Aoka isika hanao ny anjarantsika fa mety hisy revolisiona hivoaka

Великие открытия, смелые теории, научные прорывы. СМИ пестрят такого рода формулировками, обычно преувеличенными. Где-то в тени «великой физики», БАК, фундаментальных космологических вопросов и борьбы со Стандартной моделью трудолюбивые исследователи молча делают свое дело, думая о практических приложениях и шаг за шагом расширяя область наших знаний.

«Давайте делать свое дело», безусловно, может быть лозунгом ученых, занимающихся освоением термоядерного синтеза. Ибо, несмотря на великие ответы на большие вопросы, решение практических, казалось бы, незначительных проблем, связанных с этим процессом, способно революционизировать мир.

Возможно, например, удастся заняться маломасштабным ядерным синтезом — с оборудованием, которое умещается на столе. Ученые из Вашингтонского университета построили устройство в прошлом году Z-пинч (1), который способен поддерживать реакцию синтеза в течение 5 микросекунд, хотя главной впечатляющей информацией стала миниатюризация реактора, длина которого составляет всего 1,5 м. Z-пинч работает, захватывая и сжимая плазму в мощном магнитном поле.

Не очень эффективно, но потенциально чрезвычайно важно усилия для . Согласно результатам исследований Министерства энергетики США (DOE), опубликованным в октябре 2018 года в журнале Physics of Plasmas, в термоядерных реакторах есть возможность управлять колебанием плазмы. Эти волны выталкивают высокоэнергетические частицы из зоны реакции, унося с собой часть энергии, необходимой для реакции синтеза. Новое исследование Министерства энергетики описывает сложные компьютерные симуляции, которые могут отслеживать и прогнозировать формирование волн, давая физикам возможность предотвращать этот процесс и держать частицы под контролем. Ученые надеются, что их работа поможет в строительстве ITER, пожалуй, самый известный проект экспериментального термоядерного реактора во Франции.

Также такие достижения, как температура плазмы 100 миллионов градусов Цельсия, полученный в конце прошлого года группой ученых Китайского института физики плазмы в экспериментальном усовершенствованном сверхпроводящем токамаке (EAST), является примером пошагового продвижения к эффективному термоядерному синтезу. По мнению экспертов, комментирующих исследование, оно может иметь ключевое значение в вышеупомянутом проекте ИТЭР, в котором Китай участвует вместе с 35 другими странами.

Сверхпроводники и электроника

Еще одна область с большим потенциалом, где вместо больших прорывов идут довольно маленькие, кропотливые шаги, — это поиск высокотемпературных сверхпроводников. (2). К сожалению, очень много ложных тревог и преждевременных волнений. Обычно восторженные сообщения СМИ оказываются преувеличением или просто не соответствуют действительности. Даже в более серьезных отчетах всегда есть «но». Как и в недавнем отчете, ученые из Чикагского университета открыли сверхпроводимость, способность проводить электричество без потерь при самых высоких температурах, когда-либо зарегистрированных. Используя передовые технологии в Аргоннской национальной лаборатории, группа местных специалистов изучила класс материалов, в которых они наблюдали сверхпроводимость при температурах около -23°C. Это скачок примерно на 50 градусов по сравнению с предыдущим подтвержденным рекордом.

2. Сверхпроводник в магнитном поле

Загвоздка, однако, в том, что вы должны оказывать огромное давление. Материалы, которые были протестированы, представляли собой гидриды. В течение некоторого времени особый интерес вызывал пергидрид лантана. В экспериментах выяснилось, что чрезвычайно тонкие образцы этого материала проявляют сверхпроводимость под действием давлений в диапазоне от 150 до 170 гигапаскалей. Результаты были опубликованы в мае в журнале Nature, в соавторстве с проф. Виталий Прокопенко и Эран Гринберг.

Чтобы подумать о практическом применении этих материалов, вам придется понизить давление и еще температуру, потому что даже до -23 ° C не очень практично. Работа над ним представляет собой типичную физику маленьких шагов, продолжающуюся годами в лабораториях по всему миру.

То же самое относится и к прикладным исследованиям. магнитные явления в электронике. Совсем недавно, используя высокочувствительные магнитные зонды, международная группа ученых обнаружила удивительные доказательства того, что магнетизм, возникающий на границе раздела тонких слоев немагнитного оксида, можно легко регулировать, применяя небольшие механические усилия. Это открытие, анонсированное в издании «Nature Physics» в декабре прошлого года, показывает новый и неожиданный способ управления магнетизмом, теоретически позволяющий задуматься, например, о более плотной магнитной памяти и спинтронике.

Это открытие создает новую возможность для миниатюризации ячеек магнитной памяти, которые сегодня уже имеют размер в несколько десятков нанометров, но их дальнейшая миниатюризация с помощью известных технологий затруднительна. Интерфейсы оксидов сочетают в себе ряд интересных физических явлений, таких как двумерная проводимость и сверхпроводимость. Управление током с помощью магнетизма — очень многообещающая область в электронике. Нахождение материалов с нужными свойствами, и в то же время доступных и дешевых, позволило бы нам серьезно заняться разработкой спинтроник.

это тоже утомительно борьба с отходящим теплом в электронике. Инженеры Калифорнийского университета в Беркли недавно разработали тонкопленочный материал (толщина пленки 50-100 нанометров), который можно использовать для рекуперации отработанного тепла для выработки энергии на уровне, невиданном ранее в технологиях такого типа. В нем используется процесс, называемый пироэлектрическим преобразованием энергии, который, как показывают новые исследования инженеров, хорошо подходит для использования в источниках тепла с температурой ниже 100°C. Это лишь один из последних примеров исследований в этой области. В мире существуют сотни или даже тысячи исследовательских программ, связанных с управлением энергопотреблением в электронике.

«Не знаю почему, но это работает»

Экспериментирование с новыми материалами, их фазовыми переходами и топологическими явлениями — очень многообещающая область исследований, не очень эффективная, трудная и редко привлекательная для СМИ. Это одно из наиболее часто цитируемых исследований в области физики, хотя и получившее большую огласку в СМИ, т.н. мейнстрим они обычно не побеждают.

Эксперименты с фазовыми превращениями в материалах иногда приносят неожиданные результаты, например плавка металла с высокими температурами плавления в hafanan'ny efitra. Примером может служить недавнее достижение плавления образцов золота, которые обычно плавятся при 1064°С при комнатной температуре, с использованием электрического поля и электронного микроскопа. Это изменение было обратимым, потому что отключение электрического поля может снова затвердеть золото. Таким образом, электрическое поле присоединилось к известным факторам, влияющим на фазовые превращения, помимо температуры и давления.

Фазовые изменения также наблюдались при интенсивном импульсы лазерного света. Результаты исследования этого явления были опубликованы летом 2019 года в журнале Nature Physics. Международную команду для достижения этого возглавил Нух Гедик (3), профессор физики Массачусетского технологического института. Ученые обнаружили, что во время оптически индуцированного плавления фазовый переход происходит за счет образования сингулярностей в материале, известных как топологические дефекты, которые, в свою очередь, влияют на результирующую динамику электронов и решетки в материале. Эти топологические дефекты, как объяснил Гедик в своей публикации, аналогичны крошечным вихрям, возникающим в таких жидкостях, как вода.

Для своих исследований ученые использовали соединение лантана и теллура LaTe.₃. Исследователи объясняют, что следующим шагом будет попытка определить, как они могут «генерировать эти дефекты контролируемым образом». Потенциально это можно было бы использовать для хранения данных, где световые импульсы использовались бы для записи или устранения дефектов в системе, что соответствовало бы операциям с данными.

А раз уж мы добрались до сверхбыстрых лазерных импульсов, то их использование во многих интересных экспериментах и ​​потенциально перспективное применение на практике — тема, которая часто появляется в научных отчетах. Например, группа Игнасио Франко, доцента кафедры химии и физики Рочестерского университета, недавно показала, как можно использовать сверхбыстрые лазерные импульсы для искажающие свойства материи Oraz генерация электрического тока со скоростью, превышающей любую технику, известную нам до сих пор. Исследователи лечили тонкие стеклянные нити длительностью в одну миллионную миллиардную долю секунды. В мгновение ока стеклянный материал превратился во что-то похожее на металл, проводящее электричество. Это происходило быстрее, чем в любой известной системе при отсутствии приложенного напряжения. Направление потока и интенсивность тока можно контролировать, изменяя свойства лазерного луча. А так как им можно управлять, каждый электронщик смотрит с интересом.

– пояснил Франко в публикации в “Nature Communications”.

Физическая природа этих явлений до конца не изучена. Сам Франко подозревает, что механизмы, подобные эффект Старка, т. е. корреляцию испускания или поглощения квантов света с электрическим полем. Если бы можно было построить работающие электронные системы, основанные на этих явлениях, у нас был бы еще один эпизод инженерного сериала под названием «Мы не знаем почему, но это работает».

Чувствительность и небольшой размер

Гироскопы — это устройства, которые помогают транспортным средствам, дронам, а также электронным утилитам и портативным устройствам ориентироваться в трехмерном пространстве. Сейчас они широко используются в устройствах, которыми мы пользуемся каждый день. Первоначально гироскопы представляли собой наборы вложенных друг в друга колес, каждое из которых вращалось вокруг своей оси. Сегодня в мобильных телефонах мы находим микроэлектромеханические датчики (МЭМС), которые измеряют изменения сил, действующих на две одинаковые массы, колеблющиеся и движущиеся в противоположном направлении.

Гироскопы MEMS имеют существенные ограничения по чувствительности. Так что это строится оптические гироскопы, без движущихся частей, для тех же задач, в которых используется явление, называемое эффект Саньяка. Однако до сих пор существовала проблема их миниатюризации. Самые маленькие из доступных высокопроизводительных оптических гироскопов больше шарика для пинг-понга и не подходят для многих портативных приложений. Однако инженеры Технологического университета Калифорнийского технологического института под руководством Али Хаджимири разработали новый оптический гироскоп, который в пятьсот раз меньшечем известно до сих пор (4). Он усиливает свою чувствительность благодаря использованию новой техники под названием «взаимное усиление»Между двумя лучами света, которые используются в типичном интерферометре Саньяка. Новое устройство было описано в статье, опубликованной в «Nature Photonics» в ноябре прошлого года.

4. Оптический гироскоп, разработанный Али Хаджимири и его коллегами. 

Разработка точного оптического гироскопа может значительно улучшить ориентацию смартфонов. В свою очередь, его построили ученые из Columbia Engineering. первая плоская линза способны правильно фокусировать широкий диапазон цветов в одной и той же точке без необходимости использования дополнительных элементов, могут повлиять на фотографические возможности мобильного оборудования. Революционная плоская линза микронной толщины значительно тоньше листа бумаги и обеспечивает производительность, сравнимую с первоклассными композитными линзами. Выводы группы под руководством Наньфанга Ю, доцента прикладной физики, представлены в исследовании, опубликованном в журнале Nature.

Ученые построили плоские линзы из «метаатомы«. Каждый метаатом представляет собой часть длины волны света по размеру и задерживает световые волны на разную величину. Построив очень тонкий плоский слой наноструктур на подложке толщиной с человеческий волос, ученые смогли добиться тех же функций, что и гораздо более толстая и тяжелая обычная система линз. Металинзы могут заменить громоздкие линзовые системы так же, как телевизоры с плоским экраном заменили телевизоры с электронно-лучевой трубкой.

Зачем большой коллайдер, когда есть другие пути

Физика маленьких шагов тоже может иметь разный смысл и значение. Например – вместо того, чтобы строить чудовищно большие структуры типа и требовать еще больших, как это делают многие физики, можно попытаться найти ответы на большие вопросы с помощью более скромных инструментов.

Большинство ускорителей ускоряют пучки частиц, создавая электрические и магнитные поля. Однако в течение некоторого времени он экспериментировал с другой техникой – плазменные ускорители, ускорение заряженных частиц, таких как электроны, позитроны и ионы, с использованием электрического поля в сочетании с волной, генерируемой в электронной плазме. В последнее время работаю над их новой версией. Команда AWAKE в ЦЕРНе использует протоны (а не электроны) для создания плазменной волны. Переход на протоны может перевести частицы на более высокие энергетические уровни за один шаг ускорения. Другие формы ускорения пробуждающего поля плазмы требуют нескольких шагов для достижения того же уровня энергии. Ученые считают, что их технология на основе протонов может позволить нам в будущем создавать ускорители меньшего размера, дешевле и мощнее.

5. Двухступенчатый миниатюрный ускоритель от DESY — визуализация

В свою очередь ученые из DESY (сокращение от Deutsches Elektronen-Synchrotron — немецкий электронный синхротрон) установили в июле новый рекорд в области миниатюризации ускорителей частиц. Ускоритель, работающий на терагерцовых волнах, более чем удвоил энергию инжектированных электронов (5). В то же время установка значительно улучшила качество электронного пучка по сравнению с предыдущими экспериментами с этой методикой.

— пояснил в пресс-релизе Франц Кертнер, возглавляющий группу сверхбыстрой оптики и рентгена в DESY. –

Связанное устройство создавало ускоряющее поле с максимальной интенсивностью 200 миллионов вольт на метр (МВ/м) — сродни самому современному мощному обычному ускорителю.

В свою очередь, новый, относительно небольшой детектор АЛЬФА-г (6), построенный на канадском предприятии TRIUMF и отправленный в ЦЕРН в начале этого года, имеет задачу измерить гравитационное ускорение антивещества. Ускоряется ли антивещество в присутствии гравитационного поля на поверхности Земли на +9,8 м/с2 (вниз), на -9,8 м/с2 (вверх), на 0 м/с2 (полностью отсутствует гравитационное ускорение) или имеет некоторое другое значение? Последняя возможность произвела бы революцию в физике. Небольшой аппарат АЛЬФА-г может, помимо доказательства существования «антигравитации», вывести нас на путь, ведущий к величайшим тайнам Вселенной.

В еще меньшем масштабе мы пытаемся изучать явления еще более низкого уровня. Над 60 миллиардов оборотов в секунду его могут сконструировать ученые из Университета Пердью и китайских университетов. Как утверждают авторы эксперимента в статье, опубликованной несколько месяцев назад в «Physical Review Letters», такое быстро вращающееся творение позволит им лучше узнать zava-miafina .

Объект, находящийся в таком же экстремальном вращении, представляет собой наночастицу шириной около 170 нанометров и длиной 320 нанометров, которую ученые синтезировали из кремнезема. Исследовательская группа левитировала объект в вакууме с помощью лазера, который затем приводил его в импульс с огромной скоростью вращения. Следующим шагом будет проведение экспериментов с еще более высокими скоростями вращения, что позволит проводить точные исследования основных физических теорий, включая экзотические формы трения в вакууме. Как видите, вам не нужно строить многокилометровые трубы и гигантские детекторы, чтобы столкнуться с фундаментальными тайнами.

В 2009 году ученым удалось создать в лаборатории особый вид черной дыры, поглощающей звук. С тех пор эти feo  оказались полезными в качестве лабораторных аналогов светопоглощающего объекта. В статье, опубликованной в журнале Nature в июле этого года, исследователи из Израильского технологического института Технион описывают, как они создали звуковую черную дыру и измерили ее температуру излучения Хокинга. Эти измерения соответствовали температуре, предсказанной Хокингом. Таким образом, кажется, что не обязательно совершать экспедицию к черной дыре, чтобы исследовать ее.

Кто знает, не скрыты ли в этих, казалось бы, менее эффективных научных проектах, в кропотливых лабораторных усилиях и повторных экспериментах по проверке маленьких, фрагментарных теорий ответы на самые большие вопросы. История науки учит, что это может произойти.