Урадимо своје и можда дође до револуције

Велика открића, смеле теорије, научна открића. Медији су пуни оваквих формулација, обично претераних. Негде у сенци „велике физике“, ЛХЦ-а, фундаменталних космолошких питања и борбе против Стандардног модела, вредни истраживачи у тишини раде свој посао, размишљају о практичним применама и проширују наше знање корак по корак.

„Хајде да радимо своје“ свакако може бити слоган научника укључених у развој термонуклеарне фузије. Јер, упркос сјајним одговорима на велика питања, решење практичних, наизглед безначајних проблема повезаних са овим процесом, способно је да револуционише свет.

Можда ће, на пример, бити могуће урадити нуклеарну фузију малих размера - са опремом која стане на сто. Научници са Универзитета у Вашингтону направили су уређај прошле године З-штипање (1), који је способан да одржи реакцију фузије у року од 5 микросекунди, иако је главна импресивна информација била минијатуризација реактора, који је дугачак само 1,5 м. З-пинч функционише тако што хвата и компресује плазму у снажном магнетном пољу.

Не баш ефикасно, али потенцијално изузетно важно настојања да се . Према истраживању америчког Министарства енергетике (ДОЕ), објављеном у октобру 2018. у часопису Пхисицс оф Пласмас, фузиони реактори имају способност да контролишу осцилације плазме. Ови таласи потискују честице високе енергије из реакционе зоне, узимајући са собом део енергије потребне за реакцију фузије. Нова студија ДОЕ описује софистициране компјутерске симулације које могу пратити и предвидети формирање таласа, дајући физичарима могућност да спрече процес и држе честице под контролом. Научници се надају да ће њихов рад помоћи у изградњи ИТЕР, можда најпознатији пројекат експерименталног фузионог реактора у Француској.

Такође достигнућа као нпр температура плазме 100 милиона степени Целзијуса, који је крајем прошле године добио тим научника са Кинеског института за физику плазме у експерименталном напредном суперпроводљивом токамаку (ЕАСТ), пример је корак по корак напредовања ка ефикасној фузији. Према мишљењу стручњака који коментаришу студију, она може бити од кључног значаја у поменутом пројекту ИТЕР, у којем Кина учествује са још 35 земаља.

Суперпроводници и електроника

Још једна област са великим потенцијалом, где се предузимају прилично мали, мукотрпни кораци уместо великих продора, јесте потрага за високотемпературним суперпроводницима. (2). Нажалост, има много лажних узбуна и преурањених брига. Углавном се покажу да су одушевљени медијски извештаји претеривања или једноставно неистинити. Чак иу озбиљнијим извештајима увек постоји „али“. Као у недавном извештају, научници са Универзитета у Чикагу открили су суперпроводљивост, способност да се електрична енергија спроводи без губитака на највишим температурама икада забележеним. Користећи најсавременију технологију у Националној лабораторији Аргонне, тим локалних научника проучавао је класу материјала у којима су приметили суперпроводљивост на температурама око -23°Ц. Ово је скок од око 50 степени у односу на претходни потврђени рекорд.

2. Суперпроводник у магнетном пољу

Квака је, међутим, у томе што морате да извршите велики притисак. Материјали који су тестирани били су хидриди. Већ неко време, лантан перхидрид је био од посебног интереса. Експерименти су показали да изузетно танки узорци овог материјала показују суперпроводљивост под притисцима у распону од 150 до 170 гигапаскала. Резултати су објављени у мају у часопису Натуре, чији је коаутор проф. Виталиј Прокопенко и Еран Гринберг.

Да бисте размишљали о практичној примени ових материјала, мораћете да смањите притисак, а такође и температуру, јер ни до -23 ° Ц није баш практично. Рад на њему је типична физика малих корака, који се годинама одвија у лабораторијама широм света.

Исто важи и за примењена истраживања. магнетне појаве у електроници. Недавно, користећи високо осетљиве магнетне сонде, међународни тим научника је пронашао изненађујуће доказе да се магнетизам који се јавља на интерфејсу танких слојева немагнетног оксида може лако контролисати применом малих механичких сила. Откриће, објављено прошлог децембра у Натуре Пхисицс, показује нови и неочекивани начин контроле магнетизма, теоретски омогућавајући размишљање о густијој магнетној меморији и спинтроници, на пример.

Ово откриће ствара нову прилику за минијатуризацију ћелија магнетне меморије, које данас већ имају величину од неколико десетина нанометара, али је њихова даља минијатуризација коришћењем познатих технологија отежана. Оксидни интерфејси комбинују низ занимљивих физичких феномена као што су дводимензионална проводљивост и суперпроводљивост. Контрола струје помоћу магнетизма је веома обећавајућа област у електроници. Проналажење материјала са правим својствима, а опет приступачним и јефтиним, омогућило би нам да се озбиљно бавимо развојем спинтрониц.

и то је заморно контрола отпадне топлоте у електроници. Инжењери УЦ Беркелеи су недавно развили танкослојни материјал (дебљине филма 50-100 нанометара) који се може користити за рекуперацију отпадне топлоте за производњу енергије на нивоима који никада раније нису виђени у овој врсти технологије. Користи процес који се зове пироелектрична конверзија снаге, за коју нова инжењерска истраживања показују да је добро прилагођена за употребу у изворима топлоте испод 100°Ц. Ово је само један од најновијих примера истраживања у овој области. Постоје стотине или чак хиљаде истраживачких програма широм света који се односе на управљање енергијом у електроници.

"Не знам зашто, али ради"

Експериментисање са новим материјалима, њиховим фазним прелазима и тополошким феноменима је веома обећавајућа област истраживања, не баш ефикасна, тешка и ретко атрактивна за медије. Ово је једно од најчешће цитираних истраживања из области физике, иако је добило велики публицитет у медијима, тзв. мејнстрим обично не побеђују.

Експерименти са фазним трансформацијама у материјалима понекад доносе неочекиване резултате, на пример топљење метала са високим тачкама топљења собна температура. Пример је недавно достигнуће топљења узорака злата, који се обично топе на 1064°Ц на собној температури, користећи електрично поље и електронски микроскоп. Ова промена је била реверзибилна јер би искључивање електричног поља могло поново да учврсти злато. Тако се и електрично поље придружило познатим факторима који утичу на фазне трансформације, поред температуре и притиска.

Промене фаза су такође примећене током интензивног импулси ласерске светлости. Резултати проучавања овог феномена објављени су у лето 2019. године у часопису Натуре Пхисицс. Међународни тим за постизање овог циља предводио је Нух Гедик (3), професор физике на Технолошком институту у Масачусетсу. Научници су открили да током оптички индукованог топљења, фазни прелаз се дешава кроз формирање сингуларитета у материјалу, познатих као тополошки дефекти, који заузврат утичу на резултујућу динамику електрона и решетке у материјалу. Ови тополошки дефекти, како је Гедик објаснио у својој публикацији, аналогни су сићушним вртлозима који се јављају у течностима као што је вода.

За своја истраживања научници су користили једињење лантана и телура ЛаТе.₃. Истраживачи објашњавају да ће следећи корак бити покушај да се утврди како они могу „генерисати ове недостатке на контролисан начин“. Потенцијално, ово би се могло користити за складиштење података, где би се светлосни импулси користили за писање или поправку дефеката у систему, што би одговарало операцијама са подацима.

А пошто смо дошли до ултрабрзих ласерских импулса, њихова употреба у многим занимљивим експериментима и потенцијално обећавајућим применама у пракси је тема која се често појављује у научним извештајима. На пример, група Игнасија Франка, доцента хемије и физике на Универзитету у Рочестеру, недавно је показала како се ултрабрзи ласерски импулси могу користити за искривљавајући својства материје Oraz стварање електричне струје брзином већом од било које до сада познате технике. Истраживачи су третирали танке стаклене филаменте у трајању од милионитог дела секунде. За трен ока, стакласти материјал се претворио у нешто попут метала који проводи електричну струју. Ово се догодило брже него у било ком познатом систему у одсуству примењеног напона. Смер тока и интензитет струје могу се контролисати променом својстава ласерског зрака. А пошто се може контролисати, сваки инжењер електронике гледа са интересовањем.

Франко је објаснио у публикацији у Натуре Цоммуницатионс.

Физичка природа ових појава није у потпуности схваћена. Сам Франко сумња да механизми попут оштар ефекат, односно корелација емисије или апсорпције светлосних кванта са електричним пољем. Када би било могуће изградити функционалне електронске системе засноване на овим феноменима, имали бисмо још једну епизоду инжењерске серије под називом Не знамо зашто, али ради.

Осетљивост и мала величина

Жироскопи су уређаји који помажу возилима, дронови, као и електронски услужни и преносиви уређаји да се крећу у тродимензионалном простору. Сада се широко користе у уређајима које свакодневно користимо. У почетку, жироскопи су били скуп угнежђених точкова, од којих се сваки ротира око своје осе. Данас у мобилним телефонима налазимо микроелектромеханичке сензоре (МЕМС) који мере промене сила које делују на две идентичне масе, које осцилују и крећу се у супротном смеру.

МЕМС жироскопи имају значајна ограничења осетљивости. Дакле, гради се оптички жироскопи, без покретних делова, за исте задатке који користе феномен тзв Сагнац ефекат. Међутим, до сада је постојао проблем њихове минијатуризације. Најмањи доступни оптички жироскопи високих перформанси већи су од пинг понг лоптице и нису погодни за многе преносиве апликације. Међутим, инжењери са Технолошког универзитета Цалтецх, предвођени Алијем Хаџимиријем, развили су нови оптички жироскоп који петсто пута мањеоно што је до сада познато4). Он појачава своју осетљивост употребом нове технике под називом "међусобно појачање» Између два снопа светлости која се користе у типичном Сагнац интерферометру. Нови уређај је описан у чланку објављеном у Натуре Пхотоницс прошлог новембра.

4. Оптички жироскоп који су развили Али Хаџимири и његове колеге. 

Развој тачног оптичког жироскопа може знатно побољшати оријентацију паметних телефона. Заузврат, изградили су га научници из Цолумбиа Енгинееринг. прво равно сочиво способан да правилно фокусира широк спектар боја на истој тачки без потребе за додатним елементима може утицати на фотографске могућности мобилне опреме. Револуционарна равна сочива танка микрона је знатно тања од листа папира и пружа перформансе упоредиве са врхунским композитним сочивима. Налази тима, предвођени Нанфангом Јуом, доцентом примењене физике, представљени су у студији објављеној у часопису Натуре.

Научници су направили равна сочива од "метаатоми„. Сваки метаатом је по величини делић таласне дужине светлости и одлаже светлосне таласе за различиту количину. Изградњом веома танког равног слоја наноструктура на супстрату дебелом као људска коса, научници су успели да постигну исту функционалност као много дебљи и тежи систем конвенционалних сочива. Металенс може заменити гломазне системе сочива на исти начин на који су телевизори са равним екраном заменили телевизоре са катодном цеви.

Зашто велики сударач када постоје други начини

Физика малих корака такође може имати различита значења и значења. На пример - уместо да гради монструозно велике структуре типа и захтева чак и веће, као што многи физичари раде, може се покушати пронаћи одговоре на велика питања са скромнијим алатима.

Већина акцелератора убрзава зраке честица генерисањем електричних и магнетних поља. Међутим, неко време је експериментисао са другачијом техником - плазма акцелератори, убрзање наелектрисаних честица као што су електрони, позитрони и јони коришћењем електричног поља у комбинацији са таласом генерисаним у електронској плазми. У последње време радим на њиховој новој верзији. Тим АВАКЕ у ЦЕРН-у користи протоне (не електроне) за стварање плазма таласа. Прелазак на протоне може довести честице до виших енергетских нивоа у једном кораку убрзања. Други облици убрзања поља буђења плазме захтевају неколико корака да би се достигао исти ниво енергије. Научници верују да би њихова технологија заснована на протонима могла да нам омогући да у будућности направимо мање, јефтиније и моћније акцелераторе.

5. Двостепени минијатурни акцелератор компаније ДЕСИ - визуелизација

Заузврат, научници из ДЕСИ (скраћено од Деутсцхес Електронен-Синцхротрон - немачки електронски синхротрон) поставили су у јулу нови рекорд у области минијатуризације акцелератора честица. Терахерц акцелератор је више него удвостручио енергију убризганих електрона (5). Истовремено, поставка је значајно побољшала квалитет електронског зрака у поређењу са претходним експериментима са овом техником.

Франц Кертнер, шеф групе за ултрабрзу оптику и рендген у ДЕСИ-у, објаснио је у саопштењу за јавност. -

Повезани уређај је произвео поље убрзања са максималним интензитетом од 200 милиона волти по метру (МВ/м) - слично најмоћнијем модерном конвенционалном акцелератору.

Заузврат, нови, релативно мали детектор АЛПХА-г (6), коју је изградила канадска компанија ТРИУМФ и испоручена у ЦЕРН раније ове године, има задатак да мери гравитационо убрзање антиматерије. Да ли се антиматерија убрзава у присуству гравитационог поља на површини Земље за +9,8 м/с2 (доле), за -9,8 м/с2 (горе), за 0 м/с2 (уопште нема гравитационог убрзања) или има друга вредност? Последња могућност би револуционисала физику. Мали АЛПХА-г апарат може, осим што доказује постојање „антигравитације“, да нас одведе на пут који води до највећих мистерија универзума.

У још мањем обиму покушавамо да проучавамо феномене још нижег нивоа. Изнад 60 милијарди обртаја у секунди могу га дизајнирати научници са Универзитета Пурдуе и кинеских универзитета. Према ауторима експеримента у чланку објављеном пре неколико месеци у Пхисицал Ревиев Леттерс, тако брзо ротирајућа креација ће им омогућити да боље разумеју тајне .

Објекат који се налази у истој екстремној ротацији је наночестица широка око 170 нанометара и дуга 320 нанометара, коју су научници синтетизовали од силицијум диоксида. Истраживачки тим је левитирао објекат у вакууму користећи ласер, који га је потом пулсирао огромном брзином. Следећи корак биће извођење експеримената са још већим брзинама ротације, што ће омогућити прецизно истраживање основних физичких теорија, укључујући егзотичне облике трења у вакууму. Као што видите, не морате да правите километре цеви и џиновске детекторе да бисте се суочили са основним мистеријама.

Научници су 2009. успели да у лабораторији створе посебну врсту црне рупе која апсорбује звук. Од тада ови звучати  показао се корисним као лабораторијски аналози предмета који апсорбује светлост. У раду објављеном у часопису Натуре овог јула, истраживачи са Тецхнион Исраел Институте оф Тецхнологи описују како су створили звучну црну рупу и измерили њену температуру Хокинговог зрачења. Ова мерења су била у складу са температуром коју је предвидео Хокинг. Дакле, чини се да није потребно правити експедицију у црну рупу да би се она истражила.

Ко зна да ли се у овим наизглед мање ефикасним научним пројектима, у мукотрпним лабораторијским напорима и поновљеним експериментима за тестирање малих, фрагментираних теорија, крију одговори на највећа питања. Историја науке учи да се то може догодити.