Нека направим своето и може би ще има революция

Велики открития, смели теории, научни открития. Медиите са пълни с подобни формулировки, обикновено преувеличени. Някъде в сянката на „великата физика“, LHC, фундаменталните космологични въпроси и борбата срещу Стандартния модел, трудолюбивите изследователи мълчаливо си вършат работата, обмислят практически приложения и разширяват полето на нашето знание стъпка по стъпка.

„Да направим нашето собствено нещо“ със сигурност може да бъде лозунгът на учените, участващи в развитието на термоядрен синтез. Защото, въпреки големите отговори на големите въпроси, решаването на практически, на пръв поглед незначителни проблеми, свързани с този процес, е способно да революционизира света.

Може би, например, ще бъде възможно да се направи малък ядрен синтез - с оборудване, което се побира на маса. Учени от Вашингтонския университет построиха устройството миналата година Z-пинч (1), който е в състояние да поддържа реакция на синтез в рамките на 5 микросекунди, въпреки че основната впечатляваща информация беше миниатюризацията на реактора, който е дълъг само 1,5 м. Z-пинчът работи, като улавя и компресира плазмата в мощно магнитно поле.

Не много ефективно, но потенциално изключително важно усилия за . Според изследване на Министерството на енергетиката на САЩ (DOE), публикувано през октомври 2018 г. в списанието Physics of Plasmas, термоядрените реактори имат способността да контролират плазмените колебания. Тези вълни изтласкват високоенергийни частици от реакционната зона, като поемат със себе си част от енергията, необходима за реакцията на синтез. Ново проучване на DOE описва сложни компютърни симулации, които могат да проследяват и предсказват образуването на вълни, давайки на физиците възможността да предотвратят този процес и да държат частиците под контрол. Учените се надяват работата им да помогне в строителството ITER, може би най-известният експериментален проект за термоядрен реактор във Франция.

Също така постижения като температура на плазмата 100 милиона градуса по Целзий, получен в края на миналата година от екип учени от Китайския институт по физика на плазмата в Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), е пример за стъпка по стъпка напредък към ефективен синтез. Според експерти, коментиращи изследването, то може да е от ключово значение в гореспоменатия проект ITER, в който Китай участва заедно с още 35 държави.

Свръхпроводници и електроника

Друга област с голям потенциал, където се предприемат доста малки, старателни стъпки вместо големи пробиви, е търсенето на високотемпературни свръхпроводници. (2). За съжаление има много фалшиви тревоги и преждевременни притеснения. Обикновено възторжените медийни съобщения се оказват преувеличени или просто неверни. Дори в по-сериозните репортажи винаги има едно „но“. Както в неотдавнашен доклад, учени от Чикагския университет откриха свръхпроводимост, способността да провеждат електричество без загуба при най-високите температури, регистрирани някога. Използвайки авангардни технологии в Националната лаборатория в Аргон, екип от местни учени изучава клас материали, в които наблюдават свръхпроводимост при температури около -23°C. Това е скок от около 50 градуса спрямо предишния потвърден рекорд.

2. Свръхпроводник в магнитно поле

Уловката обаче е, че трябва да приложите голям натиск. Тестваните материали са хидриди. От известно време лантановият перхидрид представлява особен интерес. При експерименти е установено, че изключително тънки проби от този материал проявяват свръхпроводимост под действието на налягания в диапазона от 150 до 170 гигапаскала. Резултатите бяха публикувани през май в списание Nature, съавтор на проф. Виталий Прокопенко и Еран Грийнбърг.

За да помислите за практическото приложение на тези материали, ще трябва да намалите налягането, а също и температурата, защото дори до -23 ° C не е много практично. Работата по него е типична физика на малки стъпки, която се извършва от години в лаборатории по целия свят.

Същото се отнася и за приложните изследвания. магнитни явления в електрониката. Съвсем наскоро, използвайки силно чувствителни магнитни сонди, международен екип от учени откри изненадващо доказателство, че магнетизмът, който се появява на интерфейса на тънки слоеве от немагнитен оксид, може лесно да бъде контролиран чрез прилагане на малки механични сили. Откритието, обявено миналия декември в Nature Physics, показва нов и неочакван начин за контрол на магнетизма, теоретично позволяващ да се мисли за по-плътна магнитна памет и спинтроника, например.

Това откритие създава нова възможност за миниатюризиране на клетки с магнитна памет, които днес вече имат размер от няколко десетки нанометра, но по-нататъшното им миниатюризиране с помощта на известни технологии е трудно. Оксидните интерфейси съчетават редица интересни физически явления като двуизмерна проводимост и свръхпроводимост. Контролът на тока чрез магнетизъм е много обещаваща област в електрониката. Намирането на материали с правилните свойства, но достъпни и евтини, би ни позволило да се заемем сериозно с разработването спинтроник.

също е изморително контрол на отпадната топлина в електрониката. Инженерите от UC Berkeley наскоро разработиха тънкослоен материал (дебелина на филма 50-100 нанометра), който може да се използва за възстановяване на отпадната топлина за генериране на енергия на нива, невиждани досега в този тип технология. Той използва процес, наречен пироелектрическо преобразуване на мощност, което новите инженерни изследвания показват, че е много подходящо за използване в източници на топлина под 100°C. Това е само един от последните примери за изследвания в тази област. Има стотици или дори хиляди изследователски програми по света, свързани с управлението на енергията в електрониката.

"Не знам защо, но работи"

Експериментирането с нови материали, техните фазови преходи и топологични явления е много обещаваща област на изследване, не особено ефективна, трудна и рядко привлекателна за медиите. Това е едно от най-често цитираните изследвания в областта на физиката, въпреки че получи голяма публичност в медиите, т.нар. мейнстрийм те обикновено не печелят.

Експериментите с фазови трансформации в материалите понякога носят неочаквани резултати, например топене на метал с високи точки на топене стайна температура. Пример е скорошното постижение за топене на златни проби, които обикновено се топят при 1064°C при стайна температура, използвайки електрическо поле и електронен микроскоп. Тази промяна е обратима, защото изключването на електрическото поле може да втвърди златото отново. По този начин електрическото поле се присъедини към известните фактори, влияещи върху фазовите трансформации, в допълнение към температурата и налягането.

По време на интензивно се наблюдават и фазови промени импулси от лазерна светлина. Резултатите от изследването на този феномен бяха публикувани през лятото на 2019 г. в списание Nature Physics. Международният екип за постигане на това беше воден от Нух Гедик (3), професор по физика в Масачузетския технологичен институт. Учените открили, че по време на оптически индуцирано топене, фазовият преход се осъществява чрез образуването на сингулярности в материала, известни като топологични дефекти, които от своя страна влияят на получената динамика на електрони и решетка в материала. Тези топологични дефекти, както Гедик обясни в своята публикация, са аналогични на малките вихри, които се появяват в течности като вода.

За своите изследвания учените са използвали съединение от лантан и телур LaTe.₃. Изследователите обясняват, че следващата стъпка ще бъде да се опитат да определят как могат да „генерират тези дефекти по контролиран начин“. Потенциално това може да се използва за съхранение на данни, където светлинните импулси ще се използват за записване или поправяне на дефекти в системата, които биха съответствали на операции с данни.

И тъй като стигнахме до свръхбързи лазерни импулси, използването им в много интересни експерименти и потенциално обещаващи приложения на практика е тема, която често се появява в научните доклади. Например, групата на Игнасио Франко, асистент по химия и физика в университета в Рочестър, наскоро показа как ултрабързите лазерни импулси могат да се използват за изкривяващи свойства на материята Сега генериране на електрически ток със скорост, по-бърза от всяка позната ни досега техника. Изследователите третираха тънки стъклени нишки с продължителност една милионна от милиардната част от секундата. С мигване на око стъкленият материал се превърна в нещо като метал, който провежда електричество. Това се случи по-бързо, отколкото във всяка известна система при липса на приложено напрежение. Посоката на потока и интензитета на тока могат да се контролират чрез промяна на свойствата на лазерния лъч. И тъй като може да се управлява, всеки електронен инженер гледа с интерес.

Франко обясни в публикация в Nature Communications.

Физическата природа на тези явления не е напълно разбрана. Самият Франко подозира, че механизмите като ясен ефектт.е. корелацията на излъчването или абсорбцията на светлинни кванти с електрическо поле. Ако беше възможно да се изградят работещи електронни системи, базирани на тези явления, щяхме да имаме друг епизод от инженерната поредица, наречена Ние не знаем защо, но работи.

Чувствителност и малък размер

Жироскопи са устройства, които помагат на превозни средства, дронове, както и електронни комунални услуги и преносими устройства да се движат в триизмерно пространство. Сега те се използват широко в устройства, които използваме всеки ден. Първоначално жироскопите представляваха набор от вложени колела, всяко от които се въртеше около собствената си ос. Днес в мобилните телефони откриваме микроелектромеханични сензори (MEMS), които измерват промените в силите, действащи върху две еднакви маси, осцилиращи и движещи се в обратна посока.

MEMS жироскопите имат значителни ограничения на чувствителността. Така че се строи оптични жироскопи, без движещи се части, за същите задачи, които използват явление, наречено Ефект на Саняк. Досега обаче имаше проблем с тяхното миниатюризиране. Най-малките налични оптични жироскопи с висока производителност са по-големи от топка за пинг-понг и не са подходящи за много преносими приложения. Въпреки това инженерите от Технологичния университет на Калтех, водени от Али Хаджимири, разработиха нов оптичен жироскоп, който петстотин пъти по-малкокаквото е известно досега4). Той повишава чувствителността си чрез използването на нова техника, наречена "взаимно подсилване» Между два лъча светлина, които се използват в типичен интерферометър на Саняк. Новото устройство беше описано в статия, публикувана в Nature Photonics миналия ноември.

4. Оптичен жироскоп, разработен от Али Хаджимири и неговите колеги. 

Разработването на точен оптичен жироскоп може значително да подобри ориентацията на смартфоните. От своя страна той е построен от учени от Columbia Engineering. първата плоска леща способността да фокусира правилно широка гама от цветове в една и съща точка без нужда от допълнителни елементи може да повлияе на фотографските възможности на мобилното оборудване. Революционната микрона тънка плоска леща е значително по-тънка от лист хартия и осигурява производителност, сравнима с първокласните композитни лещи. Констатациите на групата, водени от Нанфан Ю, асистент по приложна физика, са представени в проучване, публикувано в списание Nature.

Учените са изградили плоски лещи от "метаатоми". Всеки метаатом е част от дължината на вълната на светлината по размер и забавя светлинните вълни с различно количество. Чрез изграждането на много тънък плосък слой от наноструктури върху субстрат с дебелина колкото човешка коса, учените успяха да постигнат същата функционалност като много по-дебела и по-тежка конвенционална система от лещи. Metalenses могат да заменят обемните системи от лещи по същия начин, по който телевизорите с плосък екран заменят телевизорите с електронно-лъчева тръба.

Защо голям колайдер, когато има други начини

Физиката на малките стъпки също може да има различни значения и значения. Например - вместо да се изграждат чудовищно големи типови структури и да изискват дори по-големи, както правят много физици, човек може да се опита да намери отговори на големи въпроси с по-скромни инструменти.

Повечето ускорители ускоряват лъчите от частици чрез генериране на електрически и магнитни полета. Въпреки това известно време той експериментира с различна техника - плазмени ускорители, ускорение на заредени частици като електрони, позитрони и йони с помощта на електрическо поле, комбинирано с вълна, генерирана в електронна плазма. Напоследък работя по новата им версия. Екипът на AWAKE в CERN използва протони (не електрони), за да създаде плазмена вълна. Преминаването към протони може да отведе частиците до по-високи енергийни нива с една стъпка на ускорение. Други форми на ускорение на пробуждащото се плазмено поле изискват няколко стъпки за достигане на същото енергийно ниво. Учените вярват, че тяхната протонна технология може да ни позволи да изградим по-малки, по-евтини и по-мощни ускорители в бъдеще.

5. Двустепенен миниатюрен ускорител от DESY - визуализация

На свой ред учени от DESY (съкратено от Deutsches Elektronen-Synchrotron - немски електронен синхротрон) поставиха нов рекорд в областта на миниатюризацията на ускорителите на частици през юли. Терагерцовият ускорител повече от удвоява енергията на инжектираните електрони (5). В същото време настройката значително подобри качеството на електронния лъч в сравнение с предишни експерименти с тази техника.

Франц Кертнер, ръководител на групата за ултрабърза оптика и рентгенови лъчи в DESY, обясни в съобщение за пресата. -

Свързаното устройство произвежда ускоряващо поле с максимален интензитет от 200 милиона волта на метър (MV/m) - подобно на най-мощния модерен конвенционален ускорител.

От своя страна нов, сравнително малък детектор АЛФА-g (6), построена от канадската компания TRIUMF и изпратена в ЦЕРН по-рано тази година, има задачата да измерва гравитационното ускорение на антиматерията. Антиматерията ускорява ли се при наличие на гравитационно поле на земната повърхност с +9,8 m/s2 (надолу), с -9,8 m/s2 (нагоре), с 0 m/s2 (без гравитационно ускорение изобщо) или има някакво друга стойност? Последната възможност би революционизирала физиката. Малък апарат ALPHA-g може освен да докаже съществуването на "антигравитация", да ни поведе по пътя, водещ към най-големите мистерии на Вселената.

В още по-малък мащаб се опитваме да изучаваме явления от още по-ниско ниво. По-горе 60 милиарда оборота в секунда може да бъде проектиран от учени от университета Пърдю и китайските университети. Според авторите на експеримента в статия, публикувана преди няколко месеца в Physical Review Letters, такова бързо въртящо се творение ще им позволи да разберат по-добре Тайните .

Обектът, който се намира в същото екстремно въртене, е наночастица с ширина около 170 нанометра и дължина 320 нанометра, която учените са синтезирали от силициев диоксид. Изследователският екип левитира обект във вакуум с помощта на лазер, който след това го пулсира с огромна скорост. Следващата стъпка ще бъде провеждането на експерименти с още по-високи скорости на въртене, което ще позволи точно изследване на основни физически теории, включително екзотични форми на триене във вакуум. Както можете да видите, не е нужно да изграждате километри тръби и гигантски детектори, за да се изправите пред основни мистерии.

През 2009 г. учените успяха да създадат в лабораторията специален вид черна дупка, която поглъща звука. Оттогава тези звук  се оказаха полезни като лабораторни аналози на светопоглъщащ обект. В статия, публикувана в списание Nature този юли, изследователи от Технион Израелския технологичен институт описват как са създали звукова черна дупка и са измервали нейната радиационна температура на Хокинг. Тези измервания бяха в съответствие с температурата, предвидена от Хокинг. Така изглежда, че не е необходимо да се прави експедиция до черна дупка, за да се изследва.

Кой знае дали в тези на пръв поглед по-малко ефективни научни проекти, в усърдни лабораторни усилия и многократни експерименти за тестване на малки, фрагментирани теории, се крият отговорите на най-големите въпроси. Историята на науката учи, че това може да се случи.