Өз ісімізді істейік, мүмкін революция болады

Ұлы жаңалықтар, батыл теориялар, ғылыми жаңалықтар. Бұқаралық ақпарат құралдары мұндай тұжырымдарға толы, әдетте әсірелеу. Бір жерде «ұлы физика», LHC, іргелі космологиялық мәселелер және Стандартты үлгіге қарсы күрес көлеңкесінде, еңбекқор зерттеушілер үнсіз өз жұмыстарын істеп, практикалық қолданулар туралы ойланып, білімімізді кезең-кезеңімен кеңейтуде.

Термоядролық синтезді жасауға атсалысқан ғалымдардың ұраны «өз ісімізді істейік» болуы мүмкін. Өйткені, үлкен сұрақтарға үлкен жауаптар болғанымен, осы процеске байланысты практикалық, елеусіз болып көрінетін мәселелерді шешу әлемді революциялауға қабілетті.

Мүмкін, мысалы, үстелге сәйкес келетін жабдықпен шағын ауқымды ядролық синтезді жасауға болады. Вашингтон университетінің ғалымдары құрылғыны өткен жылы құрастырған Z-шымшу (1), ол 5 микросекунд ішінде синтез реакциясын сақтауға қабілетті, дегенмен негізгі әсерлі ақпарат ұзындығы небәрі 1,5 м болатын реактордың миниатюризациясы болды.Z-pinch плазманы қуатты магнит өрісінде ұстау және қысу арқылы жұмыс істейді.

Өте тиімді емес, бірақ өте маңызды талпыныстары . 2018 жылдың қазан айында Physics of Plasmas журналында жарияланған АҚШ Энергетика министрлігінің (DOE) зерттеулеріне сәйкес, синтездік реакторлар плазмалық тербелістерді басқару мүмкіндігіне ие. Бұл толқындар жоғары энергиялы бөлшектерді реакция аймағынан итеріп, синтез реакциясына қажетті энергияның бір бөлігін өздерімен бірге алып кетеді. Жаңа DOE зерттеулері толқындардың пайда болуын бақылай алатын және болжай алатын күрделі компьютерлік модельдеуді сипаттайды, бұл физиктерге процестің алдын алуға және бөлшектерді бақылауда ұстауға мүмкіндік береді. Ғалымдар олардың жұмыстары құрылысқа көмектеседі деп үміттенеді ITER, Франциядағы ең танымал эксперименттік синтез реакторы жобасы.

сияқты жетістіктер де бар плазма температурасы 100 миллион градус ЦельсийӨткен жылдың соңында Қытайдың плазма физикасы институтының эксперименталды жетілдірілген суперөткізгіш Токамакта (EAST) ғалымдар тобы алған , тиімді синтезге қарай қадамдық прогрестің мысалы болып табылады. Зерттеуге түсініктеме берген сарапшылардың пікірінше, бұл Қытай басқа 35 елмен бірге қатысатын жоғарыда аталған ITER жобасында маңызды болуы мүмкін.

Асқын өткізгіштер және электроника

Үлкен серпілістердің орнына шағын, қажырлы қадамдар жасалып жатқан үлкен әлеуеті бар тағы бір сала - жоғары температуралы асқын өткізгіштерді іздеу. (2). Өкінішке орай, жалған дабылдар мен мезгілсіз уайымдар көп. Әдетте бұқаралық ақпарат құралдарының мақтаныштары асыра сілтеу немесе жай ғана шындыққа жанаспайды. Тіпті маңызды есептерде әрқашан «бірақ» болады. Чикаго университетінің ғалымдары соңғы есептегідей, аса жоғары өткізгіштікті, бұрын-соңды тіркелген ең жоғары температурада электр тогын жоғалтпай өткізу қабілетін ашты. Аргонна ұлттық зертханасында озық технологияны пайдалана отырып, жергілікті ғалымдар тобы -23°C шамасында асқын өткізгіштікті байқаған материалдар класын зерттеді. Бұл бұрынғы расталған рекордтан шамамен 50 градусқа секіру.

2. Магнит өрісіндегі асқын өткізгіш

Дегенмен, сіз көп қысым жасауыңыз керек. Сыналған материалдар гидридтер болды. Біраз уақыттан бері лантан пергидриді ерекше қызығушылық тудырды. Тәжірибе көрсеткендей, бұл материалдың өте жұқа үлгілері 150-ден 170 гигапаскальға дейінгі қысымда асқын өткізгіштікке ие болады. Нәтижелер мамыр айында Nature журналында жарияланған, проф. Виталий Прокопенко және Эран Гринберг.

Бұл материалдарды практикалық қолдану туралы ойлану үшін қысымды, сондай-ақ температураны төмендетуге тура келеді, өйткені тіпті -23 ° C дейін өте практикалық емес. Онымен жұмыс - бұл бүкіл әлем бойынша зертханаларда жылдар бойы жүргізілетін әдеттегі шағын қадам физикасы.

Бұл қолданбалы зерттеулерге де қатысты. электроникадағы магниттік құбылыстар. Жақында өте сезімтал магниттік зондтарды пайдалана отырып, халықаралық ғалымдар тобы магниттік емес оксидтің жұқа қабаттарының интерфейсінде пайда болатын магнетизмді шағын механикалық күштерді қолдану арқылы оңай басқаруға болатынының таңқаларлық дәлелдерін тапты. Өткен желтоқсанда Табиғат физикасында жарияланған жаңалық, мысалы, тығыз магниттік жады мен спинтроника туралы ойлауға теориялық мүмкіндік беретін магнетизмді басқарудың жаңа және күтпеген әдісін көрсетеді.

Бұл жаңалық магниттік жады ұяшықтарын миниатюризациялаудың жаңа мүмкіндігін тудырады, олардың бүгінгі күні бірнеше ондаған нанометрлік өлшемдері бар, бірақ белгілі технологияларды қолдана отырып, оларды одан әрі миниатюризациялау қиын. Оксидті интерфейстер екі өлшемді өткізгіштік және асқын өткізгіштік сияқты бірқатар қызықты физикалық құбылыстарды біріктіреді. Магнитизм арқылы токты басқару электроникада өте перспективалы сала болып табылады. Тиісті қасиеттері бар, бірақ қол жетімді және арзан материалдарды табу бізге дамуға байыпты қарауға мүмкіндік береді спинтрондық.

ол да шаршатады электроникада қалдық жылуды бақылау. Жақында Беркли UC инженерлері жұқа пленкалы материалды (пленка қалыңдығы 50-100 нанометр) әзірледі, оны осы технология түрінде бұрын-соңды болмаған деңгейде қуат өндіру үшін қалдық жылуды қалпына келтіру үшін пайдалануға болады. Ол пироэлектр қуатын түрлендіру деп аталатын процесті пайдаланады, жаңа инженерлік зерттеулер оны 100°C-тан төмен жылу көздерінде пайдалануға өте қолайлы екенін көрсетеді. Бұл осы саладағы зерттеулердің соңғы үлгілерінің бірі ғана. Әлемде электроникадағы энергияны басқаруға қатысты жүздеген, тіпті мыңдаған зерттеу бағдарламалары бар.

«Неге екенін білмеймін, бірақ ол жұмыс істейді»

Жаңа материалдармен, олардың фазалық ауысуларымен және топологиялық құбылыстармен тәжірибе жасау - бұл өте тиімді емес, қиын және сирек БАҚ үшін тартымды емес, өте перспективалы зерттеу саласы. Бұл физика саласындағы ең жиі келтірілген зерттеулердің бірі, бірақ ол бұқаралық ақпарат құралдарында көп жарияланды. олар әдетте жеңбейді.

Материалдардағы фазалық түрлендірулермен эксперименттер кейде күтпеген нәтижелер әкеледі, мысалы металл балқыту жоғары балқу нүктелерімен бөлме температурасы. Мысал ретінде электр өрісі мен электронды микроскопты пайдалана отырып, әдетте бөлме температурасында 1064°C балқитын алтын үлгілерін балқытудың соңғы жетістігі мысал бола алады. Бұл өзгеріс қайтымды болды, өйткені электр өрісін өшіру алтынды қайтадан қатайтуы мүмкін. Осылайша, электр өрісі температура мен қысымнан басқа фазалық өзгерістерге әсер ететін белгілі факторларға қосылды.

Фазалық өзгерістер қарқынды кезінде де байқалды лазер сәулесінің импульсі. Бұл құбылысты зерттеу нәтижелері 2019 жылдың жазында Nature Physics журналында жарияланған. Бұған жету үшін халықаралық команданы Нух Гедик басқарды (3), Массачусетс технологиялық институтының физика профессоры. Ғалымдар оптикалық индукцияланған балқу кезінде фазалық ауысу материалдағы топологиялық ақаулар деп аталатын ерекшеліктердің қалыптасуы арқылы жүзеге асатынын, бұл өз кезегінде материалдағы нәтижесінде пайда болатын электрон және тор динамикасына әсер ететінін анықтады. Бұл топологиялық ақаулар, Гедик өз басылымында түсіндіргендей, су сияқты сұйықтықтарда болатын ұсақ құйындыларға ұқсас.

Ғалымдар зерттеу үшін лантан мен теллур LaTe қосылысын пайдаланды.₃. Зерттеушілер келесі қадам олардың «бұл ақауларды бақыланатын жолмен тудыруы» мүмкін екенін анықтауға тырысатынын түсіндіреді. Әлеуетті түрде бұл деректерді сақтау үшін пайдаланылуы мүмкін, мұнда жарық импульстері деректер операцияларына сәйкес келетін жүйедегі ақауларды жазу немесе жөндеу үшін пайдаланылады.

Біз өте жылдам лазерлік импульстарға қол жеткізгендіктен, оларды көптеген қызықты эксперименттерде және тәжірибеде әлеуетті перспективалы қолданбаларда пайдалану ғылыми есептер жиі кездесетін тақырып болып табылады. Мысалы, жақында Рочестер университетінің химия және физика кафедрасының доценті Игнасио Франко тобы ультра жылдам лазерлік импульстарды қалай қолдануға болатындығын көрсетті. заттың қасиеттерін бұзу ораз электр тогын өндіру осы уақытқа дейін бізге белгілі кез келген техникадан жылдамырақ. Зерттеушілер секундтың миллиардтан бір миллионнан бір бөлігін құрайтын жұқа шыны жіптерді өңдеді. Көзді ашып-жұмғанша шыны тәрізді материал электр тогын өткізетін металға ұқсайды. Бұл қолданылатын кернеу болмаған кезде кез келген белгілі жүйеге қарағанда жылдамырақ болды. Ағынның бағыты мен токтың қарқындылығын лазер сәулесінің қасиеттерін өзгерту арқылы басқаруға болады. Оны басқаруға болатындықтан, әрбір электроника инженері қызығушылықпен қарайды.

Франко Nature Communications басылымында түсіндірді.

Бұл құбылыстардың физикалық табиғаты толық зерттелмеген. Франконың өзі сияқты механизмдер күдіктенеді қатал әсер, яғни жарық кванттарының сәулеленуінің немесе жұтылуының электр өрісімен корреляциясы. Егер осы құбылыстардың негізінде жұмыс істейтін электронды жүйелерді құру мүмкін болса, бізде инженерлік серияның «Неге екенін білмейміз, бірақ ол жұмыс істейді» деп аталатын тағы бір эпизоды болар еді.

Сезімталдық және шағын өлшем

Гироскоптар көліктерге, дрондарға, сондай-ақ электронды утилиталарға және портативті құрылғыларға үш өлшемді кеңістікте жүруге көмектесетін құрылғылар. Қазір олар күнделікті қолданатын құрылғыларда кеңінен қолданылады. Бастапқыда гироскоптар әрқайсысы өз осінің айналасында айналатын кірістірілген дөңгелектердің жиынтығы болды. Бүгінгі таңда ұялы телефондарда тербеліс пен қарама-қарсы бағытта қозғалатын екі бірдей массаға әсер ететін күштердің өзгеруін өлшейтін микроэлектромеханикалық сенсорларды (MEMS) табамыз.

MEMS гироскоптарының сезгіштікке айтарлықтай шектеулері бар. Осылайша салынып жатыр оптикалық гироскоптар, қозғалатын бөліктері жоқ, деп аталатын құбылысты пайдаланатын бірдей тапсырмалар үшін Сагнак әсері. Дегенмен, осы уақытқа дейін оларды миниатюризациялау мәселесі болды. Қол жетімді ең кішкентай жоғары өнімді оптикалық гироскоптар үстел теннисі допынан үлкенірек және көптеген портативті қолданбалар үшін жарамсыз. Алайда Али Хаджимири басқаратын Калтех технологиялық университетінің инженерлері жаңа оптикалық гироскопты жасап шығарды. бес жүз есе азосы уақытқа дейін белгілі4). Ол жаңа техниканы қолдану арқылы сезімталдығын арттырады.өзара күшейту» Әдеттегі Sagnac интерферометрінде қолданылатын екі жарық шоғырының арасында. Жаңа құрылғы Nature Photonics-те өткен қарашада жарияланған мақалада сипатталған.

4. Али Хаджимири және оның әріптестері жасаған оптикалық гироскоп. 

Дәл оптикалық гироскопты жасау смартфондардың бағдарын айтарлықтай жақсарта алады. Өз кезегінде оны Columbia Engineering ғалымдары салған. бірінші жалпақ линза Қосымша элементтерді қажет етпей бір нүктеде кең ауқымды түстерді дұрыс фокустай алатын мобильді жабдықтың фотографиялық мүмкіндіктеріне әсер етуі мүмкін. Революциялық микрон жұқа жалпақ линза қағаз парағынан айтарлықтай жұқа және премиум композиттік линзалармен салыстырылатын өнімділік береді. Қолданбалы физика кафедрасының ассистенті Нанфан Ю басқаратын топтың нәтижелері Nature журналында жарияланған зерттеуде ұсынылған.

Ғалымдар жалпақ линзаларды құрастырды.метаатомдар«. Әрбір метаатом мөлшері бойынша жарық толқын ұзындығының бір бөлігі болып табылады және жарық толқындарын басқа мөлшерде кешіктіреді. Адам шашындай қалың субстратқа наноқұрылымдардың өте жұқа жалпақ қабатын салу арқылы ғалымдар әлдеқайда қалың және ауыр әдеттегі линзалар жүйесі сияқты бірдей функционалдылыққа қол жеткізе алды. Metalens компаниясы жалпақ экранды теледидарлар катодты сәулелік түтік теледидарларды ауыстырғандай, көлемді линзалар жүйелерін ауыстыра алады.

Басқа жолдар болған кезде неге үлкен коллайдер

Кіші қадамдар физикасы да әртүрлі мағыналар мен мағыналарға ие болуы мүмкін. Мысалы - Көптеген физиктер сияқты құбыжық үлкен типті құрылымдарды салу және одан да үлкендерін талап етудің орнына қарапайым құралдармен үлкен сұрақтарға жауап табуға тырысуға болады.

Көптеген үдеткіштер электр және магнит өрістерін генерациялау арқылы бөлшектер шоқтарын үдетеді. Алайда, ол біраз уақыт басқа техникамен тәжірибе жасады - плазмалық үдеткіштер, электрондар, позитрондар және иондар сияқты зарядталған бөлшектердің электрон плазмасында пайда болған толқынмен біріктірілген электр өрісін қолдану арқылы үдеуі. Соңғы уақытта мен олардың жаңа нұсқасымен жұмыс істеп жатырмын. CERN-дегі AWAKE командасы плазмалық толқынды жасау үшін протондарды (электрондарды емес) пайдаланады. Протондарға ауысу бөлшектерді жеделдетудің бір қадамында жоғары энергия деңгейлеріне шығаруы мүмкін. Плазма ояту өрісін жеделдетудің басқа түрлері бірдей энергия деңгейіне жету үшін бірнеше қадамдарды қажет етеді. Ғалымдар олардың протонға негізделген технологиясы бізге болашақта кішірек, арзанырақ және күштірек үдеткіштер жасауға мүмкіндік береді деп санайды.

5. DESY екі сатылы миниатюралық үдеткіш – визуализация

Өз кезегінде DESY ғалымдары (Deutsches Elektronen-Synchrotron – неміс электронды синхротрон сөзінің қысқармасы) шілдеде бөлшектердің үдеткіштерін миниатюризациялау саласында жаңа рекорд орнатты. Терагерц үдеткіші инъекцияланған электрондардың энергиясын екі еседен астам арттырды (5). Сонымен қатар, қондырғы осы әдіспен алдыңғы тәжірибелермен салыстырғанда электронды сәуленің сапасын айтарлықтай жақсартты.

Франц Кертнер, DESY-дегі ультра жылдам оптика және рентген тобының жетекшісі, баспасөз хабарламасында. -

Бірлескен құрылғы максималды қарқындылығы метріне 200 миллион вольт (МВ/м) болатын үдеткіш өрісті шығарды - бұл ең қуатты заманауи әдеттегі үдеткішке ұқсас.

Өз кезегінде, жаңа, салыстырмалы түрде шағын детектор ALPHA-g (6), канадалық TRIUMF компаниясы салған және осы жылдың басында CERN-ге жөнелтілген. антиматерияның гравитациялық үдеуін өлшеңіз. Жер бетіндегі гравитациялық өріс болған кезде антиматерия +9,8 м/с2 (төмен), -9,8 м/с2 (жоғары), 0 м/с2 (гравитациялық үдеу мүлде жоқ) үдей ме, әлде кейбір басқа мән? Соңғы мүмкіндік физикада төңкеріс жасайды. Шағын ALPHA-g аппараты «антигравитацияның» бар екенін дәлелдеумен қатар, бізді ғаламның ең үлкен құпияларына апаратын жолға жетелей алады.

Одан да кішірек ауқымда біз одан да төмен деңгейдегі құбылыстарды зерттеуге тырысамыз. Жоғарыда Секундына 60 миллиард айналым оны Purdue университетінің және Қытай университеттерінің ғалымдары жобалай алады. Бірнеше ай бұрын Physical Review Letters журналында жарияланған мақалада эксперимент авторларының айтуынша, мұндай жылдам айналатын жасау оларға жақсырақ түсінуге мүмкіндік береді. құпиялар .

Дәл осындай экстремалды айналымда тұрған нысан ені шамамен 170 нанометр және ұзындығы 320 нанометрлік нанобөлшек болып табылады, оны ғалымдар кремнеземнен синтездеген. Зерттеу тобы лазердің көмегімен объектіні вакуумда көтерді, содан кейін оны үлкен жылдамдықпен импульс етті. Келесі қадам вакуумдағы үйкелістің экзотикалық формаларын қоса алғанда, негізгі физикалық теорияларды дәл зерттеуге мүмкіндік беретін бұдан да жоғары айналу жылдамдығымен эксперименттер жүргізу болады. Көріп отырғаныңыздай, іргелі құпиялармен бетпе-бет келу үшін километрлік құбырлар мен алып детекторларды салудың қажеті жоқ.

2009 жылы ғалымдар зертханада дыбысты жұтатын қара тесіктің ерекше түрін жасай алды. Содан бері бұлар дыбыс  жарық жұтатын объектінің зертханалық аналогтары ретінде пайдалы болып шықты. Осы шілдеде Nature журналында жарияланған мақалада Technion Израиль технологиялық институтының зерттеушілері дыбыстық қара тесікті қалай жасағанын және оның Хокинг сәулелену температурасын қалай өлшегенін сипаттайды. Бұл өлшемдер Хокинг болжаған температураға сәйкес болды. Осылайша, қара құрдымды зерттеу үшін оған экспедиция жасаудың қажеті жоқ сияқты.

Бір қарағанда тиімді емес болып көрінетін ғылыми жобалар, қажырлы зертханалық жұмыстар мен шағын, бөлшектелген теорияларды сынау үшін қайталанатын эксперименттер ең үлкен сұрақтарға жауап бола ма, кім біледі. Ғылым тарихы мұның болуы мүмкін екенін үйретеді.