Machen wir unser Ding und vielleicht kommt es zu einer Revolution

Große Entdeckungen, kühne Theorien, wissenschaftliche Durchbrüche. Die Medien sind voll von solchen Formulierungen, meist übertrieben. Irgendwo im Schatten der „großen Physik“, des LHC, grundlegender kosmologischer Fragen und des Kampfes gegen das Standardmodell, tun fleißige Forscher still ihre Arbeit, denken über praktische Anwendungen nach und erweitern unser Wissen Schritt für Schritt.

„Machen wir unser eigenes Ding“ kann durchaus der Slogan von Wissenschaftlern sein, die an der Entwicklung der thermonuklearen Fusion beteiligt sind. Denn trotz der großen Antworten auf die großen Fragen ist die Lösung praktischer, scheinbar unbedeutender Probleme, die mit diesem Prozess verbunden sind, in der Lage, die Welt zu revolutionieren.

Vielleicht wird es zum Beispiel möglich sein, Kernfusion im kleinen Maßstab zu betreiben - mit Geräten, die auf einen Tisch passen. Wissenschaftler der University of Washington haben das Gerät letztes Jahr gebaut Z-Prise (1), der in der Lage ist, eine Fusionsreaktion innerhalb von 5 Mikrosekunden aufrechtzuerhalten, obwohl die wichtigste beeindruckende Information die Miniaturisierung des Reaktors war, der nur 1,5 m lang ist.Der Z-Pinch funktioniert, indem er das Plasma in einem starken Magnetfeld einfängt und komprimiert.

Nicht sehr effektiv, aber potenziell extrem wichtig Bemühungen zu . Laut einer im Oktober 2018 in der Zeitschrift Physics of Plasmas veröffentlichten Studie des US-Energieministeriums (DOE) haben Fusionsreaktoren die Fähigkeit, Plasmaoszillationen zu kontrollieren. Diese Wellen stoßen hochenergetische Teilchen aus der Reaktionszone und nehmen dabei einen Teil der Energie mit, die für die Fusionsreaktion benötigt wird. Eine neue DOE-Studie beschreibt ausgeklügelte Computersimulationen, die die Wellenbildung verfolgen und vorhersagen können, was den Physikern die Möglichkeit gibt, den Prozess zu verhindern und die Partikel unter Kontrolle zu halten. Wissenschaftler hoffen, dass ihre Arbeit beim Bau helfen wird ITER, vielleicht das berühmteste experimentelle Fusionsreaktorprojekt in Frankreich.

Auch Errungenschaften wie z Plasmatemperatur 100 Millionen Grad Celsius, das Ende letzten Jahres von einem Team von Wissenschaftlern des China Institute of Plasma Physics im Experimental Advanced Supraconductor Tokamak (EAST) erhalten wurde, ist ein Beispiel für einen schrittweisen Fortschritt hin zu einer effizienten Fusion. Laut Experten, die die Studie kommentieren, könnte sie für das oben erwähnte ITER-Projekt, an dem China zusammen mit 35 anderen Ländern beteiligt ist, von entscheidender Bedeutung sein.

Supraleiter und Elektronik

Ein weiterer Bereich mit großem Potenzial, in dem statt großer Durchbrüche eher kleine, mühsame Schritte unternommen werden, ist die Suche nach Hochtemperatur-Supraleitern. (2). Leider gibt es viele Fehlalarme und verfrühte Sorgen. Üblicherweise erweisen sich begeisterte Medienberichte als Übertreibungen oder schlichtweg als unwahr. Auch in ernsteren Berichten gibt es immer ein „aber“. Wie in einem kürzlich erschienenen Bericht, haben Wissenschaftler der University of Chicago die Supraleitung entdeckt, die Fähigkeit, Elektrizität bei den höchsten jemals gemessenen Temperaturen verlustfrei zu leiten. Mithilfe modernster Technologie am Argonne National Laboratory untersuchte ein Team lokaler Wissenschaftler eine Klasse von Materialien, bei denen sie Supraleitung bei Temperaturen um -23 °C beobachteten. Dies ist ein Sprung von etwa 50 Grad gegenüber dem zuvor bestätigten Rekord.

2. Supraleiter in einem Magnetfeld

Der Haken ist allerdings, dass man viel Druck ausüben muss. Die getesteten Materialien waren Hydride. Lanthanperhydrid ist seit einiger Zeit von besonderem Interesse. In Experimenten wurde festgestellt, dass extrem dünne Proben dieses Materials unter Einwirkung von Drücken im Bereich von 150 bis 170 Gigapascal Supraleitung zeigen. Die Ergebnisse wurden im Mai in der Fachzeitschrift Nature unter Mitautor von Prof. Vitaly Prokopenko und Eran Greenberg.

Um über die praktische Anwendung dieser Materialien nachzudenken, müssen Sie den Druck und auch die Temperatur senken, denn selbst bis zu -23 ° C ist nicht sehr praktisch. Die Arbeit daran ist typische Kleinschrittphysik, die jahrelang in Labors auf der ganzen Welt durchgeführt wird.

Gleiches gilt für die angewandte Forschung. magnetische Phänomene in der Elektronik. Vor kurzem hat ein internationales Team von Wissenschaftlern mit hochempfindlichen Magnetsonden überraschende Beweise dafür gefunden, dass der Magnetismus, der an der Grenzfläche dünner Schichten aus nichtmagnetischem Oxid auftritt, leicht durch Anwendung kleiner mechanischer Kräfte kontrolliert werden kann. Die Entdeckung, die letzten Dezember in Nature Physics angekündigt wurde, zeigt einen neuen und unerwarteten Weg, um den Magnetismus zu kontrollieren, und ermöglicht theoretisch beispielsweise, über dichtere magnetische Speicher und Spintronik nachzudenken.

Diese Entdeckung schafft eine neue Möglichkeit zur Miniaturisierung magnetischer Speicherzellen, die heute bereits eine Größe von mehreren zehn Nanometern haben, aber ihre weitere Miniaturisierung unter Verwendung bekannter Technologien ist schwierig. Oxidgrenzflächen kombinieren eine Reihe interessanter physikalischer Phänomene wie zweidimensionale Leitfähigkeit und Supraleitung. Die Steuerung von Strom mittels Magnetismus ist ein vielversprechendes Gebiet in der Elektronik. Die Suche nach Materialien mit den richtigen Eigenschaften, die dennoch erschwinglich und billig sind, würde es uns ermöglichen, ernsthaft mit der Entwicklung zu beginnen Spintronik.

es ist auch anstrengend Abwärmekontrolle in der Elektronik. Ingenieure der UC Berkeley haben kürzlich ein Dünnschichtmaterial (Schichtdicke 50-100 Nanometer) entwickelt, das zur Rückgewinnung von Abwärme zur Stromerzeugung auf einem Niveau verwendet werden kann, das bei dieser Art von Technologie noch nie zuvor erreicht wurde. Es verwendet einen Prozess namens pyroelektrische Energieumwandlung, der sich nach neuen technischen Untersuchungen gut für den Einsatz in Wärmequellen unter 100 °C eignet. Dies ist nur eines der neuesten Forschungsbeispiele auf diesem Gebiet. Es gibt Hunderte oder sogar Tausende von Forschungsprogrammen auf der ganzen Welt, die sich auf das Energiemanagement in der Elektronik beziehen.

"Ich weiß nicht warum, aber es funktioniert"

Das Experimentieren mit neuen Materialien, ihren Phasenübergängen und topologischen Phänomenen ist ein sehr vielversprechendes Forschungsgebiet, wenig effizient, schwierig und selten medienwirksam. Dies ist eine der am häufigsten zitierten Forschungen auf dem Gebiet der Physik, obwohl sie in den Medien, den sogenannten. Mainstream sie gewinnen normalerweise nicht.

Experimente mit Phasenumwandlungen in Materialien bringen zum Beispiel manchmal unerwartete Ergebnisse Metallschmelze mit hohen Schmelzpunkten Zimmertemperatur. Ein Beispiel ist die jüngste Errungenschaft des Schmelzens von Goldproben, die typischerweise bei 1064 °C bei Raumtemperatur schmelzen, unter Verwendung eines elektrischen Felds und eines Elektronenmikroskops. Diese Änderung war reversibel, da das Abschalten des elektrischen Feldes das Gold wieder verfestigen konnte. Zu den bekannten Einflussfaktoren auf Phasenumwandlungen gesellt sich damit neben Temperatur und Druck auch das elektrische Feld.

Phasenänderungen wurden auch während intensiver beobachtet Pulse von Laserlicht. Die Ergebnisse der Untersuchung dieses Phänomens wurden im Sommer 2019 in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht. Das internationale Team, um dies zu erreichen, wurde von Nuh Gedik (3), Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass beim optisch induzierten Schmelzen der Phasenübergang durch die Bildung von Singularitäten im Material, sogenannten topologischen Defekten, erfolgt, die wiederum die resultierende Elektronen- und Gitterdynamik im Material beeinflussen. Diese topologischen Defekte, wie Gedik in seiner Veröffentlichung erklärte, sind analog zu winzigen Wirbeln, die in Flüssigkeiten wie Wasser auftreten.

Für ihre Forschung verwendeten Wissenschaftler eine Verbindung aus Lanthan und Tellur LaTe.₃. Die Forscher erklären, dass der nächste Schritt darin bestehen wird, herauszufinden, wie sie "diese Defekte auf kontrollierte Weise erzeugen" können. Potenziell könnte dies zur Datenspeicherung verwendet werden, wo Lichtimpulse zum Schreiben oder Reparieren von Fehlern im System verwendet würden, was Datenoperationen entsprechen würde.

Und seit wir bei ultraschnellen Laserpulsen angelangt sind, ist ihr Einsatz in vielen interessanten Experimenten und potenziell vielversprechenden Anwendungen in der Praxis ein Thema, das häufig in wissenschaftlichen Berichten auftaucht. So zeigte kürzlich die Gruppe von Ignacio Franco, Assistenzprofessor für Chemie und Physik an der University of Rochester, wie ultraschnelle Laserpulse eingesetzt werden können verzerrende Eigenschaften der Materie Oraz elektrische Stromerzeugung mit einer Geschwindigkeit, die schneller ist als jede uns bisher bekannte Technik. Die Forscher behandelten dünne Glasfilamente mit einer Dauer von einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Im Handumdrehen verwandelte sich das glasige Material in so etwas wie ein elektrisch leitendes Metall. Dies geschah schneller als bei jedem bekannten System in Abwesenheit einer angelegten Spannung. Die Richtung des Flusses und die Intensität des Stroms können durch Veränderung der Eigenschaften des Laserstrahls gesteuert werden. Und da es steuerbar ist, schaut jeder Elektroniker interessiert zu.

Franco erklärte in einer Veröffentlichung in Nature Communications.

Die physikalische Natur dieser Phänomene ist nicht vollständig verstanden. Franco selbst vermutet, dass Mechanismen wie starke Wirkung, also die Korrelation der Emission oder Absorption von Lichtquanten mit einem elektrischen Feld. Wenn es möglich wäre, auf der Grundlage dieser Phänomene funktionierende elektronische Systeme zu bauen, hätten wir eine weitere Folge der Engineering-Serie mit dem Titel We Don't Know Why, But It Works.

Empfindlichkeit und geringe Größe

Gyroskope sind Geräte, die Fahrzeugen, Drohnen sowie elektronischen Versorgungseinrichtungen und tragbaren Geräten helfen, im dreidimensionalen Raum zu navigieren. Jetzt werden sie häufig in Geräten verwendet, die wir täglich verwenden. Ursprünglich waren Gyroskope ein Satz verschachtelter Räder, von denen sich jedes um seine eigene Achse drehte. Heute finden wir in Mobiltelefonen mikroelektromechanische Sensoren (MEMS), die Änderungen der Kräfte messen, die auf zwei identische Massen wirken, die oszillieren und sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen.

MEMS-Gyroskope haben erhebliche Empfindlichkeitseinschränkungen. Es wird also gebaut optische Gyroskope, ohne bewegliche Teile, für die gleichen Aufgaben, die ein Phänomen namens verwenden Sagnac-Effekt. Bisher gab es jedoch ein Problem ihrer Miniaturisierung. Die kleinsten verfügbaren optischen Hochleistungsgyroskope sind größer als ein Tischtennisball und für viele tragbare Anwendungen nicht geeignet. Allerdings haben Ingenieure der Caltech University of Technology unter der Leitung von Ali Hadjimiri ein neues optisches Gyroskop entwickelt fünfhundert Mal wenigerwas bisher bekannt ist4). Er verbessert seine Sensibilität durch den Einsatz einer neuen Technik namens "gegenseitige Verstärkung» Zwischen zwei Lichtstrahlen, die in einem typischen Sagnac-Interferometer verwendet werden. Das neue Gerät wurde in einem im vergangenen November in Nature Photonics veröffentlichten Artikel beschrieben.

4. Optisches Gyroskop, entwickelt von Ali Hadjimiri und seinen Kollegen. 

Die Entwicklung eines genauen optischen Gyroskops kann die Orientierung von Smartphones erheblich verbessern. Es wurde wiederum von Wissenschaftlern von Columbia Engineering gebaut. erste Flachlinse Die Fähigkeit, eine breite Palette von Farben ohne zusätzliche Elemente korrekt auf den gleichen Punkt zu fokussieren, kann die fotografischen Fähigkeiten mobiler Geräte beeinträchtigen. Die revolutionäre, mikrometerdünne Flachlinse ist deutlich dünner als ein Blatt Papier und bietet eine Leistung, die mit Premium-Verbundlinsen vergleichbar ist. Die Ergebnisse der Gruppe unter der Leitung von Nanfang Yu, einem Assistenzprofessor für angewandte Physik, werden in einer in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie vorgestellt.

Wissenschaftler haben flache Linsen aus "Metaatome". Jedes Metaatom ist nur einen Bruchteil einer Lichtwellenlänge groß und verzögert Lichtwellen um einen unterschiedlichen Betrag. Durch den Aufbau einer sehr dünnen, flachen Schicht aus Nanostrukturen auf einem Substrat, das so dick wie ein menschliches Haar ist, konnten die Wissenschaftler die gleiche Funktionalität wie bei einem viel dickeren und schwereren herkömmlichen Linsensystem erreichen. Metalenses können sperrige Linsensysteme auf die gleiche Weise ersetzen, wie Flachbildfernseher CRT-Fernseher ersetzt haben.

Warum ein großer Collider, wenn es auch anders geht

Die Physik der kleinen Schritte kann auch unterschiedliche Bedeutungen und Bedeutungen haben. Zum Beispiel - Anstatt wie viele Physiker ungeheuer große Schriftstrukturen zu bauen und noch größere zu fordern, kann man versuchen, Antworten auf große Fragen mit bescheideneren Werkzeugen zu finden.

Die meisten Beschleuniger beschleunigen Teilchenstrahlen, indem sie elektrische und magnetische Felder erzeugen. Allerdings experimentierte er einige Zeit mit einer anderen Technik - Plasmabeschleuniger, Beschleunigung geladener Teilchen wie Elektronen, Positronen und Ionen unter Verwendung eines elektrischen Feldes in Kombination mit einer in einem Elektronenplasma erzeugten Welle. In letzter Zeit habe ich an ihrer neuen Version gearbeitet. Das AWAKE-Team am CERN verwendet Protonen (nicht Elektronen), um eine Plasmawelle zu erzeugen. Der Wechsel zu Protonen kann Teilchen in einem einzigen Beschleunigungsschritt auf höhere Energieniveaus bringen. Andere Formen der Plasmaerweckungsfeldbeschleunigung erfordern mehrere Schritte, um das gleiche Energieniveau zu erreichen. Wissenschaftler glauben, dass ihre protonenbasierte Technologie es uns ermöglichen könnte, in Zukunft kleinere, billigere und leistungsstärkere Beschleuniger zu bauen.

5. Zweistufiger Miniaturbeschleuniger von DESY – Visualisierung

Wissenschaftler des DESY wiederum stellten im Juli einen neuen Rekord auf dem Gebiet der Miniaturisierung von Teilchenbeschleunigern auf. Der Terahertz-Beschleuniger hat die Energie der injizierten Elektronen mehr als verdoppelt (5). Gleichzeitig verbesserte der Aufbau die Qualität des Elektronenstrahls im Vergleich zu früheren Experimenten mit dieser Technik deutlich.

Franz Kärtner, Leiter der Gruppe Ultrakurzzeitoptik und Röntgen bei DESY, in einer Pressemitteilung. -

Das zugehörige Gerät erzeugte ein Beschleunigungsfeld mit einer maximalen Intensität von 200 Millionen Volt pro Meter (MV/m) – vergleichbar mit dem stärksten modernen konventionellen Beschleuniger.

Wiederum ein neuer, relativ kleiner Detektor ALPHA-g (6), das von der kanadischen Firma TRIUMF gebaut und Anfang dieses Jahres an das CERN geliefert wurde, hat die Aufgabe die Gravitationsbeschleunigung von Antimaterie messen. Beschleunigt Antimaterie in Gegenwart eines Gravitationsfeldes auf der Erdoberfläche um +9,8 m/s2 (nach unten), um -9,8 m/s2 (nach oben), um 0 m/s2 (überhaupt keine Gravitationsbeschleunigung) oder hat sie welche? anderer Wert? Letztere Möglichkeit würde die Physik revolutionieren. Ein kleiner ALPHA-g-Apparat kann uns nicht nur die Existenz der "Antigravitation" beweisen, sondern uns auch auf einen Weg führen, der zu den größten Geheimnissen des Universums führt.

Auf einer noch kleineren Skala versuchen wir, Phänomene auf einer noch niedrigeren Ebene zu studieren. Über 60 Milliarden Umdrehungen pro Sekunde es kann von Wissenschaftlern der Purdue University und chinesischen Universitäten entworfen werden. Laut den Autoren des Experiments in einem Artikel, der vor einigen Monaten in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, wird ihnen eine so schnell rotierende Schöpfung ein besseres Verständnis ermöglichen Secrets .

Das Objekt, das sich in der gleichen extremen Rotation befindet, ist ein etwa 170 Nanometer breiter und 320 Nanometer langer Nanopartikel, den die Wissenschaftler aus Kieselsäure synthetisierten. Das Forschungsteam ließ ein Objekt im Vakuum mit einem Laser schweben, der es dann mit enormer Geschwindigkeit pulsierte. Im nächsten Schritt werden Experimente mit noch höheren Drehzahlen durchgeführt, die eine genaue Erforschung grundlegender physikalischer Theorien ermöglichen, einschließlich exotischer Reibungsformen im Vakuum. Wie Sie sehen, müssen Sie keine kilometerlangen Rohre und riesigen Detektoren bauen, um sich grundlegenden Rätseln zu stellen.

2009 gelang es Wissenschaftlern, im Labor ein schwarzes Loch der besonderen Art zu erschaffen, das Schall absorbiert. Seitdem diese звук  haben sich als Laboranaloga eines lichtabsorbierenden Objekts als nützlich erwiesen. In einem Artikel, der diesen Juli in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, beschreiben Forscher des Technion Israel Institute of Technology, wie sie ein schwarzes Schallloch geschaffen und seine Hawking-Strahlungstemperatur gemessen haben. Diese Messungen stimmten mit der von Hawking vorhergesagten Temperatur überein. Daher scheint es nicht notwendig zu sein, eine Expedition zu einem Schwarzen Loch zu unternehmen, um es zu erforschen.

Wer weiß, ob in diesen scheinbar weniger effizienten wissenschaftlichen Projekten, in mühevollen Laboranstrengungen und wiederholten Experimenten zur Überprüfung kleiner, fragmentierter Theorien die Antworten auf die größten Fragen verborgen sind. Die Geschichte der Wissenschaft lehrt, dass dies passieren kann.