Lad os gøre vores ting, og måske kommer der en revolution

Store opdagelser, dristige teorier, videnskabelige gennembrud. Medierne er fulde af sådanne formuleringer, som regel overdrevne. Et sted i skyggen af ​​"den store fysik", LHC'en, fundamentale kosmologiske spørgsmål og kampen mod standardmodellen, gør hårdtarbejdende forskere stille deres arbejde, tænker på praktiske anvendelser og udvider vores vidensfelt trin for trin.

"Lad os gøre vores egne ting" kan bestemt være sloganet for videnskabsmænd involveret i udviklingen af ​​termonuklear fusion. For på trods af de store svar på de store spørgsmål er løsningen af ​​praktiske, tilsyneladende ubetydelige problemer forbundet med denne proces, i stand til at revolutionere verden.

Måske bliver det for eksempel muligt at lave atomfusion i lille skala - med udstyr, der passer på et bord. Forskere ved University of Washington byggede enheden sidste år Z-knibe (1), som er i stand til at opretholde en fusionsreaktion inden for 5 mikrosekunder, selvom den vigtigste imponerende information var miniaturiseringen af ​​reaktoren, som kun er 1,5 m lang.Z-knibet virker ved at fange og komprimere plasmaet i et kraftigt magnetfelt.

Ikke særlig effektiv, men potentielt ekstremt vigtig bestræbelser på . Ifølge forskning fra det amerikanske energiministerium (DOE), offentliggjort i oktober 2018 i tidsskriftet Physics of Plasmas, har fusionsreaktorer evnen til at kontrollere plasmaoscillation. Disse bølger skubber højenergipartikler ud af reaktionszonen og tager noget af den energi, der er nødvendig for fusionsreaktionen, med sig. Et nyt DOE-studie beskriver sofistikerede computersimuleringer, der kan spore og forudsige bølgedannelse, hvilket giver fysikere mulighed for at forhindre processen og holde partikler under kontrol. Forskere håber, at deres arbejde vil hjælpe i byggeriet ITER, måske det mest berømte eksperimentelle fusionsreaktorprojekt i Frankrig.

Også præstationer som f.eks plasmatemperatur 100 millioner grader Celsius, opnået i slutningen af ​​sidste år af et team af forskere ved China Institute of Plasma Physics i Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), er et eksempel på et trin-for-trin fremskridt hen imod effektiv fusion. Ifølge eksperter, der kommenterer undersøgelsen, kan den være af central betydning i det førnævnte ITER-projekt, hvor Kina deltager sammen med 35 andre lande.

Superledere og elektronik

Et andet område med stort potentiale, hvor der tages ret små, omhyggelige skridt i stedet for store gennembrud, er søgen efter højtemperatur-superledere. (2). Desværre er der mange falske alarmer og for tidlige bekymringer. Normalt viser rave medierapporter sig at være overdrivelser eller simpelthen usande. Selv i mere seriøse rapporter er der altid et "men". Som i en nylig rapport har forskere ved University of Chicago opdaget superledning, evnen til at lede elektricitet uden tab ved de højeste temperaturer, der nogensinde er registreret. Ved at bruge banebrydende teknologi på Argonne National Laboratory studerede et hold lokale forskere en klasse af materialer, hvor de observerede superledning ved temperaturer omkring -23°C. Dette er et spring på omkring 50 grader fra den tidligere bekræftede rekord.

2. Superleder i et magnetfelt

Fangsten er dog, at du skal lægge et stort pres. Materialerne, der blev testet, var hydrider. I nogen tid har lanthanperhydrid været af særlig interesse. I eksperimenter blev det fundet, at ekstremt tynde prøver af dette materiale udviser superledning under påvirkning af tryk i området fra 150 til 170 gigapascal. Resultaterne blev offentliggjort i maj i tidsskriftet Nature, medforfatter af Prof. Vitaly Prokopenko og Eran Greenberg.

For at tænke på den praktiske anvendelse af disse materialer, bliver du nødt til at sænke trykket og også temperaturen, for selv ned til -23 ° C er ikke særlig praktisk. Arbejdet med det er typisk små trins fysik, der foregår i årevis i laboratorier rundt om i verden.

Det samme gælder for anvendt forskning. magnetiske fænomener i elektronik. For nylig har et internationalt hold af videnskabsmænd ved hjælp af meget følsomme magnetiske sonder fundet overraskende beviser for, at den magnetisme, der opstår ved grænsefladen mellem tynde lag af ikke-magnetisk oxid, let kan kontrolleres ved at påføre små mekaniske kræfter. Opdagelsen, der blev annonceret i Nature Physics i december sidste år, viser en ny og uventet måde at kontrollere magnetisme på, hvilket teoretisk giver mulighed for at tænke på tættere magnetisk hukommelse og spintronik, for eksempel.

Denne opdagelse skaber en ny mulighed for miniaturisering af magnetiske hukommelsesceller, som i dag allerede har en størrelse på flere tiere nanometer, men deres yderligere miniaturisering ved hjælp af kendte teknologier er vanskelig. Oxidgrænseflader kombinerer en række interessante fysiske fænomener såsom todimensionel ledningsevne og superledning. Styring af strøm ved hjælp af magnetisme er et meget lovende felt inden for elektronik. At finde materialer med de rigtige egenskaber, men alligevel overkommelige og billige, ville give os mulighed for at blive seriøse med at udvikle spintronic.

det er også trættende spildvarmestyring i elektronik. UC Berkeleys ingeniører har for nylig udviklet et tyndfilmsmateriale (filmtykkelse 50-100 nanometer), der kan bruges til at genvinde spildvarme for at generere strøm på niveauer, der aldrig er set før i denne type teknologi. Den bruger en proces kaldet pyroelektrisk effektkonvertering, som ny ingeniørforskning viser er velegnet til brug i varmekilder under 100°C. Dette er blot et af de seneste eksempler på forskning på dette område. Der er hundredvis eller endda tusindvis af forskningsprogrammer rundt om i verden relateret til energistyring inden for elektronik.

"Jeg ved ikke hvorfor, men det virker"

At eksperimentere med nye materialer, deres faseovergange og topologiske fænomener er et meget lovende forskningsområde, ikke særlig effektivt, vanskeligt og sjældent attraktivt for medierne. Dette er en af ​​de hyppigst citerede undersøgelser inden for fysik, selvom den fik stor omtale i medierne, den såkaldte. mainstream de normalt ikke vinder.

Eksperimenter med fasetransformationer i materialer giver nogle gange uventede resultater, f.eks metalsmeltning med høje smeltepunkter stuetemperatur. Et eksempel er den nylige opnåelse af smeltning af guldprøver, som typisk smelter ved 1064°C ved stuetemperatur ved hjælp af et elektrisk felt og et elektronmikroskop. Denne ændring var reversibel, fordi at slukke for det elektriske felt kunne størkne guldet igen. Således har det elektriske felt sluttet sig til de kendte faktorer, der påvirker fasetransformationer, foruden temperatur og tryk.

Faseændringer blev også observeret under intens pulser af laserlys. Resultaterne af undersøgelsen af ​​dette fænomen blev offentliggjort i sommeren 2019 i tidsskriftet Nature Physics. Det internationale team for at opnå dette blev ledet af Nuh Gedik (3), professor i fysik ved Massachusetts Institute of Technology. Forskerne fandt ud af, at under optisk induceret smeltning sker faseovergangen gennem dannelsen af ​​singulariteter i materialet, kendt som topologiske defekter, som igen påvirker den resulterende elektron- og gitterdynamik i materialet. Disse topologiske defekter, som Gedik forklarede i sin publikation, er analoge med små hvirvler, der opstår i væsker såsom vand.

Til deres forskning brugte forskere en forbindelse af lanthan og tellur LaTe.₃. Forskerne forklarer, at det næste skridt vil være at forsøge at bestemme, hvordan de kan "generere disse defekter på en kontrolleret måde." Dette kunne potentielt bruges til datalagring, hvor lysimpulser ville blive brugt til at skrive eller reparere fejl i systemet, hvilket ville svare til dataoperationer.

Og siden vi kom til ultrahurtige laserimpulser, er deres anvendelse i mange interessante eksperimenter og potentielt lovende anvendelser i praksis et emne, der ofte optræder i videnskabelige rapporter. For eksempel viste gruppen af ​​Ignacio Franco, assisterende professor i kemi og fysik ved University of Rochester, for nylig, hvordan ultrahurtige laserimpulser kan bruges til at forvrængende egenskaber af stof Oraz generering af elektrisk strøm med en hastighed, der er hurtigere end nogen teknik, vi hidtil har kendt. Forskerne behandlede tynde glasfilamenter med en varighed på en milliontedel af en milliardtedel af et sekund. På et øjeblik blev det glasagtige materiale til noget som et metal, der leder elektricitet. Dette skete hurtigere end i noget kendt system i fravær af en påført spænding. Strømningsretningen og strømmens intensitet kan styres ved at ændre laserstrålens egenskaber. Og da den kan styres, kigger enhver elektronikingeniør med interesse.

Franco forklarede i en publikation i Nature Communications.

Den fysiske natur af disse fænomener er ikke fuldt ud forstået. Franco selv har mistanke om, at mekanismer som stærk effekt, dvs. korrelationen mellem emissionen eller absorptionen af ​​lyskvanter med et elektrisk felt. Hvis det var muligt at bygge fungerende elektroniske systemer baseret på disse fænomener, ville vi have endnu et afsnit af ingeniørserien kaldet We Don't Know Why, But It Works.

Følsomhed og lille størrelse

Gyroskoper er enheder, der hjælper køretøjer, droner samt elektroniske hjælpemidler og bærbare enheder med at navigere i tredimensionelt rum. Nu er de meget brugt i enheder, som vi bruger hver dag. Oprindeligt var gyroskoper et sæt indlejrede hjul, som hver roterede rundt om sin egen akse. I dag finder vi i mobiltelefoner mikroelektromekaniske sensorer (MEMS), der måler ændringer i kræfter, der virker på to identiske masser, oscillerende og bevæger sig i den modsatte retning.

MEMS-gyroskoper har betydelige følsomhedsbegrænsninger. Så det bygger optiske gyroskoper, uden bevægelige dele, til de samme opgaver, der bruger et fænomen kaldet Sagnac effekt. Men indtil nu har der været et problem med deres miniaturisering. De mindste højtydende optiske gyroskoper, der er tilgængelige, er større end en bordtennisbold og ikke egnede til mange bærbare applikationer. Imidlertid har ingeniører ved Caltech University of Technology, ledet af Ali Hadjimiri, udviklet et nyt optisk gyroskop, der fem hundrede gange mindrehvad man hidtil ved4). Han øger sin følsomhed ved at bruge en ny teknik kaldet "gensidig forstærkning»Mellem to lysstråler, der bruges i et typisk Sagnac-interferometer. Den nye enhed blev beskrevet i en artikel offentliggjort i Nature Photonics i november sidste år.

4. Optisk gyroskop udviklet af Ali Hadjimiri og hans kolleger. 

Udviklingen af ​​et præcist optisk gyroskop kan i høj grad forbedre orienteringen af ​​smartphones. Til gengæld blev det bygget af forskere fra Columbia Engineering. første flade linse i stand til korrekt at fokusere en lang række farver på samme punkt uden behov for yderligere elementer, kan påvirke mobiludstyrets fotografiske muligheder. Den revolutionerende mikron-tynde flade linse er betydeligt tyndere end et ark papir og leverer ydeevne, der kan sammenlignes med premium kompositlinser. Gruppens resultater, ledet af Nanfang Yu, en assisterende professor i anvendt fysik, præsenteres i en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature.

Forskere har bygget flade linser fra "metaatomer". Hvert metaatom er en brøkdel af en bølgelængde af lys i størrelse og forsinker lysbølger med en anden mængde. Ved at bygge et meget tyndt fladt lag af nanostrukturer på et underlag så tykt som et menneskehår, var forskerne i stand til at opnå samme funktionalitet som et meget tykkere og tungere konventionelt linsesystem. Metalenses kan erstatte omfangsrige linsesystemer på samme måde, som fladskærms-tv'er har erstattet CRT-tv'er.

Hvorfor en stor kolliderer, når der er andre måder

Fysikken i små skridt kan også have forskellige betydninger og betydninger. For eksempel - frem for at bygge monstrøst store typestrukturer og kræve endnu større, som mange fysikere gør, kan man forsøge at finde svar på store spørgsmål med mere beskedne værktøjer.

De fleste acceleratorer accelererer partikelstråler ved at generere elektriske og magnetiske felter. Men i nogen tid eksperimenterede han med en anden teknik - plasmaacceleratorer, acceleration af ladede partikler såsom elektroner, positroner og ioner ved hjælp af et elektrisk felt kombineret med en bølge genereret i et elektronplasma. På det seneste har jeg arbejdet på deres nye version. AWAKE-teamet på CERN bruger protoner (ikke elektroner) til at skabe en plasmabølge. Skift til protoner kan bringe partikler til højere energiniveauer i et enkelt accelerationstrin. Andre former for plasma-opvågningsfeltacceleration kræver flere trin for at nå det samme energiniveau. Forskere mener, at deres protonbaserede teknologi kan sætte os i stand til at bygge mindre, billigere og mere kraftfulde acceleratorer i fremtiden.

5. To-trins miniatureaccelerator fra DESY - visualisering

Til gengæld satte forskere fra DESY (forkortelse for Deutsches Elektronen-Synchrotron - tysk elektronisk synchrotron) en ny rekord inden for miniaturisering af partikelacceleratorer i juli. Terahertz-acceleratoren mere end fordoblede energien af ​​de injicerede elektroner (5). Samtidig forbedrede opsætningen væsentligt kvaliteten af ​​elektronstrålen sammenlignet med tidligere eksperimenter med denne teknik.

Franz Kärtner, leder af den ultrahurtige optik- og røntgengruppe hos DESY, forklarede i en pressemeddelelse. -

Den tilhørende enhed producerede et accelererende felt med en maksimal intensitet på 200 millioner volt pr. meter (MV/m) - svarende til den mest kraftfulde moderne konventionelle accelerator.

Til gengæld en ny, forholdsvis lille detektor ALPHA-g (6), bygget af det canadiske firma TRIUMF og sendt til CERN tidligere i år, har til opgave at måle antistofs gravitationsacceleration. Accelererer antistof i nærvær af et gravitationsfelt på jordens overflade med +9,8 m/s2 (ned), med -9,8 m/s2 (op), med 0 m/s2 (ingen gravitationsacceleration overhovedet) eller har nogle anden værdi? Sidstnævnte mulighed ville revolutionere fysikken. Et lille ALPHA-g apparat kan, udover at bevise eksistensen af ​​"anti-tyngdekraft", føre os på en vej, der fører til universets største mysterier.

I endnu mindre skala forsøger vi at studere fænomener på et endnu lavere niveau. Over 60 milliarder omdrejninger i sekundet det kan designes af forskere fra Purdue University og kinesiske universiteter. Ifølge forfatterne til eksperimentet i en artikel offentliggjort for et par måneder siden i Physical Review Letters, vil en sådan hurtigt roterende skabelse give dem mulighed for bedre at forstå hemmeligheder .

Objektet, som er i samme ekstreme rotation, er en nanopartikel på omkring 170 nanometer bred og 320 nanometer lang, som forskerne har syntetiseret ud fra silica. Forskerholdet svævede et objekt i et vakuum ved hjælp af en laser, som derefter pulserede det med en enorm hastighed. Næste skridt vil være at udføre eksperimenter med endnu højere rotationshastigheder, som vil muliggøre nøjagtig forskning af grundlæggende fysiske teorier, herunder eksotiske former for friktion i et vakuum. Som du kan se, behøver du ikke bygge kilometervis af rør og gigantiske detektorer for at møde fundamentale mysterier.

I 2009 lykkedes det forskerne at skabe et særligt sort hul i laboratoriet, der absorberer lyd. Siden da disse звук  viste sig at være nyttige som laboratorieanaloger af det lysabsorberende objekt. I et papir offentliggjort i tidsskriftet Nature i juli beskriver forskere ved Technion Israel Institute of Technology, hvordan de skabte et sonisk sort hul og målte dets Hawking-strålingstemperatur. Disse målinger var på linje med temperaturen forudsagt af Hawking. Det ser således ud til, at det ikke er nødvendigt at foretage en ekspedition til et sort hul for at udforske det.

Hvem ved, om skjult i disse tilsyneladende mindre effektive videnskabelige projekter, i møjsommelige laboratoriebestræbelser og gentagne eksperimenter for at teste små, fragmenterede teorier, er svarene på de største spørgsmål. Videnskabshistorien lærer, at dette kan ske.