Hãy làm việc của chúng tôi và có thể sẽ có một cuộc cách mạng

Những khám phá tuyệt vời, những lý thuyết táo bạo, những đột phá khoa học. Các phương tiện truyền thông có đầy đủ các công thức như vậy, thường là phóng đại. Ở đâu đó trong bóng tối của "vật lý vĩ đại", LHC, những câu hỏi vũ trụ cơ bản và cuộc chiến chống lại Mô hình Chuẩn, các nhà nghiên cứu chăm chỉ đang âm thầm làm công việc của họ, suy nghĩ về các ứng dụng thực tế và từng bước mở rộng lĩnh vực kiến ​​thức của chúng ta.

“Hãy làm việc riêng của chúng ta” chắc chắn có thể là khẩu hiệu của các nhà khoa học tham gia vào quá trình phát triển phản ứng tổng hợp nhiệt hạch. Bởi vì, bất chấp những câu trả lời tuyệt vời cho những câu hỏi lớn, giải pháp của những vấn đề thực tế, dường như không quan trọng gắn liền với quá trình này, có khả năng cách mạng hóa thế giới.

Có lẽ, chẳng hạn, có thể thực hiện phản ứng tổng hợp hạt nhân quy mô nhỏ - với thiết bị đặt trên bàn. Các nhà khoa học tại Đại học Washington đã chế tạo thiết bị này vào năm ngoái Z-pinch (1), có khả năng duy trì phản ứng nhiệt hạch trong vòng 5 micro giây, mặc dù thông tin ấn tượng chính là sự thu nhỏ của lò phản ứng, chỉ dài 1,5 m. Chốt Z hoạt động bằng cách bẫy và nén plasma trong một từ trường mạnh.

Không hiệu quả lắm, nhưng có khả năng cực kỳ quan trọng nỗ lực để . Theo nghiên cứu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), được công bố vào tháng 2018 năm XNUMX trên tạp chí Physics of Plasmas, các lò phản ứng nhiệt hạch có khả năng điều khiển dao động plasma. Những sóng này đẩy các hạt năng lượng cao ra khỏi vùng phản ứng, mang theo một phần năng lượng cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch. Một nghiên cứu mới của DOE mô tả các mô phỏng máy tính tinh vi có thể theo dõi và dự đoán sự hình thành sóng, mang lại cho các nhà vật lý khả năng ngăn chặn quá trình này và kiểm soát các hạt. Các nhà khoa học hy vọng công trình của họ sẽ giúp ích trong việc xây dựng ITER, có lẽ là dự án lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm nổi tiếng nhất ở Pháp.

Ngoài ra những thành tựu như nhiệt độ plasma 100 triệu độ C, thu được vào cuối năm ngoái bởi một nhóm các nhà khoa học tại Viện Vật lý Plasma Trung Quốc trong Thử nghiệm Siêu dẫn Tiên tiến Tokamak (EAST), là một ví dụ về tiến trình từng bước hướng tới nhiệt hạch hiệu quả. Theo các chuyên gia bình luận về nghiên cứu, nó có thể có tầm quan trọng chính trong dự án ITER nói trên, trong đó Trung Quốc tham gia cùng với 35 quốc gia khác.

Chất siêu dẫn và điện tử

Một lĩnh vực khác có tiềm năng lớn, nơi đang thực hiện những bước khá nhỏ, tỉ mỉ thay vì những bước đột phá lớn, là tìm kiếm chất siêu dẫn nhiệt độ cao. (2). Thật không may, có rất nhiều báo động sai và những lo lắng sớm. Thông thường các báo cáo trên các phương tiện truyền thông đại chúng trở nên phóng đại hoặc đơn giản là không đúng sự thật. Ngay cả trong các báo cáo nghiêm trọng hơn, luôn luôn có một "nhưng". Như trong một báo cáo mới đây, các nhà khoa học tại Đại học Chicago đã phát hiện ra hiện tượng siêu dẫn, khả năng dẫn điện mà không bị suy hao ở nhiệt độ cao nhất từng được ghi nhận. Sử dụng công nghệ tiên tiến tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, một nhóm các nhà khoa học địa phương đã nghiên cứu một loại vật liệu mà họ quan sát được hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ khoảng -23 ° C. Đây là một bước nhảy khoảng 50 độ so với kỷ lục được xác nhận trước đó.

2. Chất siêu dẫn trong từ trường

Tuy nhiên, điều bắt buộc là bạn phải áp dụng rất nhiều áp lực. Các vật liệu được thử nghiệm là hyđrua. Trong một thời gian, lantan perhydride đã được quan tâm đặc biệt. Trong các thí nghiệm, người ta thấy rằng các mẫu cực mỏng của vật liệu này thể hiện tính siêu dẫn dưới tác dụng của áp suất trong khoảng từ 150 đến 170 gigapascal. Kết quả được công bố vào tháng XNUMX trên tạp chí Nature, đồng tác giả của GS. Vitaly Prokopenko và Eran Greenberg.

Để suy nghĩ về ứng dụng thực tế của những vật liệu này, bạn sẽ phải giảm áp suất và cả nhiệt độ, bởi vì thậm chí xuống -23 ° C cũng không thực tế lắm. Nghiên cứu về nó là vật lý bước nhỏ điển hình, diễn ra trong nhiều năm trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới.

Điều này cũng áp dụng cho nghiên cứu ứng dụng. hiện tượng từ trong điện tử. Gần đây hơn, bằng cách sử dụng các đầu dò từ tính có độ nhạy cao, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã tìm thấy bằng chứng đáng ngạc nhiên rằng từ tính xuất hiện tại bề mặt phân cách của các lớp mỏng oxit phi từ tính có thể dễ dàng được điều khiển bằng cách tác dụng các lực cơ học nhỏ. Khám phá, được công bố vào tháng XNUMX năm ngoái trên tạp chí Nature Physics, cho thấy một phương pháp mới và bất ngờ để kiểm soát từ tính, về mặt lý thuyết cho phép suy nghĩ về bộ nhớ từ tính và spintronics dày đặc hơn.

Khám phá này tạo ra một cơ hội mới để thu nhỏ các tế bào bộ nhớ từ tính, ngày nay đã có kích thước vài chục nanomet, nhưng việc thu nhỏ chúng bằng các công nghệ đã biết là rất khó. Các giao diện oxit kết hợp một số hiện tượng vật lý thú vị như tính dẫn điện hai chiều và tính siêu dẫn. Điều khiển dòng điện bằng từ tính là một lĩnh vực rất có triển vọng trong điện tử. Việc tìm kiếm các vật liệu có đặc tính phù hợp, nhưng giá cả phải chăng và rẻ sẽ cho phép chúng tôi nghiêm túc trong việc phát triển spintronic.

nó cũng mệt mỏi kiểm soát nhiệt thải trong thiết bị điện tử. Các kỹ sư của UC Berkeley gần đây đã phát triển một loại vật liệu màng mỏng (độ dày màng 50-100 nanomet) có thể được sử dụng để thu hồi nhiệt thải để tạo ra năng lượng ở mức độ chưa từng thấy trước đây trong loại công nghệ này. Nó sử dụng một quá trình được gọi là chuyển đổi năng lượng nhiệt điện, mà nghiên cứu kỹ thuật mới cho thấy rất phù hợp để sử dụng trong các nguồn nhiệt dưới 100 ° C. Đây chỉ là một trong những ví dụ mới nhất về nghiên cứu trong lĩnh vực này. Có hàng trăm, thậm chí hàng nghìn chương trình nghiên cứu trên khắp thế giới liên quan đến quản lý năng lượng trong điện tử.

"Tôi không biết tại sao, nhưng nó hoạt động"

Thử nghiệm với các vật liệu mới, sự chuyển pha của chúng và các hiện tượng tôpô là một lĩnh vực nghiên cứu rất hứa hẹn, không hiệu quả, khó khăn và hiếm khi hấp dẫn đối với giới truyền thông. Đây là một trong những nghiên cứu được trích dẫn thường xuyên nhất trong lĩnh vực vật lý, mặc dù nó đã nhận được rất nhiều sự công khai trên các phương tiện truyền thông, cái gọi là. chủ đạo họ thường không giành chiến thắng.

Thí nghiệm về sự biến đổi pha trong vật liệu đôi khi mang lại kết quả không ngờ, chẳng hạn nấu chảy kim loại với điểm nóng chảy cao nhiệt độ phòng. Một ví dụ là thành tựu gần đây về nấu chảy các mẫu vàng, thường nóng chảy ở 1064 ° C ở nhiệt độ phòng, sử dụng điện trường và kính hiển vi điện tử. Sự thay đổi này có thể đảo ngược vì tắt điện trường có thể làm vàng đông đặc trở lại. Do đó, điện trường tham gia vào các yếu tố đã biết ảnh hưởng đến sự biến đổi pha, ngoài nhiệt độ và áp suất.

Sự thay đổi pha cũng được quan sát thấy trong thời gian cường độ cao xung ánh sáng laze. Kết quả nghiên cứu về hiện tượng này đã được công bố vào mùa hè năm 2019 trên tạp chí Nature Physics. Nhóm quốc tế đạt được điều này do Nuh Gedik (3), giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng trong quá trình nóng chảy cảm ứng quang học, sự chuyển pha xảy ra thông qua việc hình thành các điểm kỳ dị trong vật liệu, được gọi là các khuyết tật tôpô, do đó ảnh hưởng đến kết quả động lực học của điện tử và mạng tinh thể trong vật liệu. Như Gedik giải thích trong ấn phẩm của mình, những khuyết tật tôpô này tương tự như những xoáy cực nhỏ xảy ra trong chất lỏng như nước.

Đối với nghiên cứu của họ, các nhà khoa học đã sử dụng một hợp chất của lantan và Tellurium LaTe.₃. Các nhà nghiên cứu giải thích rằng bước tiếp theo sẽ là cố gắng xác định cách họ có thể "tạo ra những khiếm khuyết này một cách có kiểm soát." Về khả năng, điều này có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu, nơi các xung ánh sáng sẽ được sử dụng để ghi hoặc sửa chữa các khiếm khuyết trong hệ thống, tương ứng với các hoạt động dữ liệu.

Và kể từ khi chúng ta có xung laser cực nhanh, việc sử dụng chúng trong nhiều thí nghiệm thú vị và có khả năng ứng dụng đầy hứa hẹn trong thực tế là một chủ đề thường xuất hiện trong các báo cáo khoa học. Ví dụ, nhóm của Ignacio Franco, trợ lý giáo sư hóa học và vật lý tại Đại học Rochester, gần đây đã chỉ ra cách các xung laser cực nhanh có thể được sử dụng để bóp méo thuộc tính của vật chất Oraz tạo ra dòng điện với tốc độ nhanh hơn bất kỳ kỹ thuật nào mà chúng tôi biết cho đến nay. Các nhà nghiên cứu đã xử lý các sợi thủy tinh mỏng với thời gian một phần triệu của một phần tỷ giây. Trong nháy mắt, vật liệu thủy tinh biến thành một thứ giống như kim loại dẫn điện. Điều này xảy ra nhanh hơn bất kỳ hệ thống nào đã biết khi không có điện áp đặt vào. Hướng của dòng chảy và cường độ của dòng điện có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi các đặc tính của chùm tia laze. Và vì nó có thể được kiểm soát, mọi kỹ sư điện tử đều nhìn với vẻ thích thú.

Franco giải thích trong một ấn phẩm trên tạp chí Nature Communications.

Bản chất vật lý của những hiện tượng này không được hiểu đầy đủ. Bản thân Franco nghi ngờ rằng các cơ chế như hiệu ứng rõ rệt, tức là, mối tương quan của sự phát xạ hoặc hấp thụ của lượng tử ánh sáng với điện trường. Nếu có thể xây dựng các hệ thống điện tử hoạt động dựa trên những hiện tượng này, chúng ta sẽ có một tập khác của loạt phim kỹ thuật có tên Chúng ta không biết tại sao, nhưng nó hoạt động.

Độ nhạy và kích thước nhỏ

Con quay hồi chuyển là các thiết bị giúp phương tiện, máy bay không người lái, cũng như các tiện ích điện tử và thiết bị di động điều hướng trong không gian ba chiều. Bây giờ chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị mà chúng ta sử dụng hàng ngày. Ban đầu, con quay hồi chuyển là một tập hợp các bánh xe lồng vào nhau, mỗi bánh xe quay quanh trục của chính nó. Ngày nay, trong điện thoại di động, chúng ta tìm thấy các cảm biến vi cơ điện tử (MEMS) để đo sự thay đổi của lực tác dụng lên hai khối lượng giống nhau, dao động và chuyển động ngược chiều.

Con quay hồi chuyển MEMS có những hạn chế về độ nhạy đáng kể. Vì vậy, nó đang xây dựng con quay hồi chuyển quang học, không có bộ phận chuyển động, cho các nhiệm vụ giống nhau sử dụng một hiện tượng được gọi là Hiệu ứng Sagnac. Tuy nhiên, cho đến bây giờ có một vấn đề về việc thu nhỏ của họ. Con quay hồi chuyển quang học hiệu suất cao nhỏ nhất hiện có lớn hơn một quả bóng bàn và không thích hợp cho nhiều ứng dụng di động. Tuy nhiên, các kỹ sư tại Đại học Công nghệ Caltech, dẫn đầu bởi Ali Hadjimiri, đã phát triển một con quay hồi chuyển quang học mới ít hơn năm trăm lầnnhững gì được biết cho đến nay4). Anh ấy nâng cao độ nhạy của mình thông qua việc sử dụng một kỹ thuật mới có tên là "củng cố lẫn nhau»Giữa hai chùm ánh sáng được sử dụng trong giao thoa kế Sagnac điển hình. Thiết bị mới đã được mô tả trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Photonics vào tháng XNUMX năm ngoái.

4. Con quay hồi chuyển quang học do Ali Hadjimiri và các đồng nghiệp của ông phát triển. 

Sự phát triển của một con quay hồi chuyển quang học chính xác có thể cải thiện đáng kể khả năng định hướng của điện thoại thông minh. Đổi lại, nó được xây dựng bởi các nhà khoa học từ Columbia Engineering. ống kính phẳng đầu tiên có khả năng lấy nét chính xác nhiều màu sắc tại cùng một điểm mà không cần thêm các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến khả năng chụp ảnh của thiết bị di động. Thấu kính phẳng mỏng micromet mang tính cách mạng này mỏng hơn đáng kể so với một tờ giấy và mang lại hiệu suất tương đương với thấu kính composite cao cấp. Phát hiện của nhóm, do Nanfang Yu, một trợ lý giáo sư vật lý ứng dụng, dẫn đầu, được trình bày trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.

Các nhà khoa học đã chế tạo thấu kính phẳng từ "metaatoms". Mỗi siêu nguyên tử là một phần nhỏ của bước sóng ánh sáng có kích thước và làm trễ sóng ánh sáng một lượng khác nhau. Bằng cách xây dựng một lớp cấu trúc nano phẳng rất mỏng trên một chất nền dày như sợi tóc người, các nhà khoa học đã có thể đạt được chức năng tương tự như một hệ thống thấu kính thông thường dày hơn và nặng hơn nhiều. Metalens có thể thay thế hệ thống thấu kính cồng kềnh giống như cách mà TV màn hình phẳng đã thay thế TV ống tia âm cực.

Tại sao lại là một máy va chạm lớn khi có những cách khác

Vật lý của các bước nhỏ cũng có thể có ý nghĩa và ý nghĩa khác nhau. Ví dụ - thay vì xây dựng những cấu trúc kiểu lớn khủng khiếp và đòi hỏi những cấu trúc thậm chí còn lớn hơn, như nhiều nhà vật lý vẫn làm, người ta có thể cố gắng tìm ra câu trả lời cho những câu hỏi lớn bằng những công cụ khiêm tốn hơn.

Hầu hết các máy gia tốc đều tăng tốc các chùm hạt bằng cách tạo ra điện trường và từ trường. Tuy nhiên, trong một thời gian, anh ấy đã thử nghiệm một kỹ thuật khác - máy gia tốc plasma, gia tốc của các hạt mang điện như electron, positron và ion sử dụng điện trường kết hợp với sóng tạo ra trong plasma electron. Gần đây, tôi đang làm việc trên phiên bản mới của họ. Nhóm AWAKE tại CERN sử dụng proton (không phải electron) để tạo ra sóng plasma. Chuyển sang proton có thể đưa các hạt lên mức năng lượng cao hơn trong một bước gia tốc. Các hình thức gia tốc trường thức tỉnh plasma khác yêu cầu một số bước để đạt được mức năng lượng tương tự. Các nhà khoa học tin rằng công nghệ dựa trên proton của họ có thể cho phép chúng ta chế tạo các máy gia tốc nhỏ hơn, rẻ hơn và mạnh hơn trong tương lai.

5. Máy gia tốc thu nhỏ hai giai đoạn của DESY - hình dung

Đến lượt mình, các nhà khoa học của DESY (viết tắt của Deutsches Elektronen-Synchrotron - Đồng bộ điện tử của Đức) đã thiết lập một kỷ lục mới trong lĩnh vực thu nhỏ máy gia tốc hạt vào tháng Bảy. Máy gia tốc terahertz làm tăng gấp đôi năng lượng của các electron được đưa vào (5). Đồng thời, việc thiết lập đã cải thiện đáng kể chất lượng của chùm tia điện tử so với các thí nghiệm trước đây với kỹ thuật này.

Franz Kärtner, trưởng nhóm quang học cực nhanh và tia X tại DESY, giải thích trong một thông cáo báo chí. -

Thiết bị liên kết tạo ra một trường gia tốc với cường độ tối đa 200 triệu vôn trên mét (MV / m) - tương tự như máy gia tốc thông thường hiện đại mạnh nhất.

Đổi lại, một máy dò mới, tương đối nhỏ ALPHA-g (6), do công ty TRIUMF của Canada chế tạo và chuyển đến CERN vào đầu năm nay, có nhiệm vụ đo gia tốc trọng trường của phản vật chất. Phản vật chất có tăng tốc khi có trường hấp dẫn trên bề mặt Trái đất +9,8 m / s2 (giảm), -9,8 m / s2 (tăng), 0 m / s2 (không có gia tốc trọng trường nào cả) hay có một số giá trị khác? Khả năng thứ hai sẽ cách mạng hóa vật lý. Một bộ máy ALPHA-g nhỏ có thể, ngoài việc chứng minh sự tồn tại của "phản trọng lực", dẫn chúng ta trên con đường dẫn đến những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ.

Ở quy mô nhỏ hơn, chúng tôi đang cố gắng nghiên cứu các hiện tượng ở mức độ thấp hơn nữa. Bên trên 60 tỷ vòng quay mỗi giây nó có thể được thiết kế bởi các nhà khoa học từ Đại học Purdue và các trường đại học Trung Quốc. Theo các tác giả của thử nghiệm trong một bài báo được xuất bản cách đây vài tháng trên tạp chí Physical Review Letters, sự sáng tạo xoay vòng nhanh chóng như vậy sẽ cho phép họ hiểu rõ hơn Bí mật .

Vật thể đang quay cùng cực, là một hạt nano rộng khoảng 170 nanomet và dài 320 nanomet, được các nhà khoa học tổng hợp từ silica. Nhóm nghiên cứu đã làm bay một vật thể trong chân không bằng cách sử dụng tia laser, sau đó phát xung nó với một tốc độ cực lớn. Bước tiếp theo sẽ là tiến hành các thí nghiệm với tốc độ quay thậm chí còn cao hơn, cho phép nghiên cứu chính xác các lý thuyết vật lý cơ bản, bao gồm các dạng ma sát kỳ lạ trong chân không. Như bạn có thể thấy, bạn không cần phải xây dựng hàng km đường ống và máy dò khổng lồ để đối mặt với những bí ẩn cơ bản.

Vào năm 2009, các nhà khoa học đã cố gắng tạo ra một loại lỗ đen đặc biệt trong phòng thí nghiệm có khả năng hấp thụ âm thanh. Kể từ đó những âm thanh  được chứng minh là hữu ích như các chất tương tự trong phòng thí nghiệm của vật thể hấp thụ ánh sáng. Trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature vào tháng XNUMX này, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Technion Israel đã mô tả cách họ tạo ra một lỗ đen siêu âm và đo nhiệt độ bức xạ Hawking của nó. Các phép đo này phù hợp với nhiệt độ mà Hawking dự đoán. Do đó, có vẻ như không cần thiết phải thực hiện một chuyến thám hiểm đến một lỗ đen để khám phá nó.

Ai biết được liệu ẩn chứa trong những dự án khoa học có vẻ kém hiệu quả này, trong những nỗ lực miệt mài trong phòng thí nghiệm và những thí nghiệm lặp đi lặp lại để kiểm tra những lý thuyết vụn vặt, có phải là câu trả lời cho những câu hỏi lớn nhất. Lịch sử khoa học dạy rằng điều này có thể xảy ra.