Kom ons doen ons ding en dalk kom daar 'n rewolusie

Groot ontdekkings, gewaagde teorieë, wetenskaplike deurbrake. Die media is vol sulke formulerings, gewoonlik oordrewe. Iewers in die skadu van “groot fisika”, die LHC, fundamentele kosmologiese vrae en die stryd teen die Standaardmodel, doen hardwerkende navorsers stilswyend hul werk, dink oor praktiese toepassings en brei die veld van ons kennis stap vir stap uit.

“Kom ons doen ons eie ding” kan beslis die slagspreuk wees van wetenskaplikes wat betrokke is by die ontwikkeling van termonukleêre samesmelting. Want, ten spyte van die groot antwoorde op die groot vrae, is die oplossing van praktiese, oënskynlik onbeduidende probleme wat met hierdie proses geassosieer word, in staat om die wêreld te revolusioneer.

Miskien sal dit byvoorbeeld moontlik wees om kleinskaalse kernfusie te doen – met toerusting wat op ’n tafel pas. Wetenskaplikes aan die Universiteit van Washington het die toestel verlede jaar gebou Z-knippie (1), wat in staat is om 'n samesmeltingsreaksie binne 5 mikrosekondes te handhaaf, hoewel die belangrikste indrukwekkende inligting die miniaturisering van die reaktor was, wat slegs 1,5 m lank is.Die Z-knyp werk deur die plasma in 'n kragtige magneetveld vas te vang en saam te druk.

Nie baie effektief nie, maar potensieel uiters belangrik pogings om . Volgens navorsing deur die Amerikaanse departement van energie (DOE), wat in Oktober 2018 in die joernaal Physics of Plasmas gepubliseer is, het samesmeltingsreaktore die vermoë om plasma-ossillasie te beheer. Hierdie golwe stoot hoë-energiedeeltjies uit die reaksiesone en neem van die energie wat nodig is vir die samesmeltingsreaksie saam. ’n Nuwe DOE-studie beskryf gesofistikeerde rekenaarsimulasies wat golfvorming kan volg en voorspel, wat fisici die vermoë gee om die proses te voorkom en deeltjies onder beheer te hou. Wetenskaplikes hoop hul werk sal help met konstruksie ITER, miskien die bekendste eksperimentele samesmeltingsreaktorprojek in Frankryk.

Ook prestasies soos plasma temperatuur 100 miljoen grade Celsius, verkry aan die einde van verlede jaar deur 'n span wetenskaplikes by die China Institute of Plasma Fisika in die Experimental Advanced Superconducting Tokamak (OOS), is 'n voorbeeld van 'n stap-vir-stap vordering na doeltreffende samesmelting. Volgens kenners wat kommentaar lewer op die studie, kan dit van sleutelbelang wees in die voorgenoemde ITER-projek, waaraan China saam met 35 ander lande deelneem.

Supergeleiers en elektronika

Nog 'n gebied met groot potensiaal, waar taamlik klein, moeisame stappe geneem word in plaas van groot deurbrake, is die soeke na hoë-temperatuur supergeleiers. (2). Ongelukkig is daar baie vals alarms en voortydige bekommernisse. Gewoonlik blyk rave mediaberigte oordrywings of bloot onwaar te wees. Selfs in ernstiger berigte is daar altyd 'n "maar". Soos in 'n onlangse verslag, het wetenskaplikes aan die Universiteit van Chicago supergeleiding ontdek, die vermoë om elektrisiteit sonder verlies te gelei by die hoogste temperature wat ooit aangeteken is. Deur die nuutste tegnologie by die Argonne Nasionale Laboratorium te gebruik, het 'n span plaaslike wetenskaplikes 'n klas materiale bestudeer waarin hulle supergeleiding by temperature rondom -23°C waargeneem het. Dit is 'n sprong van sowat 50 grade vanaf die vorige bevestigde rekord.

2. Supergeleier in 'n magneetveld

Die vangplek is egter dat jy baie druk moet toepas. Die materiaal wat getoets is, was hidriede. Vir 'n geruime tyd is lantaanperhidried van besondere belang. In eksperimente is gevind dat uiters dun monsters van hierdie materiaal supergeleiding toon onder die werking van druk in die reeks van 150 tot 170 gigapascal. Die resultate is in Mei gepubliseer in die joernaal Nature, mede-outeur van prof. Vitaly Prokopenko en Eran Greenberg.

Om te dink oor die praktiese toepassing van hierdie materiale, sal jy die druk en ook die temperatuur moet verlaag, want selfs tot -23 ° C is nie baie prakties nie. Werk daaraan is tipiese klein stapfisika, wat jare lank in laboratoriums regoor die wêreld aan die gang is.

Dieselfde geld vir toegepaste navorsing. magnetiese verskynsels in elektronika. Meer onlangs, met behulp van hoogs sensitiewe magnetiese probes, het 'n internasionale span wetenskaplikes verrassende bewyse gevind dat die magnetisme wat by die raakvlak van dun lae nie-magnetiese oksied voorkom, maklik beheer kan word deur klein meganiese kragte toe te pas. Die ontdekking, wat verlede Desember in Nature Physics aangekondig is, toon 'n nuwe en onverwagte manier om magnetisme te beheer, wat teoreties moontlik maak om te dink oor byvoorbeeld digter magnetiese geheue en spintronika.

Hierdie ontdekking skep 'n nuwe geleentheid vir miniaturisering van magnetiese geheueselle, wat vandag reeds 'n grootte van etlike tientalle nanometers het, maar hul verdere miniaturisering met behulp van bekende tegnologieë is moeilik. Oksied-koppelvlakke kombineer 'n aantal interessante fisiese verskynsels soos tweedimensionele geleiding en supergeleiding. Die beheer van stroom deur middel van magnetisme is 'n baie belowende veld in elektronika. Om materiaal met die regte eienskappe te vind, maar tog bekostigbaar en goedkoop, sal ons in staat stel om ernstig te raak oor ontwikkeling spintroniese.

dis ook vermoeiend afval hitte beheer in elektronika. UC Berkeley-ingenieurs het onlangs 'n dunfilmmateriaal (filmdikte 50-100 nanometer) ontwikkel wat gebruik kan word om afvalhitte te herwin om krag op te wek op vlakke wat nog nooit tevore in hierdie tipe tegnologie gesien is nie. Dit gebruik 'n proses genaamd piro-elektriese kragomskakeling, wat nuwe ingenieursnavorsing toon is goed geskik vir gebruik in hittebronne onder 100°C. Dit is maar een van die jongste voorbeelde van navorsing op hierdie gebied. Daar is honderde of selfs duisende navorsingsprogramme regoor die wêreld wat verband hou met energiebestuur in elektronika.

"Ek weet nie hoekom nie, maar dit werk"

Eksperimentering met nuwe materiale, hul fase-oorgange en topologiese verskynsels is 'n baie belowende gebied van navorsing, nie baie doeltreffend nie, moeilik en selde aantreklik vir die media. Dit is een van die navorsing wat die meeste aangehaal word op die gebied van fisika, hoewel dit baie publisiteit in die media ontvang het, die sg. hoofstroom wen hulle gewoonlik nie.

Eksperimente met fasetransformasies in materiale bring byvoorbeeld soms onverwagte resultate metaal smelt met hoë smeltpunte kamertemperatuur. 'n Voorbeeld is die onlangse prestasie van smeltende goudmonsters, wat tipies by 1064°C by kamertemperatuur smelt, met behulp van 'n elektriese veld en 'n elektronmikroskoop. Hierdie verandering was omkeerbaar omdat die afskakeling van die elektriese veld die goud weer kon stol. Die elektriese veld het dus by die bekende faktore wat fasetransformasies beïnvloed, bykomend tot temperatuur en druk, aangesluit.

Faseveranderinge is ook waargeneem tydens intense pulse van laserlig. Die resultate van die studie van hierdie verskynsel is in die somer van 2019 in die joernaal Nature Physics gepubliseer. Die internasionale span om dit te bereik is gelei deur Nuh Gedik (3), professor in fisika aan die Massachusetts Institute of Technology. Die wetenskaplikes het gevind dat die fase-oorgang tydens optiese-geïnduseerde smelting plaasvind deur die vorming van singulariteite in die materiaal, bekend as topologiese defekte, wat weer die gevolglike elektron- en roosterdinamika in die materiaal beïnvloed. Hierdie topologiese defekte, soos Gedik in sy publikasie verduidelik het, is analoog aan piepklein draaikolke wat in vloeistowwe soos water voorkom.

Vir hul navorsing het wetenskaplikes 'n verbinding van lantaan en tellurium LaTe gebruik.₃. Die navorsers verduidelik dat die volgende stap sal wees om te probeer vasstel hoe hulle "hierdie defekte op 'n beheerde wyse kan genereer." Dit kan moontlik gebruik word vir databerging, waar ligpulse gebruik sal word om defekte in die stelsel te skryf of te herstel, wat met data-operasies sal ooreenstem.

En aangesien ons by ultravinnige laserpulse uitgekom het, is die gebruik daarvan in baie interessante eksperimente en potensieel belowende toepassings in die praktyk 'n onderwerp wat dikwels in wetenskaplike verslae verskyn. Die groep van Ignacio Franco, assistent-professor in chemie en fisika aan die Universiteit van Rochester, het byvoorbeeld onlangs gewys hoe ultravinnige laserpulse gebruik kan word om vervormingseienskappe van materie Oraz elektriese stroomopwekking teen 'n spoed vinniger as enige tegniek wat tot dusver aan ons bekend is. Die navorsers het dun glasfilamente met 'n duur van een miljoenste van 'n biljoenste van 'n sekonde behandel. In 'n oogwink het die glasagtige materiaal verander in iets soos 'n metaal wat elektrisiteit gelei. Dit het vinniger gebeur as in enige bekende stelsel in die afwesigheid van 'n toegepaste spanning. Die rigting van die vloei en die intensiteit van die stroom kan beheer word deur die eienskappe van die laserstraal te verander. En aangesien dit beheer kan word, kyk elke elektroniese ingenieur met belangstelling.

Franco verduidelik in 'n publikasie in Nature Communications.

Die fisiese aard van hierdie verskynsels word nie ten volle verstaan ​​nie. Franco self vermoed dat meganismes soos skerp effek, d.w.s. die korrelasie van die emissie of absorpsie van ligkwanta met 'n elektriese veld. As dit moontlik was om werkende elektroniese stelsels te bou gebaseer op hierdie verskynsels, sou ons nog 'n episode van die ingenieursreeks gehad het genaamd Ons weet nie hoekom nie, maar dit werk.

Sensitiwiteit en klein grootte

Gyroskope is toestelle wat voertuie, hommeltuie, sowel as elektroniese nutsdienste en draagbare toestelle help om in driedimensionele ruimte te navigeer. Nou word hulle wyd gebruik in toestelle wat ons elke dag gebruik. Aanvanklik was gyroskope 'n stel geneste wiele, wat elkeen om sy eie as gedraai het. Vandag, in selfone, vind ons mikro-elektromeganiese sensors (MEMS) wat veranderinge meet in kragte wat op twee identiese massas inwerk, ossilleer en beweeg in die teenoorgestelde rigting.

MEMS-gyroskope het aansienlike sensitiwiteitsbeperkings. So dit bou optiese gyroskope, met geen bewegende dele, vir dieselfde take wat 'n verskynsel genaamd gebruik Sagnac effek. Tot nou toe was daar egter 'n probleem van hul miniaturisering. Die kleinste hoëwerkverrigting optiese gyroskope wat beskikbaar is, is groter as 'n tafeltennisbal en nie geskik vir baie draagbare toepassings nie. Ingenieurs by die Caltech Universiteit van Tegnologie, gelei deur Ali Hadjimiri, het egter 'n nuwe optiese giroskoop ontwikkel wat vyfhonderd keer minderwat tot dusver bekend is4). Hy verhoog sy sensitiwiteit deur die gebruik van 'n nuwe tegniek genaamd "wedersydse versterking» Tussen twee ligstrale wat in 'n tipiese Sagnac-interferometer gebruik word. Die nuwe toestel is beskryf in 'n artikel wat verlede November in Nature Photonics gepubliseer is.

4. Optiese giroskoop ontwikkel deur Ali Hadjimiri en sy kollegas. 

Die ontwikkeling van 'n akkurate optiese giroskoop kan die oriëntasie van slimfone aansienlik verbeter. Op sy beurt is dit gebou deur wetenskaplikes van Columbia Engineering. eerste plat lens in staat is om 'n wye reeks kleure op dieselfde punt korrek te fokus sonder die behoefte aan bykomende elemente, kan die fotografiese vermoëns van mobiele toerusting beïnvloed. Die revolusionêre mikron-dun plat lens is aansienlik dunner as 'n vel papier en lewer werkverrigting vergelykbaar met premium saamgestelde lense. Die groep se bevindings, gelei deur Nanfang Yu, ’n assistent-professor in toegepaste fisika, word in ’n studie wat in die joernaal Nature gepubliseer is, aangebied.

Wetenskaplikes het plat lense gebou van "metaatome". Elke metaatoom is 'n fraksie van 'n golflengte van lig groot en vertraag liggolwe met 'n ander hoeveelheid. Deur 'n baie dun plat laag nanostrukture op 'n substraat so dik soos 'n menslike haar te bou, kon die wetenskaplikes dieselfde funksionaliteit bereik as 'n baie dikker en swaarder konvensionele lensstelsel. Metalenses kan lywige lensstelsels vervang op dieselfde manier as wat platskerm-TV's CRT-TV's vervang het.

Hoekom 'n groot botser as daar ander maniere is

Die fisika van klein treetjies kan ook verskillende betekenisse en betekenisse hê. Byvoorbeeld - eerder as om monsteragtige groot tipe strukture te bou en selfs groter te eis, soos baie fisici doen, kan mens probeer om antwoorde op groot vrae te vind met meer beskeie gereedskap.

Die meeste versnellers versnel deeltjiestrale deur elektriese en magnetiese velde op te wek. Hy het egter vir 'n geruime tyd met 'n ander tegniek geëksperimenteer - plasmaversnellers, versnelling van gelaaide deeltjies soos elektrone, positrone en ione met behulp van 'n elektriese veld gekombineer met 'n golf wat in 'n elektronplasma gegenereer word. Ek het die afgelope tyd aan hul nuwe weergawe gewerk. Die AWAKE-span by CERN gebruik protone (nie elektrone nie) om 'n plasmagolf te skep. Om oor te skakel na protone kan deeltjies na hoër energievlakke neem in 'n enkele stap van versnelling. Ander vorme van plasma-ontwakingsveldversnelling vereis verskeie stappe om dieselfde energievlak te bereik. Wetenskaplikes glo hul proton-gebaseerde tegnologie kan ons in staat stel om kleiner, goedkoper en kragtiger versnellers in die toekoms te bou.

5. Twee-fase miniatuur versneller van DESY - visualisering

Op hul beurt het wetenskaplikes van DESY (kort vir Deutsches Elektronen-Synchrotron - Duitse elektroniese sinchrotron) in Julie 'n nuwe rekord op die gebied van miniaturisering van partikelversnellers opgestel. Die terahertz-versneller het die energie van die ingespuite elektrone meer as verdubbel (5). Terselfdertyd het die opstelling die kwaliteit van die elektronstraal aansienlik verbeter in vergelyking met vorige eksperimente met hierdie tegniek.

Franz Kärtner, hoof van die ultravinnige optika en X-straalgroep by DESY, in 'n persverklaring verduidelik. -

Die gepaardgaande toestel het 'n versnellingsveld geproduseer met 'n maksimum intensiteit van 200 miljoen volt per meter (MV/m) - soortgelyk aan die kragtigste moderne konvensionele versneller.

Op sy beurt 'n nuwe, relatief klein detektor ALFA-g (6), gebou deur die Kanadese maatskappy TRIUMF en vroeër vanjaar na CERN verskeep, het die taak om meet die gravitasieversnelling van antimaterie. Versnel antimaterie in die teenwoordigheid van 'n gravitasieveld op die Aarde se oppervlak met +9,8 m/s2 (af), met -9,8 m/s2 (op), met 0 m/s2 (geen gravitasieversnelling nie), of het ander waarde? Laasgenoemde moontlikheid sou fisika 'n rewolusie teweegbring. 'n Klein ALPHA-g-apparaat kan, benewens om die bestaan ​​van "anti-swaartekrag" te bewys, ons lei op 'n pad wat lei na die grootste geheimenisse van die heelal.

Op 'n nog kleiner skaal probeer ons verskynsels van 'n selfs laer vlak bestudeer. Hierbo 60 miljard omwentelinge per sekonde dit kan ontwerp word deur wetenskaplikes van Purdue Universiteit en Chinese universiteite. Volgens die skrywers van die eksperiment in 'n artikel wat 'n paar maande gelede in Physical Review Letters gepubliseer is, sal so 'n vinnig roterende skepping hulle in staat stel om beter te verstaan geheime .

Die voorwerp, wat in dieselfde uiterste rotasie is, is 'n nanopartikel van ongeveer 170 nanometer breed en 320 nanometer lank, wat die wetenskaplikes uit silika gesintetiseer het. Die navorsingspan het 'n voorwerp in 'n vakuum gesweef met 'n laser, wat dit dan teen 'n geweldige spoed gepuls het. Die volgende stap sal wees om eksperimente met selfs hoër rotasiespoed uit te voer, wat akkurate navorsing van basiese fisiese teorieë moontlik sal maak, insluitend eksotiese vorme van wrywing in 'n vakuum. Soos jy kan sien, hoef jy nie kilometers se pype en reuse-verklikkers te bou om fundamentele raaisels in die gesig te staar nie.

In 2009 het wetenskaplikes daarin geslaag om 'n spesiale soort swart gat in die laboratorium te skep wat klank absorbeer. Sedertdien hierdie klink  blyk nuttig te wees as laboratoriumanaloë van die ligabsorberende voorwerp. In 'n referaat wat in Julie in die joernaal Nature gepubliseer is, beskryf navorsers by die Technion Israel Institute of Technology hoe hulle 'n soniese swart gat geskep het en sy Hawking-stralingstemperatuur gemeet het. Hierdie metings was in lyn met die temperatuur wat deur Hawking voorspel is. Dit blyk dus dat dit nie nodig is om 'n ekspedisie na 'n swart gat te maak om dit te verken nie.

Wie weet of weggesteek in hierdie oënskynlik minder doeltreffende wetenskaplike projekte, in moeisame laboratoriumpogings en herhaalde eksperimente om klein, gefragmenteerde teorieë te toets, die antwoorde op die grootste vrae is. Die geskiedenis van die wetenskap leer dat dit kan gebeur.