Uradimo svoje i možda će doći do revolucije

Velika otkrića, smele teorije, naučna otkrića. Mediji su puni ovakvih formulacija, obično preuveličanih. Negdje u sjeni „velike fizike“, LHC-a, fundamentalnih kosmoloških pitanja i borbe protiv Standardnog modela, vrijedni istraživači u tišini se bave svojim poslom, razmišljajući o praktičnim primjenama i proširujući obim našeg znanja korak po korak.

“Hajde da radimo svoje” svakako može biti slogan naučnika uključenih u razvoj termonuklearne fuzije. Jer, uprkos sjajnim odgovorima na velika pitanja, rešenje praktičnih, naizgled beznačajnih problema povezanih sa ovim procesom ima moć da revolucioniše svet.

Možda će, na primjer, biti moguće napraviti nuklearnu fuziju malih razmjera - s opremom koja stane na sto. Naučnici sa Univerziteta Washington napravili su uređaj prošle godine Z-štipanje (1), koji je sposoban da održi reakciju fuzije 5 mikrosekundi, iako je glavna impresivna informacija bila minijaturizacija reaktora koji je dugačak samo 1,5 m. Z-pinč radi tako što hvata i kompresuje plazmu u snažnom magnetskom polju.

Nije baš efikasno, ali potencijalno izuzetno važno napori za . Fuzijski reaktori imaju sposobnost kontrole oscilacija plazme, prema istraživanju američkog Ministarstva energetike (DOE) objavljenom u oktobru 2018. u časopisu Physics of Plasmas. Ovi valovi potiskuju čestice visoke energije iz zone reakcije, uzimajući sa sobom dio energije potrebne za reakciju fuzije. Novo istraživanje DOE opisuje sofisticirane kompjuterske simulacije koje mogu pratiti i predvidjeti formiranje valova, dajući fizičarima mogućnost da spriječe proces i drže čestice pod kontrolom. Naučnici se nadaju da će njihov rad pomoći u izgradnji ITER, možda najpoznatiji projekat eksperimentalnog fuzijskog reaktora u Francuskoj.

Takođe i dostignuća kao što su temperatura plazme 100 miliona stepeni Celzijusa, koji je krajem prošle godine dobio tim naučnika na Kineskom institutu za fiziku plazme u Eksperimentalnom naprednom supravodljivom Tokamaku (EAST), primjer je korak po korak napretka ka efikasnoj fuziji. Prema riječima stručnjaka koji komentiraju studiju, ona bi mogla biti ključna za spomenuti projekat ITER, u kojem Kina sudjeluje s još 35 zemalja.

Superprovodnici i elektronika

Još jedno područje s velikim potencijalom, gdje umjesto velikih prodora postoje prilično mali, mukotrpni koraci, je potraga za visokotemperaturnim supravodičima. (2). Nažalost, ima mnogo lažnih uzbuna i preuranjenih briga. Tipično, entuzijastični medijski izvještaji ispadnu pretjerivanje ili jednostavno nisu istiniti. Čak iu ozbiljnijim izvještajima uvijek postoji “ali”. Kao iu nedavnom izvještaju, naučnici sa Univerziteta u Čikagu otkrili su supravodljivost, sposobnost vođenja struje bez gubitaka na najvišim temperaturama ikada zabilježenim. Koristeći najsavremeniju tehnologiju u Nacionalnoj laboratoriji Argonne, tim lokalnih naučnika proučavao je klasu materijala u kojima su uočili supravodljivost na temperaturama oko -23°C. Ovo je skok od oko 50 stepeni u odnosu na prethodni potvrđeni rekord.

2. Superprovodnik u magnetnom polju

Kvaka je, međutim, u tome što morate izvršiti veliki pritisak. Materijali koji su testirani bili su hidridi. Lantan perhidrid je bio od posebnog interesa već neko vrijeme. Eksperimenti su otkrili da izuzetno tanki uzorci ovog materijala pokazuju supravodljivost pod pritiskom u rasponu od 150 do 170 gigapaskala. Rezultati su objavljeni u maju u časopisu Nature, čiji je koautor prof. Vitalij Prokopenko i Eran Grinberg.

Da biste razmišljali o praktičnoj primeni ovih materijala, moraćete da smanjite pritisak, a takođe i temperaturu, jer ni do -23 °C nije baš praktično. Rad na njemu predstavlja tipičnu fiziku beba koraka, koja se godinama odvija u laboratorijama širom svijeta.

Isto važi i za primenjena istraživanja. magnetne pojave u elektronici. Nedavno je, koristeći visoko osjetljive magnetne sonde, međunarodni tim naučnika otkrio iznenađujuće dokaze da se magnetizam koji se javlja na međuprostoru tankih slojeva nemagnetnog oksida može lako kontrolirati primjenom malih mehaničkih sila. Ovo otkriće, objavljeno u Nature Physics prošlog decembra, pokazuje novi i neočekivani način kontrole magnetizma, teoretski nam omogućavajući da razmišljamo o gušćem magnetskom pamćenju i spintronici, na primjer.

Ovo otkriće stvara novu priliku za minijaturizaciju ćelija magnetne memorije, koje danas već imaju veličinu od nekoliko desetina nanometara, ali je njihova dalja minijaturizacija pomoću poznatih tehnologija otežana. Oksidni interfejsi kombinuju niz zanimljivih fizičkih fenomena, kao što su dvodimenzionalna provodljivost i supravodljivost. Kontrola struje pomoću magnetizma je vrlo obećavajuća oblast u elektronici. Pronalaženje materijala sa željenim svojstvima, a istovremeno dostupnih i jeftinih, omogućilo bi nam da se ozbiljno uključimo u razvoj spintronic.

takođe je zamorno Kontrola otpadne topline u elektronici. Inženjeri sa Univerziteta u Kaliforniji, Berkeley, nedavno su razvili tankoslojni materijal (debljine filma od 50-100 nanometara) koji se može koristiti za povrat otpadne topline za stvaranje energije na nivou koji ranije nije viđen u ovoj vrsti tehnologije. Koristi proces koji se zove piroelektrična konverzija energije, za koju nova inženjerska istraživanja pokazuju da je vrlo pogodna za korištenje u izvorima topline s temperaturama ispod 100°C. Ovo je samo najnoviji primjer istraživanja u ovoj oblasti. Postoje stotine ili čak hiljade istraživačkih programa širom svijeta koji se odnose na upravljanje energijom u elektronici.

“Ne znam zašto, ali radi”

Eksperimentisanje s novim materijalima, njihovim faznim prijelazima i topološkim fenomenima je vrlo obećavajuće područje istraživanja, ali ne baš efikasno, teško i rijetko privlačno medijima. Ovo je jedna od najčešće citiranih studija iz oblasti fizike, iako je dobila veliki publicitet u medijima, tzv. Obično ne osvajaju mainstream.

Eksperimenti s faznim transformacijama u materijalima ponekad daju neočekivane rezultate, npr. topljenje metala sa visokim tačkama topljenja sobnoj temperaturi. Primjer je nedavno dostignuće topljenja uzoraka zlata, koji se obično tope na 1064°C na sobnoj temperaturi, koristeći električno polje i elektronski mikroskop. Ova promjena je bila reverzibilna jer bi isključivanje električnog polja moglo ponovo učvrstiti zlato. Tako se električno polje pridružilo poznatim faktorima koji utiču na fazne transformacije, pored temperature i pritiska.

Fazne promjene su također uočene pod intenzivnim laserski svetlosni impulsi. Rezultati istraživanja ovog fenomena objavljeni su u ljeto 2019. godine u časopisu Nature Physics. Međunarodni tim za postizanje ovog cilja predvodio je Nuh Gedik (3), profesor fizike na Massachusetts Institute of Technology. Naučnici su otkrili da tokom optički indukovanog topljenja dolazi do faznog prijelaza kroz formiranje singulariteta u materijalu, poznatih kao topološki defekti, koji zauzvrat utiču na rezultirajuću dinamiku elektrona i rešetke u materijalu. Ovi topološki defekti, objasnio je Gedik u svojoj publikaciji, analogni su sićušnim vrtlozima koji se javljaju u tečnostima kao što je voda.

Za svoja istraživanja naučnici su koristili spoj lantana i telura LaTe.₃. Sljedeći korak, objašnjavaju istraživači, je pokušati utvrditi kako oni mogu "generirati ove nedostatke na kontroliran način". Ovo bi se potencijalno moglo koristiti za skladištenje podataka, gdje bi se svjetlosni impulsi koristili za snimanje ili popravku kvarova u sistemu, koji odgovaraju operacijama na podacima.

I dok smo već kod ultrabrzih laserskih impulsa, njihova upotreba u mnogim zanimljivim eksperimentima i potencijalno obećavajućim primjenama u praksi tema je koja se često pojavljuje u naučnim izvještajima. Na primjer, tim Ignacija Franka, docenta hemije i fizike na Univerzitetu u Rochesteru, nedavno je pokazao kako se ultrabrzi laserski impulsi mogu koristiti za distorzijuća svojstva materije Oraz stvaranje električne struje brzinom koja premašuje bilo koju tehnologiju koja nam je do sada poznata. Istraživači su tretirali tanke staklene niti u trajanju od jednog milionitog dela milijarde sekunde. U trenu se stakleni materijal pretvorio u nešto slično metalu koji provodi struju. Ovo se dogodilo brže nego u bilo kojem poznatom sistemu u odsustvu primijenjenog napona. Smjer toka i intenzitet struje mogu se kontrolisati promjenom svojstava laserskog zraka. A pošto se njime može kontrolisati, svaki inženjer elektronike ga gleda sa zanimanjem.

- objasnio je Franko u publikaciji u Nature Communications.

Fizička priroda ovih fenomena nije u potpunosti shvaćena. Sam Franko sumnja da su mehanizmi poput Starkov efekat, tj. korelacija emisije ili apsorpcije svjetlosnih kvanta s električnim poljem. Da je moguće izgraditi funkcionalne elektronske sisteme zasnovane na ovim fenomenima, imali bismo još jednu epizodu inženjerske serije pod nazivom "Ne znamo zašto, ali radi".

Osetljivost i mala veličina

Žiroskopi su uređaji koji pomažu vozilima, bespilotnim letjelicama i elektronskim komunalnim i prijenosnim uređajima da se kreću u trodimenzionalnom prostoru. Sada se široko koriste u uređajima koje svakodnevno koristimo. U početku, žiroskopi su bili skupovi točkova ugniježđenih jedan u drugi, od kojih se svaki rotira oko svoje ose. Danas u mobilnim telefonima nalazimo mikroelektromehaničke senzore (MEMS) koji mjere promjene sila koje djeluju na dvije identične mase koje osciliraju i kreću se u suprotnom smjeru.

MEMS žiroskopi imaju značajna ograničenja osjetljivosti. Dakle, gradi se optički žiroskopi, bez pokretnih dijelova, za iste zadatke koji koriste fenomen tzv Sagnac efekat. Međutim, do sada je postojao problem njihove minijaturizacije. Najmanji dostupni optički žiroskopi visokih performansi veći su od ping-pong loptice i nisu prikladni za mnoge prijenosne aplikacije. Međutim, inženjeri Caltecha predvođeni Alijem Hadžimirijem razvili su novi optički žiroskop koji petsto puta manješta se do sada zna (4). On pojačava svoju osjetljivost korištenjem nove tehnike pod nazivom "međusobno pojačanje» Između dva snopa svjetlosti kako se koristi u tipičnom Sagnac interferometru. Novi uređaj je opisan u radu objavljenom u Nature Photonics prošlog novembra.

4. Optički žiroskop koji je razvio Ali Hadjimiri i njegove kolege. 

Razvoj preciznog optičkog žiroskopa mogao bi značajno poboljšati orijentaciju pametnih telefona. Zauzvrat, izgradili su ga naučnici iz Columbia Engineeringa. prvo ravno sočivo sposoban za pravilno fokusiranje širokog raspona boja na istoj tački bez potrebe za dodatnim elementima, može utjecati na fotografske mogućnosti mobilne opreme. Revolucionarna ravna sočiva tanka mikrona je znatno tanja od lista papira i pruža performanse uporedive sa vrhunskim kompozitnim sočivima. Nalazi tima, predvođeni Nanfangom Yuom, docentom primijenjene fizike, predstavljeni su u studiji objavljenoj u časopisu Nature.

Naučnici su napravili ravna sočiva od "metaatomi". Svaki meta-atom po veličini predstavlja dio valne dužine svjetlosti i odgađa svjetlosne valove za različitu količinu. Izgradnjom vrlo tankog, ravnog sloja nanostruktura na supstratu tankom poput ljudske kose, naučnici su uspjeli postići istu funkcionalnost kao mnogo deblji i teži konvencionalni sistem sočiva. Metalne leće mogu zamijeniti glomazne sisteme sočiva na isti način na koji su televizori s ravnim ekranom zamijenili televizore s katodnom cijevi.

Zašto veliki sudarač kada postoje drugi načini

Fizika malih koraka također može imati različita značenja i značenja. Na primjer - Umjesto izgradnje monstruozno velikih tipskih struktura i zahtijevanja još većih, kao što mnogi fizičari rade, može se pokušati pronaći odgovore na velika pitanja koristeći skromnije alate.

Većina akceleratora ubrzava snopove čestica stvaranjem električnih i magnetnih polja. Međutim, neko vrijeme je eksperimentirao s drugom tehnikom - plazma akceleratori, ubrzanje nabijenih čestica kao što su elektroni, pozitroni i ioni korištenjem električnog polja u kombinaciji s valom generiranim u elektronskoj plazmi. U posljednje vrijeme radim na njihovoj novoj verziji. Tim AWAKE u CERN-u koristi protone (a ne elektrone) za stvaranje plazma talasa. Prebacivanje na protone može dovesti čestice do viših energetskih nivoa u jednom koraku ubrzanja. Drugi oblici ubrzanja polja buđenja plazme zahtijevaju više koraka za postizanje istog nivoa energije. Naučnici vjeruju da bi njihova tehnologija zasnovana na protonima mogla omogućiti da u budućnosti napravimo manje, jeftinije i moćnije akceleratore.

5. Dvostepeni minijaturni akcelerator DESY - vizualizacija

Zauzvrat, naučnici iz DESY-a (skraćeno od Deutsches Elektronen-Synchrotron - njemački elektronski sinhrotron) postavili su novi rekord u oblasti minijaturizacije akceleratora čestica u julu. Akcelerator koji radi na teraherc talasima je više nego udvostručio energiju ubrizganih elektrona (5). Istovremeno, instalacija je značajno poboljšala kvalitetu elektronskog snopa u odnosu na prethodne eksperimente sa ovom tehnikom.

- objasnio je Franz Kärtner, koji vodi grupu za ultrabrzu optiku i X-zrake u DESY-u, u saopštenju za javnost. –

Povezani uređaj stvarao je ubrzavajuće polje s maksimalnim intenzitetom od 200 miliona volti po metru (MV/m) – slično najnovijem konvencionalnom akceleratoru velike snage.

Zauzvrat, novi, relativno mali detektor ALPHA-g (6), izgrađen u kanadskom pogonu TRIUMF i poslat u CERN ranije ove godine, ima zadatak mjeri gravitacijsko ubrzanje antimaterije. Da li se antimaterija ubrzava u prisustvu gravitacionog polja na površini Zemlje za +9,8 m/s2 (dole), -9,8 m/s2 (gore), 0 m/s2 (uopšte nema gravitacionog ubrzanja) ili neku drugu vrednost? Ova druga mogućnost bi revolucionirala fiziku. Mali ALPHA-g aparat može nas, osim što dokazuje postojanje "antigravitacije", povesti na put koji vodi do najvećih tajni Univerzuma.

U još manjem obimu pokušavamo da proučavamo fenomene još nižeg nivoa. Iznad 60 milijardi obrtaja u sekundi mogu ga konstruisati naučnici sa Univerziteta Purdue i kineskih univerziteta. Prema autorima eksperimenta u radu objavljenom prije nekoliko mjeseci u Physical Review Letters, tako brzo rotirajuća kreacija će im omogućiti da bolje razumiju tajne .

Objekat koji prolazi kroz istu ekstremnu rotaciju je nanočestica široka oko 170 nanometara i duga 320 nanometara, koju su naučnici sintetizirali iz silicijum dioksida. Istraživački tim je levitirao objekt u vakuumu koristeći laser, koji ga je potom pokrenuo u brzinu vrtnje. Sljedeći korak će biti izvođenje eksperimenata pri još većim brzinama rotacije, što će omogućiti precizna proučavanja osnovnih fizičkih teorija, uključujući egzotične oblike trenja u vakuumu. Kao što vidite, ne morate graditi kilometre cijevi i divovskih detektora da biste se suočili sa osnovnim misterijama.

Naučnici su 2009. uspjeli u laboratoriji stvoriti posebnu vrstu crne rupe koja upija zvuk. Od tada ovi zvuk  pokazali su se korisnim kao laboratorijski analozi predmeta koji apsorbira svjetlost. U radu objavljenom u časopisu Nature ovog jula, istraživači sa Tehnion-Izraelskog instituta za tehnologiju opisuju kako su stvorili zvučnu crnu rupu i izmjerili temperaturu njenog Hawkingovog zračenja. Ova mjerenja su odgovarala temperaturi koju je predvidio Hawking. Dakle, čini se da ne morate ići u ekspediciju u crnu rupu da biste je istražili.

Ko zna, skriveni u ovim naizgled manje efikasnim naučnim projektima, u mukotrpnim laboratorijskim naporima i ponovljenim eksperimentima za testiranje malih, fragmentiranih teorija, kriju se odgovori na najveća pitanja. Istorija nauke uči da se to može dogoditi.