Laten we ons ding doen en misschien komt er een revolutie

Grote ontdekkingen, gedurfde theorieën, wetenschappelijke doorbraken. De media staan ​​vol met dit soort formuleringen, meestal overdreven. Ergens in de schaduw van de ‘grote natuurkunde’, de LHC, fundamentele kosmologische vragen en de strijd tegen het standaardmodel gaan hardwerkende onderzoekers in stilte door met hun werk, denken ze na over praktische toepassingen en breiden ze stap voor stap de reikwijdte van onze kennis uit.

“Laten we ons ding doen” kan zeker de slogan zijn van wetenschappers die betrokken zijn bij de ontwikkeling van thermonucleaire fusie. Want ondanks de geweldige antwoorden op de grote vragen heeft de oplossing voor de praktische, ogenschijnlijk onbeduidende problemen die met dit proces gepaard gaan, de kracht om de wereld te revolutioneren.

Misschien wordt het bijvoorbeeld mogelijk om kleinschalige kernfusie te doen – met apparatuur die op tafel past. Wetenschappers van de Universiteit van Washington hebben het apparaat vorig jaar gebouwd Z-knijp (1), die in staat is een fusiereactie gedurende 5 microseconden in stand te houden, hoewel de belangrijkste indrukwekkende informatie de miniaturisatie van de reactor was, die slechts 1,5 m lang is. De Z-pinch werkt door plasma op te vangen en te comprimeren in een krachtig magnetisch veld.

Niet erg effectief, maar potentieel uiterst belangrijk inspanningen voor . Fusiereactoren hebben het vermogen plasma-oscillaties te beheersen, blijkt uit onderzoek van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), gepubliceerd in oktober 2018 in het tijdschrift Physics of Plasmas. Deze golven duwen hoogenergetische deeltjes uit de reactiezone en nemen een deel van de energie mee die nodig is voor de fusiereactie. Nieuw DOE-onderzoek beschrijft geavanceerde computersimulaties die golfvorming kunnen volgen en voorspellen, waardoor natuurkundigen het proces kunnen voorkomen en deeltjes onder controle kunnen houden. Wetenschappers hopen dat hun werk zal helpen bij de bouw ITER, misschien wel het beroemdste experimentele fusiereactorproject in Frankrijk.

Ook zulke prestaties als plasmatemperatuur 100 miljoen graden Celsius, eind vorig jaar verkregen door een team van wetenschappers van het China Institute of Plasma Physics van de Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), is een voorbeeld van stapsgewijze vooruitgang in de richting van efficiënte fusie. Volgens deskundigen die commentaar geven op het onderzoek zou het van cruciaal belang kunnen zijn voor het bovengenoemde ITER-project, waaraan China samen met 35 andere landen deelneemt.

Supergeleiders en elektronica

Een ander gebied met een groot potentieel, waar in plaats van grote doorbraken eerder kleine, moeizame stappen worden gezet, is de zoektocht naar supergeleiders voor hoge temperaturen. (2). Helaas zijn er veel valse alarmen en voortijdige zorgen. Meestal blijken enthousiaste berichten in de media overdreven of simpelweg niet waar. Zelfs bij serieuzere berichten is er altijd een ‘maar’. Net als in een recent rapport hebben wetenschappers van de Universiteit van Chicago supergeleiding ontdekt, het vermogen om elektriciteit zonder verlies te geleiden bij de hoogste temperaturen ooit gemeten. Met behulp van de allernieuwste technologie van het Argonne National Laboratory heeft een team van lokale wetenschappers een klasse materialen bestudeerd waarin ze supergeleiding observeerden bij temperaturen rond de -23°C. Dit is een sprong van ongeveer 50 graden ten opzichte van het vorige bevestigde record.

2. Supergeleider in een magnetisch veld

Het probleem is echter dat je veel druk moet uitoefenen. De geteste materialen waren hydriden. Lanthaanperhydride is al enige tijd van bijzonder belang. Uit experimenten is gebleken dat extreem dunne monsters van dit materiaal supergeleiding vertonen onder druk in het bereik van 150 tot 170 gigapascal. De resultaten werden in mei gepubliceerd in het tijdschrift Nature, mede-auteur van prof. Vitaly Prokopenko en Eran Grinberg.

Om na te denken over de praktische toepassing van deze materialen zul je de druk en ook de temperatuur moeten verlagen, want zelfs tot -23 ° C is niet erg praktisch. Het werk eraan vertegenwoordigt de typische babystap-fysica, die al jaren in laboratoria over de hele wereld plaatsvindt.

Hetzelfde geldt voor toegepast onderzoek. magnetische verschijnselen in de elektronica. Meer recentelijk heeft een internationaal team van wetenschappers met behulp van zeer gevoelige magnetische sondes verrassend bewijs ontdekt dat magnetisme dat optreedt op het grensvlak van dunne lagen niet-magnetisch oxide gemakkelijk kan worden gecontroleerd door kleine mechanische krachten uit te oefenen. Deze ontdekking, aangekondigd in Nature Physics afgelopen december, toont een nieuwe en onverwachte manier om magnetisme te beheersen, waardoor we theoretisch kunnen nadenken over bijvoorbeeld een dichter magnetisch geheugen en spintronica.

Deze ontdekking schept een nieuwe mogelijkheid voor miniaturisatie van magnetische geheugencellen, die tegenwoordig al een grootte hebben van enkele tientallen nanometers, maar hun verdere miniaturisatie met behulp van bekende technologieën is moeilijk. Oxide-grensvlakken combineren een aantal interessante fysische verschijnselen, zoals tweedimensionale geleidbaarheid en supergeleiding. Het regelen van stroom met behulp van magnetisme is een veelbelovend gebied in de elektronica. Het vinden van materialen met de gewenste eigenschappen, en tegelijkertijd beschikbaar en goedkoop, zou ons in staat stellen serieus aan de ontwikkeling deel te nemen spintronisch.

het is ook vermoeiend Afvalwarmtebeheersing in de elektronica. Ingenieurs van de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben onlangs een dunnefilmmateriaal (filmdikte van 50-100 nanometer) ontwikkeld dat kan worden gebruikt om afvalwarmte terug te winnen om energie op te wekken op een niveau dat voorheen ongezien was in dit soort technologie. Het maakt gebruik van een proces dat pyro-elektrische energieconversie wordt genoemd en dat uit nieuw technisch onderzoek blijkt dat het zeer geschikt is voor gebruik in warmtebronnen met temperaturen onder de 100 °C. Dit is slechts het nieuwste voorbeeld van onderzoek op dit gebied. Er zijn honderden of zelfs duizenden onderzoeksprogramma's over de hele wereld gerelateerd aan energiebeheer in de elektronica.

“Ik weet niet waarom, maar het werkt”

Experimenteren met nieuwe materialen, hun faseovergangen en topologische verschijnselen is een veelbelovend onderzoeksgebied, maar niet erg efficiënt, moeilijk en zelden aantrekkelijk voor de media. Dit is een van de meest geciteerde onderzoeken op het gebied van de natuurkunde, hoewel het veel publiciteit heeft gekregen in de zogenaamde media. Ze winnen meestal niet de mainstream.

Experimenten met fasetransformaties in materialen leveren soms onverwachte resultaten op, b.v. metaal smelten met hoge smeltpunten kamertemperatuur. Een voorbeeld is de recente prestatie van het smelten van goudmonsters, die doorgaans smelten bij 1064 ° C bij kamertemperatuur, met behulp van een elektrisch veld en een elektronenmicroscoop. Deze verandering was omkeerbaar omdat het uitschakelen van het elektrische veld het goud weer kon laten stollen. Zo sloot het elektrische veld zich aan bij de bekende factoren die fasetransformaties beïnvloeden, naast temperatuur en druk.

Faseveranderingen werden ook waargenomen onder intens laserlichtpulsen. De resultaten van een onderzoek naar dit fenomeen zijn in de zomer van 2019 gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics. Het internationale team om dit te bereiken stond onder leiding van Nuh Gedik (3), hoogleraar natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology. De wetenschappers ontdekten dat tijdens optisch geïnduceerd smelten de faseovergang plaatsvindt door de vorming van singulariteiten in het materiaal, bekend als topologische defecten, die op hun beurt de resulterende elektronen- en roosterdynamiek in het materiaal beïnvloeden. Deze topologische defecten, zo legde Gedik in zijn publicatie uit, zijn analoog aan de kleine wervelingen die voorkomen in vloeistoffen zoals water.

Voor hun onderzoek gebruikten wetenschappers de verbinding van lanthaan en tellurium LaTe.₃. De volgende stap, zo leggen de onderzoekers uit, is proberen te bepalen hoe ze ‘deze defecten op een gecontroleerde manier kunnen genereren’. Dit zou mogelijk kunnen worden gebruikt voor gegevensopslag, waarbij lichtpulsen zouden worden gebruikt om defecten in het systeem vast te leggen of te repareren, die overeenkomen met bewerkingen op de gegevens.

En nu we het toch over ultrasnelle laserpulsen hebben: het gebruik ervan in veel interessante experimenten en potentieel veelbelovende toepassingen in de praktijk is een onderwerp dat vaak voorkomt in wetenschappelijke rapporten. Zo liet het team van Ignacio Franco, universitair docent scheikunde en natuurkunde aan de Universiteit van Rochester, onlangs zien hoe ultrasnelle laserpulsen kunnen worden gebruikt om eigenschappen van materie vervormen Orazo opwekking van elektrische stroom met een snelheid die alle tot nu toe bekende technologie overtreft. De onderzoekers behandelden dunne glasdraden gedurende een miljoenste van een miljardste van een seconde. In een mum van tijd veranderde het glasmateriaal in iets dat op metaal leek en elektriciteit geleidt. Dit gebeurde sneller dan bij enig bekend systeem bij afwezigheid van aangelegde spanning. De richting van de stroom en de intensiteit van de stroom kunnen worden geregeld door de eigenschappen van de laserstraal te veranderen. En omdat het bestuurbaar is, kijkt elke elektronica-ingenieur er met belangstelling naar.

Franco legde uit in een publicatie in Nature Communications.

De fysieke aard van deze verschijnselen wordt niet volledig begrepen. Franco zelf vermoedt dat mechanismen zoals Sterk effect, dat wil zeggen de correlatie van de emissie of absorptie van lichtkwanta met het elektrische veld. Als het mogelijk zou zijn om werkende elektronische systemen te bouwen op basis van deze verschijnselen, zouden we nog een aflevering hebben van een technische serie genaamd 'We weten niet waarom, maar het werkt'.

Gevoeligheid en klein formaat

Gyroscopen zijn apparaten die voertuigen, drones, elektronische voorzieningen en draagbare apparaten helpen bij het navigeren in de driedimensionale ruimte. Ze worden nu veel gebruikt in de apparaten die we dagelijks gebruiken. Aanvankelijk waren gyroscopen sets wielen die in elkaar waren genest en die elk om hun eigen as draaiden. Tegenwoordig vinden we in mobiele telefoons micro-elektromechanische sensoren (MEMS) die veranderingen meten in de krachten die inwerken op twee identieke massa's die in de tegenovergestelde richting oscilleren en bewegen.

MEMS-gyroscopen hebben aanzienlijke gevoeligheidsbeperkingen. Het is dus aan het bouwen optische gyroscopen, zonder bewegende delen, voor dezelfde taken die gebruik maken van een fenomeen genaamd Sagnac-effect. Tot nu toe was er echter een probleem met de miniaturisering ervan. De kleinste beschikbare hoogwaardige optische gyroscopen zijn groter dan een pingpongbal en zijn niet geschikt voor veel draagbare toepassingen. Caltech-ingenieurs onder leiding van Ali Hadjimiri hebben echter een nieuwe optische gyroscoop ontwikkeld vijfhonderd keer minderwat er tot nu toe bekend is (4). Hij vergroot zijn gevoeligheid door het gebruik van een nieuwe techniek genaamd "wederzijdse versterking» Tussen twee lichtbundels zoals gebruikt in een typische Sagnac-interferometer. Het nieuwe apparaat werd beschreven in een artikel dat afgelopen november in Nature Photonics werd gepubliceerd.

4. Optische gyroscoop ontwikkeld door Ali Hadjimiri en zijn collega's. 

Het ontwikkelen van een nauwkeurige optische gyroscoop zou de oriëntatie van smartphones aanzienlijk kunnen verbeteren. Het werd op zijn beurt gebouwd door wetenschappers van Columbia Engineering. eerste platte lens die een breed scala aan kleuren op hetzelfde punt correct kan scherpstellen zonder dat er extra elementen nodig zijn, kan de fotografische mogelijkheden van mobiele apparatuur beïnvloeden. De revolutionaire microndunne platte lens is aanzienlijk dunner dan een vel papier en levert prestaties die vergelijkbaar zijn met premium composietlenzen. De bevindingen van het team, onder leiding van Nanfang Yu, assistent-professor toegepaste natuurkunde, worden gepresenteerd in een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

Wetenschappers hebben platte lenzen gebouwd van "metaatomen". Elk meta-atoom vertegenwoordigt een fractie van een golflengte van licht en vertraagt ​​lichtgolven met een andere hoeveelheid. Door een zeer dunne, vlakke laag nanostructuren te bouwen op een substraat zo dun als een mensenhaar, konden de wetenschappers dezelfde functionaliteit bereiken als een veel dikker en zwaarder conventioneel lenssysteem. Metaallenzen kunnen omvangrijke lenssystemen vervangen op dezelfde manier waarop flatscreentelevisies kathodestraalbuistelevisies hebben vervangen.

Waarom een ​​grote botsing als er andere manieren zijn

De fysica van kleine stappen kan ook verschillende betekenissen en betekenissen hebben. Bijvoorbeeld - In plaats van monsterlijk grote structuren te bouwen en nog grotere te eisen, zoals veel natuurkundigen doen, kan men proberen antwoorden op grote vragen te vinden met behulp van bescheidener hulpmiddelen.

De meeste versnellers versnellen deeltjesbundels door elektrische en magnetische velden op te wekken. Hij experimenteerde echter enige tijd met een andere techniek - plasmaversnellers, de versnelling van geladen deeltjes zoals elektronen, positronen en ionen met behulp van een elektrisch veld gecombineerd met een golf gegenereerd in een elektronenplasma. De laatste tijd ben ik bezig met een nieuwe versie ervan. Het AWAKE-team van CERN gebruikt protonen (in plaats van elektronen) om een ​​plasmagolf te creëren. Door over te schakelen op protonen kunnen deeltjes in één enkele versnellingsstap naar hogere energieniveaus worden verplaatst. Andere vormen van plasma-ontwakingsveldversnelling vereisen meerdere stappen om hetzelfde energieniveau te bereiken. Wetenschappers geloven dat hun op protonen gebaseerde technologie ons in staat zou kunnen stellen om in de toekomst kleinere, goedkopere en krachtigere versnellers te bouwen.

5. Tweetraps miniatuurversneller van DESY - visualisatie

Op hun beurt hebben wetenschappers van DESY (afkorting van Deutsches Elektronen-Synchrotron) in juli een nieuw record gevestigd op het gebied van miniaturisatie van deeltjesversnellers. Een versneller die op terahertz-golven werkt, verdubbelde de energie van de geïnjecteerde elektronen meer dan.5). Tegelijkertijd verbeterde de installatie de kwaliteit van de elektronenbundel aanzienlijk in vergelijking met eerdere experimenten met deze techniek.

Franz Kärtner, hoofd van de ultrasnelle optica en röntgengroep bij DESY, legde uit in een persbericht. -

Het bijbehorende apparaat genereerde een versnellend veld met een maximale intensiteit van 200 miljoen volt per meter (MV/m), vergelijkbaar met de nieuwste krachtige conventionele versneller.

Op zijn beurt de nieuwe, relatief kleine detector ALPHA-g (6), gebouwd in de Canadese TRIUMF-faciliteit en eerder dit jaar naar CERN gestuurd, heeft de missie meet de zwaartekrachtversnelling van antimaterie. Versnelt antimaterie in de aanwezigheid van een zwaartekrachtveld op het aardoppervlak met +9,8 m/s2 (naar beneden), -9,8 m/s2 (naar boven), 0 m/s2 (helemaal geen zwaartekrachtversnelling) of een andere waarde? Deze laatste mogelijkheid zou een revolutie teweegbrengen in de natuurkunde. Het kleine ALPHA-g-apparaat kan, naast het bewijzen van het bestaan ​​van ‘anti-zwaartekracht’, ons leiden op het pad dat leidt naar de grootste geheimen van het heelal.

Op nog kleinere schaal proberen we fenomenen op een nog lager niveau te bestuderen. Boven 60 miljard omwentelingen per seconde het kan worden gebouwd door wetenschappers van Purdue University en Chinese universiteiten. Volgens de auteurs van het experiment in een artikel dat enkele maanden geleden in Physical Review Letters werd gepubliceerd, zal een dergelijke snel roterende creatie hen in staat stellen een beter begrip te krijgen van geheimen .

Het object dat dezelfde extreme rotatie ondergaat, is een nanodeeltje van ongeveer 170 nanometer breed en 320 nanometer lang, dat de wetenschappers synthetiseerden uit silica. Het onderzoeksteam liet een object in een vacuüm zweven met behulp van een laser, die het vervolgens in een draaiende snelheid voortstuwde. De volgende stap zal zijn om experimenten uit te voeren met nog hogere rotatiesnelheden, wat nauwkeurige studies van fundamentele natuurkundige theorieën mogelijk zal maken, inclusief exotische vormen van wrijving in een vacuüm. Zoals je kunt zien, hoef je geen kilometerslange pijpen en gigantische detectoren te bouwen om fundamentele mysteries het hoofd te bieden.

In 2009 slaagden wetenschappers erin om in het laboratorium een ​​speciaal type zwart gat te creëren dat geluid absorbeert. Sindsdien deze звук  zijn nuttig gebleken als laboratoriumanalogen van een lichtabsorberend object. In een artikel dat afgelopen juli in het tijdschrift Nature werd gepubliceerd, beschrijven onderzoekers van het Technion-Israel Institute of Technology hoe ze een sonisch zwart gat creëerden en de Hawking-stralingstemperatuur ervan maten. Deze metingen kwamen overeen met de door Hawking voorspelde temperatuur. Het lijkt er dus op dat je geen expeditie naar een zwart gat hoeft te maken om het te verkennen.

Wie weet, verborgen in deze ogenschijnlijk minder effectieve wetenschappelijke projecten, in nauwgezette laboratoriuminspanningen en herhaalde experimenten om kleine, gefragmenteerde theorieën te testen, liggen de antwoorden op de grootste vragen. De geschiedenis van de wetenschap leert dat dit kan gebeuren.