Ајде да си го направиме своето и можеби ќе има револуција

Големи откритија, смели теории, научни откритија. Медиумите се преполни со такви формулации, најчесто претерани. Некаде во сенката на „големата физика“, LHC, фундаменталните космолошки прашања и борбата против Стандардниот модел, вредните истражувачи тивко си ја вршат својата работа, размислуваат за практични апликации и чекор по чекор го прошируваат нашето знаење.

„Ајде да си го направиме своето“ секако може да биде слоганот на научниците вклучени во развојот на термонуклеарната фузија. Зашто, и покрај големите одговори на големите прашања, решението на практичните, навидум безначајни проблеми поврзани со овој процес, е способно да го револуционизира светот.

Можеби, на пример, ќе биде можно да се направи нуклеарна фузија во мали размери - со опрема што се вклопува на маса. Научниците од Универзитетот во Вашингтон го направија уредот минатата година Z-штипка (1), кој е способен да одржува реакција на фузија во рок од 5 микросекунди, иако главната импресивна информација беше минијатуризацијата на реакторот, кој е долг само 1,5 m. Z-pinch работи така што ја заробува и компресира плазмата во моќно магнетно поле.

Не е многу ефикасен, но потенцијално исклучително важен напорите за . Според истражувањето на американското Министерство за енергија (DOE), објавено во октомври 2018 година во списанието Physics of Plasmas, реакторите за фузија имаат способност да контролираат осцилации на плазмата. Овие бранови ги туркаат високо-енергетските честички надвор од зоната на реакција, земајќи со себе дел од енергијата потребна за реакцијата на фузија. Новата студија на DOE опишува софистицирани компјутерски симулации кои можат да го следат и предвидат формирањето на бранови, давајќи им на физичарите способност да го спречат процесот и да ги држат честичките под контрола. Научниците се надеваат дека нивната работа ќе помогне во градежништвото ЕТЕР, можеби најпознатиот експериментален проект за фузија реактор во Франција.

Исто така достигнувања како што се плазма температура 100 милиони степени Целзиусови, добиен на крајот на минатата година од тим научници од Кинескиот институт за физика на плазма во Експерименталниот напреден суперспроводлив Токамак (ИСТОК), е пример за чекор-по-чекор напредок кон ефикасна фузија. Според експертите кои ја коментираат студијата, таа може да биде од клучна важност во споменатиот проект ITER, во кој Кина учествува заедно со 35 други земји.

Суперпроводници и електроника

Друга област со голем потенцијал, каде што се прават прилично мали, макотрпни чекори наместо големи откритија, е потрагата по суперпроводници со висока температура. (2). За жал, има многу лажни аларми и предвремени грижи. Обично гласните медиумски извештаи се претеруваат или едноставно се невистинити. Дури и во посериозните извештаи секогаш постои „но“. Како и во неодамнешниот извештај, научниците од Универзитетот во Чикаго открија суперспроводливост, способност да се спроведе електрична енергија без загуба на највисоките температури што некогаш биле забележани. Користејќи врвна технологија во Националната лабораторија Argonne, тим од локални научници проучувале класа на материјали во кои забележале суперспроводливост на температури околу -23°C. Ова е скок од околу 50 степени од претходниот потврден рекорд.

2. Суперпроводник во магнетно поле

Уловот, сепак, е што треба да извршите голем притисок. Материјалите кои беа тестирани беа хидриди. За некое време, лантан перхидрид беше од особен интерес. Во експериментите, беше откриено дека екстремно тенки примероци од овој материјал покажуваат суперспроводливост под дејство на притисоци во опсег од 150 до 170 гигапаскали. Резултатите беа објавени во мај во списанието Nature, во коавторство на проф. Виталиј Прокопенко и Еран Гринберг.

За да размислите за практичната примена на овие материјали, ќе треба да го намалите притисокот и температурата, бидејќи дури и до -23 ° C не е многу практично. Работата на тоа е типична физика со мали чекори, која се одвива со години во лабораториите ширум светот.

Истото важи и за применетите истражувања. магнетни појави во електрониката. Во поново време, со користење на високо чувствителни магнетни сонди, меѓународен тим на научници пронашол изненадувачки докази дека магнетизмот што се јавува на интерфејсот на тенките слоеви на немагнетен оксид може лесно да се контролира со примена на мали механички сили. Откритието, објавено во декември минатата година во Nature Physics, покажува нов и неочекуван начин за контрола на магнетизмот, теоретски овозможувајќи размислување за погуста магнетна меморија и спинтроника, на пример.

Ова откритие создава нова можност за минијатуризација на магнетните мемориски ќелии, кои денес веќе имаат големина од неколку десетици нанометри, но нивната понатамошна минијатуризација со помош на познати технологии е тешка. Оксидните интерфејси комбинираат голем број интересни физички феномени како што се дводимензионална спроводливост и суперспроводливост. Контролата на струјата со помош на магнетизам е многу ветувачко поле во електрониката. Наоѓањето материјали со соодветни својства, а сепак достапни и евтини, ќе ни овозможи сериозно да се зафатиме со развојот спинтронски.

и тоа е заморно контрола на отпадната топлина во електрониката. Инженерите од УК Беркли неодамна развија материјал со тенок филм (дебелина на филмот 50-100 нанометри) кој може да се користи за враќање на отпадната топлина за да се генерира енергија на нивоа што досега не биле видени во овој тип на технологија. Користи процес наречен пироелектрична конверзија, за кој новото инженерско истражување покажува дека е добро прилагодено за употреба во извори на топлина под 100°C. Ова е само еден од најновите примери на истражување во оваа област. Постојат стотици или дури илјадници истражувачки програми ширум светот поврзани со управувањето со енергијата во електрониката.

„Не знам зошто, но функционира“

Експериментирањето со нови материјали, нивните фазни транзиции и тополошки феномени е многу ветувачка област на истражување, не многу ефикасна, тешка и ретко привлечна за медиумите. Ова е една од најчесто цитираните студии од областа на физиката, иако доби голем публицитет во медиумите, т.н. мејнстрим тие обично не победуваат.

Експериментите со фазни трансформации во материјалите понекогаш носат неочекувани резултати, на пример топење на метал со високи точки на топење собна температура. Пример е неодамнешното достигнување на топење на златни примероци, кои обично се топат на 1064°C на собна температура, користејќи електрично поле и електронски микроскоп. Оваа промена беше реверзибилна бидејќи исклучувањето на електричното поле може повторно да го зацврсти златото. Така, електричното поле се приклучи на познатите фактори кои влијаат на фазните трансформации, покрај температурата и притисокот.

Фазни промени беа забележани и за време на интензивна импулси на ласерска светлина. Резултатите од студијата за овој феномен беа објавени во летото 2019 година во списанието Nature Physics. Меѓународниот тим за да го постигне ова беше предводен од Нух Гедик (3), професор по физика на Технолошкиот институт во Масачусетс. Научниците открија дека за време на оптички индуцираното топење, фазната транзиција се јавува преку формирање на сингуларитети во материјалот, познати како тополошки дефекти, кои пак влијаат на добиената динамика на електрони и решетки во материјалот. Овие тополошки дефекти, како што објасни Гедик во својата публикација, се аналогни на ситните вртлози што се јавуваат во течности како што е водата.

За нивното истражување, научниците користеле соединение од лантан и телуриум LaTe.₃. Истражувачите објаснуваат дека следниот чекор ќе биде да се обидат да утврдат како можат „да ги генерираат овие дефекти на контролиран начин“. Потенцијално, ова би можело да се користи за складирање податоци, каде што светлосните импулси би се користеле за запишување или поправка на дефекти во системот, што би одговарале на операциите на податоци.

И бидејќи дојдовме до ултрабрзи ласерски импулси, нивната употреба во многу интересни експерименти и потенцијално ветувачки апликации во практиката е тема што често се појавува во научните извештаи. На пример, групата на Игнасио Франко, асистент професор по хемија и физика на Универзитетот во Рочестер, неодамна покажа како ултрабрзите ласерски импулси можат да се користат за искривувачки својства на материјата ораз производство на електрична струја со брзина поголема од која било техника која ни е позната досега. Истражувачите третирале тенки стаклени филаменти со времетраење од еден милионити дел од милијардити дел од секундата. Кога ќе трепнете, стаклениот материјал се претвори во нешто како метал што спроведува струја. Ова се случи побрзо отколку во кој било познат систем во отсуство на применет напон. Насоката на протокот и интензитетот на струјата може да се контролираат со промена на својствата на ласерскиот зрак. И бидејќи може да се контролира, секој електронски инженер гледа со интерес.

Објасни Франко во публикација во Nature Communications.

Физичката природа на овие појави не е целосно разбрана. Самиот Франко се сомнева дека механизмите како остар ефектт.е. корелација на емисијата или апсорпцијата на светлосните кванти со електричното поле. Кога би било можно да се изградат работни електронски системи врз основа на овие феномени, би имале уште една епизода од инженерската серија наречена Не знаеме зошто, но функционира.

Чувствителност и мала големина

Жироскопи се уреди кои им помагаат на возилата, беспилотните летала, како и на електронските комунални услуги и преносливите уреди да се движат во тродимензионален простор. Сега тие се широко користени во уреди што ги користиме секој ден. Првично, жироскопите беа збир на вгнездени тркала, од кои секое се ротира околу сопствената оска. Денес, во мобилните телефони, наоѓаме микроелектромеханички сензори (MEMS) кои ги мерат промените во силите кои делуваат на две идентични маси, осцилираат и се движат во спротивна насока.

Жироскопите MEMS имаат значителни ограничувања на чувствителноста. Значи се гради оптички жироскопи, без подвижни делови, за истите задачи кои користат феномен наречен Сањак ефект. Сепак, досега имаше проблем со нивна минијатуризација. Најмалите достапни оптички жироскопи со високи перформанси се поголеми од топче за пинг-понг и не се погодни за многу преносливи апликации. Сепак, инженерите од Технолошкиот универзитет во Калтек, предводени од Али Хаџимири, развија нов оптички жироскоп кој петстотини пати помалкушто е досега познато4). Тој ја зголемува својата чувствителност преку употреба на нова техника наречена „меѓусебно засилување» Помеѓу два зраци светлина што се користат во типичен интерферометар Sagnac. Новиот уред беше опишан во статија објавена во Nature Photonics минатиот ноември.

4. Оптички жироскоп развиен од Али Хаџимири и неговите колеги. 

Развојот на точен оптички жироскоп може многу да ја подобри ориентацијата на паметните телефони. За возврат, тој беше изграден од научници од Колумбија инженеринг. првата рамна леќа способен правилно да фокусира широк опсег на бои во иста точка без потреба од дополнителни елементи, може да влијае на фотографските можности на мобилната опрема. Револуционерниот рамен објектив со тенки микрони е значително потенок од лист хартија и обезбедува перформанси споредливи со врвните композитни леќи. Наодите на тимот, предводени од Нанфанг Ју, доцент по применета физика, се претставени во студија објавена во списанието Nature.

Научниците изградија рамни леќи од "метаатомите“. Секој метаатом е дел од брановата должина на светлината по големина и ги одложува светлосните бранови за различна количина. Со изградба на многу тенок рамен слој од наноструктури на подлога дебела колку човечко влакно, научниците успеаја да ја постигнат истата функционалност како многу подебел и потежок конвенционален систем на леќи. Металенсите можат да ги заменат гломазните системи на леќи на ист начин како што телевизорите со рамен екран ги заменија телевизорите со CRT.

Зошто голем судар кога има други начини

Физиката на малите чекори исто така може да има различни значења и значења. На пример - наместо да се градат структури од монструозно големи типови и да се бараат уште поголеми, како што прават многу физичари, може да се обидеме да најдеме одговори на големи прашања со поскромни алатки.

Повеќето акцелератори ги забрзуваат зраците на честичките со генерирање на електрични и магнетни полиња. Сепак, извесно време експериментираше со друга техника - плазма акцелератори, забрзување на наелектризираните честички како што се електрони, позитрони и јони користејќи електрично поле во комбинација со бран генериран во електронска плазма. Во последно време работев на нивната нова верзија. Тимот на AWAKE во ЦЕРН користи протони (не електрони) за да создаде плазма бран. Префрлувањето на протони може да ги одведе честичките на повисоки нивоа на енергија во еден чекор на забрзување. Други форми на забрзување на полето за будење на плазмата бараат неколку чекори за да се достигне истото ниво на енергија. Научниците веруваат дека нивната технологија базирана на протони може да ни овозможи да изградиме помали, поевтини и помоќни акцелератори во иднина.

5. Двостепен минијатурен акцелератор од DESY - визуелизација

За возврат, научниците од DESY (кратенка за Deutsches Elektronen-Synchrotron - германски електронски синхротрон) поставија нов рекорд во областа на минијатуризација на забрзувачи на честички во јули. Терахерцниот забрзувач повеќе од двојно ја зголеми енергијата на инјектираните електрони (5). Во исто време, поставувањето значително го подобри квалитетот на електронскиот зрак во споредба со претходните експерименти со оваа техника.

Франц Кертнер, шеф на групата за ултрабрза оптика и рендген во DESY, објасни во соопштението за печатот. -

Придружниот уред произведе поле за забрзување со максимален интензитет од 200 милиони волти на метар (MV/m) - слично на најмоќниот модерен конвенционален акцелератор.

За возврат, нов, релативно мал детектор АЛФА-г (6), изградена од канадската компанија TRIUMF и испратена до CERN на почетокот на оваа година, има задача да измерете го гравитациското забрзување на антиматеријата. Дали антиматеријата се забрзува во присуство на гравитационо поле на површината на Земјата за +9,8 m/s2 (долу), за -9,8 m/s2 (горе), за 0 m/s2 (воопшто нема гравитациско забрзување) или има одредено друга вредност? Последната можност би ја револуционизирала физиката. Мал апарат АЛФА-г, освен што ќе докаже постоење на „антигравитација“, може да нè одведе на патека која води до најголемите мистерии на универзумот.

Во уште помал обем, се обидуваме да проучуваме феномени од уште пониско ниво. Погоре 60 милијарди вртежи во секунда може да биде дизајниран од научници од Универзитетот Пурдју и кинеските универзитети. Според авторите на експериментот во статија објавена пред неколку месеци во Physical Review Letters, таквата брзо ротирачка креација ќе им овозможи подобро да разберат тајни .

Објектот, кој е во иста екстремна ротација, е наночестичка широка околу 170 нанометри и долга 320 нанометри, која научниците ја синтетизирале од силика. Истражувачкиот тим левитирал објект во вакуум користејќи ласер, кој потоа го пулсирал со огромна брзина. Следниот чекор ќе биде спроведување на експерименти со уште поголеми ротациони брзини, што ќе овозможи прецизно истражување на основните физички теории, вклучително и егзотични форми на триење во вакуум. Како што можете да видите, не треба да градите километарски цевки и џиновски детектори за да се соочите со основните мистерии.

Во 2009 година, научниците успеаја да создадат посебен вид црна дупка во лабораторијата која апсорбира звук. Оттогаш овие звучи  се покажа како корисни како лабораториски аналози на објект што апсорбира светлина. Во трудот објавен во списанието Nature овој јули, истражувачите од Технолошкиот институт „Технион Израел“ опишуваат како создале звучна црна дупка и ја измериле нејзината температура на зрачењето на Хокинг. Овие мерења беа во согласност со температурата предвидена од Хокинг. Така, се чини дека не е неопходно да се направи експедиција до црна дупка за да се истражи.

Кој знае дали се скриени во овие навидум помалку ефикасни научни проекти, во макотрпните лабораториски напори и повторените експерименти за тестирање на мали, фрагментирани теории, се одговорите на најголемите прашања. Историјата на науката учи дека тоа може да се случи.