Давайце зробім сваю справу, і, магчыма, выйдзе рэвалюцыя.

Вялікія адкрыцці, смелыя тэорыі, навуковыя прарывы. СМІ стракацяць такога кшталту фармулёўкамі, звычайна перабольшанымі. Дзесьці ў цені «вялікай фізікі», ВАК, фундаментальных касмалагічных пытанняў і дужання са Стандартнай мадэллю працавітыя даследнікі моўчкі робяць сваю справу, думаючы аб практычных прыкладаннях і крок за крокам пашыраючы вобласць нашых ведаў.

"Давайце рабіць сваю справу", безумоўна, можа быць лозунгам навукоўцаў, якія займаюцца засваеннем тэрмаядзернага сінтэзу. Бо, нягледзячы на ​​вялікія адказы на вялікія пытанні, вырашэнне практычных, здавалася б, нязначных праблем, звязаных з гэтым працэсам, здольна рэвалюцыянізавала свет.

Магчыма, напрыклад, атрымаецца заняцца маламаштабным ядзерным сінтэзам - з абсталяваннем, якое змяшчаецца на стале. Навукоўцы з Вашынгтонскага ўніверсітэта пабудавалі прыладу летась Z-шчыпка (1), які здольны падтрымліваць рэакцыю сінтэзу на працягу 5 мікрасекунд, хоць галоўнай уражлівай інфармацыяй стала мініяцюрызацыя рэактара, даўжыня якога складае ўсяго 1,5 м. Z-пінч працуе, захопліваючы і сціскаючы плазму ў магутным магнітным полі.

Не вельмі эфектыўна, але патэнцыйна надзвычай важна намаганні для . Згодна з вынікамі даследаванняў Міністэрства энергетыкі ЗША (DOE), апублікаваным у кастрычніку 2018 года ў часопісе Physics of Plasmas, у тэрмаядзерных рэактарах ёсць магчымасць кіраваць ваганнем плазмы. Гэтыя хвалі выштурхваюць высокаэнергетычныя часціцы з зоны рэакцыі, выносячы з сабой частку энергіі, неабходнай для рэакцыі сінтэзу. Новае даследаванне Міністэрства энергетыкі апісвае складаныя кампутарныя сімуляцыі, якія могуць адсочваць і прагназаваць фармаванне хваль, даючы фізікам магчымасць прадухіляць гэты працэс і трымаць часціцы пад кантролем. Навукоўцы спадзяюцца, што іх праца дапаможа ў будаўніцтве ITER, мабыць, самы вядомы праект эксперыментальнага тэрмаядзернага рэактара ў Францыі

Таксама такія дасягненні, як тэмпература плазмы 100 мільёнаў градусаў Цэльсія, Атрыманы ў канцы мінулага года групай навукоўцаў Кітайскага інстытута фізікі плазмы ў эксперыментальным удасканаленым звышправодным такамаку (EAST), з'яўляецца прыкладам пакрокавага прасоўвання да эфектыўнага тэрмаядзернага сінтэзу. На думку экспертаў, якія каментуюць даследаванне, яно можа мець ключавое значэнне ў вышэйзгаданым праекце ІТЭР, у якім Кітай удзельнічае разам з 35 іншымі краінамі.

Звышправаднікі і электроніка

Яшчэ адна вобласць з вялікім патэнцыялам, дзе замест вялікіх прарываў ідуць даволі маленькія, карпатлівыя крокі, - гэта пошук высокатэмпературных звышправаднікоў. (2). Нажаль, вельмі шмат ілжывых трывог і заўчасных хваляванняў. Звычайна захопленыя паведамленні СМІ аказваюцца перабольшаннем або проста не адпавядаюць рэчаіснасці. Нават у больш сур'ёзных справаздачах заўсёды ёсць "але". Як і ў нядаўняй справаздачы, навукоўцы з Чыкагскага ўніверсітэта адкрылі звышправоднасць, здольнасць праводзіць электрычнасць без страт пры самых высокіх тэмпературах, калі-небудзь зарэгістраваных. Выкарыстоўваючы перадавыя тэхналогіі ў Аргонскай нацыянальнай лабараторыі, група мясцовых спецыялістаў вывучыла клас матэрыялаў, у якіх яны назіралі звышправоднасць пры тэмпературах каля -23°C. Гэта скачок прыкладна на 50 градусаў у параўнанні з папярэднім пацверджаным рэкордам.

2. Звышправаднік у магнітным полі

Загваздка, аднак, у тым, што вы павінны аказваць вялікі ціск. Матэрыялы, якія былі пратэставаны, уяўлялі сабой гідрыды. На працягу некаторага часу асаблівую цікавасць выклікаў пергідрыд лантана. У эксперыментах высветлілася, што надзвычай тонкія ўзоры гэтага матэрыялу праяўляюць звышправоднасць пад дзеяннем ціскаў у дыяпазоне ад 150 да 170 гігапаскаляў. Вынікі былі апублікаваныя ў траўні ў часопісе Nature, у суаўтарстве з праф. Віталь Пракапенка і Эран Грынберг.

Каб падумаць аб практычным прымяненні гэтых матэрыялаў, вам давядзецца панізіць ціск і яшчэ тэмпературу, таму што нават да -23 ° C не вельмі практычна. Праца над ім уяўляе сабой тыповую фізіку маленькіх крокаў, якая працягваецца гадамі ў лабараторыях па ўсім свеце.

Тое ж самае ставіцца і да прыкладных даследаванняў. магнітныя з'явы ў электроніцы. Зусім нядаўна, выкарыстоўваючы высокачуллівыя магнітныя зонды, міжнародная група навукоўцаў выявіла дзіўныя доказы таго, што магнетызм, які ўзнікае на мяжы падзелу тонкіх пластоў немагнітнага аксіду, можна лёгка рэгуляваць, ужываючы невялікія механічныя намаганні. Гэта адкрыццё, анансаванае ў выданні «Nature Physics» у снежні мінулага года, паказвае новы і нечаканы спосаб кіравання магнетызмам, які тэарэтычна дазваляе задумацца, напрыклад, пра больш шчыльную магнітную памяць і спінтронік.

Гэта адкрыццё стварае новую магчымасць для мініяцюрызацыі вочак магнітнай памяці, якія сёння ўжо маюць памер у некалькі дзясяткаў нанаметраў, але іх далейшая мініяцюрызацыя з дапамогай вядомых тэхналогій цяжка. Інтэрфейсы аксідаў спалучаюць у сабе шэраг цікавых фізічных з'яў, такіх як двухмерная праводнасць і звышправоднасць. Кіраванне токам з дапамогай магнетызму - вельмі шматабяцальная вобласць у электроніцы. Знаходжанне матэрыялаў з патрэбнымі ўласцівасцямі, і ў той жа час даступных і танных, дазволіла б нам сур'ёзна заняцца распрацоўкай спінтронік.

гэта таксама стомна барацьба з адыходзячым цяплом у электроніцы. Інжынеры Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Берклі нядаўна распрацавалі тонкаплёнкавы матэрыял (таўшчыня плёнкі 50-100 нанаметраў), які можна выкарыстоўваць для рэкуперацыі адпрацаванага цяпла для выпрацоўкі энергіі на ўзроўні, нябачаным раней у тэхналогіях такога тыпу. У ім выкарыстоўваецца працэс, званы піраэлектрычным пераўтварэннем энергіі, які, як паказваюць новыя даследаванні інжынераў, добра падыходзіць для выкарыстання ў крыніцах цяпла з тэмпературай ніжэй за 100 ° C. Гэта толькі адзін з апошніх прыкладаў даследаванняў у гэтай сферы. У свеце існуюць сотні ці нават тысячы даследчых праграм, звязаных з кіраваннем энергаспажываннем у электроніцы.

"Не ведаю чаму, але гэта працуе"

Эксперыментаванне з новымі матэрыяламі, іх фазавымі пераходамі і тапалагічнымі з'явамі - вельмі шматабяцальная вобласць даследаванняў, не вельмі эфектыўная, цяжкая і рэдка прывабная для СМІ. Гэта адно з найболей часта цытаваных даследаванняў у вобласці фізікі, хоць і якое атрымала вялікую агалоску ў СМІ, т.зв. мэйнстрым яны звычайна не перамагаюць.

Эксперыменты з фазавымі ператварэннямі ў матэрыялах часам прыносяць нечаканыя вынікі, напрыклад плаўленне металу з высокімі тэмпературамі плаўлення ў пакаёвая тэмпература. Прыкладам можа служыць нядаўняе дасягненне плаўлення ўзораў золата, якія звычайна плавяцца пры 1064 ° С пры пакаёвай тэмпературы, з выкарыстаннем электрычнага поля і электроннага мікраскопа. Гэтая змена была зварачальнай, таму што адключэнне электрычнага поля можа зноў зацвярдзець золата. Такім чынам, электрычнае поле далучылася да вядомых фактараў, якія ўплываюць на фазавыя ператварэнні, апроч тэмпературы і ціскі.

Фазавыя змены таксама назіраліся пры інтэнсіўным імпульсы лазернага святла. Вынікі даследавання гэтай з'явы былі апублікаваны летам 2019 года ў часопісе Nature Physics. Міжнародную каманду для дасягнення гэтага ўзначаліў Нух Гедзік (3), прафесар фізікі Масачусецкага тэхналагічнага інстытута. Навукоўцы выявілі, што падчас аптычна індукаванага плаўлення фазавы пераход адбываецца за кошт адукацыі сінгулярнасці ў матэрыяле, вядомых як тапалагічныя дэфекты, якія, у сваю чаргу, уплываюць на выніковую дынаміку электронаў і рашоткі ў матэрыяле. Гэтыя тапалагічныя дэфекты, як растлумачыў Гедзік ў сваёй публікацыі, аналагічныя малюсенькім віхурам, якія ўзнікаюць у такіх вадкасцях, як вада.

Для сваіх даследаванняў навукоўцы выкарыстоўвалі злучэнне лантана і тэлура LaTe.₃. Даследнікі тлумачаць, што наступным крокам будзе спроба вызначыць, як яны могуць "генераваць гэтыя дэфекты кантраляваным чынам". Патэнцыйна гэта можна было б выкарыстоўваць для захоўвання дадзеных, дзе светлавыя імпульсы выкарыстоўваліся б для запісу ці ўхіленні дэфектаў у сістэме, што адпавядала б аперацыям з дадзенымі.

А раз ужо мы дабраліся да звышхуткіх лазерных імпульсаў, то іх выкарыстанне ў шматлікіх цікавых эксперыментах і патэнцыйна перспектыўнае ўжыванне на практыцы - тэма, якая часта з'яўляецца ў навуковых справаздачах. Напрыклад, група Ігнасіа Франка, дацэнта кафедры хіміі і фізікі Рочэстэрскага універсітэта, нядаўна паказала, як можна выкарыстоўваць звышхуткія лазерныя імпульсы для скажальныя ўласцівасці матэрыі Цяпер генерацыя электрычнага току з хуткасцю, якая перавышае любую тэхніку, вядомую нам да гэтага часу. Даследнікі лячылі тонкія шкляныя ніткі працягласцю ў адну мільённую мільярдную дзель секунды. У імгненне вока шкляны матэрыял ператварыўся ў нешта падобнае на метал, якое праводзіць электрычнасць. Гэта адбывалася хутчэй, чым у любой вядомай сістэме пры адсутнасці прыкладзенай напругі. Кірунак струменя і інтэнсіўнасць току можна кантраляваць, змяняючы ўласцівасці лазернага прамяня. А бо ім можна кіраваць, кожны электроншчык глядзіць з цікавасцю.

– патлумачыў Франка ў публікацыі ў “Nature Communications”.

Фізічная прырода гэтых з'яў да канца не вывучана. Сам Франка падазрае, што механізмы, падобныя эфект Старка, Т. е. карэляцыю выпускання або паглынання квантаў святла з электрычным полем. Калі б можна было пабудаваць працуючыя электронныя сістэмы, заснаваныя на гэтых з'явах, у нас быў бы яшчэ адзін эпізод інжынернага серыяла пад назвай "Мы не ведаем чаму, але гэта працуе".

Адчувальнасць і невялікі памер

Гіраскопы — гэта прылады, якія дапамагаюць транспартным сродкам, робетам, а таксама электронным утылітам і партатыўным прыладам арыентавацца ў трохмернай прасторы. Цяпер яны шырока выкарыстоўваюцца ў прыладах, якімі мы карыстаемся кожны дзень. Першапачаткова гіраскопы ўяўлялі сабой наборы ўкладзеных сябар у сябра колаў, кожнае з якіх круцілася вакол сваёй восі. Сёння ў мабільных тэлефонах мы знаходзім мікраэлектрамеханічныя датчыкі (МЭМС), якія вымяраюць змены сіл, якія дзейнічаюць на дзве аднолькавыя масы, вагаюцца і якія рухаюцца ў процілеглым кірунку.

Гіраскопы MEMS маюць істотныя абмежаванні па адчувальнасці. Так што гэта будуецца аптычныя гіраскопы, без якія рухаюцца частак, для тых жа задач, у якіх выкарыстоўваецца з'ява, званае эфект Саньяка. Аднак да гэтага часу існавала праблема іх мініяцюрызацыі. Самыя маленькія з даступных высокапрадукцыйных аптычных гіраскопаў больш шарыка для пінг-понга і не падыходзяць для многіх партатыўных прыкладанняў. Аднак інжынеры Тэхналагічнага ўніверсітэта Каліфарнійскага тэхналагічнага інстытута пад кіраўніцтвам Алі Хаджыміры распрацавалі новы аптычны гіраскоп, які у пяцьсот разоў меншчым вядома да гэтага часу (4). Ён узмацняе сваю адчувальнасць дзякуючы выкарыстанню новай тэхнікі пад назвай.узаемнае ўзмацненне»Паміж двума прамянямі святла, якія выкарыстоўваюцца ў тыповым інтэрферометры Саньяка. Новая прылада была апісана ў артыкуле, апублікаваным у "Nature Photonics" у лістападзе мінулага года.

4. Аптычны гіраскоп, распрацаваны Алі Хаджыміры і яго калегамі. 

Распрацоўка дакладнага аптычнага гіраскопа можа значна палепшыць арыентацыю смартфонаў. У сваю чаргу, яго пабудавалі вучоныя з Columbia Engineering. першая плоская лінза здольныя правільна факусаваць шырокі дыяпазон кветак у адной і той жа кропцы без неабходнасці выкарыстання дадатковых элементаў, могуць паўплываць на фатаграфічныя магчымасці мабільнага абсталявання. Рэвалюцыйная плоская лінза мікроннай таўшчыні значна танчэй ліста паперы і забяспечвае прадукцыйнасць, параўнальную з першакласнымі кампазітнымі лінзамі. Высновы групы пад кіраўніцтвам Наньфанга Ю, дацэнта прыкладной фізікі, прадстаўлены ў даследаванні, апублікаваным у часопісе Nature.

Навукоўцы пабудавалі плоскія лінзы зметаатамы“. Кожны метаатам уяўляе сабою частку даўжыні хвалі святла па памеры і затрымоўвае светлавыя хвалі на розную велічыню. Пабудаваўшы вельмі тонкі плоскі пласт нанаструктур на падкладцы таўшчынёй з чалавечы волас, навукоўцы змаглі дамагчыся тых жа функцый, што і значна таўсцейшая і цяжкая звычайная сістэма лінзаў. Металінзы могуць замяніць грувасткія лінзавыя сістэмы гэтак жа, як тэлевізары з плоскім экранам замянілі тэлевізары з электронна-прамянёвай трубкай.

Навошта вялікі калайдэр, калі ёсць іншыя шляхі

Фізіка маленькіх крокаў таксама можа мець розны сэнс і значэнне. Напрыклад - замест таго, каб будаваць жахліва вялікія структуры тыпу і патрабаваць яшчэ большых, як гэта робяць шматлікія фізікі, можна паспрабаваць знайсці адказы на вялікія пытанні з дапамогай больш сціплых прылад.

Большасць паскаральнікаў паскараюць пучкі часціц, ствараючы электрычныя і магнітныя палі. Аднак на працягу некаторага часу ён эксперыментаваў з іншай тэхнікай - плазменныя паскаральнікі, паскарэнне зараджаных часціц, такіх як электроны, пазітронна і іёны, з выкарыстаннем электрычнага поля ў спалучэнні з хваляй, якая генеруецца ў электроннай плазме. У апошні час працую над іх новай версіяй. Каманда AWAKE у ЦЕРН выкарыстоўвае пратоны (а не электроны) для стварэння плазменнай хвалі. Пераход на пратоны можа перавесці часціцы на больш высокія энергетычныя ўзроўні за адзін крок паскарэння. Іншыя формы паскарэння абуджаючага поля плазмы патрабуюць некалькіх крокаў для дасягнення таго ж ўзроўню энергіі. Навукоўцы лічаць, што іх тэхналогія на аснове пратонаў можа дазволіць нам у будучыні ствараць паскаральнікі меншага памеру, танней і магутней.

5. Двухступеністы мініятурны паскаральнік ад DESY - візуалізацыя

У сваю чаргу навукоўцы з DESY (скарачэнне ад Deutsches Elektronen-Synchrotron – нямецкі электронны сінхратрон) усталявалі ў ліпені новы рэкорд у галіне мініяцюрызацыі паскаральнікаў часціц. Паскаральнік, які працуе на тэрагерцавых хвалях, больш за падвоіў энергію инжектированных электронаў (5). У той жа час усталёўка значна палепшыла якасць электроннага пучка ў параўнанні з папярэднімі эксперыментамі з гэтай методыкай.

- растлумачыў у прэс-рэлізе Франц Кертнер, які ўзначальвае групу звышхуткай оптыкі і рэнтгена ў DESY. -

Звязаная прылада стварала якое паскарае поле з максімальнай інтэнсіўнасцю 200 мільёнаў вольт на метр (МВ/м) падобна самому сучаснаму магутнаму звычайнаму паскаральніку.

У сваю чаргу, новы, адносна невялікі дэтэктар АЛЬФА сп (6), пабудаваны на канадскім прадпрыемстве TRIUMF і адпраўлены ў ЦЕРН у пачатку гэтага года, мае задачу вымераць гравітацыйнае паскарэнне антырэчывы. Ці паскараецца антырэчыва ў прысутнасці гравітацыйнага поля на паверхні Зямлі на 9,8 м/з2 (уніз), на -9,8 м/з2 (уверх), на 0 м/з2 (цалкам адсутнічае гравітацыйнае паскарэнне) ці мае некаторае іншае значэнне ? Апошняя магчымасць зрабіла б рэвалюцыю ў фізіцы. Невялікі апарат АЛЬФА-г можа, акрамя доказу існавання «антыгравітацыі», вывесці нас на шлях, які вядзе да найвялікшых таямніц Сусвету.

У яшчэ меншым маштабе мы спрабуем вывучаць зьявы яшчэ ніжэйшага ўзроўню. Над 60 мільярдаў абаротаў у секунду яго могуць сканструяваць навукоўцы з Універсітэта Перд'ю і кітайскіх універсітэтаў. Як сцвярджаюць аўтары эксперыменту ў артыкуле, апублікаваным некалькі месяцаў таму ў «Physical Review Letters», такое хутка якое верціцца тварэнне дазволіць ім лепш пазнаць сакрэты .

Аб'ект, які знаходзіцца ў такім жа экстрэмальным кручэнні, уяўляе сабой наначасціцу шырынёй каля 170 нанаметраў і даўжынёй 320 нанаметраў, якую навукоўцы сінтэзавалі з кремнезема. Даследчая група левітавала аб'ект у вакууме з дапамогай лазера, які затым прыводзіў яго ў імпульс з вялізнай хуткасцю кручэння. Наступным крокам будзе правядзенне эксперыментаў з яшчэ больш высокімі хуткасцямі кручэння, што дасць магчымасць праводзіць дакладныя даследаванні асноўных фізічных тэорый, уключаючы экзатычныя формы трэння ў вакууме. Як бачыце, вам не трэба будаваць шматкіламетровыя трубы і гіганцкія дэтэктары, каб сутыкнуцца з фундаментальнымі таямніцамі.

У 2009 годзе навукоўцам удалося стварыць у лабараторыі асаблівы від чорнай дзіркі, якая паглынае гук. З таго часу гэтыя гук  аказаліся карыснымі ў якасці лабараторных аналагаў святлопаглынальнага аб'екта. У артыкуле, апублікаванай у часопісе Nature у ліпені гэтага года, даследнікі з Ізраільскага тэхналагічнага інстытута Тэхніён апісваюць, як яны стварылі гукавую чорную дзірку і вымералі яе тэмпературу выпраменьвання Хокінга. Гэтыя вымярэнні адпавядалі тэмпературы, прадказанай Хокінгам. Такім чынам, здаецца, што не абавязкова здзяйсняць экспедыцыю да чорнай дзюры, каб даследаваць яе.

Хто ведае, ці не схаваныя ў гэтых, здавалася б, менш эфектыўных навуковых праектах, у карпатлівых лабараторных намаганнях і паўторных эксперыментах па праверцы маленькіх, фрагментарных тэорый адказы на самыя вялікія пытанні. Гісторыя навукі вучыць, што гэта можа адбыцца.