Mari kita lakukan perkara kita dan mungkin akan ada revolusi

Penemuan hebat, teori yang berani, penemuan saintifik. Media penuh dengan formulasi sedemikian, biasanya dibesar-besarkan. Di suatu tempat dalam bayangan "fizik yang hebat", LHC, soalan kosmologi asas dan perjuangan menentang Model Standard, penyelidik yang bekerja keras melakukan tugas mereka secara senyap, memikirkan tentang aplikasi praktikal dan mengembangkan pengetahuan kami langkah demi langkah.

"Mari kita lakukan perkara kita sendiri" sudah tentu boleh menjadi slogan saintis yang terlibat dalam pembangunan pelakuran termonuklear. Kerana, di sebalik jawapan yang hebat kepada soalan-soalan besar, penyelesaian masalah praktikal, yang kelihatan tidak penting yang berkaitan dengan proses ini, mampu merevolusikan dunia.

Mungkin, sebagai contoh, mungkin untuk melakukan gabungan nuklear berskala kecil - dengan peralatan yang sesuai di atas meja. Para saintis di Universiti Washington membina peranti itu tahun lepas Z-cubit (1), yang mampu mengekalkan tindak balas gabungan dalam masa 5 mikrosaat, walaupun maklumat utama yang mengagumkan ialah pengecilan reaktor, yang panjangnya hanya 1,5 m. Z-pinch berfungsi dengan memerangkap dan memampatkan plasma dalam medan magnet yang kuat.

Tidak begitu berkesan, tetapi berpotensi sangat penting usaha untuk . Menurut penyelidikan oleh Jabatan Tenaga AS (JAS), yang diterbitkan pada Oktober 2018 dalam jurnal Physics of Plasmas, reaktor gabungan mempunyai keupayaan untuk mengawal ayunan plasma. Gelombang ini menolak zarah tenaga tinggi keluar dari zon tindak balas, membawa bersama mereka beberapa tenaga yang diperlukan untuk tindak balas pelakuran. Kajian DOE baharu menerangkan simulasi komputer canggih yang boleh menjejak dan meramalkan pembentukan gelombang, memberikan ahli fizik keupayaan untuk menghalang proses ini dan mengekalkan zarah di bawah kawalan. Para saintis berharap kerja mereka akan membantu dalam pembinaan ITER, mungkin projek reaktor gabungan eksperimen yang paling terkenal di Perancis.

Juga pencapaian seperti suhu plasma 100 juta darjah Celsius, yang diperoleh pada penghujung tahun lepas oleh pasukan saintis di Institut Fizik Plasma China dalam Eksperimen Advanced Superconducting Tokamak (EAST), adalah contoh kemajuan langkah demi langkah ke arah gabungan yang cekap. Menurut pakar yang mengulas mengenai kajian itu, ia mungkin mempunyai kepentingan utama dalam projek ITER yang disebutkan di atas, di mana China mengambil bahagian bersama 35 negara lain.

Superkonduktor dan elektronik

Satu lagi bidang yang berpotensi besar, di mana langkah-langkah yang agak kecil dan teliti sedang diambil dan bukannya penemuan besar, ialah pencarian superkonduktor suhu tinggi. (2). Malangnya, terdapat banyak penggera palsu dan kebimbangan pramatang. Lazimnya laporan media yang menghebohkan ternyata keterlaluan atau tidak benar. Malah dalam laporan yang lebih serius sentiasa ada "tetapi". Seperti dalam laporan baru-baru ini, saintis di Universiti Chicago telah menemui superkonduktiviti, keupayaan untuk mengalirkan elektrik tanpa kehilangan pada suhu tertinggi yang pernah direkodkan. Menggunakan teknologi canggih di Makmal Kebangsaan Argonne, sepasukan saintis tempatan mengkaji kelas bahan di mana mereka memerhati superkonduktiviti pada suhu sekitar -23°C. Ini adalah lonjakan kira-kira 50 darjah daripada rekod yang disahkan sebelum ini.

2. Superkonduktor dalam medan magnet

Tangkapan, bagaimanapun, adalah bahawa anda perlu menggunakan banyak tekanan. Bahan yang diuji ialah hidrida. Untuk beberapa waktu, lanthanum perhidrida telah menjadi perhatian khusus. Dalam eksperimen, didapati bahawa sampel yang sangat nipis bahan ini mempamerkan superkonduktiviti di bawah tindakan tekanan dalam julat dari 150 hingga 170 gigapascal. Hasilnya diterbitkan pada bulan Mei dalam jurnal Nature, yang dikarang bersama oleh Prof. Vitaly Prokopenko dan Eran Greenberg.

Untuk memikirkan aplikasi praktikal bahan-bahan ini, anda perlu menurunkan tekanan dan juga suhu, kerana walaupun turun ke -23 ° C tidak begitu praktikal. Bekerja padanya adalah fizik langkah kecil biasa, berlangsung selama bertahun-tahun di makmal di seluruh dunia.

Perkara yang sama berlaku untuk penyelidikan gunaan. fenomena magnetik dalam elektronik. Baru-baru ini, menggunakan probe magnet yang sangat sensitif, pasukan saintis antarabangsa telah menemui bukti yang mengejutkan bahawa kemagnetan yang berlaku pada antara muka lapisan nipis oksida bukan magnetik boleh dikawal dengan mudah dengan menggunakan daya mekanikal yang kecil. Penemuan itu, yang diumumkan Disember lalu dalam Fizik Alam, menunjukkan cara baharu dan tidak dijangka untuk mengawal kemagnetan, secara teorinya membolehkan untuk memikirkan memori magnetik dan spintronics yang lebih padat, sebagai contoh.

Penemuan ini mencipta peluang baharu untuk mengecilkan sel memori magnetik, yang hari ini sudah mempunyai saiz beberapa puluh nanometer, tetapi pengecilan selanjutnya menggunakan teknologi yang diketahui adalah sukar. Antara muka oksida menggabungkan beberapa fenomena fizikal yang menarik seperti kekonduksian dua dimensi dan superkonduktiviti. Kawalan arus melalui kemagnetan adalah bidang yang sangat menjanjikan dalam elektronik. Mencari bahan dengan sifat yang betul, namun mampu milik dan murah, akan membolehkan kami serius untuk membangunkan spintronik.

penat juga kawalan haba buangan dalam elektronik. Jurutera UC Berkeley baru-baru ini telah membangunkan bahan filem nipis (ketebalan filem 50-100 nanometer) yang boleh digunakan untuk memulihkan haba buangan untuk menjana kuasa pada tahap yang tidak pernah dilihat sebelum ini dalam jenis teknologi ini. Ia menggunakan proses yang dipanggil penukaran kuasa piroelektrik, yang menunjukkan penyelidikan kejuruteraan baharu sangat sesuai untuk digunakan dalam sumber haba di bawah 100°C. Ini hanyalah salah satu contoh penyelidikan terkini dalam bidang ini. Terdapat ratusan atau bahkan ribuan program penyelidikan di seluruh dunia yang berkaitan dengan pengurusan tenaga dalam elektronik.

"Saya tidak tahu mengapa, tetapi ia berkesan"

Bereksperimen dengan bahan baharu, peralihan fasa dan fenomena topologi mereka adalah bidang penyelidikan yang sangat menjanjikan, tidak begitu cekap, sukar dan jarang menarik perhatian media. Ini adalah salah satu penyelidikan yang paling kerap disebut dalam bidang fizik, walaupun ia menerima banyak publisiti di media, yang dipanggil. arus perdana mereka biasanya tidak menang.

Eksperimen dengan transformasi fasa dalam bahan kadangkala membawa hasil yang tidak dijangka, contohnya peleburan logam dengan takat lebur yang tinggi suhu bilik. Contohnya ialah pencapaian baru-baru ini mencairkan sampel emas, yang biasanya cair pada 1064°C pada suhu bilik, menggunakan medan elektrik dan mikroskop elektron. Perubahan ini boleh diterbalikkan kerana mematikan medan elektrik boleh mengukuhkan emas semula. Oleh itu, medan elektrik telah bergabung dengan faktor yang diketahui mempengaruhi perubahan fasa, sebagai tambahan kepada suhu dan tekanan.

Perubahan fasa juga diperhatikan semasa sengit denyutan cahaya laser. Hasil kajian fenomena ini diterbitkan pada musim panas 2019 dalam jurnal Nature Physics. Pasukan antarabangsa untuk mencapai matlamat ini diketuai oleh Nuh Gedik (3), profesor fizik di Institut Teknologi Massachusetts. Para saintis mendapati bahawa semasa lebur teraruh optik, peralihan fasa berlaku melalui pembentukan singulariti dalam bahan, yang dikenali sebagai kecacatan topologi, yang seterusnya menjejaskan elektron dan dinamik kekisi yang terhasil dalam bahan. Kecacatan topologi ini, seperti yang dijelaskan oleh Gedik dalam penerbitannya, adalah serupa dengan pusaran kecil yang berlaku dalam cecair seperti air.

Untuk penyelidikan mereka, saintis menggunakan sebatian lanthanum dan tellurium LaTe.₃. Para penyelidik menjelaskan bahawa langkah seterusnya adalah untuk mencuba untuk menentukan bagaimana mereka boleh "menghasilkan kecacatan ini dengan cara yang terkawal." Berkemungkinan, ini boleh digunakan untuk penyimpanan data, di mana denyutan cahaya akan digunakan untuk menulis atau membaiki kecacatan dalam sistem, yang sepadan dengan operasi data.

Dan sejak kita mendapat denyutan laser ultrafast, penggunaannya dalam banyak eksperimen menarik dan aplikasi yang berpotensi menjanjikan dalam amalan adalah topik yang sering muncul dalam laporan saintifik. Sebagai contoh, kumpulan Ignacio Franco, penolong profesor kimia dan fizik di Universiti Rochester, baru-baru ini menunjukkan bagaimana denyutan laser ultrafast boleh digunakan untuk memesongkan sifat jirim Oraz penjanaan arus elektrik pada kelajuan yang lebih pantas daripada mana-mana teknik yang kami ketahui setakat ini. Para penyelidik merawat filamen kaca nipis dengan tempoh sepersejuta satu bilion saat. Dalam sekelip mata, bahan berkaca itu bertukar menjadi seperti logam yang mengalirkan elektrik. Ini berlaku lebih cepat daripada mana-mana sistem yang diketahui tanpa adanya voltan yang digunakan. Arah aliran dan keamatan arus boleh dikawal dengan mengubah sifat pancaran laser. Dan kerana ia boleh dikawal, setiap jurutera elektronik melihat dengan penuh minat.

Franco menjelaskan dalam penerbitan dalam Nature Communications.

Sifat fizikal fenomena ini tidak difahami sepenuhnya. Franco sendiri mengesyaki bahawa mekanisme seperti kesan yang ketara, iaitu, korelasi pelepasan atau penyerapan kuanta cahaya dengan medan elektrik. Jika boleh membina sistem elektronik yang berfungsi berdasarkan fenomena ini, kami akan mempunyai satu lagi episod siri kejuruteraan yang dipanggil We Don't Know Why, But It Works.

Sensitiviti dan saiz kecil

Giroskop ialah peranti yang membantu kenderaan, dron, serta utiliti elektronik dan peranti mudah alih menavigasi dalam ruang tiga dimensi. Kini ia digunakan secara meluas dalam peranti yang kami gunakan setiap hari. Pada mulanya, giroskop ialah satu set roda bersarang, setiap satunya berputar mengelilingi paksinya sendiri. Hari ini, dalam telefon bimbit, kami menemui penderia mikroelektromekanikal (MEMS) yang mengukur perubahan daya yang bertindak pada dua jisim yang sama, berayun dan bergerak ke arah yang bertentangan.

Giroskop MEMS mempunyai had sensitiviti yang ketara. Jadi ia sedang membina giroskop optik, tanpa bahagian yang bergerak, untuk tugasan yang sama yang menggunakan fenomena yang dipanggil Kesan sagnac. Walau bagaimanapun, sehingga kini terdapat masalah pengecilan mereka. Giroskop optik berprestasi tinggi terkecil yang tersedia adalah lebih besar daripada bola ping pong dan tidak sesuai untuk banyak aplikasi mudah alih. Walau bagaimanapun, jurutera di Universiti Teknologi Caltech, diketuai oleh Ali Hadjimiri, telah membangunkan giroskop optik baharu yang kurang lima ratus kali gandaapa yang diketahui setakat ini4). Dia meningkatkan sensitivitinya melalui penggunaan teknik baru yang dipanggil "saling menguatkan» Antara dua pancaran cahaya yang digunakan dalam interferometer Sagnac biasa. Peranti baharu itu diterangkan dalam artikel yang diterbitkan dalam Nature Photonics November lalu.

4. Giroskop optik yang dibangunkan oleh Ali Hadjimiri dan rakan-rakannya. 

Pembangunan giroskop optik yang tepat boleh meningkatkan orientasi telefon pintar. Sebaliknya, ia dibina oleh saintis dari Columbia Engineering. kanta leper pertama mampu memfokuskan pelbagai warna dengan betul pada titik yang sama tanpa memerlukan elemen tambahan boleh menjejaskan keupayaan fotografi peralatan mudah alih. Kanta rata nipis mikron revolusioner jauh lebih nipis daripada sehelai kertas dan memberikan prestasi yang setanding dengan kanta komposit premium. Penemuan kumpulan itu, yang diketuai oleh Nanfang Yu, penolong profesor fizik gunaan, dibentangkan dalam kajian yang diterbitkan dalam jurnal Nature.

Para saintis telah membina kanta leper daripada "metaatom". Setiap metaatom ialah pecahan daripada saiz panjang gelombang cahaya dan melambatkan gelombang cahaya dengan jumlah yang berbeza. Dengan membina lapisan struktur nano yang sangat nipis rata pada substrat setebal rambut manusia, para saintis dapat mencapai fungsi yang sama seperti sistem kanta konvensional yang lebih tebal dan lebih berat. Metalenses boleh menggantikan sistem kanta besar dengan cara yang sama seperti TV skrin rata telah menggantikan TV CRT.

Kenapa pelanggar besar sedangkan ada cara lain

Fizik langkah-langkah kecil juga boleh mempunyai makna dan makna yang berbeza. Sebagai contoh - Daripada membina struktur jenis yang sangat besar dan menuntut yang lebih besar, seperti yang dilakukan oleh kebanyakan ahli fizik, seseorang boleh cuba mencari jawapan kepada soalan besar dengan alat yang lebih sederhana.

Kebanyakan pemecut mempercepatkan rasuk zarah dengan menghasilkan medan elektrik dan magnet. Walau bagaimanapun, untuk beberapa lama dia bereksperimen dengan teknik yang berbeza - pemecut plasma, pecutan zarah bercas seperti elektron, positron dan ion menggunakan medan elektrik yang digabungkan dengan gelombang yang dihasilkan dalam plasma elektron. Kebelakangan ini saya telah mengusahakan versi baharu mereka. Pasukan AWAKE di CERN menggunakan proton (bukan elektron) untuk mencipta gelombang plasma. Beralih kepada proton boleh membawa zarah ke tahap tenaga yang lebih tinggi dalam satu langkah pecutan. Bentuk lain pecutan medan kebangkitan plasma memerlukan beberapa langkah untuk mencapai tahap tenaga yang sama. Para saintis percaya teknologi berasaskan proton mereka boleh membolehkan kami membina pemecut yang lebih kecil, lebih murah dan lebih berkuasa pada masa hadapan.

5. Pemecut miniatur dua peringkat dari DESY - visualisasi

Sebaliknya, saintis dari DESY (singkatan dari Deutsches Elektronen-Synchrotron - German electronic synchrotron) mencipta rekod baharu dalam bidang pengecilan pemecut zarah pada bulan Julai. Pemecut terahertz lebih daripada dua kali ganda tenaga elektron yang disuntik (5). Pada masa yang sama, persediaan telah meningkatkan kualiti pancaran elektron dengan ketara berbanding eksperimen sebelumnya dengan teknik ini.

Franz Kärtner, ketua optik ultrafast dan kumpulan X-ray di DESY, menjelaskan dalam kenyataan akhbar. -

Peranti yang berkaitan menghasilkan medan pecutan dengan keamatan maksimum 200 juta volt per meter (MV/m) - serupa dengan pemecut konvensional moden yang paling berkuasa.

Sebaliknya, pengesan baharu yang agak kecil ALPHA-g (6), yang dibina oleh syarikat Kanada TRIUMF dan dihantar ke CERN awal tahun ini, mempunyai tugas mengukur pecutan graviti antijirim. Adakah antijirim memecut dengan kehadiran medan graviti di permukaan Bumi sebanyak +9,8 m/s2 (ke bawah), sebanyak -9,8 m/s2 (naik), sebanyak 0 m/s2 (tiada pecutan graviti langsung), atau mempunyai beberapa nilai lain? Kemungkinan terakhir akan merevolusikan fizik. Radas ALPHA-g yang kecil boleh, di samping membuktikan kewujudan "anti-graviti", membawa kita ke jalan yang membawa kepada misteri terbesar alam semesta.

Pada skala yang lebih kecil, kami cuba mengkaji fenomena pada tahap yang lebih rendah. Di atas 60 bilion revolusi sesaat ia boleh direka oleh saintis dari Universiti Purdue dan universiti China. Menurut pengarang eksperimen dalam artikel yang diterbitkan beberapa bulan lalu dalam Physical Review Letters, penciptaan yang berputar dengan pantas akan membolehkan mereka memahami dengan lebih baik. rahsia .

Objek itu, yang berada dalam putaran melampau yang sama, ialah zarah nano kira-kira 170 nanometer lebar dan 320 nanometer panjang, yang disintesis oleh saintis daripada silika. Pasukan penyelidik melayangkan objek dalam vakum menggunakan laser, yang kemudiannya berdenyut dengan kelajuan yang luar biasa. Langkah seterusnya ialah menjalankan eksperimen dengan kelajuan putaran yang lebih tinggi, yang akan membolehkan penyelidikan tepat tentang teori fizikal asas, termasuk bentuk geseran eksotik dalam vakum. Seperti yang anda lihat, anda tidak perlu membina paip dan pengesan gergasi berkilometer untuk menghadapi misteri asas.

Pada tahun 2009, saintis berjaya mencipta sejenis lubang hitam khas di makmal yang menyerap bunyi. Sejak itu ini bunyi  terbukti berguna sebagai analog makmal bagi objek yang menyerap cahaya. Dalam makalah yang diterbitkan dalam jurnal Nature Julai ini, penyelidik di Institut Teknologi Technion Israel menerangkan bagaimana mereka mencipta lubang hitam sonik dan mengukur suhu sinaran Hawkingnya. Pengukuran ini adalah selaras dengan suhu yang diramalkan oleh Hawking. Oleh itu, nampaknya tidak perlu melakukan ekspedisi ke lubang hitam untuk menerokainya.

Siapa tahu jika tersembunyi dalam projek saintifik yang kelihatan kurang cekap ini, dalam usaha makmal yang teliti dan eksperimen berulang untuk menguji teori-teori yang kecil dan berpecah-belah, adalah jawapan kepada soalan terbesar. Sejarah sains mengajar bahawa ini boleh berlaku.