelia, on korkean lämpötilan suprajohteiden etsiminen. (2). Valitettavasti vääriä hälytyksiä ja ennenaikaisia ​​huolia on paljon. Yleensä raivokkaat tiedotusvälineet osoittautuvat liioitelluiksi tai yksinkertaisesti vääriksi. Vakavammissakin raporteissa on aina "mutta". Kuten tuoreessa raportissa, Chicagon yliopiston tutkijat ovat havainneet suprajohtavuuden, kyvyn johtaa sähköä ilman häviötä korkeimmissa koskaan mitatuissa lämpötiloissa. Argonnen kansallisen laboratorion huipputeknologian avulla paikalliset tutkijat tutkivat materiaaliluokkaa, jossa he havaitsivat suprajohtavuutta noin -23 °C:n lämpötiloissa. Tämä on noin 50 asteen hyppy edellisestä vahvistetusta ennätyksestä.

2. Suprajohde magneettikentässä

Saakka on kuitenkin se, että sinun on kohdistettava paljon painetta. Testatut materiaalit olivat hydridejä. Lantaaniperhydridi on ollut erityisen kiinnostava jo jonkin aikaa. Kokeissa havaittiin, että tämän materiaalin erittäin ohuilla näytteillä on suprajohtavuus 150 - 170 gigapascalin paineiden vaikutuksesta. Tulokset julkaistiin toukokuussa Nature-lehdessä, jonka kirjoittaja on prof. Vitaly Prokopenko ja Eran Greenberg.

Ajatellaksesi näiden materiaalien käytännön käyttöä, sinun on laskettava painetta ja myös lämpötilaa, koska jopa -23 °C ei ole kovin käytännöllistä. Sen parissa työskenteleminen on tyypillistä pienten askelten fysiikkaa, jota tehdään vuosia laboratorioissa ympäri maailmaa.

Sama koskee soveltavaa tutkimusta. magneettiset ilmiöt elektroniikassa. Äskettäin erittäin herkkiä magneettisia koettimia käyttämällä kansainvälinen tutkijaryhmä on löytänyt yllättäviä todisteita siitä, että ohuiden ei-magneettisen oksidin kerrosten rajapinnassa esiintyvää magnetismia voidaan helposti hallita käyttämällä pieniä mekaanisia voimia. Nature Physicsissä viime joulukuussa julkistettu löytö osoittaa uuden ja odottamattoman tavan hallita magnetismia, mikä mahdollistaa teoriassa esimerkiksi tiiviimmän magneettisen muistin ja spintroniikan ajattelun.

Tämä löytö luo uuden mahdollisuuden miniatyrisoida magneettisia muistisoluja, joiden koko on nykyään jo useita kymmeniä nanometrejä, mutta niiden miniatyrisoiminen edelleen tunnetuilla teknologioilla on vaikeaa. Oksidirajapinnat yhdistävät useita mielenkiintoisia fysikaalisia ilmiöitä, kuten kaksiulotteisen johtavuuden ja suprajohtavuuden. Virran ohjaus magnetismin avulla on erittäin lupaava kenttä elektroniikassa. Oikeiden ominaisuuksien omaavien materiaalien löytäminen, mutta silti edullinen ja halpa, antaisi meille mahdollisuuden ryhtyä vakavasti kehittämiseen spintronic.

sekin väsyttää hukkalämmön hallinta elektroniikassa. UC Berkeleyn insinöörit ovat äskettäin kehittäneet ohutkalvomateriaalin (kalvon paksuus 50-100 nanometriä), jota voidaan käyttää hukkalämmön talteenottoon tuottaen tehoa, jollaista ei ole ennen nähty tämäntyyppisessä tekniikassa. Siinä käytetään pyrosähköistä tehonmuunnosprosessia, joka uusien teknisten tutkimusten mukaan soveltuu hyvin käytettäväksi alle 100 °C:n lämmönlähteissä. Tämä on vain yksi uusimpia esimerkkejä alan tutkimuksesta. Elektroniikan energianhallintaan liittyviä tutkimusohjelmia on ympäri maailmaa satoja tai jopa tuhansia.

"En tiedä miksi, mutta se toimii"

Uusien materiaalien, niiden faasimuutosten ja topologisten ilmiöiden kokeileminen on erittäin lupaava tutkimusalue, ei kovin tehokas, vaikea ja harvoin medialle houkutteleva. Tämä on yksi eniten siteeratuista fysiikan alan tutkimuksista, vaikka se saikin paljon julkisuutta mediassa, ns. valtavirtaa he eivät yleensä voita.

Kokeet materiaalien faasimuutoksilla tuo joskus esimerkiksi odottamattomia tuloksia metallin sulatus korkeilla sulamispisteillä huonelämpötila. Esimerkkinä on viimeaikainen saavutus sulattaa kultanäytteitä, jotka tyypillisesti sulavat 1064 °C:ssa huoneenlämpötilassa sähkökentän ja elektronimikroskoopin avulla. Tämä muutos oli peruutettavissa, koska sähkökentän sammuttaminen voi jähmettää kullan uudelleen. Sähkökenttä on siis yhdistänyt tunnetut vaihemuunnoksiin vaikuttavat tekijät lämpötilan ja paineen lisäksi.

Vaihemuutoksia havaittiin myös intensiivisen aikana laservalon pulsseja. Tämän ilmiön tutkimuksen tulokset julkaistiin kesällä 2019 Nature Physics -lehdessä. Kansainvälistä tiimiä tämän saavuttamiseksi johti Nuh Gedik (3), fysiikan professori Massachusetts Institute of Technologyssa. Tiedemiehet havaitsivat, että optisesti indusoidun sulamisen aikana faasisiirtymä tapahtuu materiaaliin muodostuvien singulaarisuuksien kautta, jotka tunnetaan topologisina virheinä, jotka puolestaan ​​vaikuttavat tuloksena olevaan elektroni- ja hiladynamiikkaan materiaalissa. Nämä topologiset viat, kuten Gedik selitti julkaisussaan, ovat analogisia pienille pyörteille, joita esiintyy nesteissä, kuten vedessä.

Tutkijat käyttivät tutkimuksessaan lantaanin ja telluurin yhdistettä.₃. Tutkijat selittävät, että seuraava askel on yrittää määrittää, kuinka he voivat "luoda nämä viat hallitusti". Mahdollisesti tätä voitaisiin käyttää tiedon tallentamiseen, jossa valopulsseilla kirjoitettaisiin tai korjattaisiin järjestelmän vikoja, jotka vastaisivat datatoimintoja.

Ja koska päästiin ultranopeisiin laserpulsseihin, niiden käyttö monissa mielenkiintoisissa kokeissa ja mahdollisesti lupaavissa käytännön sovelluksissa on usein tieteellisissä raporteissa esiin nouseva aihe. Esimerkiksi Rochesterin yliopiston kemian ja fysiikan apulaisprofessorin Ignacio Francon ryhmä osoitti äskettäin, kuinka ultranopeita laserpulsseja voidaan käyttää vääristävät aineen ominaisuuksia Oraz sähkövirran tuotanto nopeammin kuin mikään tähän mennessä tuntemamme tekniikka. Tutkijat käsittelivät ohuita lasifilamentteja, joiden kesto oli sekunnin miljoonasosa. Lasimainen materiaali muuttui silmänräpäyksessä metallin kaltaiseksi, joka johtaa sähköä. Tämä tapahtui nopeammin kuin missään tunnetussa järjestelmässä ilman jännitettä. Virran suuntaa ja virran voimakkuutta voidaan säätää muuttamalla lasersäteen ominaisuuksia. Ja koska sitä voidaan ohjata, jokainen elektroniikkainsinööri katsoo kiinnostuneena.

Franco selitti Nature Communicationsin julkaisussa.

Näiden ilmiöiden fyysistä luonnetta ei täysin ymmärretä. Franco itse epäilee, että mekanismit pitävät jyrkkä vaikutus, eli valokvanttien emission tai absorption korrelaatio sähkökentän kanssa. Jos näiden ilmiöiden pohjalta olisi mahdollista rakentaa toimivia elektronisia järjestelmiä, meillä olisi toinen jakso We Don't Know Why, mutta se toimii - insinöörisarjasta.

Herkkyys ja pieni koko

Gyroskoopit ovat laitteita, jotka auttavat ajoneuvoja, droneja sekä elektronisia apuvälineitä ja kannettavia laitteita navigoimaan kolmiulotteisessa avaruudessa. Nyt niitä käytetään laajalti laitteissa, joita käytämme päivittäin. Alun perin gyroskoopit olivat joukko sisäkkäisiä pyöriä, joista jokainen pyöri oman akselinsa ympäri. Nykyään matkapuhelimista löytyy mikroelektromekaanisia antureita (MEMS), jotka mittaavat muutoksia kahteen identtiseen massaan, jotka värähtelevät ja liikkuvat vastakkaiseen suuntaan.

MEMS-gyroskoopeilla on merkittäviä herkkyysrajoituksia. Joten se on rakentamassa optiset gyroskoopit, joissa ei ole liikkuvia osia, samoihin tehtäviin, joissa käytetään ilmiötä nimeltä Sagnac-vaikutus. Kuitenkin tähän asti niiden pienentämisessä on ollut ongelma. Pienimmät korkean suorituskyvyn optiset gyroskoopit ovat suurempia kuin pingispallo, eivätkä sovellu moniin kannettaviin sovelluksiin. Ali Hadjimirin johtaman Caltechin teknillisen yliopiston insinöörit ovat kuitenkin kehittäneet uuden optisen gyroskoopin, joka viisisataa kertaa vähemmänmitä tähän mennessä tiedetään4). Hän lisää herkkyyttään käyttämällä uutta tekniikkaa nimeltä "keskinäinen vahvistaminen» Kahden valonsäteen välissä, joita käytetään tyypillisessä Sagnac-interferometrissä. Uutta laitetta kuvattiin Nature Photonicsissa viime marraskuussa julkaistussa artikkelissa.

4. Ali Hadjimirin ja hänen kollegoidensa kehittämä optinen gyroskooppi. 

Tarkan optisen gyroskoopin kehittäminen voi parantaa älypuhelimien suuntausta huomattavasti. Sen rakensivat puolestaan ​​Columbia Engineeringin tutkijat. ensimmäinen litteä linssi jotka pystyvät tarkentamaan oikein laajan valikoiman värejä samaan kohtaan ilman lisäelementtejä, voivat vaikuttaa mobiililaitteiden valokuvausominaisuuksiin. Vallankumouksellinen mikronin ohut litteä linssi on huomattavasti ohuempi kuin paperiarkki ja sen suorituskyky on verrattavissa ensiluokkaisiin komposiittilinsseihin. Sovelletun fysiikan apulaisprofessori Nanfang Yu johtaman ryhmän havainnot esitetään Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa.

Tiedemiehet ovat rakentaneet litteitä linssejä "metaatomeja". Jokainen metaatomi on kooltaan murto-osa valon aallonpituudesta ja viivästyttää valoaaltoja eri verran. Rakentamalla erittäin ohuen litteän kerroksen nanorakenteita ihmisen hiuksen paksuiselle alustalle, tutkijat pystyivät saavuttamaan saman toiminnallisuuden kuin paljon paksumpi ja raskaampi perinteinen linssijärjestelmä. Metalensesillä voidaan korvata isoja linssijärjestelmiä samalla tavalla kuin taulutelevisiot ovat korvanneet CRT-televisiot.

Miksi iso törmäyskone, kun on muitakin tapoja

Myös pienten askeleiden fysiikalla voi olla erilaisia ​​merkityksiä ja merkityksiä. Esimerkiksi - sen sijaan, että rakentaisi hirvittävän suuria tyyppirakenteita ja vaatisi vielä suurempia, kuten monet fyysikot tekevät, suuriin kysymyksiin voidaan yrittää löytää vastauksia vaatimattommilla työkaluilla.

Useimmat kiihdyttimet kiihdyttävät hiukkassäteitä tuottamalla sähkö- ja magneettikenttiä. Kuitenkin jonkin aikaa hän kokeili eri tekniikkaa - plasman kiihdyttimiä, varautuneiden hiukkasten, kuten elektronien, positronien ja ionien kiihdytys käyttämällä sähkökenttää yhdistettynä elektroniplasmassa generoituun aaltoon. Viime aikoina olen työstänyt heidän uutta versiotaan. CERNin AWAKE-tiimi käyttää protoneja (ei elektroneja) plasmaaallon luomiseen. Protoneihin siirtyminen voi viedä hiukkaset korkeammalle energiatasolle yhdessä kiihdytysvaiheessa. Muut plasman herätyskentän kiihdytyksen muodot vaativat useita vaiheita saavuttaakseen saman energiatason. Tutkijat uskovat, että heidän protonipohjaisen teknologiansa voisi antaa meille mahdollisuuden rakentaa pienempiä, halvempia ja tehokkaampia kiihdyttimiä tulevaisuudessa.

5. DESY:n kaksivaiheinen minikiihdytin - visualisointi

DESYn (lyhenne sanoista Deutsches Elektronen-Synchrotron - saksalainen elektroninen synkrotroni) tutkijat puolestaan ​​tekivät heinäkuussa uuden ennätyksen hiukkaskiihdyttimien miniatyrisoinnissa. Terahertsikiihdytin yli kaksinkertaisti injektoitujen elektronien energian (5). Samaan aikaan asennus paransi merkittävästi elektronisuihkun laatua verrattuna aikaisempiin kokeisiin tällä tekniikalla.

DESYn ultranopean optiikan ja röntgenryhmän johtaja Franz Kärtner selitti tiedotteessa. -

Liitännäinen laite tuotti kiihdytyskentän, jonka enimmäisintensiteetti oli 200 miljoonaa volttia metriä kohti (MV/m), mikä muistuttaa tehokkainta nykyaikaista tavanomaista kiihdytintä.

Puolestaan ​​uusi, suhteellisen pieni ilmaisin ALPHA-g (6), jonka on rakentanut kanadalainen yritys TRIUMF ja toimitettu CERNiin aiemmin tänä vuonna, on tehtävä mittaa antiaineen painovoimakiihtyvyyttä. Kiihtyykö antimateriaali gravitaatiokentän läsnä ollessa maan pinnalla +9,8 m/s2 (alas), -9,8 m/s2 (ylös), 0 m/s2 (ei painovoimakiihtyvyyttä ollenkaan) vai onko sillä jonkin verran muu arvo? Jälkimmäinen mahdollisuus mullistaisi fysiikan. Pieni ALPHA-g-laite voi sen lisäksi, että se todistaa "antigravitaation" olemassaolon, johtaa meidät polulle, joka johtaa maailmankaikkeuden suurimpiin mysteereihin.

Vielä pienemmässä mittakaavassa yritämme tutkia vielä alemman tason ilmiöitä. Edellä 60 miljardia kierrosta sekunnissa Purduen yliopiston ja kiinalaisten yliopistojen tutkijat voivat suunnitella sen. Kokeen tekijöiden mukaan Physical Review Lettersissa muutama kuukausi sitten julkaistussa artikkelissa tällainen nopeasti pyörivä luomus antaa heille mahdollisuuden ymmärtää paremmin salaisuuksia .

Kohde, joka on samassa äärimmäisessä kierrossa, on noin 170 nanometriä leveä ja 320 nanometriä pitkä nanohiukkanen, jonka tutkijat syntetisoivat piidioksidista. Tutkimusryhmä levitoi esineen tyhjiössä laserilla, joka sitten pulssi sitä valtavalla nopeudella. Seuraava askel on tehdä kokeita vielä suuremmilla pyörimisnopeuksilla, mikä mahdollistaa fysikaalisten perusteorioiden tarkan tutkimuksen, mukaan lukien eksoottiset kitkan muodot tyhjiössä. Kuten näet, sinun ei tarvitse rakentaa kilometrejä putkia ja jättiläisilmaisimia kohdataksesi perustavanlaatuiset mysteerit.

Vuonna 2009 tutkijat onnistuivat luomaan laboratorioon erityisen mustan aukon, joka imee ääntä. Siitä lähtien nämä звук  osoittautui hyödylliseksi valoa absorboivan esineen laboratorioanalogeina. Nature-lehdessä tänä heinäkuussa julkaistussa artikkelissa Technion Israel Institute of Technologyn tutkijat kuvaavat, kuinka he loivat äänimustan aukon ja mittasivat sen Hawking-säteilylämpötilan. Nämä mittaukset olivat linjassa Hawkingin ennustaman lämpötilan kanssa. Näin ollen näyttää siltä, ​​että mustaan ​​aukkoon ei tarvitse tehdä tutkimusmatkaa sen tutkimiseksi.

Kuka tietää, piilevätkö nämä näennäisesti tehottomammat tieteelliset hankkeet, vaivalloiset laboratoriotyöt ja toistuvat kokeet pienten, hajanaisten teorioiden testaamiseksi, vastaukset suurimpiin kysymyksiin. Tieteen historia opettaa, että näin voi tapahtua.