Låt oss göra vår grej och kanske blir det en revolution

Stora upptäckter, djärva teorier, vetenskapliga genombrott. Medierna är fulla av sådana formuleringar, oftast överdrivna. Någonstans i skuggan av "stor fysik", LHC, grundläggande kosmologiska frågor och kampen mot standardmodellen, gör hårt arbetande forskare i tysthet sitt jobb, funderar på praktiska tillämpningar och utökar vår kunskap steg för steg.

"Låt oss göra vår egen grej" kan säkert vara sloganen för forskare som är involverade i utvecklingen av termonukleär fusion. För, trots de stora svaren på de stora frågorna, kan lösningen av praktiska, till synes obetydliga problem förknippade med denna process, revolutionera världen.

Kanske blir det till exempel möjligt att göra småskalig kärnfusion – med utrustning som får plats på ett bord. Forskare vid University of Washington byggde enheten förra året Z-nypa (1), som är kapabel att upprätthålla en fusionsreaktion inom 5 mikrosekunder, även om den främsta imponerande informationen var miniatyriseringen av reaktorn, som bara är 1,5 m lång. Z-nypan fungerar genom att fånga och komprimera plasman i ett kraftfullt magnetfält.

Inte särskilt effektivt, men potentiellt extremt viktigt ansträngningar att . Enligt forskning från US Department of Energy (DOE), publicerad i oktober 2018 i tidskriften Physics of Plasmas, har fusionsreaktorer förmågan att kontrollera plasmaoscillation. Dessa vågor driver ut högenergipartiklar ur reaktionszonen och tar med sig en del av den energi som behövs för fusionsreaktionen. En ny DOE-studie beskriver sofistikerade datorsimuleringar som kan spåra och förutsäga vågbildning, vilket ger fysiker möjligheten att förhindra processen och hålla partiklar under kontroll. Forskare hoppas att deras arbete kommer att hjälpa till i konstruktionen ITER, kanske det mest kända experimentella fusionsreaktorprojektet i Frankrike.

Även prestationer som t.ex plasmatemperatur 100 miljoner grader Celsius, som erhölls i slutet av förra året av ett team av forskare vid China Institute of Plasma Physics i Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), är ett exempel på ett steg-för-steg framsteg mot effektiv fusion. Enligt experter som kommenterar studien kan den vara av avgörande betydelse i det tidigare nämnda ITER-projektet, där Kina deltar tillsammans med 35 andra länder.

Supraledare och elektronik

Ett annat område med stor potential, där ganska små, noggranna steg tas istället för stora genombrott, är jakten på högtemperatursupraledare. (2). Tyvärr finns det en hel del falsklarm och för tidiga bekymmer. Vanligtvis visar sig ravemediarapporter vara överdrifter eller helt enkelt osanna. Även i mer seriösa rapporter finns det alltid ett "men". Som i en ny rapport har forskare vid University of Chicago upptäckt supraledning, förmågan att leda elektricitet utan förlust vid de högsta temperaturer som någonsin registrerats. Med hjälp av banbrytande teknologi vid Argonne National Laboratory studerade ett team av lokala forskare en klass av material där de observerade supraledning vid temperaturer runt -23°C. Detta är ett hopp på cirka 50 grader från det tidigare bekräftade rekordet.

2. Supraledare i ett magnetfält

Haken är dock att du måste lägga mycket press. Materialen som testades var hydrider. Under en tid har lantanperhydrid varit av särskilt intresse. I experiment visade det sig att extremt tunna prover av detta material uppvisar supraledning under inverkan av tryck i intervallet från 150 till 170 gigapascal. Resultaten publicerades i maj i tidskriften Nature, medförfattare av Prof. Vitaly Prokopenko och Eran Greenberg.

För att tänka på den praktiska tillämpningen av dessa material måste du sänka trycket och även temperaturen, för även ner till -23 ° C är inte särskilt praktiskt. Arbetet med det är typisk småstegsfysik, som pågår i flera år i laboratorier runt om i världen.

Detsamma gäller tillämpad forskning. magnetiska fenomen inom elektronik. På senare tid, med hjälp av mycket känsliga magnetiska sonder, har ett internationellt team av forskare funnit överraskande bevis för att magnetismen som uppstår i gränsytan mellan tunna lager av icke-magnetisk oxid lätt kan kontrolleras genom att applicera små mekaniska krafter. Upptäckten, som tillkännagavs i december förra året i Nature Physics, visar ett nytt och oväntat sätt att kontrollera magnetism, vilket teoretiskt tillåter t.ex. att tänka på tätare magnetiskt minne och spintronik.

Denna upptäckt skapar en ny möjlighet för miniatyrisering av magnetiska minnesceller, som idag redan har en storlek på flera tiotals nanometer, men deras ytterligare miniatyrisering med känd teknik är svår. Oxidgränssnitt kombinerar ett antal intressanta fysikaliska fenomen som tvådimensionell konduktivitet och supraledning. Styrning av ström med hjälp av magnetism är ett mycket lovande område inom elektronik. Att hitta material med rätt egenskaper, men ändå prisvärt och billigt, skulle göra det möjligt för oss att börja utvecklas på allvar spintronic.

det är tröttsamt också spillvärmekontroll inom elektronik. UC Berkeleys ingenjörer har nyligen utvecklat ett tunnfilmsmaterial (filmtjocklek 50-100 nanometer) som kan användas för att återvinna spillvärme för att generera kraft på nivåer som aldrig tidigare setts i denna typ av teknik. Den använder en process som kallas pyroelektrisk kraftomvandling, som ny teknisk forskning visar är väl lämpad för användning i värmekällor under 100°C. Detta är bara ett av de senaste exemplen på forskning inom detta område. Det finns hundratals eller till och med tusentals forskningsprogram runt om i världen relaterade till energihantering inom elektronik.

"Jag vet inte varför, men det fungerar"

Att experimentera med nya material, deras fasövergångar och topologiska fenomen är ett mycket lovande forskningsområde, inte särskilt effektivt, svårt och sällan attraktivt för media. Detta är en av de mest citerade forskningarna inom fysikområdet, även om den fick mycket publicitet i media, den sk. mainstream brukar de inte vinna.

Experiment med fasomvandlingar i material ger ibland oväntade resultat, till exempel metallsmältning med höga smältpunkter rumstemperatur. Ett exempel är den senaste prestation av att smälta guldprover, som vanligtvis smälter vid 1064°C vid rumstemperatur, med hjälp av ett elektriskt fält och ett elektronmikroskop. Denna förändring var reversibel eftersom att stänga av det elektriska fältet kunde stelna guldet igen. Således har det elektriska fältet anslutit sig till de kända faktorerna som påverkar fasomvandlingar, förutom temperatur och tryck.

Fasförändringar observerades också under intensiv pulser av laserljus. Resultaten av studien av detta fenomen publicerades sommaren 2019 i tidskriften Nature Physics. Det internationella teamet för att uppnå detta leddes av Nuh Gedik (3), professor i fysik vid Massachusetts Institute of Technology. Forskarna fann att under optiskt inducerad smältning sker fasövergången genom bildandet av singulariteter i materialet, kända som topologiska defekter, som i sin tur påverkar den resulterande elektron- och gitterdynamiken i materialet. Dessa topologiska defekter, som Gedik förklarade i sin publikation, är analoga med små virvlar som uppstår i vätskor som vatten.

För sin forskning använde forskare en förening av lantan och tellur LaTe.₃. Forskarna förklarar att nästa steg blir att försöka avgöra hur de kan "generera dessa defekter på ett kontrollerat sätt". Potentiellt skulle detta kunna användas för datalagring, där ljuspulser skulle användas för att skriva eller reparera defekter i systemet, vilket skulle motsvara dataoperationer.

Och sedan vi kom till ultrasnabba laserpulser är deras användning i många intressanta experiment och potentiellt lovande tillämpningar i praktiken ett ämne som ofta förekommer i vetenskapliga rapporter. Till exempel visade gruppen av Ignacio Franco, biträdande professor i kemi och fysik vid University of Rochester, nyligen hur ultrasnabba laserpulser kan användas för att förvrängande egenskaper hos materia Oraz generering av elektrisk ström med en hastighet som är snabbare än någon teknik som vi hittills känner till. Forskarna behandlade tunna glasfilament med en varaktighet på en miljondels miljarddels sekund. På ett ögonblick förvandlades det glasartade materialet till något som liknar en metall som leder elektricitet. Detta skedde snabbare än i något känt system i frånvaro av en pålagd spänning. Flödets riktning och strömstyrkan kan styras genom att ändra egenskaperna hos laserstrålen. Och eftersom det går att styra tittar varje elektronikingenjör med intresse.

Franco förklarade i en publikation i Nature Communications.

Den fysiska naturen hos dessa fenomen är inte helt klarlagd. Franco själv misstänker att mekanismer som stark effektdvs. korrelationen mellan emissionen eller absorptionen av ljuskvanta med ett elektriskt fält. Om det var möjligt att bygga fungerande elektroniska system baserat på dessa fenomen skulle vi ha ett annat avsnitt av ingenjörsserien som heter We Don't Know Why, But It Works.

Känslighet och liten storlek

Gyroskop är enheter som hjälper fordon, drönare, samt elektroniska verktyg och bärbara enheter att navigera i tredimensionellt utrymme. Nu används de flitigt i enheter som vi använder varje dag. Ursprungligen var gyroskop en uppsättning kapslade hjul, som var och en roterade runt sin egen axel. Idag hittar vi i mobiltelefoner mikroelektromekaniska sensorer (MEMS) som mäter förändringar i krafter som verkar på två identiska massor, som oscillerar och rör sig i motsatt riktning.

MEMS-gyroskop har betydande känslighetsbegränsningar. Så det bygger optiska gyroskop, utan rörliga delar, för samma uppgifter som använder ett fenomen som kallas Sagnac effekt. Men fram till nu har det varit ett problem med deras miniatyrisering. De minsta högpresterande optiska gyroskopen som finns tillgängliga är större än en pingisboll och inte lämpliga för många bärbara applikationer. Men ingenjörer vid Caltech University of Technology, ledd av Ali Hadjimiri, har utvecklat ett nytt optiskt gyroskop som femhundra gånger mindrevad som är känt hittills4). Han ökar sin känslighet genom att använda en ny teknik som kallas "ömsesidig förstärkning» Mellan två ljusstrålar som används i en typisk Sagnac-interferometer. Den nya enheten beskrevs i en artikel som publicerades i Nature Photonics i november förra året.

4. Optiskt gyroskop utvecklat av Ali Hadjimiri och hans kollegor. 

Utvecklingen av ett exakt optiskt gyroskop kan avsevärt förbättra orienteringen av smartphones. I sin tur byggdes den av forskare från Columbia Engineering. första platta linsen kapabla att korrekt fokusera ett brett spektrum av färger på samma punkt utan behov av ytterligare element kan påverka den fotografiska kapaciteten hos mobil utrustning. Den revolutionerande mikron-tunna platta linsen är betydligt tunnare än ett pappersark och ger prestanda jämförbar med premiumkompositlinser. Teamets resultat, ledda av Nanfang Yu, en biträdande professor i tillämpad fysik, presenteras i en studie publicerad i tidskriften Nature.

Forskare har byggt platta linser från "metaatomer". Varje metaatom är en bråkdel av en våglängd av ljus i storlek och fördröjer ljusvågor olika mycket. Genom att bygga ett mycket tunt platt lager av nanostrukturer på ett substrat så tjockt som ett människohår kunde forskarna uppnå samma funktionalitet som ett mycket tjockare och tyngre konventionellt linssystem. Metalenses kan ersätta skrymmande linssystem på samma sätt som plattskärms-TV har ersatt CRT-TV.

Varför en stor kolliderare när det finns andra sätt

Fysiken i små steg kan också ha olika betydelser och betydelser. Till exempel - snarare än att bygga monstruöst stora typstrukturer och kräva ännu större, som många fysiker gör, kan man försöka hitta svar på stora frågor med mer blygsamma verktyg.

De flesta acceleratorer accelererar partikelstrålar genom att generera elektriska och magnetiska fält. Men under en tid experimenterade han med en annan teknik - plasmaacceleratorer, acceleration av laddade partiklar såsom elektroner, positroner och joner med hjälp av ett elektriskt fält kombinerat med en våg som genereras i ett elektronplasma. Den senaste tiden har jag jobbat på deras nya version. AWAKE-teamet på CERN använder protoner (inte elektroner) för att skapa en plasmavåg. Att byta till protoner kan ta partiklar till högre energinivåer i ett enda accelerationssteg. Andra former av plasmauppvaknande fältacceleration kräver flera steg för att nå samma energinivå. Forskare tror att deras protonbaserade teknologi kan göra det möjligt för oss att bygga mindre, billigare och mer kraftfulla acceleratorer i framtiden.

5. Tvåstegs miniatyraccelerator från DESY - visualisering

I sin tur satte forskare från DESY (förkortning för Deutsches Elektronen-Synchrotron - tysk elektronisk synkrotron) ett nytt rekord inom området för miniatyrisering av partikelacceleratorer i juli. Terahertzacceleratorn mer än fördubblade energin hos de injicerade elektronerna (5). Samtidigt förbättrade uppställningen avsevärt kvaliteten på elektronstrålen jämfört med tidigare experiment med denna teknik.

Franz Kärtner, chef för gruppen för ultrasnabb optik och röntgen på DESY, förklarade i ett pressmeddelande. -

Den associerade enheten producerade ett accelererande fält med en maximal intensitet på 200 miljoner volt per meter (MV/m) - liknande den mest kraftfulla moderna konventionella acceleratorn.

I sin tur en ny, relativt liten detektor ALPHA-g (6), byggd av det kanadensiska företaget TRIUMF och skeppades till CERN tidigare i år, har till uppgift att mäta antimaterias gravitationsacceleration. Accelererar antimateria i närvaro av ett gravitationsfält på jordens yta med +9,8 m/s2 (ned), med -9,8 m/s2 (upp), med 0 m/s2 (ingen gravitationsacceleration alls), eller har någon annat värde? Den senare möjligheten skulle revolutionera fysiken. En liten ALPHA-g-apparat kan, förutom att bevisa existensen av "antigravitation", leda oss på en väg som leder till universums största mysterier.

I ännu mindre skala försöker vi studera fenomen på ännu lägre nivå. Ovan 60 miljarder varv per sekund den kan designas av forskare från Purdue University och kinesiska universitet. Enligt författarna till experimentet i en artikel som publicerades för några månader sedan i Physical Review Letters, kommer en sådan snabbt roterande skapelse att göra det möjligt för dem att bättre förstå hemligheter .

Objektet, som befinner sig i samma extrema rotation, är en nanopartikel som är cirka 170 nanometer bred och 320 nanometer lång, som forskarna syntetiserade från kiseldioxid. Forskargruppen svävade ett föremål i vakuum med hjälp av en laser, som sedan pulserade det med en enorm hastighet. Nästa steg blir att genomföra experiment med ännu högre rotationshastigheter, vilket kommer att möjliggöra noggrann forskning av grundläggande fysikaliska teorier, inklusive exotiska former av friktion i ett vakuum. Som du kan se behöver du inte bygga kilometer med rör och gigantiska detektorer för att möta grundläggande mysterier.

2009 lyckades forskare skapa en speciell sorts svart hål i laboratoriet som absorberar ljud. Sedan dess dessa звук  visade sig vara användbar som laboratorieanaloger av det ljusabsorberande föremålet. I en artikel som publicerades i tidskriften Nature i juli beskriver forskare vid Technion Israel Institute of Technology hur de skapade ett ljudsvart hål och mätte dess Hawking-strålningstemperatur. Dessa mätningar var i linje med den temperatur som förutspåtts av Hawking. Det verkar alltså som att det inte är nödvändigt att göra en expedition till ett svart hål för att utforska det.

Vem vet om svaren på de största frågorna är gömda i dessa till synes mindre effektiva vetenskapliga projekt, i mödosamma laboratorieinsatser och upprepade experiment för att testa små, fragmenterade teorier. Vetenskapshistorien lär att detta kan hända.