Teeme oma asja ja ehk tuleb revolutsioon

Suured avastused, julged teooriad, teaduslikud läbimurded. Meedia on selliseid sõnastusi täis, tavaliselt liialdatud. Kusagil "suure füüsika", LHC, fundamentaalsete kosmoloogiliste küsimuste ja standardmudeli vastase võitluse varjus teevad töökad teadlased vaikselt oma tööd, mõtlevad praktilistele rakendustele ja laiendavad samm-sammult meie teadmiste välja.

"Teeme oma asjadega" võib kindlasti olla termotuumasünteesi arendamisega tegelevate teadlaste loosung. Sest hoolimata suurepärastest vastustest suurtele küsimustele on selle protsessiga seotud praktiliste, näiliselt tähtsusetute probleemide lahendamine võimeline muutma maailma murranguliseks.

Võib-olla on näiteks võimalik teha väikesemahulist tuumasünteesi - seadmetega, mis mahuvad lauale. Washingtoni ülikooli teadlased ehitasid seadme eelmisel aastal Z-näputäis (1), mis on võimeline hoidma termotuumasünteesi reaktsiooni 5 mikrosekundi jooksul, kuigi peamine muljetavaldav informatsioon oli vaid 1,5 m pikkuse reaktori miniaturiseerimine.Z-pinch töötab plasmat kinni püüdes ja kokku surudes võimsas magnetväljas.

Mitte väga tõhus, kuid potentsiaalselt äärmiselt oluline jõupingutusi . USA energeetikaministeeriumi (DOE) 2018. aasta oktoobris ajakirjas Physics of Plasmas avaldatud uuringu kohaselt on termotuumasünteesi reaktoritel võime kontrollida plasma võnkumist. Need lained suruvad suure energiaga osakesed reaktsioonitsoonist välja, võttes endaga kaasa osa termotuumasünteesi reaktsiooniks vajalikust energiast. Uus DOE uuring kirjeldab keerulisi arvutisimulatsioone, mis suudavad jälgida ja ennustada lainete teket, andes füüsikutele võimaluse protsessi ära hoida ja osakesi kontrolli all hoida. Teadlased loodavad, et nende töö aitab ehitusel ITER, ehk kõige kuulsam eksperimentaalse termotuumasünteesi reaktori projekt Prantsusmaal.

Samuti saavutused nagu plasma temperatuur 100 miljonit kraadi Celsiuse järgi, mille sai eelmise aasta lõpus Hiina plasmafüüsika instituudi teadlaste meeskond eksperimentaalses täiustatud ülijuhtivas tokamakis (EAST), on näide samm-sammult edusammudest tõhusa termotuumasünteesi suunas. Uuringut kommenteerivate ekspertide hinnangul võib see olla võtmetähtsusega eelmainitud ITERi projektis, milles osaleb Hiina koos 35 teise riigiga.

Ülijuhid ja elektroonika

Teine suure potentsiaaliga valdkond, kus suurte läbimurrete asemel astutakse üsna väikeseid, vaevarikkaid samme, on kõrge temperatuuriga ülijuhtide otsimine. (2). Kahjuks on palju valehäireid ja ennatlikke muresid. Tavaliselt osutuvad raevukas meediakajastused liialdusteks või lihtsalt valedeks. Isegi tõsisemates aruannetes on alati "aga". Nagu hiljutises aruandes, on Chicago ülikooli teadlased avastanud ülijuhtivuse, võime juhtida elektrit ilma kadudeta kõrgeimatel temperatuuridel, mis on kunagi registreeritud. Kasutades Argonne'i riiklikus laboris tipptehnoloogiat, uuris kohalike teadlaste rühm materjale, milles nad täheldasid ülijuhtivust temperatuuril umbes -23 °C. See on umbes 50-kraadine hüpe eelmisest kinnitatud rekordist.

2. Ülijuht magnetväljas

Konks on aga selles, et tuleb kõvasti survet avaldada. Materjalid, mida testiti, olid hüdriidid. Mõnda aega on lantaanperhüdriid pakkunud erilist huvi. Katsete käigus leiti, et selle materjali üliõhukestel proovidel on ülijuhtivus vahemikus 150–170 gigapaskalit rõhu all. Tulemused avaldati mais ajakirjas Nature, mille kaasautor on prof. Vitali Prokopenko ja Eran Greenberg.

Nende materjalide praktilise kasutamise üle mõtlemiseks peate rõhku ja ka temperatuuri langetama, sest isegi kuni -23 ° C ei ole eriti praktiline. Selle kallal töötamine on tüüpiline väikeste sammudega füüsika, mis toimub aastaid laborites üle maailma.

Sama kehtib ka rakendusuuringute kohta. magnetnähtused elektroonikas. Hiljuti leidis rahvusvaheline teadlaste meeskond ülitundlikke magnetsonde kasutades üllatavaid tõendeid selle kohta, et mittemagnetilise oksiidi õhukeste kihtide liideses tekkivat magnetismi saab hõlpsasti kontrollida väikeste mehaaniliste jõududega. Möödunud aasta detsembris ajakirjas Nature Physics avaldatud avastus näitab uut ja ootamatut viisi magnetismi kontrollimiseks, võimaldades teoreetiliselt mõelda näiteks tihedamale magnetmälule ja spintroonikale.

See avastus loob uue võimaluse magnetmälurakkude miniaturiseerimiseks, mille suurus on tänapäeval juba mitukümmend nanomeetrit, kuid nende edasine miniaturiseerimine tuntud tehnoloogiate abil on keeruline. Oksiidliidesed ühendavad mitmeid huvitavaid füüsikalisi nähtusi, nagu kahemõõtmeline juhtivus ja ülijuhtivus. Voolu juhtimine magnetismi abil on elektroonikas väga paljulubav väli. Õigete omadustega, samas taskukohaste ja odavate materjalide leidmine võimaldaks meil arendusega tõsiselt tegeleda spintronic.

see on ka väsitav jääksoojuse kontroll elektroonikas. UC Berkeley insenerid on hiljuti välja töötanud õhukese kilega materjali (kile paksus 50–100 nanomeetrit), mida saab kasutada jääksoojuse taaskasutamiseks, et toota energiat tasemel, mida seda tüüpi tehnoloogia puhul pole varem nähtud. See kasutab püroelektrilise võimsuse muundamise protsessi, mis uute inseneriuuringute kohaselt sobib hästi kasutamiseks soojusallikates, mille temperatuur on alla 100 °C. See on vaid üks viimaseid näiteid selle valdkonna uurimistööst. Elektroonika energiajuhtimisega seotud uurimisprogramme on üle maailma sadu või isegi tuhandeid.

"Ma ei tea miks, aga see töötab"

Uute materjalide, nende faasiüleminekute ja topoloogiliste nähtustega katsetamine on väga paljutõotav uurimisvaldkond, mis ei ole eriti tõhus, keeruline ja meediale harva atraktiivne. Tegemist on ühe enim viidatud uurimusega füüsika vallas, kuigi pälvis meedias palju avalikkust, nn. mainstream nad tavaliselt ei võida.

Katsed materjalide faasimuutustega toovad mõnikord näiteks ootamatuid tulemusi metalli sulatamine kõrge sulamistemperatuuriga toatemperatuuril. Näiteks hiljutine saavutus sulatada kullaproove, mis sulavad tavaliselt 1064 °C juures toatemperatuuril, kasutades elektrivälja ja elektronmikroskoopi. See muutus oli pöörduv, sest elektrivälja väljalülitamine võib kulla uuesti tahkestuda. Seega on elektriväli liitunud lisaks temperatuurile ja rõhule teadaolevate faasimuutusi mõjutavate teguritega.

Intensiivse ajal täheldati ka faasimuutusi laservalguse impulsid. Selle nähtuse uurimise tulemused avaldati 2019. aasta suvel ajakirjas Nature Physics. Rahvusvahelist meeskonda selle saavutamiseks juhtis Nuh Gedik (3), Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi füüsikaprofessor. Teadlased leidsid, et optiliselt indutseeritud sulamise ajal toimub faasiüleminek materjalis singulaarsuste tekke kaudu, mida nimetatakse topoloogilisteks defektideks, mis omakorda mõjutavad materjalis tekkivat elektronide ja võre dünaamikat. Need topoloogilised defektid, nagu Gedik oma väljaandes selgitas, on analoogsed pisikeste keeristega, mis tekivad vedelikes nagu vesi.

Teadlased kasutasid oma uurimistööks lantaani ja telluuri LaTe ühendit.₃. Teadlased selgitavad, et järgmise sammuna püütakse kindlaks teha, kuidas nad saavad "neid defekte kontrollitud viisil tekitada". Potentsiaalselt saaks seda kasutada andmete salvestamiseks, kus valgusimpulsside abil kirjutataks või parandataks süsteemi defekte, mis vastaksid andmetoimingutele.

Ja kuna jõudsime ülikiirete laserimpulsside juurde, on nende kasutamine paljudes huvitavates katsetes ja potentsiaalselt paljutõotavates rakendustes praktikas teema, mis sageli ilmub teaduslikes aruannetes. Näiteks Rochesteri ülikooli keemia ja füüsika dotsendi Ignacio Franco rühm näitas hiljuti, kuidas saab ülikiireid laserimpulsse kasutada aine moonutavad omadused Oraz elektrivoolu genereerimine kiirusega, mis on suurem kui ükski meile seni tuntud tehnika. Teadlased töötlesid õhukesi klaasfilamente, mille kestus oli miljondik miljardist sekundist. Silmapilguga muutus klaasjas materjal millekski metallilaadseks, mis juhib elektrit. See juhtus rakendatud pinge puudumisel kiiremini kui üheski teadaolevas süsteemis. Voolu suunda ja voolu intensiivsust saab juhtida laserkiire omadusi muutes. Ja kuna seda saab juhtida, vaatab iga elektroonikainsener huviga.

Franco selgitas väljaandes Nature Communications.

Nende nähtuste füüsiline olemus pole täielikult mõistetav. Franco ise kahtlustab, et mehhanismid meeldivad karm mõju, st valguskvantide emissiooni või neeldumise korrelatsiooni elektriväljaga. Kui nende nähtuste põhjal oleks võimalik ehitada toimivaid elektroonilisi süsteeme, oleks meil veel üks insenerisarja osa We Don't Know Why, but It Works.

Tundlikkus ja väike suurus

Güroskoobid on seadmed, mis aitavad sõidukitel, droonidel, aga ka elektroonikaseadmetel ja kaasaskantavatel seadmetel navigeerida kolmemõõtmelises ruumis. Nüüd kasutatakse neid laialdaselt seadmetes, mida me iga päev kasutame. Algselt olid güroskoobid pesastatud rataste komplekt, millest igaüks pöörles ümber oma telje. Tänapäeval leiame mobiiltelefonidest mikroelektromehaanilisi andureid (MEMS), mis mõõdavad kahele identsele massile mõjuvate, võnkuvate ja vastassuunas liikuvate jõudude muutusi.

MEMS-güroskoopidel on olulised tundlikkuse piirangud. Nii et see ehitab optilised güroskoopid, millel pole liikuvaid osi, samade ülesannete jaoks, mis kasutavad nähtust nimega Sagnaci efekt. Kuid siiani oli probleem nende miniaturiseerimisega. Väikseimad saadaolevad suure jõudlusega optilised güroskoobid on suuremad kui lauatennise pall ega sobi paljude kaasaskantavate rakenduste jaoks. Caltechi tehnikaülikooli insenerid eesotsas Ali Hadjimiriga on aga välja töötanud uue optilise güroskoopi, mis viissada korda vähemmis seni teada4). Ta suurendab oma tundlikkust, kasutades uut tehnikat nimega "vastastikune tugevdamine» Kahe valgusvihu vahel, mida kasutatakse tüüpilises Sagnaci interferomeetris. Uut seadet kirjeldati eelmise aasta novembris ajakirjas Nature Photonics avaldatud artiklis.

4. Ali Hadjimiri ja tema kolleegide poolt välja töötatud optiline güroskoop. 

Täpse optilise güroskoopi väljatöötamine võib nutitelefonide orientatsiooni oluliselt parandada. Selle ehitasid omakorda Columbia Engineeringi teadlased. esimene lame objektiiv võime teravustada õigesti laia valikut värve ühes ja samas punktis ilma täiendavaid elemente vajamata, võib mõjutada mobiilsete seadmete pildistamisvõimet. Revolutsiooniline mikroni õhuke lame lääts on oluliselt õhem kui paberileht ja selle jõudlus on võrreldav esmaklassiliste komposiitläätsedega. Rakendusfüüsika abiprofessori Nanfang Yu juhitud töörühma tulemused on esitatud ajakirjas Nature avaldatud uuringus.

Teadlased on ehitanud lamedad läätsed "metaaatomid". Iga metaaatom moodustab murdosa valguse lainepikkusest ja lükkab valguslaineid erineval määral edasi. Ehitades väga õhukese lame nanostruktuuride kihi inimese juuksekarva paksusele substraadile, suutsid teadlased saavutada sama funktsionaalsuse kui palju paksema ja raskema tavalise läätsesüsteemiga. Metalensid võivad asendada mahukaid läätsesüsteeme samamoodi nagu lameekraantelerid on asendanud kineskooptelereid.

Milleks suur põrkur, kui on ka teisi võimalusi

Ka väikeste sammude füüsikal võib olla erinev tähendus ja tähendus. Näiteks - selle asemel, et ehitada koletult suuri tüüpkonstruktsioone ja nõuda veelgi suuremaid, nagu paljud füüsikud teevad, võib püüda leida vastuseid suurtele küsimustele tagasihoidlikumate vahenditega.

Enamik kiirendeid kiirendab osakeste kiirte teket elektri- ja magnetvälja tekitamise teel. Kuid mõnda aega katsetas ta teistsugust tehnikat - plasma kiirendid, laetud osakeste, nagu elektronid, positronid ja ioonid, kiirendamine, kasutades elektrivälja kombineerituna elektronplasmas genereeritud lainega. Viimasel ajal olen töötanud nende uue versiooni kallal. CERNi AWAKE meeskond kasutab plasmalaine loomiseks prootoneid (mitte elektrone). Prootonitele üleminek võib viia osakesed kõrgemale energiatasemele ühe kiirendusetapiga. Muud plasma äratusvälja kiirenduse vormid nõuavad sama energiataseme saavutamiseks mitut sammu. Teadlased usuvad, et nende prootonipõhine tehnoloogia võimaldab meil tulevikus ehitada väiksemaid, odavamaid ja võimsamaid kiirendeid.

5. Kaheastmeline miniatuurne kiirendi firmalt DESY – visualiseerimine

Omakorda püstitasid DESY (lühend sõnadest Deutsches Elektronen-Synchrotron – saksa elektrooniline sünkrotron) teadlased juulis uue rekordi osakeste kiirendite miniaturiseerimise vallas. Terahertsi kiirendi kahekordistas süstitud elektronide energiat (5). Samal ajal parandas seadistus oluliselt elektronkiire kvaliteeti võrreldes eelmiste selle tehnikaga tehtud katsetega.

DESY ülikiire optika ja röntgenikiirguse grupi juht Franz Kärtner selgitas pressiteates. -

Seotud seade tekitas kiirendusvälja maksimaalse intensiivsusega 200 miljonit volti meetri kohta (MV/m) – sarnaselt võimsaima kaasaegse tavapärase kiirendiga.

Omakorda uus, suhteliselt väike detektor ALPHA-g (6), mille ehitas Kanada ettevõte TRIUMF ja mis saadeti selle aasta alguses CERNi, on mõõta antiaine gravitatsioonikiirendust. Kas antiaine kiireneb Maa pinnal gravitatsioonivälja olemasolul +9,8 m/s2 (alla), -9,8 m/s2 (üles), 0 m/s2 (gravitatsioonikiirendus puudub) või on sellel veidi muu väärtus? Viimane võimalus muudaks füüsikas pöörde. Väike ALPHA-g aparaat võib lisaks "antigravitatsiooni" olemasolu tõestamisele juhtida meid teele, mis viib universumi suurimate saladusteni.

Veelgi väiksemas mahus püüame uurida veelgi madalama taseme nähtusi. Eespool 60 miljardit pööret sekundis seda saavad kujundada Purdue ülikooli ja Hiina ülikoolide teadlased. Eksperimendi autorite sõnul võimaldab mõni kuu tagasi Physical Review Lettersis avaldatud artiklis selline kiiresti pöörlev looming paremini mõista saladusi .

Objekt, mis on samas äärmuslikus pöörlemises, on umbes 170 nanomeetri laiune ja 320 nanomeetri pikkune nanoosake, mille teadlased sünteesisid ränidioksiidist. Uurimisrühm leviteeris objekti vaakumis laseriga, mis seejärel impulsseeris seda tohutu kiirusega. Järgmise sammuna tehakse katseid veelgi suurema pöörlemiskiirusega, mis võimaldab täpselt uurida füüsikalisi põhiteooriaid, sealhulgas eksootilisi hõõrdumise vorme vaakumis. Nagu näete, ei pea te ehitama kilomeetreid torusid ja hiiglaslikke detektoreid, et silmitsi seista põhiliste saladustega.

2009. aastal õnnestus teadlastel laboris luua spetsiaalne must auk, mis neelab heli. Sellest ajast alates need heli  osutus kasulikuks valgust neelava objekti laboratoorsete analoogidena. Tänavu juulis ajakirjas Nature avaldatud artiklis kirjeldavad Technion Israel Institute of Technology teadlased, kuidas nad lõid helilise musta augu ja mõõtsid selle Hawkingi kiirgustemperatuuri. Need mõõtmised olid kooskõlas Hawkingi ennustatud temperatuuriga. Seega tundub, et selle uurimiseks pole vaja teha ekspeditsiooni musta augu juurde.

Kes teab, kas need näiliselt vähem tõhusad teadusprojektid, vaevarikkad laboratoorsed jõupingutused ja korduvad katsed väikeste killustatud teooriate testimiseks peituvad vastused suurimatele küsimustele. Teaduse ajalugu õpetab, et see võib juhtuda.