İşimizi yapalım ve belki bir devrim olur

Büyük keşifler, cesur teoriler, bilimsel buluşlar. Medya, genellikle abartılı bu tür formülasyonlarla doludur. "Büyük fizik", LHC, temel kozmolojik sorular ve Standart Modele karşı mücadelenin gölgesinde bir yerde, çalışkan araştırmacılar sessizce işlerini yapıyor, pratik uygulamaları düşünüyor ve bilgi alanımızı adım adım genişletiyorlar.

"Kendi işimizi yapalım" kesinlikle termonükleer füzyonun geliştirilmesinde yer alan bilim adamlarının sloganı olabilir. Çünkü, büyük soruların büyük cevaplarına rağmen, bu süreçle ilgili pratik, görünüşte önemsiz sorunların çözümü, dünyayı kökten değiştirmeye muktedirdir.

Örneğin, bir masaya uyan ekipmanlarla küçük ölçekli nükleer füzyon yapmak mümkün olabilir. Washington Üniversitesi'ndeki bilim adamları cihazı geçen yıl yaptı Z-tutam (1Ana etkileyici bilgi, reaktörün sadece 5 m uzunluğundaki minyatürleştirilmesi olmasına rağmen, 1,5 mikrosaniye içinde bir füzyon reaksiyonunu sürdürme yeteneğine sahip olan Z-tutamı, plazmayı güçlü bir manyetik alanda sıkıştırarak ve sıkıştırarak çalışır.

Çok etkili değil, ancak potansiyel olarak son derece önemli çabalar . ABD Enerji Bakanlığı'nın (DOE) Ekim 2018'de Physics of Plasmas dergisinde yayınlanan araştırmasına göre, füzyon reaktörleri plazma salınımını kontrol etme yeteneğine sahiptir. Bu dalgalar, yüksek enerjili parçacıkları reaksiyon bölgesinin dışına iterek, füzyon reaksiyonu için gereken enerjinin bir kısmını birlikte alır. Yeni bir DOE çalışması, dalga oluşumunu izleyebilen ve tahmin edebilen karmaşık bilgisayar simülasyonlarını tanımlayarak fizikçilere bu süreci önleme ve parçacıkları kontrol altında tutma yeteneği kazandırıyor. Bilim adamları çalışmalarının inşaatta yardımcı olacağını umuyor ÖĞRENCİ, belki de Fransa'daki en ünlü deneysel füzyon reaktörü projesi.

gibi başarılar da plazma sıcaklığı 100 milyon santigrat dereceDeneysel Gelişmiş Süper İletken Tokamak'ta (EAST) Çin Plazma Fiziği Enstitüsü'ndeki bir bilim insanı ekibi tarafından geçen yılın sonunda elde edilen , verimli füzyona yönelik adım adım ilerlemenin bir örneğidir. Çalışma hakkında yorum yapan uzmanlara göre, Çin'in diğer 35 ülke ile birlikte katıldığı yukarıda bahsedilen ITER projesinde kilit öneme sahip olabilir.

Süper iletkenler ve elektronik

Büyük atılımlar yerine oldukça küçük, özenli adımların atıldığı, büyük potansiyele sahip bir başka alan, yüksek sıcaklıklı süper iletkenlerin araştırılmasıdır. (2). Ne yazık ki, birçok yanlış alarm ve erken endişe var. Genellikle medyanın çılgın haberlerinin abartı olduğu veya basitçe doğru olmadığı ortaya çıkar. Daha ciddi raporlarda bile her zaman bir “ama” vardır. Yakın tarihli bir raporda olduğu gibi, Chicago Üniversitesi'ndeki bilim adamları, şimdiye kadar kaydedilen en yüksek sıcaklıklarda elektriği kayıpsız iletme yeteneği olan süper iletkenliği keşfettiler. Argonne Ulusal Laboratuvarı'nda en son teknolojiyi kullanan yerel bilim adamlarından oluşan bir ekip, -23°C civarındaki sıcaklıklarda süper iletkenliği gözlemledikleri bir malzeme sınıfını inceledi. Bu, önceki teyit edilmiş rekordan yaklaşık 50 derecelik bir sıçrama.

2. Manyetik alanda süper iletken

Bununla birlikte, yakalama, çok fazla baskı uygulamanız gerektiğidir. Test edilen malzemeler hidritlerdi. Bir süredir, lantan perhidrit özellikle ilgi çekici olmuştur. Deneylerde, bu malzemenin son derece ince örneklerinin, 150 ila 170 gigapaskal aralığındaki basınçların etkisi altında süper iletkenlik sergilediği bulundu. Sonuçlar, Mayıs ayında Prof. Vitaly Prokopenko ve Eran Greenberg.

Bu malzemelerin pratik uygulamalarını düşünmek için, basıncı ve ayrıca sıcaklığı düşürmeniz gerekecektir, çünkü -23 °C'ye kadar inmek bile pek pratik değildir. Üzerinde çalışmak, dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlarda yıllarca süren tipik küçük adım fiziğidir.

Aynısı uygulamalı araştırma için de geçerlidir. elektronikte manyetik olaylar. Daha yakın zamanlarda, uluslararası bir bilim adamları ekibi, son derece hassas manyetik problar kullanarak, manyetik olmayan oksitten oluşan ince katmanların ara yüzeyinde meydana gelen manyetizmanın, küçük mekanik kuvvetler uygulanarak kolayca kontrol edilebileceğine dair şaşırtıcı kanıtlar buldu. Geçen Aralık ayında Nature Physics'te duyurulan keşif, manyetizmayı kontrol etmenin yeni ve beklenmedik bir yolunu gösteriyor, teorik olarak örneğin daha yoğun manyetik bellek ve spintronik hakkında düşünmeye izin veriyor.

Bu keşif, günümüzde zaten birkaç on nanometre boyutuna sahip olan manyetik bellek hücrelerinin minyatürleştirilmesi için yeni bir fırsat yaratıyor, ancak bilinen teknolojileri kullanarak daha fazla minyatürleştirmeleri zor. Oksit arayüzleri, iki boyutlu iletkenlik ve süper iletkenlik gibi bir dizi ilginç fiziksel olayı birleştirir. Akımın manyetizma yoluyla kontrolü, elektronikte çok umut verici bir alandır. Doğru özelliklere sahip, ancak uygun fiyatlı ve ucuz malzemeleri bulmak, geliştirme konusunda ciddi olmamızı sağlar. spintronik.

o da yorucu elektronikte atık ısı kontrolü. UC Berkeley mühendisleri yakın zamanda, bu tip bir teknolojide daha önce hiç görülmemiş seviyelerde güç üretmek için atık ısıyı geri kazanmak için kullanılabilecek bir ince film malzemesi (film kalınlığı 50-100 nanometre) geliştirdiler. Yeni mühendislik araştırmalarının 100°C'nin altındaki ısı kaynaklarında kullanım için çok uygun olduğunu gösterdiği, piroelektrik güç dönüşümü adı verilen bir süreç kullanır. Bu, bu alandaki araştırmaların en son örneklerinden sadece biridir. Elektronikte enerji yönetimi ile ilgili dünya çapında yüzlerce hatta binlerce araştırma programı bulunmaktadır.

"Neden bilmiyorum ama işe yarıyor"

Yeni malzemelerle deneyler, faz geçişleri ve topolojik fenomenler, çok verimli, zor ve medya için nadiren çekici olan çok umut verici bir araştırma alanıdır. Bu, sözde medyada çok fazla tanıtım almasına rağmen, fizik alanında en sık alıntılanan araştırmalardan biridir. genellikle kazanmazlar.

Malzemelerdeki faz dönüşümleri ile yapılan deneyler bazen beklenmedik sonuçlar getirir, örneğin metal eritme yüksek erime noktalarına sahip oda sıcaklığı. Bir örnek, tipik olarak oda sıcaklığında 1064°C'de eriyen altın numunelerinin bir elektrik alanı ve bir elektron mikroskobu kullanılarak eritilmesindeki son başarıdır. Bu değişiklik tersine çevrilebilirdi çünkü elektrik alanını kapatmak altını tekrar katılaştırabilirdi. Böylece elektrik alanı, sıcaklık ve basınca ek olarak, faz dönüşümlerini etkileyen bilinen faktörlere katılmıştır.

Yoğun çalışma sırasında faz değişiklikleri de gözlendi. lazer ışığı darbeleri. Bu fenomenin çalışmasının sonuçları 2019 yazında Nature Physics dergisinde yayınlandı. Bunu başaracak uluslararası ekip, Nuh Gedik tarafından yönetildi (3), Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde fizik profesörü. Bilim adamları, optik olarak indüklenen erime sırasında, faz geçişinin, malzemede topolojik kusurlar olarak bilinen tekilliklerin oluşumu yoluyla gerçekleştiğini ve bunun da malzemede ortaya çıkan elektron ve kafes dinamiklerini etkilediğini buldular. Bu topolojik kusurlar, Gedik'in yayınında açıkladığı gibi, su gibi sıvılarda meydana gelen küçük girdaplara benzer.

Bilim adamları araştırmaları için bir lantan ve tellür LaTe bileşiği kullandılar.₃. Araştırmacılar, bir sonraki adımın "bu kusurları kontrollü bir şekilde nasıl oluşturabileceklerini" belirlemeye çalışmak olacağını açıklıyor. Potansiyel olarak, bu, veri işlemlerine karşılık gelen sistemdeki kusurları yazmak veya onarmak için ışık darbelerinin kullanılacağı veri depolama için kullanılabilir.

Ve ultra hızlı lazer darbelerine ulaştığımız için, birçok ilginç deneyde ve pratikte potansiyel olarak umut verici uygulamalarda kullanımları, bilimsel raporlarda sıklıkla görülen bir konudur. Örneğin, Rochester Üniversitesi'nde kimya ve fizik bölümünde yardımcı doçent olan Ignacio Franco'dan oluşan grup, son zamanlarda ultra hızlı lazer darbelerinin nasıl kullanılabileceğini gösterdi. maddenin bozucu özellikleri Oraz elektrik akımı üretimi şimdiye kadar bildiğimiz tüm tekniklerden daha hızlı. Araştırmacılar, ince cam filamentleri saniyenin milyarda birinin milyonda biri kadar bir süre boyunca tedavi ettiler. Göz açıp kapayıncaya kadar, camsı malzeme elektriği ileten bir metal gibi bir şeye dönüştü. Bu, uygulanan bir voltajın yokluğunda bilinen herhangi bir sistemden daha hızlı gerçekleşti. Lazer ışınının özellikleri değiştirilerek akışın yönü ve akımın yoğunluğu kontrol edilebilir. Ve kontrol edilebildiği için her elektronik mühendisi ilgiyle bakar.

Franco, Nature Communications'daki bir yayında açıkladı.

Bu fenomenlerin fiziksel doğası tam olarak anlaşılmamıştır. Franco'nun kendisi, aşağıdaki gibi mekanizmalardan şüpheleniyor. keskin etki, yani, bir elektrik alanı ile ışık kuantasının emisyonu veya absorpsiyonunun korelasyonu. Bu fenomenlere dayalı olarak çalışan elektronik sistemler inşa etmek mümkün olsaydı, mühendislik serisinin Nedenini Bilmiyoruz, Ama Çalışıyor adlı başka bir bölümünü alırdık.

Hassasiyet ve küçük boyut

jiroskoplar araçların, dronların, elektronik araçların ve taşınabilir cihazların üç boyutlu uzayda gezinmesine yardımcı olan cihazlardır. Artık her gün kullandığımız cihazlarda yaygın olarak kullanılıyorlar. Başlangıçta, jiroskoplar, her biri kendi ekseni etrafında dönen bir dizi iç içe tekerlekti. Bugün cep telefonlarında, iki özdeş kütleye etki eden, salınım yapan ve zıt yönde hareket eden kuvvetlerdeki değişiklikleri ölçen mikroelektromekanik sensörler (MEMS) buluyoruz.

MEMS jiroskoplarının önemli hassasiyet sınırlamaları vardır. Yani inşa ediyor optik jiroskoplarolarak adlandırılan bir fenomeni kullanan aynı görevler için hareketli parça olmadan Sagnac etkisi. Ancak, şimdiye kadar minyatürleşmelerinde bir sorun vardı. Mevcut en küçük yüksek performanslı optik jiroskoplar, bir pinpon topundan daha büyüktür ve birçok taşınabilir uygulama için uygun değildir. Ancak, Ali Hadjimiri liderliğindeki Caltech Teknoloji Üniversitesi'ndeki mühendisler, yeni bir optik jiroskop geliştirdiler. beş yüz kat daha azşimdiye kadar bilinenler4). Duyarlılığını "adlı yeni bir teknik kullanarak artırır.karşılıklı pekiştirme» Tipik bir Sagnac interferometresinde kullanılan iki ışık demeti arasında. Yeni cihaz, geçtiğimiz Kasım ayında Nature Photonics'te yayınlanan bir makalede anlatılmıştı.

4. Ali Hadjimiri ve meslektaşları tarafından geliştirilen optik jiroskop. 

Doğru bir optik jiroskopun geliştirilmesi, akıllı telefonların yönünü büyük ölçüde iyileştirebilir. Buna karşılık, Columbia Engineering'den bilim adamları tarafından inşa edildi. ilk düz lens ek unsurlara ihtiyaç duymadan geniş bir renk yelpazesini aynı noktaya doğru şekilde odaklayabilmesi, mobil ekipmanın fotoğraf yeteneklerini etkileyebilir. Devrim niteliğindeki mikron inceliğinde düz lens, bir kağıt yaprağından önemli ölçüde daha incedir ve birinci sınıf kompozit lenslerle karşılaştırılabilir performans sunar. Uygulamalı fizik yardımcı doçenti Nanfang Yu liderliğindeki grubun bulguları Nature dergisinde yayınlanan bir çalışmada sunulmaktadır.

Bilim adamları düz lensler yaptılar "metaatomlar". Her metaatom, boyut olarak ışığın dalga boyunun bir kısmıdır ve ışık dalgalarını farklı bir miktarda geciktirir. Bilim adamları, insan saçı kadar kalın bir alt tabaka üzerinde çok ince bir düz nanoyapı tabakası oluşturarak, çok daha kalın ve daha ağır bir geleneksel lens sistemi ile aynı işlevselliği elde edebildiler. Düz ekran TV'lerin CRT TV'lerin yerini aldığı gibi, metaller de hacimli lens sistemlerinin yerini alabilir.

Başka yollar varken neden büyük bir çarpıştırıcı

Küçük adımların fiziği de farklı anlamlara ve anlamlara sahip olabilir. Örneğin - Birçok fizikçinin yaptığı gibi, canavarca büyük tipte yapılar inşa etmek ve daha da büyük yapılar talep etmek yerine, büyük sorulara daha mütevazı araçlarla cevap bulmaya çalışılabilir.

Çoğu hızlandırıcı, elektrik ve manyetik alanlar oluşturarak parçacık ışınlarını hızlandırır. Ancak, bir süre farklı bir teknik denedi - plazma hızlandırıcılarElektronlar, pozitronlar ve iyonlar gibi yüklü parçacıkların, bir elektron plazmasında üretilen bir dalga ile birleştirilmiş bir elektrik alanı kullanılarak hızlandırılması. Son zamanlarda yeni versiyonları üzerinde çalışıyorum. CERN'deki AWAKE ekibi, bir plazma dalgası oluşturmak için protonları (elektronları değil) kullanır. Protonlara geçiş, parçacıkları tek bir hızlanma adımında daha yüksek enerji seviyelerine götürebilir. Plazma uyanış alanı ivmesinin diğer biçimleri, aynı enerji seviyesine ulaşmak için birkaç adım gerektirir. Bilim adamları, proton tabanlı teknolojilerinin gelecekte daha küçük, daha ucuz ve daha güçlü hızlandırıcılar yapmamızı sağlayabileceğine inanıyor.

5. DESY'den iki aşamalı minyatür hızlandırıcı - görselleştirme

Buna karşılık, DESY'den bilim adamları (Deutsches Elektronen-Synchrotron - Alman elektronik synchrotron'un kısaltması) Temmuz ayında parçacık hızlandırıcıların minyatürleştirilmesi alanında yeni bir rekor kırdı. Terahertz hızlandırıcı, enjekte edilen elektronların enerjisini iki katından fazla artırdı (5). Aynı zamanda, kurulum, bu teknikle yapılan önceki deneylere kıyasla elektron ışınının kalitesini önemli ölçüde iyileştirdi.

DESY'de ultra hızlı optik ve X-ray grubu başkanı Franz Kärtner bir basın açıklamasında açıkladı. -

İlgili cihaz, en güçlü modern konvansiyonel hızlandırıcıya benzer şekilde, metre başına maksimum 200 milyon volt (MV/m) yoğunluğa sahip bir hızlanma alanı üretti.

Buna karşılık, yeni, nispeten küçük bir dedektör alfa-g (6), Kanadalı TRIUMF şirketi tarafından inşa edildi ve bu yılın başlarında CERN'e sevk edildi. antimaddenin yerçekimi ivmesini ölçmek. Antimadde, Dünya yüzeyinde bir yerçekimi alanının varlığında +9,8 m/s2 (aşağı), -9,8 m/s2 (yukarı), 0 m/s2 (hiç yerçekimi ivmesi yok) hızlanır mı yoksa biraz diğer değer? İkinci olasılık fizikte devrim yaratacaktır. Küçük bir ALPHA-g aygıtı, "anti-yerçekimi"nin varlığını kanıtlamanın yanı sıra, bizi evrenin en büyük gizemlerine giden bir yola götürebilir.

Daha da küçük bir ölçekte, daha da düşük düzeydeki fenomenleri incelemeye çalışıyoruz. Üstünde saniyede 60 milyar devir Purdue Üniversitesi ve Çin üniversitelerinden bilim adamları tarafından tasarlanabilir. Birkaç ay önce Physical Review Letters'da yayınlanan bir makalede deneyin yazarlarına göre, bu kadar hızlı dönen bir yaratım onların daha iyi anlamalarını sağlayacak. Sırlar .

Aynı aşırı rotasyonda olan nesne, bilim adamlarının silikadan sentezlediği, yaklaşık 170 nanometre genişliğinde ve 320 nanometre uzunluğunda bir nanoparçacıktır. Araştırma ekibi, bir lazer kullanarak bir nesneyi vakumda havaya kaldırdı ve daha sonra onu muazzam bir hızda attı. Bir sonraki adım, vakumda egzotik sürtünme biçimleri de dahil olmak üzere temel fiziksel teorilerin doğru bir şekilde araştırılmasına izin verecek daha yüksek dönme hızlarıyla deneyler yapmak olacaktır. Gördüğünüz gibi, temel gizemlerle yüzleşmek için kilometrelerce boru ve dev dedektörler inşa etmenize gerek yok.

2009'da bilim adamları, laboratuvarda sesi emen özel bir kara delik türü yaratmayı başardılar. O zamandan beri bunlar ses  ışık emici nesnenin laboratuvar analogları olarak yararlı olduğu kanıtlanmıştır. Bu Temmuz ayında Nature dergisinde yayınlanan bir makalede, Technion İsrail Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, sonik bir kara deliği nasıl yarattıklarını ve Hawking radyasyon sıcaklığını nasıl ölçtüklerini anlatıyor. Bu ölçümler Hawking tarafından tahmin edilen sıcaklıkla uyumluydu. Bu nedenle, bir karadeliği keşfetmek için bir kara deliğe sefer yapmaya gerek yok gibi görünüyor.

Daha az verimli görünen bu bilimsel projelerde, özenli laboratuvar çabalarında ve küçük, parçalanmış teorileri test etmek için tekrarlanan deneylerde gizli olup olmadığını kim bilebilir, en büyük soruların cevaplarıdır. Bilim tarihi bunun olabileceğini öğretir.