Să facem treaba noastră și poate va fi o revoluție

Mari descoperiri, teorii îndrăznețe, descoperiri științifice. Mass-media este plină de acest gen de formulări, de obicei exagerate. Undeva, în umbra „marelui fizică”, a LHC-ului, a întrebărilor cosmologice fundamentale și a luptei împotriva Modelului Standard, cercetătorii harnici își fac treburile în tăcere, gândindu-se la aplicații practice și extinzând sfera cunoștințelor noastre pas cu pas.

„Să facem treaba noastră” poate fi cu siguranță sloganul oamenilor de știință implicați în dezvoltarea fuziunii termonucleare. Căci, în ciuda răspunsurilor mari la marile întrebări, soluția la problemele practice, aparent nesemnificative, asociate cu acest proces, are puterea de a revoluționa lumea.

Poate că, de exemplu, va fi posibil să se facă fuziune nucleară la scară mică - cu echipamente care se potrivesc pe o masă. Oamenii de știință de la Universitatea din Washington au construit dispozitivul anul trecut Z-ciupit (1), care este capabil să mențină o reacție de fuziune timp de 5 microsecunde, deși principala informație impresionantă a fost miniaturizarea reactorului, care are doar 1,5 m lungime. Z-pinch-ul funcționează prin captarea și comprimarea plasmei într-un câmp magnetic puternic.

Nu foarte eficient, dar poate extrem de important eforturi pentru . Reactoarele de fuziune au capacitatea de a controla oscilațiile plasmei, conform cercetării Departamentului de Energie al SUA (DOE), publicată în octombrie 2018 în jurnalul Physics of Plasmas. Aceste unde împing particulele de înaltă energie în afara zonei de reacție, luând cu ele o parte din energia necesară pentru reacția de fuziune. Noua cercetare DOE descrie simulări computerizate sofisticate care pot urmări și prezice formarea undelor, oferind fizicienilor capacitatea de a preveni procesul și de a menține particulele sub control. Oamenii de știință speră că munca lor va ajuta în construcții ITER, poate cel mai faimos proiect experimental de reactoare de fuziune din Franța.

De asemenea, astfel de realizări ca temperatura plasmei 100 de milioane de grade Celsius, obținut la sfârșitul anului trecut de o echipă de oameni de știință de la Institutul Chinez de Fizică a Plasmei de la Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), este un exemplu de progres pas cu pas către o fuziune eficientă. Potrivit experților care comentează studiul, acesta ar putea fi cheia proiectului ITER menționat mai sus, la care China participă împreună cu alte 35 de țări.

Supraconductori și electronice

Un alt domeniu cu potențial mare, unde în loc de descoperiri mari există pași destul de mici, minuțioși, este căutarea supraconductorilor de temperatură înaltă. (2). Din păcate, există o mulțime de alarme false și griji premature. De obicei, rapoartele entuziaste din mass-media se dovedesc a fi exagerări sau pur și simplu nu sunt adevărate. Chiar și în rapoartele mai serioase există întotdeauna un „dar”. Ca și într-un raport recent, oamenii de știință de la Universitatea din Chicago au descoperit supraconductivitatea, capacitatea de a conduce electricitatea fără pierderi la cele mai înalte temperaturi înregistrate vreodată. Folosind tehnologie de ultimă oră de la Laboratorul Național Argonne, o echipă de oameni de știință locali a studiat o clasă de materiale în care au observat supraconductivitate la temperaturi de aproximativ -23°C. Acesta este un salt de aproximativ 50 de grade față de recordul anterior confirmat.

2. Supraconductor într-un câmp magnetic

Problema, însă, este că trebuie să aplici multă presiune. Materialele care au fost testate au fost hidruri. Perhidrura de lantan a fost de un interes deosebit de ceva timp. Experimentele au arătat că probele extrem de subțiri ale acestui material prezintă supraconductivitate sub presiune în intervalul de 150 până la 170 gigapascali. Rezultatele au fost publicate în luna mai în revista Nature, în colaborare cu Prof. Vitaly Prokopenko și Eran Grinberg.

Pentru a vă gândi la aplicarea practică a acestor materiale, va trebui să reduceți presiunea și, de asemenea, temperatura, deoarece nici până la -23 ° C nu este foarte practic. Lucrările pe acesta reprezintă o fizică tipică a pasilor, care se desfășoară ani de zile în laboratoare din întreaga lume.

Același lucru este valabil și pentru cercetarea aplicată. fenomene magnetice în electronică. Mai recent, folosind sonde magnetice extrem de sensibile, o echipă internațională de oameni de știință a descoperit dovezi surprinzătoare că magnetismul care apare la interfața straturilor subțiri de oxid nemagnetic poate fi controlat cu ușurință prin aplicarea unor forțe mecanice mici. Această descoperire, anunțată în Nature Physics în decembrie anul trecut, arată o modalitate nouă și neașteptată de a controla magnetismul, permițându-ne teoretic să ne gândim la memoria magnetică mai densă și la spintronica, de exemplu.

Această descoperire creează o nouă oportunitate de miniaturizare a celulelor de memorie magnetică, care astăzi au deja o dimensiune de câteva zeci de nanometri, dar miniaturizarea lor ulterioară folosind tehnologii cunoscute este dificilă. Interfețele de oxid combină o serie de fenomene fizice interesante, cum ar fi conductivitate bidimensională și supraconductivitate. Controlul curentului folosind magnetismul este un domeniu foarte promițător în electronică. Găsirea materialelor cu proprietățile dorite și, în același timp, disponibile și ieftine, ne-ar permite să ne angajăm serios în dezvoltarea spintronica.

este si obositor Controlul căldurii reziduale în electronice. Inginerii de la Universitatea din California, Berkeley, au dezvoltat recent un material cu peliculă subțire (grosimea peliculei de 50-100 nanometri) care poate fi folosit pentru a recupera căldura reziduală pentru a genera energie la un nivel nemaivăzut anterior în acest tip de tehnologie. Utilizează un proces numit conversie de energie piroelectrică, despre care noile cercetări de inginerie arată că este potrivit pentru utilizarea în surse de căldură cu temperaturi sub 100°C. Acesta este doar cel mai recent exemplu de cercetare în acest domeniu. Există sute sau chiar mii de programe de cercetare în întreaga lume legate de managementul energiei în electronică.

„Nu știu de ce, dar funcționează”

Experimentarea cu materiale noi, tranzițiile lor de fază și fenomenele topologice este un domeniu de cercetare foarte promițător, dar nu foarte eficient, dificil și rar atractiv pentru mass-media. Acesta este unul dintre cele mai des citate studii din domeniul fizicii, deși a primit multă publicitate în mass-media, așa-zisele. De obicei, ei nu câștigă mainstreamul.

Experimentele cu transformări de fază în materiale produc uneori rezultate neașteptate, de ex. topirea metalelor cu puncte de topire ridicate temperatura camerei. Un exemplu este realizarea recentă a topirii probelor de aur, care de obicei se topesc la 1064°C la temperatura camerei, folosind un câmp electric și un microscop electronic. Această schimbare a fost reversibilă deoarece oprirea câmpului electric ar putea solidifica din nou aurul. Astfel, câmpul electric s-a alăturat factorilor cunoscuți care influențează transformările de fază, pe lângă temperatură și presiune.

Modificări de fază au fost observate și în condiții intense impulsuri de lumină laser. Rezultatele unui studiu al acestui fenomen au fost publicate în vara anului 2019 în revista Nature Physics. Echipa internațională care a realizat acest lucru a fost condusă de Nuh Gedik (3), profesor de fizică la Institutul de Tehnologie din Massachusetts. Oamenii de știință au descoperit că în timpul topirii induse optic, tranziția de fază are loc prin formarea de singularități în material, cunoscute sub denumirea de defecte topologice, care la rândul lor influențează dinamica electronilor și rețelei rezultate din material. Aceste defecte topologice, a explicat Gedik în publicația sa, sunt analoge cu micile vârtejuri care apar în lichide precum apa.

Pentru cercetările lor, oamenii de știință au folosit compusul de lantan și telur LaTe.₃. Următorul pas, explică cercetătorii, este să încerce să determine cum pot „genera aceste defecte într-o manieră controlată”. Acest lucru ar putea fi utilizat pentru stocarea datelor, unde impulsurile luminoase ar fi utilizate pentru a înregistra sau repara defectele sistemului, corespunzătoare operațiunilor asupra datelor.

Și în timp ce vorbim despre impulsurile laser ultrarapide, utilizarea lor în multe experimente interesante și aplicații potențial promițătoare în practică este un subiect care apare adesea în rapoartele științifice. De exemplu, echipa lui Ignacio Franco, profesor asistent de chimie și fizică la Universitatea din Rochester, a arătat recent cum pulsurile laser ultrarapide pot fi folosite pentru a proprietăți deformatoare ale materiei Oraz generarea de curent electric cu o viteză ce depășește orice tehnologie cunoscută până acum. Cercetătorii au tratat fire subțiri de sticlă pentru o durată de o milioneme dintr-o miliardime dintr-o secundă. Într-o clipă, materialul de sticlă s-a transformat în ceva asemănător cu metalul care conduce electricitatea. Acest lucru s-a întâmplat mai repede decât în ​​orice sistem cunoscut în absența tensiunii aplicate. Direcția fluxului și intensitatea curentului pot fi controlate prin modificarea proprietăților fasciculului laser. Și din moment ce poate fi controlat, fiecare inginer electronic se uită la el cu interes.

- a explicat Franco într-o publicație în Nature Communications.

Natura fizică a acestor fenomene nu este pe deplin înțeleasă. Franco însuși bănuiește că mecanisme ca Efect puternic, adică corelarea emisiei sau absorbției cuantelor de lumină cu câmpul electric. Dacă ar fi posibil să construim sisteme electronice funcționale bazate pe aceste fenomene, am avea un alt episod dintr-o serie de inginerie numită „Nu știm de ce, dar funcționează”.

Sensibilitate și dimensiuni reduse

Giroscoape sunt dispozitive care ajută vehiculele, dronele și utilitățile electronice și dispozitivele portabile să navigheze în spațiul tridimensional. Ele sunt acum utilizate pe scară largă în dispozitivele pe care le folosim în fiecare zi. Inițial, giroscoapele erau seturi de roți imbricate unul în celălalt, fiecare dintre ele rotindu-se în jurul propriei axe. Astăzi în telefoanele mobile găsim senzori microelectromecanici (MEMS) care măsoară modificările forțelor care acționează asupra a două mase identice care oscilează și se mișcă în direcția opusă.

Giroscoapele MEMS au limitări semnificative de sensibilitate. Deci se construiește giroscoape optice, fără piese în mișcare, pentru aceleași sarcini care folosesc un fenomen numit efect Sagnac. Cu toate acestea, până acum a existat o problemă de miniaturizare a acestora. Cele mai mici giroscoape optice de înaltă performanță disponibile sunt mai mari decât o minge de ping-pong și nu sunt potrivite pentru multe aplicații portabile. Cu toate acestea, inginerii Caltech conduși de Ali Hadjimiri au dezvoltat un nou giroscop optic care de cinci sute de ori mai puțince se stie pana acum (4). Își sporește sensibilitatea prin utilizarea unei noi tehnici numite "întărire reciprocă» Între două fascicule de lumină, așa cum se utilizează într-un interferometru tipic Sagnac. Noul dispozitiv a fost descris într-o lucrare publicată în Nature Photonics în noiembrie anul trecut.

4. Giroscop optic dezvoltat de Ali Hadjimiri și colegii săi. 

Dezvoltarea unui giroscop optic precis ar putea îmbunătăți semnificativ orientarea smartphone-urilor. La rândul său, a fost construit de oamenii de știință de la Columbia Engineering. primul obiectiv plat capabil să focalizeze corect o gamă largă de culori în același punct, fără a fi nevoie de elemente suplimentare, poate afecta capacitățile fotografice ale echipamentelor mobile. Lentila plată revoluționară subțire de microni este semnificativ mai subțire decât o coală de hârtie și oferă performanțe comparabile cu lentilele compozite premium. Descoperirile echipei, conduse de Nanfang Yu, profesor asistent de fizică aplicată, sunt prezentate într-un studiu publicat în revista Nature.

Oamenii de știință au construit lentile plate din "metaatomi". Fiecare meta-atom reprezintă o fracțiune a lungimii de undă a luminii în mărime și întârzie undele luminoase cu o cantitate diferită. Prin construirea unui strat foarte subțire și plat de nanostructuri pe un substrat la fel de subțire ca părul uman, oamenii de știință au reușit să obțină aceeași funcționalitate ca un sistem de lentile convențional mult mai gros și mai greu. Metalensurile pot înlocui sistemele de lentile voluminoase în același mod în care televizoarele cu ecran plat au înlocuit televizoarele cu tub catodic.

De ce un mare ciocnitor când există alte moduri

Fizica pașilor mici poate avea, de asemenea, semnificații și semnificații diferite. De exemplu - În loc să construim structuri de tip monstruos de mari și să solicitați altele și mai mari, așa cum fac mulți fizicieni, se poate încerca să găsească răspunsuri la întrebări mari folosind instrumente mai modeste.

Majoritatea acceleratoarelor accelerează fasciculele de particule prin crearea de câmpuri electrice și magnetice. Cu toate acestea, de ceva timp a experimentat cu o altă tehnică - acceleratoare cu plasmă, accelerarea particulelor încărcate, cum ar fi electroni, pozitroni și ioni, folosind un câmp electric combinat cu o undă generată într-o plasmă de electroni. În ultimul timp am lucrat la o nouă versiune a acestora. Echipa AWAKE de la CERN folosește protoni (mai degrabă decât electroni) pentru a crea o undă de plasmă. Trecerea la protoni poate muta particulele la niveluri mai mari de energie într-o singură etapă de accelerare. Alte forme de accelerare a câmpului de trezire a plasmei necesită mai mulți pași pentru a atinge același nivel de energie. Oamenii de știință cred că tehnologia lor bazată pe protoni ne-ar putea permite să construim acceleratoare mai mici, mai ieftine și mai puternice în viitor.

5. Accelerator miniatural in doua trepte de la DESY - vizualizare

La rândul lor, oamenii de știință de la DESY (prescurtarea de la Deutsches Elektronen-Synchrotron - german electron synchrotron) au stabilit un nou record în domeniul miniaturizării acceleratorilor de particule în iulie. Un accelerator care funcționează la unde terahertzi a dublat mai mult decât energia electronilor injectați (5). În același timp, instalația a îmbunătățit semnificativ calitatea fasciculului de electroni în comparație cu experimentele anterioare cu această tehnică.

- a explicat Franz Kärtner, care conduce grupul de optică ultrarapidă și raze X la DESY, într-un comunicat de presă. –

Dispozitivul asociat a generat un câmp de accelerare cu o intensitate maximă de 200 de milioane de volți pe metru (MV/m) - asemănător celui mai recent accelerator convențional de mare putere.

La rândul său, noul detector, relativ mic ALPHA-g (6), construită la instalația canadiană TRIUMF și trimisă la CERN la începutul acestui an, are sarcina Măsurați accelerația gravitațională a antimateriei. Antimateria accelerează în prezența unui câmp gravitațional pe suprafața Pământului cu +9,8 m/s2 (jos), -9,8 m/s2 (sus), 0 m/s2 (fără accelerație gravitațională) sau o altă valoare? Ultima posibilitate ar revoluționa fizica. Micul aparat ALPHA-g poate, pe lângă faptul că dovedește existența „antigravitației”, ne poate conduce pe calea care duce către cele mai mari secrete ale Universului.

La o scară și mai mică încercăm să studiem fenomene de nivel și mai scăzut. De mai sus 60 de miliarde de rotații pe secundă poate fi construit de oameni de știință de la Universitatea Purdue și universitățile chineze. Potrivit autorilor experimentului, într-o lucrare publicată în urmă cu câteva luni în Physical Review Letters, o astfel de creație cu rotație rapidă le va permite să înțeleagă mai bine secrete .

Obiectul care suferă aceeași rotație extremă este o nanoparticulă de aproximativ 170 de nanometri lățime și 320 de nanometri lungime, pe care oamenii de știință au sintetizat-o din silice. Echipa de cercetare a levitat un obiect în vid folosind un laser, care apoi l-a propulsat într-o viteză de rotație. Următorul pas va fi efectuarea de experimente la viteze de rotație și mai mari, ceea ce va permite studii precise ale teoriilor fizice de bază, inclusiv a formelor exotice de frecare în vid. După cum puteți vedea, nu trebuie să construiți kilometri de țevi și detectoare gigantice pentru a face față misterelor fundamentale.

În 2009, oamenii de știință au reușit să creeze în laborator un tip special de gaură neagră care absoarbe sunetul. De atunci acestea sunet  s-au dovedit utile ca analogi de laborator ai unui obiect care absoarbe lumina. Într-o lucrare publicată în revista Nature în luna iulie, cercetătorii de la Institutul de Tehnologie Technion-Israel descriu modul în care au creat o gaură neagră sonică și au măsurat temperatura radiației Hawking. Aceste măsurători s-au potrivit cu temperatura prezisă de Hawking. Deci se pare că nu trebuie să faci o expediție într-o gaură neagră pentru a o explora.

Cine știe, ascunse în aceste proiecte științifice aparent mai puțin eficiente, în eforturi minuțioase de laborator și experimente repetate pentru a testa teorii mici, fragmentate, sunt răspunsurile la cele mai mari întrebări. Istoria științei ne învață că acest lucru se poate întâmpla.