Let's do our thing at baka magkaroon ng revolution

Mahusay na pagtuklas, matapang na teorya, mga tagumpay sa agham. Ang media ay puno ng gayong mga pormulasyon, kadalasang pinalalaki. Sa isang lugar sa anino ng "mahusay na pisika", ang LHC, mga pangunahing tanong sa kosmolohiya at ang paglaban sa Standard Model, tahimik na ginagawa ng mga masisipag na mananaliksik ang kanilang trabaho, iniisip ang tungkol sa mga praktikal na aplikasyon at palawakin ang larangan ng ating kaalaman sa hakbang-hakbang.

"Let's do our own thing" ay tiyak na slogan ng mga siyentipiko na kasangkot sa pagbuo ng thermonuclear fusion. Sapagkat, sa kabila ng mahusay na mga sagot sa malalaking tanong, ang solusyon sa praktikal, tila hindi gaanong kahalagahan na mga problema na nauugnay sa prosesong ito, ay may kakayahang baguhin ang mundo.

Marahil, halimbawa, posible na gawin ang maliit na sukat na nuclear fusion - na may mga kagamitan na umaangkop sa isang mesa. Ginawa ng mga siyentipiko sa University of Washington ang device noong nakaraang taon Z-kurot (1), na may kakayahang mapanatili ang isang fusion reaction sa loob ng 5 microseconds, bagaman ang pangunahing kahanga-hangang impormasyon ay ang miniaturization ng reactor, na 1,5 m lamang ang haba. Gumagana ang Z-pinch sa pamamagitan ng pag-trap at pag-compress ng plasma sa isang malakas na magnetic field.

Hindi masyadong epektibo, ngunit potensyal na napakahalaga pagsisikap na . Ayon sa pananaliksik ng US Department of Energy (DOE), na inilathala noong Oktubre 2018 sa journal Physics of Plasmas, ang mga fusion reactor ay may kakayahang kontrolin ang plasma oscillation. Ang mga alon na ito ay nagtutulak ng mga particle na may mataas na enerhiya palabas ng reaction zone, na dinadala sa kanila ang ilan sa enerhiya na kailangan para sa fusion reaction. Ang isang bagong pag-aaral ng DOE ay naglalarawan ng mga sopistikadong computer simulation na maaaring sumubaybay at mahulaan ang pagbuo ng alon, na nagbibigay sa mga pisiko ng kakayahang pigilan ang proseso at panatilihing kontrolado ang mga particle. Inaasahan ng mga siyentipiko na ang kanilang trabaho ay makakatulong sa pagtatayo ITER, marahil ang pinakasikat na proyektong pang-eksperimentong fusion reactor sa France.

Gayundin ang mga tagumpay tulad ng temperatura ng plasma 100 milyong degrees Celsius, na nakuha sa pagtatapos ng nakaraang taon ng isang pangkat ng mga siyentipiko sa China Institute of Plasma Physics sa Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), ay isang halimbawa ng isang hakbang-hakbang na pag-unlad tungo sa mahusay na pagsasanib. Ayon sa mga eksperto na nagkomento sa pag-aaral, maaaring ito ay may mahalagang kahalagahan sa nabanggit na proyekto ng ITER, kung saan nakikilahok ang China kasama ng 35 iba pang mga bansa.

Superconductor at electronics

Ang isa pang lugar na may malaking potensyal, kung saan maliit, maingat na hakbang ang ginagawa sa halip na malalaking tagumpay, ay ang paghahanap para sa mga superconductor na may mataas na temperatura. (2). Sa kasamaang palad, maraming maling alarma at maagang pag-aalala. Kadalasan ang mga ulat ng rave media ay lumalabas na mga pagmamalabis o sadyang hindi totoo. Kahit na sa mas seryosong mga ulat ay laging may "ngunit". Tulad ng sa isang kamakailang ulat, natuklasan ng mga siyentipiko sa Unibersidad ng Chicago ang superconductivity, ang kakayahang magsagawa ng kuryente nang walang pagkawala sa pinakamataas na temperatura na naitala kailanman. Gamit ang makabagong teknolohiya sa Argonne National Laboratory, pinag-aralan ng isang pangkat ng mga lokal na siyentipiko ang isang klase ng mga materyales kung saan naobserbahan nila ang superconductivity sa mga temperatura sa paligid ng -23°C. Ito ay tumalon ng humigit-kumulang 50 degrees mula sa nakaraang nakumpirmang tala.

2. Superconductor sa isang magnetic field

Ang catch, gayunpaman, ay kailangan mong maglapat ng maraming presyon. Ang mga materyales na nasubok ay mga hydride. Sa loob ng ilang panahon, ang lanthanum perhydride ay naging partikular na interes. Sa mga eksperimento, natagpuan na ang sobrang manipis na mga sample ng materyal na ito ay nagpapakita ng superconductivity sa ilalim ng pagkilos ng mga presyon sa hanay mula 150 hanggang 170 gigapascals. Ang mga resulta ay nai-publish noong Mayo sa journal Nature, co-authored ni Prof. Vitaly Prokopenko at Eran Greenberg.

Upang isipin ang praktikal na aplikasyon ng mga materyales na ito, kakailanganin mong babaan ang presyon at gayundin ang temperatura, dahil kahit na hanggang -23 ° C ay hindi masyadong praktikal. Ang gawain dito ay tipikal na maliit na hakbang na pisika, na tumatagal ng maraming taon sa mga laboratoryo sa buong mundo.

Ang parehong naaangkop sa inilapat na pananaliksik. magnetic phenomena sa electronics. Kamakailan lamang, gamit ang napakasensitibong magnetic probes, ang isang internasyonal na pangkat ng mga siyentipiko ay nakahanap ng nakakagulat na katibayan na ang magnetism na nangyayari sa interface ng manipis na mga layer ng non-magnetic oxide ay madaling makontrol sa pamamagitan ng paglalapat ng maliliit na mekanikal na puwersa. Ang pagtuklas, na inihayag noong nakaraang Disyembre sa Nature Physics, ay nagpapakita ng bago at hindi inaasahang paraan upang makontrol ang magnetism, na ayon sa teorya ay nagbibigay-daan sa pag-iisip tungkol sa mas siksik na magnetic memory at spintronics, halimbawa.

Ang pagtuklas na ito ay lumilikha ng isang bagong pagkakataon para sa miniaturization ng mga magnetic memory cell, na ngayon ay mayroon nang sukat na ilang sampu-sampung nanometer, ngunit ang kanilang karagdagang miniaturization gamit ang mga kilalang teknolohiya ay mahirap. Pinagsasama ng mga interface ng oxide ang isang bilang ng mga kawili-wiling pisikal na phenomena tulad ng two-dimensional conductivity at superconductivity. Ang kontrol ng kasalukuyang sa pamamagitan ng magnetism ay isang napaka-promising na larangan sa electronics. Ang paghahanap ng mga materyales na may mga tamang katangian, ngunit abot-kaya at mura, ay magbibigay-daan sa amin na maging seryoso sa pagbuo spintronic.

nakakapagod din waste heat control sa electronics. Ang mga inhinyero ng UC Berkeley ay nakabuo kamakailan ng isang thin-film na materyal (film kapal 50-100 nanometer) na maaaring magamit upang mabawi ang basurang init upang makabuo ng kapangyarihan sa mga antas na hindi pa nakikita sa ganitong uri ng teknolohiya. Gumagamit ito ng prosesong tinatawag na pyroelectric power conversion, na ipinapakita ng bagong engineering research na angkop para sa paggamit sa mga pinagmumulan ng init na mas mababa sa 100°C. Ito ay isa lamang sa mga pinakabagong halimbawa ng pananaliksik sa lugar na ito. Mayroong daan-daan o kahit libu-libong mga programa sa pananaliksik sa buong mundo na nauugnay sa pamamahala ng enerhiya sa electronics.

"Hindi ko alam kung bakit, ngunit gumagana ito"

Ang pag-eksperimento sa mga bagong materyales, ang kanilang mga phase transition at topological phenomena ay isang napaka-promising na lugar ng pananaliksik, hindi masyadong mahusay, mahirap at bihirang kaakit-akit sa media. Isa ito sa pinakamadalas na binanggit na pananaliksik sa larangan ng pisika, bagama't nakatanggap ito ng maraming publisidad sa media, ang tinatawag na. mainstream kadalasan hindi sila nananalo.

Ang mga eksperimento na may mga pagbabagong bahagi sa mga materyales ay minsan ay nagdadala ng mga hindi inaasahang resulta, halimbawa pagtunaw ng metal na may mataas na mga punto ng pagkatunaw temperatura ng silid. Ang isang halimbawa ay ang kamakailang tagumpay ng pagtunaw ng mga sample ng ginto, na karaniwang natutunaw sa 1064°C sa temperatura ng silid, gamit ang isang electric field at isang electron microscope. Ang pagbabagong ito ay nababaligtad dahil ang pag-off ng electric field ay maaaring magpatibay muli ng ginto. Kaya, ang electric field ay sumali sa mga kilalang kadahilanan na nakakaimpluwensya sa mga pagbabagong bahagi, bilang karagdagan sa temperatura at presyon.

Ang mga pagbabago sa yugto ay naobserbahan din sa panahon ng matinding pulse ng laser light. Ang mga resulta ng pag-aaral ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nai-publish sa tag-araw ng 2019 sa journal Nature Physics. Ang internasyonal na koponan upang makamit ito ay pinangunahan ni Nuh Gedik (3), propesor ng pisika sa Massachusetts Institute of Technology. Natuklasan ng mga siyentipiko na sa panahon ng optically induced melting, ang phase transition ay nangyayari sa pamamagitan ng pagbuo ng mga singularidad sa materyal, na kilala bilang mga topological defect, na nakakaapekto naman sa nagresultang electron at lattice dynamics sa materyal. Ang mga topological defect na ito, gaya ng ipinaliwanag ni Gedik sa kanyang publikasyon, ay kahalintulad sa maliliit na vortices na nangyayari sa mga likido tulad ng tubig.

Para sa kanilang pananaliksik, ginamit ng mga siyentipiko ang isang tambalan ng lanthanum at tellurium LaTe.₃. Ipinaliwanag ng mga mananaliksik na ang susunod na hakbang ay ang subukang matukoy kung paano nila "mabubuo ang mga depektong ito sa isang kontroladong paraan." Posible, maaari itong magamit para sa pag-iimbak ng data, kung saan ang mga light pulse ay gagamitin upang isulat o ayusin ang mga depekto sa system, na tumutugma sa mga pagpapatakbo ng data.

At dahil nakarating kami sa ultrafast laser pulses, ang paggamit ng mga ito sa maraming kawili-wiling mga eksperimento at potensyal na promising application sa pagsasanay ay isang paksa na madalas na lumalabas sa mga siyentipikong ulat. Halimbawa, ipinakita kamakailan ng grupo ni Ignacio Franco, assistant professor ng chemistry at physics sa University of Rochester, kung paano magagamit ang ultrafast laser pulses upang distorting katangian ng bagay Oraz pagbuo ng electric current sa bilis na mas mabilis kaysa sa anumang pamamaraan na alam natin sa ngayon. Ginamot ng mga mananaliksik ang manipis na mga filament ng salamin na may tagal na isang milyon ng isang bilyon ng isang segundo. Sa isang kisap-mata, ang malasalaming materyal ay naging isang bagay na parang metal na nagdadala ng kuryente. Nangyari ito nang mas mabilis kaysa sa anumang kilalang sistema sa kawalan ng inilapat na boltahe. Ang direksyon ng daloy at ang intensity ng kasalukuyang ay maaaring kontrolin sa pamamagitan ng pagbabago ng mga katangian ng laser beam. At dahil maaari itong kontrolin, ang bawat electronics engineer ay mukhang interesado.

Ipinaliwanag ni Franco sa isang publikasyon sa Nature Communications.

Ang pisikal na katangian ng mga phenomena na ito ay hindi lubos na nauunawaan. Si Franco mismo ay naghihinala na ang mga mekanismo tulad ng matinding epekto, ibig sabihin, ang ugnayan ng emission o pagsipsip ng light quanta sa isang electric field. Kung posible na bumuo ng mga gumaganang electronic system batay sa mga phenomena na ito, magkakaroon tayo ng isa pang episode ng serye ng engineering na tinatawag na We Don't Know Why, But It Works.

Sensitivity at maliit na sukat

Mga Gyroscope ay mga device na tumutulong sa mga sasakyan, drone, gayundin sa mga electronic utilities at portable na device na mag-navigate sa three-dimensional na espasyo. Ngayon ay malawak na silang ginagamit sa mga device na ginagamit namin araw-araw. Sa una, ang mga gyroscope ay isang hanay ng mga nested na gulong, na ang bawat isa ay umiikot sa sarili nitong axis. Ngayon, sa mga mobile phone, nakakahanap tayo ng mga microelectromechanical sensor (MEMS) na sumusukat sa mga pagbabago sa pwersang kumikilos sa dalawang magkaparehong masa, nag-o-oscillating at gumagalaw sa kabaligtaran ng direksyon.

Ang mga MEMS gyroscope ay may makabuluhang limitasyon sa pagiging sensitibo. Kaya ito ay gusali optical gyroscope, na walang gumagalaw na bahagi, para sa parehong mga gawain na gumagamit ng phenomenon na tinatawag Sagnac effect. Gayunpaman, hanggang ngayon ay may problema sa kanilang miniaturization. Ang pinakamaliit na matataas na pagganap na optical gyroscope na magagamit ay mas malaki kaysa sa isang ping pong ball at hindi angkop para sa maraming portable application. Gayunpaman, ang mga inhinyero sa Caltech University of Technology, na pinamumunuan ni Ali Hadjimiri, ay nakabuo ng isang bagong optical gyroscope na limang daang beses na mas mababakung ano ang kilala hanggang ngayon4). Pinahuhusay niya ang kanyang pagiging sensitibo sa pamamagitan ng paggamit ng bagong pamamaraan na tinatawag na "kapwa pagpapatibay» Sa pagitan ng dalawang sinag ng liwanag na ginagamit sa isang tipikal na Sagnac interferometer. Ang bagong device ay inilarawan sa isang artikulong inilathala sa Nature Photonics noong Nobyembre.

4. Optical gyroscope na binuo ni Ali Hadjimiri at ng kanyang mga kasamahan. 

Ang pagbuo ng isang tumpak na optical gyroscope ay maaaring lubos na mapabuti ang oryentasyon ng mga smartphone. Sa turn, ito ay itinayo ng mga siyentipiko mula sa Columbia Engineering. unang flat lens na may kakayahang mag-focus nang tama ng malawak na hanay ng mga kulay sa parehong punto nang hindi nangangailangan ng karagdagang mga elemento ay maaaring makaapekto sa mga kakayahan sa photographic ng mga mobile na kagamitan. Ang rebolusyonaryong micron-thin flat lens ay mas manipis kaysa sa isang sheet ng papel at naghahatid ng pagganap na maihahambing sa mga premium na composite lens. Ang mga natuklasan ng grupo, pinangunahan ni Nanfang Yu, isang assistant professor ng applied physics, ay ipinakita sa isang pag-aaral na inilathala sa journal Nature.

Ang mga siyentipiko ay nakagawa ng mga flat lens mula sa "mga metaatom". Ang bawat metaatom ay isang maliit na bahagi ng isang wavelength ng liwanag sa laki at inaantala ang mga light wave sa ibang halaga. Sa pamamagitan ng pagbuo ng napakanipis na flat layer ng mga nanostructure sa isang substrate na kasing kapal ng buhok ng tao, nagawa ng mga siyentipiko na makamit ang parehong functionality bilang isang mas makapal at mas mabigat na conventional lens system. Maaaring palitan ng Metalenses ang malalaking sistema ng lens sa parehong paraan kung paano pinalitan ng mga flat screen TV ang mga CRT TV.

Bakit isang malaking banggaan kung may iba pang mga paraan

Ang pisika ng maliliit na hakbang ay maaari ding magkaroon ng iba't ibang kahulugan at kahulugan. Halimbawa - sa halip na magtayo ng napakalaking uri ng mga istruktura at humihingi ng mas malalaking istruktura, gaya ng ginagawa ng maraming physicist, maaaring subukan ng isa na humanap ng mga sagot sa malalaking tanong gamit ang mas katamtamang mga tool.

Karamihan sa mga accelerator ay nagpapabilis ng mga particle beam sa pamamagitan ng pagbuo ng mga electric at magnetic field. Gayunpaman, sa loob ng ilang panahon ay nag-eksperimento siya sa ibang pamamaraan - mga accelerator ng plasma, acceleration ng charged particles gaya ng electron, positrons at ions gamit ang electric field na sinamahan ng wave na nabuo sa electron plasma. Kamakailan lamang ay ginagawa ko ang kanilang bagong bersyon. Ang pangkat ng AWAKE sa CERN ay gumagamit ng mga proton (hindi mga electron) upang lumikha ng isang plasma wave. Ang paglipat sa mga proton ay maaaring magdala ng mga particle sa mas mataas na antas ng enerhiya sa isang hakbang ng acceleration. Ang ibang mga anyo ng plasma awakening field acceleration ay nangangailangan ng ilang hakbang upang maabot ang parehong antas ng enerhiya. Naniniwala ang mga siyentipiko na ang kanilang teknolohiyang nakabatay sa proton ay makapagbibigay-daan sa amin na makabuo ng mas maliit, mas mura, at mas makapangyarihang mga accelerator sa hinaharap.

5. Dalawang yugto na miniature accelerator mula sa DESY - visualization

Sa turn, ang mga siyentipiko mula sa DESY (maikli para sa Deutsches Elektronen-Synchrotron - German electronic synchrotron) ay nagtakda ng bagong rekord sa larangan ng miniaturization ng mga particle accelerator noong Hulyo. Ang terahertz accelerator ay higit sa nadoble ang enerhiya ng mga na-inject na electron (5). Kasabay nito, ang pag-setup ay makabuluhang napabuti ang kalidad ng electron beam kumpara sa mga nakaraang eksperimento sa pamamaraang ito.

Ipinaliwanag ni Franz Kärtner, pinuno ng ultrafast optics at X-ray group sa DESY, sa isang press release. -

Ang nauugnay na aparato ay gumawa ng isang accelerating field na may maximum na intensity na 200 milyong volts bawat metro (MV/m) - katulad ng pinakamakapangyarihang modernong conventional accelerator.

Sa turn, isang bago, medyo maliit na detector ALPHA-g (6), na itinayo ng kumpanya sa Canada na TRIUMF at ipinadala sa CERN mas maaga sa taong ito, ay may tungkuling sukatin ang gravitational acceleration ng antimatter. Bumibilis ba ang antimatter sa pagkakaroon ng isang gravitational field sa ibabaw ng Earth ng +9,8 m/s2 (pababa), ng -9,8 m/s2 (pataas), ng 0 m/s2 (walang gravitational acceleration sa lahat), o may ilang ibang halaga? Ang huling posibilidad ay magpapabago ng physics. Ang isang maliit na aparato ng ALPHA-g ay maaaring, bilang karagdagan sa pagpapatunay ng pagkakaroon ng "anti-gravity", na humantong sa amin sa isang landas na humahantong sa mga pinakadakilang misteryo ng uniberso.

Sa mas maliit na sukat, sinusubukan naming pag-aralan ang mga phenomena ng mas mababang antas. sa itaas 60 bilyong rebolusyon bawat segundo maaari itong idisenyo ng mga siyentipiko mula sa Purdue University at mga unibersidad sa China. Ayon sa mga may-akda ng eksperimento sa isang artikulong inilathala ilang buwan na ang nakalipas sa Physical Review Letters, ang ganoong mabilis na pag-ikot ng paglikha ay magbibigay-daan sa kanila na mas maunawaan lihim .

Ang bagay, na nasa parehong matinding pag-ikot, ay isang nanoparticle na humigit-kumulang 170 nanometer ang lapad at 320 nanometer ang haba, na na-synthesize ng mga siyentipiko mula sa silica. Ang pangkat ng pananaliksik ay nag-levitate ng isang bagay sa isang vacuum gamit ang isang laser, na pagkatapos ay pinalo ito sa napakalaking bilis. Ang susunod na hakbang ay ang pagsasagawa ng mga eksperimento na may mas mataas na bilis ng pag-ikot, na magbibigay-daan sa tumpak na pagsasaliksik ng mga pangunahing pisikal na teorya, kabilang ang mga kakaibang anyo ng friction sa isang vacuum. Tulad ng nakikita mo, hindi mo kailangang bumuo ng mga kilometro ng mga tubo at higanteng mga detektor upang harapin ang mga pangunahing misteryo.

Noong 2009, nagawa ng mga siyentipiko na lumikha ng isang espesyal na uri ng black hole sa laboratoryo na sumisipsip ng tunog. Simula noon ang mga ito tunog  napatunayang kapaki-pakinabang bilang mga analog sa laboratoryo ng isang bagay na sumisipsip ng liwanag. Sa isang papel na inilathala sa journal Nature nitong Hulyo, inilarawan ng mga mananaliksik sa Technion Israel Institute of Technology kung paano nila nilikha ang isang sonic black hole at sinukat ang temperatura ng radiation ng Hawking nito. Ang mga sukat na ito ay naaayon sa temperatura na hinulaang ni Hawking. Kaya, tila hindi kinakailangan na gumawa ng isang ekspedisyon sa isang black hole upang tuklasin ito.

Sino ang nakakaalam kung nakatago sa mga tila hindi gaanong mahusay na mga proyektong pang-agham, sa maingat na pagsisikap sa laboratoryo at paulit-ulit na mga eksperimento upang subukan ang maliliit, pira-pirasong teorya, ang mga sagot sa pinakamalalaking tanong. Itinuturo ng kasaysayan ng agham na maaaring mangyari ito.