Давайте зробимо свою справу, і, можливо, вийде революція

Великі відкриття, сміливі теорії, наукові прориви. ЗМІ рясніють такого роду формулюваннями, зазвичай перебільшеними. Десь у тіні «великої фізики», ВАК, фундаментальних космологічних питань та боротьби зі Стандартною моделлю працьовиті дослідники мовчки роблять свою справу, думаючи про практичні програми та крок за кроком розширюючи область наших знань.

"Давайте робити свою справу", безумовно, може бути гаслом вчених, які займаються освоєнням термоядерного синтезу. Бо, попри великі відповіді великі питання, вирішення практичних, здавалося б, незначних проблем, що з цим процесом, здатне революціонізувати світ.

Можливо, наприклад, вдасться зайнятися маломасштабним ядерним синтезом — із обладнанням, що вміщується на столі. Вчені з Вашингтонського університету збудували пристрій минулого року Z-щипка (1), який здатний підтримувати реакцію синтезу протягом 5 мікросекунд, хоча головною вражаючою інформацією стала мініатюризація реактора, довжина якого становить лише 1,5 м. Z-пінч працює, захоплюючи та стискаючи плазму у потужному магнітному полі.

Не дуже ефективно, але потенційно надзвичайно важливо зусилля для . Згідно з результатами досліджень Міністерства енергетики США (DOE), опублікованими у жовтні 2018 року в журналі Physics of Plasmas, у термоядерних реакторах є можливість керувати коливанням плазми. Ці хвилі виштовхують високоенергетичні частинки із зони реакції, несучи із собою частину енергії, необхідної реакції синтезу. Нове дослідження Міністерства енергетики описує складні комп'ютерні симуляції, які можуть відслідковувати та прогнозувати формування хвиль, даючи фізикам можливість запобігати цьому процесу та тримати частки під контролем. Вчені сподіваються, що їхня робота допоможе у будівництві ITER, мабуть, найвідоміший проект експериментального термоядерного реактора у Франції

Також такі здобутки, як температура плазми 100 мільйонів градусів Цельсія, отриманий наприкінці минулого року групою вчених Китайського інституту фізики плазми в експериментальному вдосконаленому надпровідному токамаку (EAST), є прикладом поступового поступу до ефективного термоядерного синтезу. На думку експертів, коментують дослідження, воно може мати ключове значення у вищезгаданому проекті ІТЕР, у якому Китай бере участь разом із 35 іншими країнами.

Надпровідники та електроніка

Ще одна область з великим потенціалом, де замість великих проривів йдуть досить маленькі, копіткі кроки, це пошук високотемпературних надпровідників. (2). На жаль, дуже багато хибних тривог та передчасних хвилювань. Зазвичай захоплені ЗМІ виявляються перебільшенням або просто не відповідають дійсності. Навіть у серйозніших звітах завжди є «але». Як і в нещодавньому звіті, вчені з університету Чикаго відкрили надпровідність, здатність проводити електрику без втрат при найвищих температурах, коли-небудь зареєстрованих. Використовуючи передові технології в аргоннській національній лабораторії, група місцевих фахівців вивчила клас матеріалів, в яких вони спостерігали надпровідність при температурах близько -23 °C. Це стрибок приблизно на 50 градусів, порівняно з попереднім підтвердженим рекордом.

2. Надпровідник у магнітному полі

Загвоздка, однак, у тому, що ви повинні чинити величезний тиск. Матеріали, які були протестовані, були гідридами. Протягом деякого часу особливий інтерес викликав пергідрид лантану. В експериментах з'ясувалося, що надзвичайно тонкі зразки цього матеріалу виявляють надпровідність під дією тиску в діапазоні від 150 до 170 гігапаскалів. Результати були опубліковані в травні в журналі Nature у співавторстві з проф. Віталій Прокопенко та Еран Грінберг.

Щоб подумати про практичне застосування цих матеріалів, вам доведеться знизити тиск та ще температуру, тому що навіть до -23°C не дуже практично. Робота над ним є типовою фізикою маленьких кроків, що триває роками в лабораторіях по всьому світу.

Те саме стосується і прикладних досліджень. магнітні явища в електроніці. Нещодавно, використовуючи високочутливі магнітні зонди, міжнародна група вчених виявила дивовижні докази того, що магнетизм, що виникає на межі розділу тонких шарів немагнітного оксиду, можна легко регулювати, застосовуючи невеликі механічні зусилля. Це відкриття, анонсоване у виданні «Nature Physics» у грудні минулого року, показує новий і несподіваний спосіб управління магнетизмом, що теоретично дозволяє задуматися, наприклад, про щільнішу магнітну пам'ять і спінтронік.

Це відкриття створює нову можливість для мініатюризації осередків магнітної пам'яті, які сьогодні вже мають розмір у кілька десятків нанометрів, але їх подальша мініатюризація за допомогою відомих технологій є складною. Інтерфейси оксидів поєднують у собі ряд цікавих фізичних явищ, таких як двовимірна провідність та надпровідність. Управління струмом за допомогою магнетизму - дуже перспективна область в електроніці. Знаходження матеріалів з потрібними властивостями, і водночас доступних та дешевих, дозволило б нам серйозно зайнятися розробкою спинтронік.

це теж втомлює боротьба з теплом, що відходить в електроніці. Інженери Каліфорнійського університету в Берклі нещодавно розробили тонкоплівковий матеріал (товщина плівки 50-100 нанометрів), який можна використовувати для рекуперації відпрацьованого тепла для вироблення енергії на рівні, небаченому раніше у технологіях такого типу. У ньому використовується процес, званий піроелектричним перетворенням енергії, який, як показують нові дослідження інженерів, добре підходить для використання в джерелах тепла з температурою нижче 100 °C. Це лише один із останніх прикладів досліджень у цій галузі. У світі є сотні або навіть тисячі дослідницьких програм, пов'язаних з управлінням енергоспоживанням в електроніці.

"Не знаю чому, але це працює"

Експериментування з новими матеріалами, їх фазовими переходами та топологічними явищами — дуже перспективна галузь досліджень, не дуже ефективна, важка і рідко приваблива для ЗМІ. Це одне з найчастіше цитованих досліджень у галузі фізики, хоча й набуло великого розголосу в ЗМІ, т.зв. мейнстрім вони зазвичай не перемагають.

Експерименти з фазовими перетвореннями в матеріалах іноді дають несподівані результати, наприклад плавлення металу з високими температурами плавлення в кімнатна температура. Прикладом може бути недавнє досягнення плавлення зразків золота, які зазвичай плавляться при 1064°З кімнатної температурі, з використанням електричного поля і електронного мікроскопа. Ця зміна була оборотною, тому що відключення електричного поля може знову затвердіти золото. Таким чином, електричне поле приєдналося до відомих факторів, що впливають на фазові перетворення, крім температури та тиску.

Фазові зміни також спостерігалися при інтенсивному імпульси лазерного світла. Результати дослідження цього явища були опубліковані влітку 2019 у журналі Nature Physics. Міжнародну команду для досягнення цього очолив Нух Гедік (3), професор фізики Массачусетського технологічного інституту. Вчені виявили, що під час оптично індукованого плавлення фазовий перехід відбувається за рахунок утворення сингулярностей у матеріалі, відомих як топологічні дефекти, які, своєю чергою, впливають на результуючу динаміку електронів та решітки у матеріалі. Ці топологічні дефекти, як пояснив Гедик у своїй публікації, аналогічні крихітним вихорам, що виникають у таких рідинах, як вода.

Для своїх досліджень вчені використовували з'єднання лантану та телуру LaTe.₃. Дослідники пояснюють, що наступним кроком буде спроба визначити, як можуть «генерувати ці дефекти контрольованим чином». Потенційно це можна було б використовувати для зберігання даних, де світлові імпульси використовувалися для запису або усунення дефектів у системі, що відповідало б операціям з даними.

А якщо ми дісталися надшвидких лазерних імпульсів, то їх використання в багатьох цікавих експериментах і потенційно перспективне застосування на практиці — тема, яка часто з'являється в наукових звітах. Наприклад, група Ігнасіо Франка, доцента кафедри хімії та фізики Рочестерського університету, нещодавно показала, як можна використовувати надшвидкі лазерні імпульси. спотворюючі властивості матерії Тепер генерація електричного струму зі швидкістю, що перевищує будь-яку техніку, відому нам досі. Дослідники лікували тонкі скляні нитки тривалістю одну мільйонну мільярдну частку секунди. Миттєво скляний матеріал перетворився на щось схоже на метал, що проводить електрику. Це відбувалося швидше, ніж у будь-якій відомій системі за відсутності прикладеної напруги. Напрямок потоку та інтенсивність струму можна контролювати, змінюючи властивості лазерного променя. Оскільки ним можна управляти, кожен електронник дивиться з цікавістю.

– пояснив Франко у публікації у “Nature Communications”.

Фізична природа цих явищ остаточно не вивчена. Сам Франко підозрює, що механізми, подібні ефект Старка, Т. е. кореляцію випромінювання або поглинання квантів світла з електричним полем. Якби можна було побудувати працюючі електронні системи, що ґрунтуються на цих явищах, у нас був би ще один епізод інженерного серіалу під назвою «Ми не знаємо чому, але це працює».

Чутливість та невеликий розмір

Гіроскопи — це пристрої, які допомагають транспортним засобам, дронам, а також електронним утилітам та портативним пристроям орієнтуватися у тривимірному просторі. Нині вони широко використовуються у пристроях, якими ми користуємося щодня. Спочатку гіроскопи були набори вкладених один в одного коліс, кожне з яких оберталося навколо своєї осі. Сьогодні в мобільних телефонах ми знаходимо мікроелектромеханічні датчики (МЕМС), які вимірюють зміни сил, що діють на дві однакові маси, що коливаються та рухаються у протилежному напрямку.

Гіроскопи MEMS мають суттєві обмеження щодо чутливості. Так що це будується оптичні гіроскопи, без частин, що рухаються, для тих же завдань, в яких використовується явище, зване ефект Саньяка. Проте досі існувала проблема їхньої мініатюризації. Найменші з доступних високопродуктивних оптичних гіроскопів більші за кульку для пінг-понгу і не підходять для багатьох портативних додатків. Проте інженери Технологічного університету Каліфорнійського технологічного інституту під керівництвом Алі Хаджимирі розробили новий оптичний гіроскоп у п'ятсот разів меншечим відомо досі (4). Він посилює свою чутливість завдяки використанню нової техніки під назвою «взаємне посилення»Між двома променями світла, які використовуються в типовому інтерферометрі Саньяка. Новий пристрій було описано у статті, опублікованій у Nature Photonics у листопаді минулого року.

4. Оптичний гіроскоп, розроблений Алі Хаджімірі та його колегами. 

Розробка точного оптичного гіроскопа може значно покращити орієнтацію смартфонів. У свою чергу, його збудували вчені з Columbia Engineering. перша плоска лінза здатні правильно фокусувати широкий діапазон кольорів в одній точці без необхідності використання додаткових елементів, можуть вплинути на фотографічні можливості мобільного обладнання. Революційна плоска лінза мікронної товщини значно тонша за аркуш паперу і забезпечує продуктивність, порівнянну з першокласними композитними лінзами. Висновки групи під керівництвом Наньфанга Ю, доцента прикладної фізики, представлені у дослідженні, опублікованому у журналі Nature.

Вчені побудували плоскі лінзи зметаатоми“. Кожен метаатом є частиною довжини хвилі світла за розміром і затримує світлові хвилі на різну величину. Побудувавши дуже тонкий плоский шар наноструктур на підкладці завтовшки з людським волоссям, вчені змогли домогтися тих же функцій, що і набагато товстіша і важкіша звичайна система лінз. Металінзи можуть замінити громіздкі лінзові системи так само, як телевізори з плоским екраном замінили телевізори з електронно-променевою трубкою.

Навіщо великий колайдер, коли є інші шляхи

Фізика маленьких кроків теж може мати різний зміст та значення. Наприклад – замість того, щоб будувати жахливо великі структури типу і вимагати ще більших, як це роблять багато фізиків, можна спробувати знайти відповіді на великі питання за допомогою скромніших інструментів.

Більшість прискорювачів прискорюють пучки частинок, створюючи електричні та магнітні поля. Однак протягом деякого часу він експериментував з іншою технікою. плазмові прискорювачі, прискорення заряджених частинок, таких як електрони, позитрони та іони, з використанням електричного поля у поєднанні з хвилею, що генерується в електронній плазмі. Останнім часом працюю над їхньою новою версією. Команда AWAKE у ЦЕРНі використовує протони (а не електрони) для створення плазмової хвилі. Перехід на протони може перевести частинки більш високі енергетичні рівні за крок прискорення. Інші форми прискорення пробуджуючого поля плазми вимагають кількох кроків для досягнення рівня рівня енергії. Вчені вважають, що їхня технологія на основі протонів може дозволити нам у майбутньому створювати прискорювачі меншого розміру, дешевші та потужніші.

5. Двоступінчастий мініатюрний прискорювач від DESY - візуалізація

У свою чергу, вчені з DESY (скорочення від Deutsches Elektronen-Synchrotron — німецький електронний синхротрон) встановили в липні новий рекорд у галузі мініатюризації прискорювачів частинок. Прискорювач, що працює на терагерцових хвилях, більш ніж подвоїв енергію інжектованих електронів (5). У той же час, установка значно покращила якість електронного пучка в порівнянні з попередніми експериментами з цією методикою.

— пояснив у прес-релізі Франц Кертнер, який очолює групу надшвидкої оптики та рентгена у DESY. -

Пов'язаний пристрій створювало прискорювальне поле з максимальною інтенсивністю 200 мільйонів вольт на метр (МВ/м) — схоже на найсучаснішого потужного звичайного прискорювача.

У свою чергу новий, відносно невеликий детектор Альфа-г (6), побудований на канадському підприємстві TRIUMF та відправлений до ЦЕРН на початку цього року, має завдання виміряти гравітаційне прискорення антиречовини. Чи прискорюється антиречовина у присутності гравітаційного поля на поверхні Землі на +9,8 м/с2 (вниз), на -9,8 м/с2 (вгору), на 0 м/с2 (цілком відсутнє гравітаційне прискорення) або має деяке інше значення ? Остання можливість справила б революцію у фізиці. Невеликий апарат Альфа-г може, окрім доказу існування «антигравітації», вивести нас на шлях, що веде до найбільших таємниць Всесвіту.

У ще меншому масштабі ми намагаємося вивчати явища нижчого рівня. Над 60 мільярдів оборотів за секунду його можуть сформулювати вчені з Університету Пердью та китайських університетів. Як стверджують автори експерименту в статті, опублікованій кілька місяців тому в «Physical Review Letters», таке творіння, що швидко обертається, дозволить їм краще дізнатися секрети .

Об'єкт, що знаходиться в такому ж екстремальному обертанні, є наночастинкою шириною близько 170 нанометрів і довжиною 320 нанометрів, яку вчені синтезували з кремнезему. Дослідницька група левітувала об'єкт у вакуумі за допомогою лазера, який наводив його в імпульс з величезною швидкістю обертання. Наступним кроком буде проведення експериментів із ще вищими швидкостями обертання, що дозволить проводити точні дослідження основних фізичних теорій, включаючи екзотичні форми тертя у вакуумі. Як бачите, вам не потрібно будувати багатокілометрові труби та гігантські детектори, щоб зіткнутися з фундаментальними таємницями.

У 2009 році вченим вдалося створити в лабораторії особливий вид чорної діри, що поглинає звук. З тих пір ці звук  виявилися корисними як лабораторні аналоги світлопоглинаючого об'єкта. У статті, опублікованій у журналі Nature у липні цього року, дослідники з Ізраїльського технологічного інституту Техніон описують, як вони створили звукову чорну дірку та виміряли її температуру випромінювання Хокінга. Ці виміри відповідали температурі, передбаченій Хокінгом. Таким чином, здається, що не обов'язково здійснювати експедицію до чорної дірки, щоб досліджувати її.

Хтозна, чи не приховані в цих, здавалося б, менш ефективних наукових проектах, у кропітких лабораторних зусиллях та повторних експериментах з перевірки маленьких, фрагментарних теорій відповіді на найбільші запитання. Історія науки вчить, що це може статися.