Tegyük a dolgunkat és talán forradalom lesz

Nagy felfedezések, merész elméletek, tudományos áttörések. A média tele van ilyen, általában eltúlzott megfogalmazásokkal. Valahol a "nagy fizika", az LHC, az alapvető kozmológiai kérdések és a Standard Modell elleni küzdelem árnyékában a szorgalmas kutatók csendben végzik munkájukat, gyakorlati alkalmazásokon gondolkodnak, és tudásunkat lépésről lépésre bővítik.

"Tegyük a magunk dolgát" minden bizonnyal ez lehet a termonukleáris fúzió fejlesztésében részt vevő tudósok szlogenje. A nagy kérdésekre adott nagyszerű válaszok ellenére ugyanis a folyamathoz kapcsolódó gyakorlatias, jelentéktelennek tűnő problémák megoldása képes forradalmasítani a világot.

Talán például lehet majd kis léptékű magfúziót csinálni - olyan berendezéssel, amely elfér egy asztalon. A Washingtoni Egyetem tudósai tavaly készítették el az eszközt Z-csípés (1), amely 5 mikroszekundumon belül képes fenntartani a fúziós reakciót, bár a fő lenyűgöző információ a mindössze 1,5 m hosszú reaktor miniatürizálása volt. A Z-csípő úgy működik, hogy a plazmát erős mágneses térben befogja és összenyomja.

Nem túl hatékony, de potenciálisan rendkívül fontos erőfeszítéseket . Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) kutatása szerint, amelyet 2018 októberében tettek közzé a Physics of Plasmas folyóiratban, a fúziós reaktorok képesek szabályozni a plazma oszcillációját. Ezek a hullámok kiszorítják a nagy energiájú részecskéket a reakciózónából, és magukkal viszik a fúziós reakcióhoz szükséges energia egy részét. Egy új DOE-tanulmány olyan kifinomult számítógépes szimulációkat ír le, amelyek nyomon követhetik és előre jelezhetik a hullámképződést, így a fizikusok képesek megakadályozni a folyamatot és ellenőrzés alatt tartani a részecskéket. A tudósok remélik, hogy munkájuk segíteni fog az építkezésben ITER, talán a leghíresebb kísérleti fúziós reaktor projekt Franciaországban.

Olyan eredmények is, mint pl plazma hőmérséklete 100 millió Celsius fok, amelyet a Kínai Plazmafizikai Intézet kutatócsoportja a múlt év végén szerzett az Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) kutatócsoportjában. A tanulmányt kommentáló szakértők szerint kulcsfontosságú lehet a már említett ITER projektben, amelyben Kína 35 másik ország mellett vesz részt.

Szupravezetők és elektronika

Egy másik nagy potenciállal rendelkező terület, ahol a nagy áttörések helyett meglehetősen apró, aprólékos lépéseket tesznek, a magas hőmérsékletű szupravezetők keresése. (2). Sajnos sok a téves riasztás és az idő előtti aggodalom. A tomboló médiajelentések általában túlzásnak vagy egyszerűen valótlannak bizonyulnak. A komolyabb riportokban is mindig van egy „de”. A Chicagói Egyetem tudósai a közelmúltban megjelent jelentésükhöz hasonlóan felfedezték a szupravezetést, azt a képességet, hogy a valaha mért legmagasabb hőmérsékleten is veszteség nélkül vezeti az elektromosságot. Az Argonne National Laboratory legmodernebb technológiájával egy helyi tudóscsoport olyan anyagok osztályát tanulmányozta, amelyekben -23°C körüli hőmérsékleten szupravezetést figyeltek meg. Ez körülbelül 50 fokos ugrás az előző megerősített rekordhoz képest.

2. Szupravezető mágneses térben

A bökkenő azonban az, hogy nagy nyomást kell gyakorolni. A vizsgált anyagok hidridek voltak. A lantán-perhidrid egy ideje különösen érdekes. A kísérletek során azt találták, hogy ennek az anyagnak a rendkívül vékony mintái 150-170 gigapascal nyomás hatására szupravezető képességet mutatnak. Az eredményeket májusban tették közzé a Nature folyóiratban, amelynek társszerzője Prof. Vitalij Prokopenko és Eran Greenberg.

Ahhoz, hogy átgondoljuk ezeknek az anyagoknak a gyakorlati alkalmazását, csökkenteni kell a nyomást és a hőmérsékletet is, mert még -23 °C-ig sem túl praktikus. Az ezzel kapcsolatos munka tipikus kis lépéses fizika, amely évek óta folyik a világ laboratóriumaiban.

Ugyanez vonatkozik az alkalmazott kutatásra is. mágneses jelenségek az elektronikában. A közelmúltban rendkívül érzékeny mágneses szondák segítségével egy nemzetközi tudóscsoport meglepő bizonyítékot talált arra vonatkozóan, hogy a nem mágneses oxidok vékony rétegeinek határfelületén fellépő mágnesesség kis mechanikai erők alkalmazásával könnyen szabályozható. A Nature Physics című folyóiratban tavaly decemberben bejelentett felfedezés új és váratlan módszert mutat be a mágnesesség szabályozására, elméletileg lehetővé téve például a sűrűbb mágneses memórián és a spintronikán való gondolkodást.

Ez a felfedezés új lehetőséget teremt a mágneses memóriacellák miniatürizálására, amelyek ma már több tíz nanométeres méretűek, de további miniatürizálásuk ismert technológiákkal nehézkes. Az oxidfelületek számos érdekes fizikai jelenséget egyesítenek, mint például a kétdimenziós vezetőképesség és a szupravezetés. Az áram mágneses vezérlése nagyon ígéretes terület az elektronikában. A megfelelő tulajdonságokkal rendelkező, mégis megfizethető és olcsó anyagok megtalálása lehetővé tenné számunkra, hogy komolyan belevágjunk a fejlesztésbe spintronic.

az is fárasztó hulladékhő szabályozása az elektronikában. Az UC Berkeley mérnökei a közelmúltban kifejlesztettek egy vékonyrétegű anyagot (a film vastagsága 50-100 nanométer), amely felhasználható a hulladékhő visszanyerésére, hogy az ilyen típusú technológiában korábban soha nem látott mértékben áramot termeljen. Piroelektromos teljesítményátalakításnak nevezett eljárást alkalmaz, amely az új mérnöki kutatások szerint kiválóan alkalmas 100 °C alatti hőforrásokban való használatra. Ez csak az egyik legújabb példa az ezen a területen végzett kutatásokra. Világszerte több száz vagy akár több ezer kutatási program létezik az elektronikai energiagazdálkodással kapcsolatban.

"Nem tudom miért, de működik"

Az új anyagokkal, azok fázisátalakulásával és topológiai jelenségeivel való kísérletezés nagyon ígéretes kutatási terület, nem túl hatékony, nehéz és ritkán vonzó a média számára. Ez az egyik leggyakrabban hivatkozott kutatás a fizika területén, bár nagy nyilvánosságot kapott a médiában, az ún. a mainstream általában nem nyernek.

Az anyagok fázisátalakulásával kapcsolatos kísérletek néha váratlan eredményeket hoznak például fémkohászat magas olvadásponttal szobahőmérséklet. Példa erre az aranyminták megolvadása, amelyek általában szobahőmérsékleten 1064 °C-on olvadnak meg elektromos tér és elektronmikroszkóp segítségével. Ez a változás visszafordítható volt, mert az elektromos mező kikapcsolása ismét megszilárdíthatja az aranyat. Így az elektromos tér a hőmérséklet és a nyomás mellett az ismert, fázisátalakulásokat befolyásoló tényezőkhöz csatlakozott.

Fázisváltozások is megfigyelhetők az intenzív alatt lézerfény impulzusok. A jelenség vizsgálatának eredményeit 2019 nyarán tették közzé a Nature Physics folyóiratban. Az ezt elérő nemzetközi csapatot Nuh Gedik (3), a Massachusetts Institute of Technology fizikaprofesszora. A tudósok azt találták, hogy az optikailag indukált olvadás során a fázisátalakulás az anyag szingularitásainak, topológiai hibáknak nevezett szingularitások képződésén keresztül megy végbe, amelyek viszont befolyásolják az anyagban kialakuló elektron- és rácsdinamikát. Ezek a topológiai hibák, amint azt Gedik publikációjában kifejtette, hasonlóak a folyadékokban, például vízben előforduló apró örvényekhez.

Kutatásukhoz a tudósok lantán és tellúr LaTe vegyületet használtak.₃. A kutatók kifejtik, hogy a következő lépés az lesz, hogy megpróbálják meghatározni, hogyan tudják "vezérelt módon előállítani ezeket a hibákat". Ezt potenciálisan adattárolásra lehetne használni, ahol fényimpulzusokat használnának a rendszer hibáinak írására vagy javítására, ami adatműveleteknek felelne meg.

És amióta eljutottunk az ultragyors lézerimpulzusokig, sok érdekes kísérletben való felhasználásuk és potenciálisan ígéretes gyakorlati alkalmazásuk olyan téma, amely gyakran megjelenik a tudományos jelentésekben. Például Ignacio Franco, a Rochesteri Egyetem kémia és fizika adjunktusának csoportja nemrégiben bemutatta, hogyan használhatók az ultragyors lézerimpulzusok az anyag torzító tulajdonságait Oraz elektromos áram előállítása bármely általunk eddig ismert technikánál gyorsabb sebességgel. A kutatók vékony üvegszálakat kezeltek a másodperc egy milliomod milliárdod részével. Az üveges anyag egy szempillantás alatt fémszerű anyaggá változott, amely elektromosságot vezet. Ez gyorsabban történt, mint bármely ismert rendszerben, rákapcsolt feszültség hiányában. Az áramlás iránya és az áram erőssége a lézersugár tulajdonságainak változtatásával szabályozható. És mivel vezérelhető, minden elektronikai mérnök érdeklődve nézi.

Franco kifejtette a Nature Communications egyik publikációjában.

E jelenségek fizikai természete nem teljesen ismert. Franco maga gyanítja, hogy a mechanizmusok, mint éles hatás, azaz a fénykvantumok kibocsátásának vagy abszorpciójának összefüggése egy elektromos térrel. Ha lehetne ezekre a jelenségekre alapozva működő elektronikus rendszereket építeni, akkor a We Don't Know Why, but It Works címmel újabb epizódot kapnánk a mérnöki sorozatból.

Érzékenység és kis méret

Giroszkópok olyan eszközök, amelyek segítik a járműveket, drónokat, valamint az elektronikus közműveket és hordozható eszközöket a háromdimenziós térben való navigálásban. Ma már széles körben használják olyan eszközökben, amelyeket mindennap használunk. Kezdetben a giroszkópok egymásba ágyazott kerekek voltak, amelyek mindegyike a saját tengelye körül forog. Ma a mobiltelefonokban találunk mikroelektromechanikai érzékelőket (MEMS), amelyek két azonos tömegre ható, oszcilláló és ellentétes irányba mozgó erők változását mérik.

A MEMS giroszkópoknak jelentős érzékenységi korlátai vannak. Szóval építkezik optikai giroszkópok, mozgó alkatrészek nélkül, ugyanazokra a feladatokra, amelyek az ún Sagnac hatás. Mindeddig azonban probléma volt a miniatürizálásukkal. A rendelkezésre álló legkisebb nagy teljesítményű optikai giroszkópok nagyobbak, mint egy pingponglabda, és nem alkalmasak sok hordozható alkalmazásra. A Caltech Műszaki Egyetem mérnökei Ali Hadjimiri vezetésével azonban kifejlesztettek egy új optikai giroszkópot, amely ötszázszor kevesebbami eddig ismert4). Fokozza érzékenységét egy új technika, az úgynevezett "kölcsönös megerősítés» Két fénysugár között, amelyeket egy tipikus Sagnac interferométerben használnak. Az új készüléket a Nature Photonics tavaly novemberben megjelent cikkében ismertették.

4. Ali Hadjimiri és munkatársai által kifejlesztett optikai giroszkóp. 

A pontos optikai giroszkóp fejlesztése nagyban javíthatja az okostelefonok tájolását. Viszont a Columbia Engineering tudósai építették. első lapos lencse a színek széles skálájának helyes fókuszálására ugyanazon a ponton anélkül, hogy további elemekre lenne szükség, befolyásolhatja a mobil berendezések fényképezési képességeit. A forradalmi mikron vékonyságú lapos lencse lényegesen vékonyabb, mint egy papírlap, és a prémium kompozit lencsékéhez hasonló teljesítményt nyújt. A Nanfang Yu, az alkalmazott fizika adjunktusa által vezetett csapat eredményeit a Nature folyóiratban megjelent tanulmány mutatja be.

A tudósok lapos lencséket építettekmetaatomok". Mindegyik metaatom a fény hullámhosszának egy töredéke, és eltérő mértékben késlelteti a fényhullámokat. Azáltal, hogy egy nagyon vékony, lapos nanoszerkezeti réteget egy emberi hajszál vastagságú hordozóra építettek, a tudósok ugyanazt a funkcionalitást tudták elérni, mint egy sokkal vastagabb és nehezebb hagyományos lencserendszer. A Metalens ugyanúgy helyettesítheti a terjedelmes lencserendszereket, mint a lapos képernyős tévék a katódsugárcsöves tévéket.

Minek egy nagy ütköző, ha vannak más módok is

A kis lépések fizikája is eltérő jelentéssel és jelentéssel bírhat. Például - ahelyett, hogy iszonyatosan nagy típusú szerkezeteket építenénk, és még nagyobbakat követelnénk meg, ahogy azt sok fizikus teszi, inkább szerényebb eszközökkel lehet választ találni a nagy kérdésekre.

A legtöbb gyorsító elektromos és mágneses terek generálásával gyorsítja a részecskenyalábokat. Egy ideig azonban más technikával kísérletezett - plazmagyorsítók, töltött részecskék, például elektronok, pozitronok és ionok gyorsítása elektromos térrel kombinálva egy elektronplazmában generált hullámmal. Az utóbbi időben az új verziójukon dolgoztam. A CERN AWAKE csapata protonokat (nem elektronokat) használ a plazmahullám létrehozásához. A protonokra való átállás egyetlen gyorsítási lépésben magasabb energiaszintre emelheti a részecskéket. A plazma ébresztő mező gyorsításának más formái több lépést igényelnek ugyanazon energiaszint eléréséhez. A tudósok úgy vélik, hogy protonalapú technológiájuk révén a jövőben kisebb, olcsóbb és nagyobb teljesítményű gyorsítókat építhetünk.

5. Kétlépcsős miniatűr gyorsító a DESY-től - vizualizáció

A DESY (a Deutsches Elektronen-Synchrotron – német elektronikus szinkrotron rövidítése) tudósai viszont júliusban új rekordot döntöttek a részecskegyorsítók miniatürizálása terén. A terahertz gyorsító több mint kétszeresére növelte a beinjektált elektronok energiáját (5). Ugyanakkor a beállítás jelentősen javította az elektronsugár minőségét az ezzel a technikával végzett korábbi kísérletekhez képest.

Franz Kärtner, a DESY ultragyors optika és röntgen csoportjának vezetője egy sajtóközleményben magyarázta. -

A hozzá tartozó eszköz méterenként 200 millió voltos (MV/m) maximális intenzitású gyorsítómezőt produkált – hasonlóan a legerősebb modern hagyományos gyorsítóhoz.

Viszont egy új, viszonylag kicsi detektor ALPHA-g (6), amelyet a kanadai TRIUMF cég épített és az év elején szállítottak a CERN-be, az a feladata, hogy mérjük meg az antianyag gravitációs gyorsulását. Felgyorsul-e az antianyag gravitációs tér jelenlétében a Föld felszínén +9,8 m/s2-vel (lefelé), -9,8 m/s2-rel (felfelé), 0 m/s2-rel (nincs gravitációs gyorsulás), vagy más érték? Ez utóbbi lehetőség forradalmasítaná a fizikát. Egy kis ALPHA-g apparátus amellett, hogy bizonyítja az "antigravitáció" létezését, elvezethet minket az univerzum legnagyobb titkaihoz vezető úton.

Még kisebb léptékben, még alacsonyabb szintű jelenségeket próbálunk vizsgálni. Felett 60 milliárd fordulat másodpercenként a Purdue Egyetem és a kínai egyetemek tudósai tervezhetik. A kísérlet szerzői a Physical Review Lettersben néhány hónappal ezelőtt megjelent cikkük szerint egy ilyen gyorsan forgó alkotás lehetővé teszi számukra, hogy jobban megértsék titkok .

Az ugyanebben az extrém forgásban lévő objektum egy körülbelül 170 nanométer széles és 320 nanométer hosszú nanorészecske, amelyet a tudósok szilícium-dioxidból szintetizáltak. A kutatócsoport lézerrel vákuumban levitált egy tárgyat, amely aztán óriási sebességgel pulzálta azt. A következő lépés a még nagyobb forgási sebességű kísérletek elvégzése lesz, ami lehetővé teszi az alapvető fizikai elméletek pontos kutatását, beleértve a vákuumban bekövetkező súrlódás egzotikus formáit is. Amint látja, nem kell több kilométernyi csövet és óriási detektort építeni ahhoz, hogy szembenézzen az alapvető rejtélyekkel.

2009-ben a tudósoknak sikerült létrehozniuk egy különleges fekete lyukat a laboratóriumban, amely elnyeli a hangot. Azóta ezek hang  hasznosnak bizonyult egy fényelnyelő tárgy laboratóriumi analógjaként. A Nature folyóiratban idén júliusban megjelent cikkben a Technion Israel Institute of Technology kutatói leírják, hogyan hoztak létre egy szonikus fekete lyukat, és hogyan mérték meg a Hawking-sugárzás hőmérsékletét. Ezek a mérések összhangban voltak a Hawking által megjósolt hőmérséklettel. Így úgy tűnik, hogy nem szükséges expedíciót indítani egy fekete lyukhoz annak feltárásához.

Ki tudja, ezekben a látszólag kevésbé hatékony tudományos projektekben, a fáradságos laboratóriumi erőfeszítésekben és a kis, töredezett elméletek tesztelésére irányuló ismételt kísérletekben rejtőznek-e a válaszok a legnagyobb kérdésekre. A tudománytörténet azt tanítja, hogy ez megtörténhet.