Darīsim savu un varbūt būs revolūcija

Lieliski atklājumi, drosmīgas teorijas, zinātniski atklājumi. Plašsaziņas līdzekļi ir pilni ar šādiem formulējumiem, parasti pārspīlētiem. Kaut kur "lielās fizikas", LHC, fundamentālo kosmoloģisko jautājumu un cīņas pret Standartmodeli ēnā čakli pētnieki klusībā dara savu darbu, domā par praktiskiem pielietojumiem un soli pa solim paplašina savas zināšanas.

"Darīsim paši" noteikti var būt kodolsintēzes izstrādē iesaistīto zinātnieku sauklis. Jo, neskatoties uz lieliskajām atbildēm uz lielajiem jautājumiem, praktisku, šķietami nenozīmīgu problēmu risinājums, kas saistīts ar šo procesu, spēj mainīt pasauli.

Varbūt, piemēram, būs iespējams veikt maza mēroga kodolsintēzi – ar aprīkojumu, kas der uz galda. Vašingtonas universitātes zinātnieki ierīci uzbūvēja pagājušajā gadā Z veida šķipsna (1), kas spēj uzturēt kodolsintēzes reakciju 5 mikrosekunžu laikā, lai gan galvenā iespaidīgā informācija bija tikai 1,5 m garā reaktora miniaturizācija.Z-šķipsna darbojas, notverot un saspiežot plazmu spēcīgā magnētiskajā laukā.

Ne pārāk efektīva, bet potenciāli ārkārtīgi svarīga centieni . Saskaņā ar ASV Enerģētikas departamenta (DOE) pētījumu, kas publicēts 2018. gada oktobrī žurnālā Physics of Plasmas, kodolsintēzes reaktoriem ir iespēja kontrolēt plazmas svārstības. Šie viļņi izspiež lielas enerģijas daļiņas no reakcijas zonas, paņemot līdzi daļu no kodolsintēzes reakcijai nepieciešamās enerģijas. Jaunais DOE pētījums apraksta sarežģītas datorsimulācijas, kas var izsekot un prognozēt viļņu veidošanos, dodot fiziķiem iespēju novērst procesu un kontrolēt daļiņas. Zinātnieki cer, ka viņu darbs palīdzēs celtniecībā ETER, iespējams, slavenākais eksperimentālā kodolsintēzes reaktora projekts Francijā.

Arī tādi sasniegumi kā plazmas temperatūra 100 miljoni grādu pēc Celsija, ko pagājušā gada beigās ieguva Ķīnas Plazmas fizikas institūta zinātnieku komanda eksperimentālajā uzlabotajā supravadošā tokamakā (EAST), ir piemērs pakāpeniskai progresam ceļā uz efektīvu kodolsintēzi. Pēc ekspertu domām, kas komentē pētījumu, tam var būt būtiska nozīme iepriekš minētajā ITER projektā, kurā Ķīna piedalās kopā ar 35 citām valstīm.

Supravadītāji un elektronika

Vēl viena joma ar lielu potenciālu, kurā lielu izrāvienu vietā tiek sperti diezgan mazi, rūpīgi soļi, ir augstas temperatūras supravadītāju meklēšana. (2). Diemžēl ir daudz viltus trauksmes signālu un priekšlaicīgu raižu. Parasti satriecoši mediju ziņojumi izrādās pārspīlēti vai vienkārši nepatiesi. Pat nopietnākos ziņojumos vienmēr ir “bet”. Tāpat kā nesenajā ziņojumā, Čikāgas universitātes zinātnieki ir atklājuši supravadītspēju, spēju vadīt elektrību bez zudumiem augstākajā jebkad reģistrētajā temperatūrā. Izmantojot jaunākās tehnoloģijas Argonnes Nacionālajā laboratorijā, vietējo zinātnieku komanda pētīja materiālu klasi, kurā viņi novēroja supravadītspēju temperatūrā ap -23 °C. Tas ir aptuveni 50 grādu lēciens no iepriekšējā apstiprinātā rekorda.

2. Supravadītājs magnētiskajā laukā

Tomēr galvenais ir tas, ka jums ir jāpieliek liels spiediens. Materiāli, kas tika pārbaudīti, bija hidrīdi. Jau kādu laiku lantāna perhidrīds ir bijis īpaši interesants. Eksperimenti ir parādījuši, ka ārkārtīgi plāniem šī materiāla paraugiem ir supravadītspēja zem spiediena robežās no 150 līdz 170 gigapaskāliem. Rezultāti tika publicēti maijā žurnālā Nature, kura līdzautors ir prof. Vitālijs Prokopenko un Erans Grīnbergs.

Lai padomātu par šo materiālu praktisko pielietojumu, nāksies pazemināt spiedienu un arī temperatūru, jo pat līdz -23°C nav īpaši praktiski. Darbs pie tā ir tipiska maza soļa fizika, kas gadiem ilgi notiek laboratorijās visā pasaulē.

Tas pats attiecas uz lietišķajiem pētījumiem. magnētiskās parādības elektronikā. Pavisam nesen, izmantojot ļoti jutīgas magnētiskās zondes, starptautiska zinātnieku komanda ir atradusi pārsteidzošus pierādījumus tam, ka magnētismu, kas rodas nemagnētiskā oksīda plānu slāņu saskarnē, var viegli kontrolēt, pieliekot nelielus mehāniskus spēkus. Atklājums, par kuru tika paziņots pagājušā gada decembrī Nature Physics, parāda jaunu un negaidītu veidu, kā manipulēt ar magnētismu, teorētiski pieļaujot, piemēram, blīvāku magnētisko atmiņu un spintroniku.

Šis atklājums rada jaunu iespēju miniaturizēt magnētiskās atmiņas šūnas, kuru izmērs jau šodien ir vairāki desmiti nanometru, taču to tālāka miniaturizācija, izmantojot zināmās tehnoloģijas, ir sarežģīta. Oksīdu saskarnes apvieno vairākas interesantas fiziskas parādības, piemēram, divdimensiju vadītspēju un supravadītspēju. Strāvas kontrole ar magnētisma palīdzību ir ļoti daudzsološs elektronikas lauks. Materiālu atrašana ar pareizām īpašībām un tajā pašā laikā pieejamu un lētu ļautu mums nopietni attīstīties spintronic.

tas arī ir nogurdinoši atkritumu siltuma kontrole elektronikā. UC Berkeley inženieri nesen ir izstrādājuši plānslāņa materiālu (plēves biezums 50–100 nanometri), ko var izmantot siltuma pārpalikuma reģenerācijai, lai ražotu jaudu tādā līmenī, kāds līdz šim šāda veida tehnoloģijās nav pieredzēts. Tajā tiek izmantots process, ko sauc par piroelektriskās jaudas pārveidošanu, kas, kā liecina jaunie inženiertehniskie pētījumi, ir labi piemērots izmantošanai siltuma avotos, kuru temperatūra ir zemāka par 100°C. Šis ir tikai viens no jaunākajiem šīs jomas pētījumu piemēriem. Visā pasaulē ir simtiem vai pat tūkstošiem pētniecības programmu, kas saistītas ar enerģijas pārvaldību elektronikā.

"Es nezinu, kāpēc, bet tas darbojas"

Eksperimentēšana ar jauniem materiāliem, to fāzu pārejām un topoloģiskām parādībām ir ļoti daudzsološa pētniecības joma, ne pārāk efektīva, sarežģīta un reti pievilcīga medijiem. Šis ir viens no biežāk citētajiem pētījumiem fizikas jomā, lai gan plašsaziņas līdzekļos guva lielu publicitāti, t.s. mainstream viņi parasti neuzvar.

Piemēram, eksperimenti ar fāzu transformācijām materiālos dažkārt sniedz negaidītus rezultātus metāla kausēšana ar augstu kušanas temperatūru telpas temperatūra. Kā piemēru var minēt neseno zelta paraugu kušanas sasniegumu, kas parasti kūst 1064 °C temperatūrā istabas temperatūrā, izmantojot elektrisko lauku un elektronu mikroskopu. Šīs izmaiņas bija atgriezeniskas, jo elektriskā lauka izslēgšana varētu atkal sacietēt zeltu. Tādējādi elektriskais lauks ir pievienojies zināmajiem faktoriem, kas ietekmē fāzes pārvērtības, papildus temperatūrai un spiedienam.

Intensīvā laikā tika novērotas arī fāzes izmaiņas lāzera gaismas impulsi. Šīs parādības pētījuma rezultāti tika publicēti 2019. gada vasarā žurnālā Nature Physics. Starptautisko komandu, lai to sasniegtu, vadīja Nuhs Gediks (3), Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta fizikas profesors. Zinātnieki atklāja, ka optiski inducētas kušanas laikā fāzu pāreja notiek, materiālā veidojoties singularitātēm, kas pazīstamas kā topoloģiskie defekti, kas savukārt ietekmē iegūto elektronu un režģa dinamiku materiālā. Šie topoloģiskie defekti, kā savā publikācijā paskaidroja Gediks, ir analogi sīkiem virpuļiem, kas rodas šķidrumos, piemēram, ūdenī.

Pētījumiem zinātnieki izmantoja lantāna un telūra LaTe savienojumu.₃. Pētnieki skaidro, ka nākamais solis būs mēģināt noteikt, kā viņi var "radīt šos defektus kontrolētā veidā". Potenciāli to varētu izmantot datu glabāšanai, kur ar gaismas impulsiem ierakstītu vai labotu sistēmas defektus, kas atbilstu datu operācijām.

Un, tā kā mēs nonācām pie īpaši ātriem lāzera impulsiem, to izmantošana daudzos interesantos eksperimentos un potenciāli daudzsološos pielietojumos praksē ir tēma, kas bieži parādās zinātniskos ziņojumos. Piemēram, Ročesteras Universitātes ķīmijas un fizikas docenta Ignacio Franko grupa nesen parādīja, kā ultraātrus lāzera impulsus var izmantot, lai izkropļojošas vielas īpašības Orāzs elektriskās strāvas ģenerēšana ar ātrumu, kas ir lielāks par jebkuru mums līdz šim zināmo tehniku. Pētnieki apstrādāja plānus stikla pavedienus, kuru ilgums bija viena sekundes miljonā daļa. Acu mirklī stiklveida materiāls pārvērtās par kaut ko līdzīgu metālam, kas vada elektrību. Tas notika ātrāk nekā jebkurā zināmā sistēmā, ja nebija pielietota sprieguma. Plūsmas virzienu un strāvas intensitāti var kontrolēt, mainot lāzera stara īpašības. Un tā kā to var kontrolēt, katrs elektronikas inženieris skatās ar interesi.

Franko paskaidroja publikācijā Nature Communications.

Šo parādību fiziskā būtība nav pilnībā izprotama. Franko pašam ir aizdomas, ka mehānismiem patīk spilgts efekts, t.i., gaismas kvantu emisijas vai absorbcijas korelācija ar elektrisko lauku. Ja būtu iespējams izveidot strādājošas elektroniskās sistēmas, pamatojoties uz šīm parādībām, mums būtu vēl viena sērija no inženierzinātņu sērijas ar nosaukumu We Don't Know Why, but It Works.

Jutība un mazs izmērs

Žiroskopi ir ierīces, kas palīdz transportlīdzekļiem, bezpilota lidaparātiem, kā arī elektroniskām komunālām ierīcēm un portatīvajām ierīcēm orientēties trīsdimensiju telpā. Tagad tos plaši izmanto ierīcēs, kuras lietojam ikdienā. Sākotnēji žiroskopi bija ligzdotu riteņu komplekts, no kuriem katrs griezās ap savu asi. Mūsdienās mobilajos tālruņos atrodami mikroelektromehāniskie sensori (MEMS), kas mēra spēku izmaiņas, kas iedarbojas uz divām identiskām masām, svārstās un kustas pretējā virzienā.

MEMS žiroskopiem ir ievērojami jutīguma ierobežojumi. Tātad tā ir ēka optiskie žiroskopi, bez kustīgām daļām, tiem pašiem uzdevumiem, kuros tiek izmantota parādība, ko sauc Sagnac efekts. Tomēr līdz šim pastāvēja to miniaturizācijas problēma. Mazākie pieejamie augstas veiktspējas optiskie žiroskopi ir lielāki par galda tenisa bumbām un nav piemēroti daudzām pārnēsājamām lietojumprogrammām. Tomēr Kaltech Tehnoloģiju universitātes inženieri Ali Hadžimiri vadībā ir izstrādājuši jaunu optisko žiroskopu, kas piecsimt reižu mazākkas ir zināms līdz šim4). Viņš uzlabo savu jutīgumu, izmantojot jaunu tehniku, ko sauc par "savstarpēja pastiprināšana» Starp diviem gaismas stariem, kas tiek izmantoti tipiskā Sagnac interferometrā. Jaunā ierīce tika aprakstīta rakstā, kas publicēts Nature Photonics pagājušā gada novembrī.

4. Optiskais žiroskops, ko izstrādājis Ali Hadžimiri un viņa kolēģi. 

Precīza optiskā žiroskopa izstrāde var ievērojami uzlabot viedtālruņu orientāciju. Savukārt to būvējuši zinātnieki no Columbia Engineering. pirmā plakana lēca spēj pareizi fokusēt plašu krāsu diapazonu vienā un tajā pašā punktā, neizmantojot papildu elementus, var ietekmēt mobilā aprīkojuma fotografēšanas iespējas. Revolucionārais mikronu plānā plakanais objektīvs ir ievērojami plānāks par papīra loksni un nodrošina veiktspēju, kas salīdzināma ar augstākās kvalitātes kompozītmateriālu lēcām. Komandas atklājumi, ko vadīja Nanfang Yu, lietišķās fizikas docents, ir izklāstīti pētījumā, kas publicēts žurnālā Nature.

Zinātnieki ir izveidojuši plakanas lēcas no "metaatomi". Katrs metaatoms ir daļa no gaismas viļņa garuma un aizkavē gaismas viļņus par atšķirīgu daudzumu. Uzbūvējot ļoti plānu plakanu nanostruktūru slāni uz pamatnes, kas bija tikpat bieza kā cilvēka mati, zinātnieki spēja sasniegt tādu pašu funkcionalitāti kā daudz biezāka un smagāka parastā lēcu sistēma. Metalenses var aizstāt lielapjoma lēcu sistēmas tāpat kā plakanā ekrāna televizori ir aizstājuši CRT televizorus.

Kāpēc liels trieciens, ja ir citi veidi

Mazo soļu fizikā var būt arī dažādas nozīmes un nozīmes. Piemēram - tā vietā, lai veidotu zvērīgi lielas tipa konstrukcijas un pieprasītu vēl lielākas, kā to dara daudzi fiziķi, var mēģināt rast atbildes uz lieliem jautājumiem ar pieticīgākiem instrumentiem.

Lielākā daļa paātrinātāju paātrina daļiņu starus, radot elektriskos un magnētiskos laukus. Tomēr kādu laiku viņš eksperimentēja ar citu tehniku ​​- plazmas paātrinātāji, lādētu daļiņu, piemēram, elektronu, pozitronu un jonu, paātrinājums, izmantojot elektrisko lauku apvienojumā ar elektronu plazmā radītu viļņu. Pēdējā laikā esmu strādājis pie viņu jaunās versijas. CERN AWAKE komanda izmanto protonus (nevis elektronus), lai izveidotu plazmas vilni. Pārejot uz protoniem, vienā paātrinājuma solī daļiņas var sasniegt augstāku enerģijas līmeni. Citas plazmas pamošanās lauka paātrināšanas formas prasa vairākus soļus, lai sasniegtu tādu pašu enerģijas līmeni. Zinātnieki uzskata, ka viņu protonu tehnoloģija nākotnē varētu ļaut mums izveidot mazākus, lētākus un jaudīgākus paātrinātājus.

5. Divpakāpju miniatūrais paātrinātājs no DESY - vizualizācija

Savukārt DESY (saīsinājums no Deutsches Elektronen-Synchrotron — vācu elektroniskais sinhrotrons) zinātnieki jūlijā uzstādīja jaunu rekordu daļiņu paātrinātāju miniaturizācijas jomā. Terahercu paātrinātājs vairāk nekā divas reizes palielināja ievadīto elektronu enerģiju (5). Tajā pašā laikā iestatīšana ievērojami uzlaboja elektronu stara kvalitāti, salīdzinot ar iepriekšējiem eksperimentiem ar šo metodi.

DESY ultraātrās optikas un rentgenstaru grupas vadītājs Francs Kārtners paskaidroja paziņojumā presei. -

Saistītā ierīce radīja paātrinājuma lauku ar maksimālo intensitāti 200 miljoni voltu uz metru (MV/m), kas ir līdzīgs jaudīgākajam mūsdienu parastajam paātrinātājam.

Savukārt jauns, salīdzinoši neliels detektors ALFA-g (6), kuru uzbūvēja Kanādas uzņēmums TRIUMF un kas šī gada sākumā tika nosūtīts uz CERN, ir izmērīt antimatērijas gravitācijas paātrinājumu. Vai antimatērija paātrinās gravitācijas lauka klātbūtnē uz Zemes virsmas par +9,8 m/s2 (uz leju), par -9,8 m/s2 (uz augšu), par 0 m/s2 (bez gravitācijas paātrinājuma), vai arī tai ir kāds cita vērtība? Pēdējā iespēja mainītu fiziku. Neliels ALPHA-g aparāts var ne tikai pierādīt "antigravitācijas" esamību, bet arī novest mūs pa ceļu, kas ved uz vislielākajiem Visuma noslēpumiem.

Vēl mazākā mērogā mēs cenšamies pētīt vēl zemāka līmeņa parādības. Virs 60 miljardi apgriezienu sekundē to var izstrādāt zinātnieki no Purdue universitātes un Ķīnas universitātēm. Kā norāda eksperimenta autori rakstā, kas pirms dažiem mēnešiem publicēts Physical Review Letters, šāds strauji rotējošs veidojums ļaus viņiem labāk izprast Secrets .

Objekts, kas atrodas tādā pašā galējā rotācijā, ir aptuveni 170 nanometrus plata un 320 nanometrus gara nanodaļiņa, ko zinātnieki sintezēja no silīcija dioksīda. Pētnieku komanda vakuumā levitēja objektu, izmantojot lāzeru, kas pēc tam to pulsēja ar milzīgu ātrumu. Nākamais solis būs eksperimentu veikšana ar vēl lielākiem rotācijas ātrumiem, kas ļaus precīzi izpētīt fizikālās pamatteorijas, tostarp eksotiskas berzes formas vakuumā. Kā redzat, jums nav jābūvē kilometri cauruļu un milzu detektoru, lai risinātu fundamentālos noslēpumus.

2009. gadā zinātniekiem izdevās laboratorijā izveidot īpašu melno caurumu, kas absorbē skaņu. Kopš tā laika šie skaņa  izrādījās noderīgi kā gaismu absorbējošā objekta laboratorijas analogi. Jūlijā žurnālā Nature publicētajā rakstā Technion Israel Institute of Technology pētnieki apraksta, kā viņi izveidoja skaņas melno caurumu un izmērīja tā Hokinga starojuma temperatūru. Šie mērījumi atbilda Hokinga prognozētajai temperatūrai. Tādējādi šķiet, ka nav nepieciešams veikt ekspedīciju uz melno caurumu, lai to izpētītu.

Kas zina, vai šajos šķietami mazāk efektīvajos zinātniskajos projektos, rūpīgos laboratorijas darbos un atkārtotos eksperimentos, lai pārbaudītu nelielas, sadrumstalotas teorijas, ir paslēptas atbildes uz lielākajiem jautājumiem. Zinātnes vēsture māca, ka tas var notikt.