Le të bëjmë gjërat tona dhe ndoshta do të ketë një revolucion

Zbulime të mëdha, teori të guximshme, zbulime shkencore. Mediat janë plot me formulime të tilla, zakonisht të ekzagjeruara. Diku nën hijen e "fizikës së madhe", LHC, pyetjeve themelore kozmologjike dhe luftës kundër Modelit Standard, studiuesit punëtorë po bëjnë në heshtje punën e tyre, duke menduar për aplikime praktike dhe duke zgjeruar njohuritë tona hap pas hapi.

“Le të bëjmë gjërat tona” sigurisht që mund të jetë slogani i shkencëtarëve të përfshirë në zhvillimin e shkrirjes termonukleare. Sepse, pavarësisht përgjigjeve të mëdha për pyetjet e mëdha, zgjidhja e problemeve praktike, në dukje të parëndësishme që lidhen me këtë proces, është në gjendje të revolucionarizojë botën.

Ndoshta, për shembull, do të jetë e mundur të bëhet shkrirja bërthamore në shkallë të vogël - me pajisje që përshtaten në një tavolinë. Shkencëtarët në Universitetin e Uashingtonit e ndërtuan pajisjen vitin e kaluar Z-majë (1), i cili është i aftë të mbajë një reaksion të shkrirjes brenda 5 mikrosekondave, megjithëse informacioni kryesor mbresëlënës ishte miniaturizimi i reaktorit, i cili është vetëm 1,5 m i gjatë. Z-pinch funksionon duke bllokuar dhe ngjeshur plazmën në një fushë magnetike të fuqishme.

Jo shumë efektive, por potencialisht jashtëzakonisht e rëndësishme përpjekjet për të . Sipas hulumtimit të Departamentit Amerikan të Energjisë (DOE), botuar në tetor 2018 në revistën Physics of Plasmas, reaktorët e shkrirjes kanë aftësinë të kontrollojnë lëkundjet e plazmës. Këto valë shtyjnë grimcat me energji të lartë jashtë zonës së reagimit, duke marrë me vete një pjesë të energjisë së nevojshme për reaksionin e shkrirjes. Një studim i ri i DOE përshkruan simulime kompjuterike të sofistikuara që mund të gjurmojnë dhe parashikojnë formimin e valëve, duke u dhënë fizikantëve aftësinë për të parandaluar këtë proces dhe për të mbajtur nën kontroll grimcat. Shkencëtarët shpresojnë se puna e tyre do të ndihmojë në ndërtim ITER, ndoshta projekti më i famshëm eksperimental i reaktorit të shkrirjes në Francë.

Gjithashtu arritje si p.sh Temperatura e plazmës 100 milionë gradë Celsius, i marrë në fund të vitit të kaluar nga një ekip shkencëtarësh në Institutin Kinez të Fizikës së Plazmës në Tokamak Superpërcjellës të Avancuar Eksperimental (EAST), është një shembull i një përparimi hap pas hapi drejt shkrirjes efikase. Sipas ekspertëve që komentojnë studimin, ai mund të jetë i një rëndësie kyçe në projektin e lartpërmendur ITER, në të cilin Kina merr pjesë së bashku me 35 vende të tjera.

Superpërçuesit dhe elektronika

Një fushë tjetër me potencial të madh, ku po ndërmerren hapa mjaft të vegjël dhe të mundimshëm në vend të përparimeve të mëdha, është kërkimi i superpërçuesve me temperaturë të lartë. (2). Fatkeqësisht, ka shumë alarme false dhe shqetësime të parakohshme. Zakonisht raportet e bujshme mediatike rezultojnë të ekzagjeruara ose thjesht të pavërteta. Edhe në raportet më serioze ka gjithmonë një "por". Ashtu si në një raport të fundit, shkencëtarët në Universitetin e Çikagos kanë zbuluar superpërcjellshmërinë, aftësinë për të përcjellë energjinë elektrike pa humbje në temperaturat më të larta të regjistruara ndonjëherë. Duke përdorur teknologjinë më të fundit në Laboratorin Kombëtar Argonne, një ekip shkencëtarësh vendas studiuan një klasë materialesh në të cilat vëzhguan superpërçueshmërinë në temperatura rreth -23°C. Ky është një kërcim prej rreth 50 gradë nga rekordi i mëparshëm i konfirmuar.

2. Superpërçues në një fushë magnetike

Megjithatë, kapja është se duhet të ushtrosh shumë presion. Materialet që u testuan ishin hidride. Për disa kohë, perhidridi i lantanit ka qenë me interes të veçantë. Në eksperimente, u zbulua se mostrat jashtëzakonisht të hollë të këtij materiali shfaqin superpërçueshmëri nën veprimin e presioneve në rangun nga 150 në 170 gigapascals. Rezultatet u publikuan në maj në revistën Nature, bashkëautor i Prof. Vitaly Prokopenko dhe Eran Greenberg.

Për të menduar për aplikimin praktik të këtyre materialeve, do t'ju duhet të ulni presionin dhe gjithashtu temperaturën, sepse edhe deri në -23 ° C nuk është shumë praktike. Puna mbi të është fizikë tipike me hapa të vegjël, që vazhdon për vite me radhë në laboratorë në mbarë botën.

E njëjta gjë vlen edhe për kërkimin e aplikuar. dukuritë magnetike në elektronikë. Kohët e fundit, duke përdorur sonda magnetike shumë të ndjeshme, një ekip ndërkombëtar shkencëtarësh ka gjetur prova befasuese se magnetizmi që ndodh në ndërfaqen e shtresave të holla të oksidit jomagnetik mund të kontrollohet lehtësisht duke aplikuar forca të vogla mekanike. Zbulimi, i shpallur dhjetorin e kaluar në Nature Physics, tregon një mënyrë të re dhe të papritur për të kontrolluar magnetizmin, duke lejuar teorikisht për të menduar për kujtesën magnetike më të dendur dhe spintronikën, për shembull.

Ky zbulim krijon një mundësi të re për miniaturizimin e qelizave të memories magnetike, të cilat sot tashmë kanë një madhësi prej disa dhjetëra nanometrash, por miniaturizimi i mëtejshëm i tyre duke përdorur teknologji të njohura është i vështirë. Ndërfaqet e oksidit kombinojnë një sërë fenomenesh fizike interesante si përçueshmëria dydimensionale dhe superpërçueshmëria. Kontrolli i rrymës me anë të magnetizmit është një fushë shumë premtuese në elektronikë. Gjetja e materialeve me vetitë e duhura, por të përballueshme dhe të lira, do të na mundësonte të merremi seriozisht me zhvillimin spintronik.

është gjithashtu e lodhshme kontrolli i nxehtësisë së mbeturinave në elektronikë. Inxhinierët e UC Berkeley kanë zhvilluar kohët e fundit një material me shtresë të hollë (trashësia e filmit 50-100 nanometra) që mund të përdoret për të rikuperuar nxehtësinë e mbeturinave për të gjeneruar energji në nivele që nuk janë parë më parë në këtë lloj teknologjie. Ai përdor një proces të quajtur konvertim i fuqisë piroelektrike, për të cilin hulumtimet e reja inxhinierike tregojnë se është i përshtatshëm për përdorim në burimet e nxehtësisë nën 100°C. Ky është vetëm një nga shembujt më të fundit të kërkimit në këtë fushë. Ka qindra apo edhe mijëra programe kërkimore në mbarë botën që lidhen me menaxhimin e energjisë në elektronikë.

"Nuk e di pse, por funksionon"

Eksperimentimi me materiale të reja, tranzicionet e tyre fazore dhe dukuritë topologjike është një fushë shumë premtuese e kërkimit, jo shumë efikase, e vështirë dhe rrallë tërheqëse për mediat. Ky është një nga kërkimet më të cituara në fushën e fizikës, ndonëse ka marrë shumë publicitet në media, të ashtuquajturat. rrjedha kryesore zakonisht nuk fitojnë.

Eksperimentet me transformimet fazore në materiale ndonjëherë sjellin rezultate të papritura, për shembull shkrirja e metaleve me pika të larta shkrirjeje temperatura e dhomës. Një shembull është arritja e fundit e shkrirjes së mostrave të arit, të cilat zakonisht shkrihen në 1064°C në temperaturën e dhomës, duke përdorur një fushë elektrike dhe një mikroskop elektronik. Ky ndryshim ishte i kthyeshëm sepse fikja e fushës elektrike mund të ngurtësonte sërish arin. Kështu, fusha elektrike është bashkuar me faktorët e njohur që ndikojnë në transformimet fazore, përveç temperaturës dhe presionit.

Ndryshimet fazore u vunë re gjithashtu gjatë intensive impulset e dritës lazer. Rezultatet e studimit të këtij fenomeni u publikuan në verën e vitit 2019 në revistën Nature Physics. Ekipi ndërkombëtar për ta arritur këtë u drejtua nga Nuh Gedik (3), profesor i fizikës në Institutin e Teknologjisë në Massachusetts. Shkencëtarët zbuluan se gjatë shkrirjes së induktuar optikisht, tranzicioni fazor ndodh përmes formimit të veçorive në material, të njohura si defekte topologjike, të cilat nga ana tjetër ndikojnë në dinamikën e elektronit dhe rrjetës që rezulton në material. Këto defekte topologjike, siç shpjegoi Gedik në botimin e tij, janë analoge me vorbullat e vogla që ndodhin në lëngje si uji.

Për kërkimin e tyre, shkencëtarët përdorën një përbërje të lantanit dhe teluriumit LaTe.₃. Studiuesit shpjegojnë se hapi tjetër do të jetë përpjekja për të përcaktuar se si ata mund të "gjenerojnë këto defekte në një mënyrë të kontrolluar". Potencialisht, kjo mund të përdoret për ruajtjen e të dhënave, ku impulset e dritës do të përdoren për të shkruar ose riparuar defektet në sistem, të cilat do të korrespondonin me operacionet e të dhënave.

Dhe meqenëse arritëm te impulset me lazer ultra të shpejtë, përdorimi i tyre në shumë eksperimente interesante dhe aplikime potencialisht premtuese në praktikë është një temë që shfaqet shpesh në raportet shkencore. Për shembull, grupi i Ignacio Franco, asistent profesor i kimisë dhe fizikës në Universitetin e Rochester, së fundmi tregoi se si mund të përdoren pulset ultra të shpejta me lazer për të vetitë deformuese të materies Oraz gjenerimi i rrymës elektrike me një shpejtësi më të madhe se çdo teknikë e njohur deri tani. Studiuesit trajtuan filamente të hollë qelqi me një kohëzgjatje prej një të miliontën e një miliarda të sekondës. Sa hap e mbyll sytë, materiali i qelqtë u shndërrua në diçka si një metal që përçon elektricitetin. Kjo ndodhi më shpejt se në çdo sistem të njohur në mungesë të një tensioni të aplikuar. Drejtimi i rrjedhës dhe intensiteti i rrymës mund të kontrollohen duke ndryshuar vetitë e rrezes lazer. Dhe duke qenë se mund të kontrollohet, çdo inxhinier elektronik shikon me interes.

Franco shpjegoi në një botim në Nature Communications.

Natyra fizike e këtyre fenomeneve nuk është kuptuar plotësisht. Vetë Franko dyshon se mekanizmat si efekt i mprehtë, d.m.th., korrelacioni i emetimit ose përthithjes së kuanteve të dritës me një fushë elektrike. Nëse do të ishte e mundur të ndërtonim sisteme elektronike funksionale bazuar në këto fenomene, do të kishim një episod tjetër të serialit inxhinierik të quajtur Ne nuk e dimë pse, por funksionon.

Ndjeshmëria dhe madhësia e vogël

Xhiroskopët janë pajisje që ndihmojnë automjetet, dronët, si dhe shërbimet elektronike dhe pajisjet portative të lundrojnë në hapësirën tredimensionale. Tani ato përdoren gjerësisht në pajisjet që ne përdorim çdo ditë. Fillimisht, xhiroskopët ishin një grup rrotash të mbivendosur, secila prej të cilave rrotullohej rreth boshtit të vet. Sot, në telefonat celularë, gjejmë sensorë mikroelektromekanikë (MEMS) që matin ndryshimet në forcat që veprojnë në dy masa identike, që lëkunden dhe lëvizin në drejtim të kundërt.

Xhiroskopët MEMS kanë kufizime domethënëse të ndjeshmërisë. Pra po ndërtohet xhiroskopët optikë, pa pjesë lëvizëse, për të njëjtat detyra që përdorin një fenomen të quajtur Efekti Sagnac. Mirëpo, deri më tani ekzistonte problemi i miniaturizimit të tyre. Xhiroskopët optikë më të vegjël me performancë të lartë në dispozicion janë më të mëdhenj se një top ping-pongu dhe nuk janë të përshtatshëm për shumë aplikacione portative. Megjithatë, inxhinierët në Universitetin e Teknologjisë Caltech, të udhëhequr nga Ali Hadjimiri, kanë zhvilluar një xhiroskop të ri optik që pesëqind herë më pakajo që dihet deri tani4). Ai rrit ndjeshmërinë e tij përmes përdorimit të një teknike të re të quajtur "përforcimi reciprok» Midis dy rrezeve të dritës që përdoren në një interferometër tipik Sagnac. Pajisja e re u përshkrua në një artikull të botuar në Nature Photonics nëntorin e kaluar.

4. Xhiroskopi optik i zhvilluar nga Ali Hadjimiri dhe kolegët e tij. 

Zhvillimi i një xhiroskopi optik të saktë mund të përmirësojë shumë orientimin e telefonave inteligjentë. Nga ana tjetër, ajo u ndërtua nga shkencëtarët nga Columbia Engineering. lente e parë e sheshtë aftësia për të fokusuar saktë një gamë të gjerë ngjyrash në të njëjtën pikë pa pasur nevojë për elementë shtesë mund të ndikojë në aftësitë fotografike të pajisjeve mobile. Lentja e sheshtë revolucionare e hollë me mikron është dukshëm më e hollë se një fletë letre dhe ofron performancë të krahasueshme me lentet e përbëra premium. Gjetjet e grupit, të udhëhequr nga Nanfang Yu, një asistent profesor i fizikës së aplikuar, janë paraqitur në një studim të botuar në revistën Nature.

Shkencëtarët kanë ndërtuar lente të sheshta nga "metatomet". Çdo metatom është një pjesë e një gjatësi vale të dritës në madhësi dhe vonon valët e dritës me një sasi të ndryshme. Duke ndërtuar një shtresë shumë të hollë të sheshtë nanostrukturash në një nënshtresë të trashë sa një qime njeriu, shkencëtarët ishin në gjendje të arrinin të njëjtin funksionalitet si një sistem lentesh konvencionale shumë më të trashë dhe më të rëndë. Metalenses mund të zëvendësojnë sistemet e lenteve të mëdha në të njëjtën mënyrë që televizorët me ekran të sheshtë kanë zëvendësuar televizorët CRT.

Pse një përplasës i madh kur ka mënyra të tjera

Fizika e hapave të vegjël gjithashtu mund të ketë kuptime dhe kuptime të ndryshme. Për shembull - në vend që të ndërtojmë struktura të tipit monstruoz të madh dhe të kërkojmë struktura edhe më të mëdha, siç bëjnë shumë fizikanë, mund të përpiqemi të gjejmë përgjigje për pyetjet e mëdha me mjete më modeste.

Shumica e përshpejtuesve përshpejtojnë rrezet e grimcave duke gjeneruar fusha elektrike dhe magnetike. Sidoqoftë, për ca kohë ai eksperimentoi me një teknikë të ndryshme - përshpejtuesit e plazmës, nxitimi i grimcave të ngarkuara si elektronet, pozitronet dhe jonet duke përdorur një fushë elektrike të kombinuar me një valë të krijuar në një plazmë elektronike. Kohët e fundit kam punuar në versionin e tyre të ri. Ekipi AWAKE në CERN përdor protone (jo elektrone) për të krijuar një valë plazmatike. Kalimi në protone mund t'i çojë grimcat në nivele më të larta energjie në një hap të vetëm nxitimi. Forma të tjera të përshpejtimit të fushës së zgjimit të plazmës kërkojnë disa hapa për të arritur të njëjtin nivel energjie. Shkencëtarët besojnë se teknologjia e tyre e bazuar në proton mund të na mundësojë të ndërtojmë përshpejtues më të vegjël, më të lirë dhe më të fuqishëm në të ardhmen.

5. Përshpejtues miniaturë me dy faza nga DESY - vizualizimi

Nga ana tjetër, shkencëtarët nga DESY (shkurt për Deutsches Elektronen-Synchrotron - synchrotron elektronik gjerman) vendosën një rekord të ri në fushën e miniaturizimit të përshpejtuesve të grimcave në korrik. Përshpejtuesi terahertz dyfishoi energjinë e elektroneve të injektuar (5). Në të njëjtën kohë, konfigurimi përmirësoi ndjeshëm cilësinë e rrezes së elektronit në krahasim me eksperimentet e mëparshme me këtë teknikë.

Franz Kärtner, kreu i grupit të optikës ultra të shpejtë dhe rrezeve X në DESY, shpjegoi në një deklaratë për shtyp. -

Pajisja shoqëruese prodhoi një fushë përshpejtuese me një intensitet maksimal prej 200 milion volt për metër (MV/m) - e ngjashme me përshpejtuesin më të fuqishëm modern konvencional.

Nga ana tjetër, një detektor i ri, relativisht i vogël ALFA-g (6), e ndërtuar nga kompania kanadeze TRIUMF dhe e dërguar në CERN në fillim të këtij viti, ka për detyrë të matja e nxitimit gravitacional të antimateries. A përshpejtohet antimateria në prani të një fushe gravitacionale në sipërfaqen e Tokës me +9,8 m/s2 (poshtë), me -9,8 m/s2 (lart), me 0 m/s2 (pa nxitim gravitacional fare), apo ka disa vlerë tjetër? Mundësia e fundit do të revolucionarizonte fizikën. Një aparat i vogël ALPHA-g, përveçse provon ekzistencën e "anti-gravitetit", mund të na çojë në një rrugë që të çon në misteret më të mëdha të universit.

Në një shkallë edhe më të vogël, ne po përpiqemi të studiojmë fenomene të një niveli edhe më të ulët. sipër 60 miliardë rrotullime në sekondë mund të projektohet nga shkencëtarë nga Universiteti Purdue dhe universitetet kineze. Sipas autorëve të eksperimentit në një artikull të botuar disa muaj më parë në Physical Review Letters, një krijim i tillë me rrotullim të shpejtë do t'i lejojë ata të kuptojnë më mirë sekretet .

Objekti, i cili është në të njëjtin rrotullim ekstrem, është një nanogrimcë rreth 170 nanometra e gjerë dhe 320 nanometra e gjatë, të cilën shkencëtarët e sintetizuan nga silica. Ekipi hulumtues ngriti një objekt në një vakum duke përdorur një lazer, i cili më pas e pulsoi atë me një shpejtësi të jashtëzakonshme. Hapi tjetër do të jetë kryerja e eksperimenteve me shpejtësi rrotullimi edhe më të larta, të cilat do të lejojnë kërkime të sakta të teorive bazë fizike, duke përfshirë format ekzotike të fërkimit në vakum. Siç mund ta shihni, nuk keni nevojë të ndërtoni kilometra tuba dhe detektorë gjigantë për t'u përballur me misteret themelore.

Në vitin 2009, shkencëtarët arritën të krijojnë një lloj të veçantë vrime të zezë në laborator që thith zërin. Që atëherë këto të shëndoshë  rezultoi të jetë i dobishëm si analoge laboratorike të objektit që thith dritën. Në një punim të botuar në revistën Nature këtë korrik, studiuesit në Institutin e Teknologjisë Technion Israel përshkruajnë se si krijuan një vrimë të zezë zanore dhe matën temperaturën e saj të rrezatimit Hawking. Këto matje ishin në përputhje me temperaturën e parashikuar nga Hawking. Kështu, duket se nuk është e nevojshme të bësh një ekspeditë në një vrimë të zezë për ta eksploruar atë.

Kush e di nëse fshihen në këto projekte shkencore në dukje më pak efikase, në përpjekjet e mundimshme laboratorike dhe eksperimentet e përsëritura për të testuar teori të vogla dhe të fragmentuara, janë përgjigjet e pyetjeve më të mëdha. Historia e shkencës mëson se kjo mund të ndodhë.