Keling, o'z ishimizni qilaylik va ehtimol inqilob bo'ladi

Buyuk kashfiyotlar, dadil nazariyalar, ilmiy yutuqlar. Ommaviy axborot vositalari bunday formulalar bilan to'la, odatda bo'rttirilgan. "Buyuk fizika" soyasida, LHC, fundamental kosmologik savollar va standart modelga qarshi kurashda, mehnatkash tadqiqotchilar jimgina o'z ishlarini qilmoqdalar, amaliy qo'llanmalar haqida o'ylashadi va bilimlarimizni bosqichma-bosqich kengaytirmoqdalar.

"Keling, o'z ishimizni qilaylik" - bu termoyadro sintezini ishlab chiqishda ishtirok etgan olimlarning shiori bo'lishi mumkin. Zero, katta savollarga berilgan ajoyib javoblarga qaramay, bu jarayon bilan bog‘liq amaliy, ahamiyatsiz ko‘ringan muammolarni hal qilish dunyoni inqilob qilishga qodir.

Ehtimol, masalan, kichik o'lchamdagi yadroviy sintezni - stolga mos keladigan asbob-uskunalar bilan amalga oshirish mumkin bo'ladi. Vashington universiteti olimlari qurilmani o‘tgan yili qurgan edi Z-chimchilash (1), 5 mikrosekund ichida termoyadroviy reaktsiyani saqlab turishga qodir, garchi asosiy ta'sirli ma'lumot reaktorning atigi 1,5 m uzunlikdagi miniatyurasi bo'lgan bo'lsa-da.Z-pinch plazmani kuchli magnit maydonda ushlab turish va siqish orqali ishlaydi.

Juda samarali emas, lekin potentsial juda muhim uchun sa'y-harakatlar . 2018-yil oktabr oyida Physics of Plasmas jurnalida chop etilgan AQSh Energetika vazirligi (DOE) tadqiqotiga ko‘ra, termoyadroviy reaktorlar plazma tebranishlarini boshqarish qobiliyatiga ega. Bu to‘lqinlar yuqori energiyali zarralarni reaksiya zonasidan tashqariga chiqarib, termoyadroviy reaksiya uchun zarur bo‘lgan energiyaning bir qismini o‘zlari bilan olib ketadi. Yangi DOE tadqiqoti fiziklarga jarayonning oldini olish va zarrachalarni nazorat ostida ushlab turish qobiliyatini beradigan to'lqin shakllanishini kuzatish va bashorat qila oladigan murakkab kompyuter simulyatsiyalarini tavsiflaydi. Olimlar ularning ishlari qurilishda yordam berishiga umid qilmoqda ITER, ehtimol Frantsiyadagi eng mashhur eksperimental termoyadroviy reaktor loyihasi.

kabi yutuqlar ham plazma harorati 100 million daraja SelsiyO'tgan yilning oxirida Xitoy plazma fizikasi instituti olimlari tomonidan eksperimental ilg'or Supero'tkazuvchi Tokamak (EAST) tomonidan olingan, samarali termoyadroviy sari bosqichma-bosqich taraqqiyotning namunasidir. Tadqiqotni sharhlagan ekspertlarning fikricha, u yuqorida tilga olingan ITER loyihasida muhim ahamiyatga ega bo‘lishi mumkin, unda Xitoy boshqa 35 davlat qatorida ishtirok etadi.

Supero'tkazuvchilar va elektronika

Katta yutuqlar o'rniga kichik, mashaqqatli qadamlar qo'yilayotgan yana bir katta salohiyatga ega bo'lgan soha bu yuqori haroratli o'ta o'tkazgichlarni qidirishdir. (2). Afsuski, juda ko'p yolg'on signallar va erta tashvishlar mavjud. Ommaviy axborot vositalarining maqtovli xabarlari odatda bo'rttirilgan yoki shunchaki yolg'on bo'lib chiqadi. Hatto jiddiyroq hisobotlarda ham har doim "lekin" bor. Yaqinda e'lon qilingan hisobotda bo'lgani kabi, Chikago universiteti olimlari o'ta o'tkazuvchanlikni, hech qachon qayd etilgan eng yuqori haroratlarda elektr tokini yo'qotmasdan o'tkazish qobiliyatini kashf etdilar. Argonna milliy laboratoriyasida ilg‘or texnologiyalardan foydalangan holda mahalliy olimlar guruhi -23°C atrofida o‘ta o‘tkazuvchanlikni kuzatgan materiallar sinfini o‘rganishdi. Bu avvalgi tasdiqlangan rekorddan taxminan 50 darajaga sakrashdir.

2. Magnit maydondagi o'ta o'tkazgich

Biroq, diqqatga sazovor narsa shundaki, siz juda ko'p bosim o'tkazishingiz kerak. Sinovdan o'tgan materiallar gidridlar edi. Bir muncha vaqt davomida lantan pergidridi alohida qiziqish uyg'otdi. Tajribalar shuni ko'rsatdiki, ushbu materialning juda nozik namunalari 150 dan 170 gigapaskalgacha bo'lgan bosim ostida o'ta o'tkazuvchanlikni namoyish etadi. Natijalar may oyida Nature jurnalida nashr etilgan, prof. Vitaliy Prokopenko va Eran Greenberg.

Ushbu materiallarni amaliy qo'llash haqida o'ylash uchun siz bosimni va haroratni pasaytirishingiz kerak bo'ladi, chunki -23 ° C gacha ham juda amaliy emas. Uning ustida ishlash odatiy kichik qadam fizikasi bo'lib, butun dunyo bo'ylab laboratoriyalarda yillar davomida davom etadi.

Xuddi shu narsa amaliy tadqiqotlar uchun ham amal qiladi. elektronikada magnit hodisalari. Yaqinda, yuqori sezgir magnit zondlardan foydalangan holda, xalqaro olimlar guruhi magnit bo'lmagan oksidning yupqa qatlamlari interfeysida paydo bo'ladigan magnitlanishni kichik mexanik kuchlarni qo'llash orqali osongina boshqarish mumkinligi haqida hayratlanarli dalillarni topdi. O'tgan dekabr oyida Tabiat fizikasida e'lon qilingan kashfiyot magnitlanishni boshqarishning yangi va kutilmagan usulini ko'rsatadi, masalan, zichroq magnit xotira va spintronika haqida o'ylashga nazariy jihatdan imkon beradi.

Ushbu kashfiyot bugungi kunda bir necha o'nlab nanometrlarga ega bo'lgan magnit xotira hujayralarini miniatyura qilish uchun yangi imkoniyat yaratadi, ammo ma'lum texnologiyalar yordamida ularni keyinchalik miniatyura qilish qiyin. Oksid interfeyslari ikki o'lchovli o'tkazuvchanlik va o'ta o'tkazuvchanlik kabi bir qator qiziqarli jismoniy hodisalarni birlashtiradi. Magnitizm yordamida oqimni boshqarish elektronikada juda istiqbolli sohadir. To'g'ri xususiyatlarga ega, ammo arzon va arzon materiallarni topish bizni rivojlantirishga jiddiy kirishishimizga imkon beradi spintronik.

ham charchatadi elektronikada chiqindi issiqlik nazorati. UC Berkeley muhandislari yaqinda yupqa plyonkali materialni (plyonka qalinligi 50-100 nanometr) ishlab chiqdilar, bu texnologiya turida ilgari hech qachon ko'rilmagan darajada energiya ishlab chiqarish uchun chiqindi issiqlikni qayta tiklash uchun ishlatilishi mumkin. U pyroelektr energiyasini konvertatsiya qilish deb ataladigan jarayondan foydalanadi, yangi muhandislik tadqiqotlari shuni ko'rsatadiki, 100 ° C dan past issiqlik manbalarida foydalanish uchun juda mos keladi. Bu ushbu sohadagi tadqiqotlarning so'nggi misollaridan biridir. Dunyo bo'ylab elektronikada energiyani boshqarish bilan bog'liq yuzlab yoki hatto minglab tadqiqot dasturlari mavjud.

"Nega ekanligini bilmayman, lekin u ishlaydi"

Yangi materiallar, ularning fazaviy o'tishlari va topologik hodisalar bilan tajriba o'tkazish juda istiqbolli tadqiqot yo'nalishi bo'lib, unchalik samarali emas, qiyin va kamdan-kam hollarda ommaviy axborot vositalarini jalb qiladi. Bu fizika sohasidagi eng tez-tez tilga olinadigan tadqiqotlardan biridir, garchi u ommaviy axborot vositalarida juda ko'p e'lon qilingan bo'lsa ham. asosiy oqim ular odatda g'alaba qozonishmaydi.

Materiallardagi fazali o'zgarishlar bilan tajribalar ba'zan, masalan, kutilmagan natijalarga olib keladi metall eritish yuqori erish nuqtalari bilan xona harorati. Misol tariqasida, elektr maydoni va elektron mikroskop yordamida odatda xona haroratida 1064 ° C da eriydigan oltin namunalarini eritishning yaqinda erishilgan yutug'ini keltirish mumkin. Bu o'zgarish teskari edi, chunki elektr maydonini o'chirish oltinni yana qotib qolishi mumkin edi. Shunday qilib, elektr maydoni harorat va bosimdan tashqari, fazaviy o'zgarishlarga ta'sir qiluvchi ma'lum omillarga qo'shildi.

Faza o'zgarishlari intensiv davomida ham kuzatildi lazer nurlarining zarbalari. Ushbu hodisani o'rganish natijalari 2019 yilning yozida Nature Physics jurnalida nashr etilgan. Bunga erishish uchun xalqaro jamoani Nuh Gedik boshqargan (3), Massachusets texnologiya instituti fizika professori. Olimlarning aniqlashicha, optik induktsiyali erish vaqtida fazaviy o‘tish materialda topologik nuqsonlar deb ataladigan o‘ziga xosliklarning hosil bo‘lishi orqali sodir bo‘ladi va bu o‘z navbatida materialdagi elektron va panjara dinamikasiga ta’sir qiladi. Bu topologik nuqsonlar, Gedik o'z nashrida tushuntirganidek, suv kabi suyuqliklarda paydo bo'ladigan mayda girdoblarga o'xshaydi.

O'z tadqiqotlari uchun olimlar lantan va tellur LaTe birikmasidan foydalanganlar.₃. Tadqiqotchilarning tushuntirishicha, keyingi qadam ular qanday qilib "bu nuqsonlarni nazorat ostida yaratishi" mumkinligini aniqlashga harakat qilish bo'ladi. Ehtimol, bu ma'lumotlarni saqlash uchun ishlatilishi mumkin, bu erda yorug'lik impulslari tizimdagi nuqsonlarni yozish yoki tuzatish uchun ishlatiladi, bu ma'lumotlar operatsiyalariga mos keladi.

Va biz o'ta tezkor lazer impulslariga ega bo'lganimiz sababli, ulardan ko'plab qiziqarli tajribalarda foydalanish va amaliyotda istiqbolli qo'llanilishi ilmiy hisobotlarda tez-tez uchraydigan mavzudir. Masalan, Rochester universitetining kimyo va fizika kafedrasi dotsenti Ignasio Franko guruhi yaqinda ultratezkor lazer impulslaridan qanday foydalanish mumkinligini ko'rsatdi. materiya xususiyatlarini buzadi Oraz elektr tokini ishlab chiqarish hozirgacha bizga ma'lum bo'lgan har qanday texnikadan tezroq tezlikda. Tadqiqotchilar sekundning milliarddan bir milliondan biriga teng bo'lgan ingichka shisha filamentlarni davolashdi. Ko‘z ochib yumguncha shishasimon material elektr tokini o‘tkazuvchi metallga o‘xshash narsaga aylandi. Bu qo'llaniladigan kuchlanish yo'qligida ma'lum bo'lgan har qanday tizimga qaraganda tezroq sodir bo'ldi. Oqim yo'nalishi va oqimning intensivligi lazer nurining xususiyatlarini o'zgartirish orqali boshqarilishi mumkin. Va uni boshqarish mumkin bo'lganligi sababli, har bir elektronika muhandisi qiziqish bilan qaraydi.

Franko Nature Communications nashrida tushuntirdi.

Ushbu hodisalarning fizik tabiati to'liq tushunilmagan. Frankoning o'zi bunday mexanizmlardan shubhalanadi keskin ta'sir, ya'ni yorug'lik kvantlarining emissiyasi yoki yutilishining elektr maydoni bilan bog'liqligi. Agar ushbu hodisalar asosida ishlaydigan elektron tizimlarni qurish imkoni bo'lganida, biz muhandislik seriyasining yana bir epizodiga ega bo'lardik, chunki biz nima uchun ekanligini bilmaymiz, lekin u ishlaydi.

Sezuvchanlik va kichik o'lcham

Giroskoplar transport vositalari, dronlar, shuningdek, elektron yordamchi dasturlar va portativ qurilmalar uch o'lchovli fazoda harakat qilishda yordam beradigan qurilmalardir. Endi ular biz har kuni foydalanadigan qurilmalarda keng qo'llaniladi. Dastlab, giroskoplar har biri o'z o'qi atrofida aylanadigan ichki g'ildiraklar to'plami edi. Bugungi kunda mobil telefonlarda biz tebranish va teskari yo'nalishda harakatlanadigan ikkita bir xil massaga ta'sir qiluvchi kuchlarning o'zgarishini o'lchaydigan mikroelektromexanik sensorlarni (MEMS) topamiz.

MEMS giroskoplari sezilarli sezuvchanlik cheklovlariga ega. Shunday qilib, u qurmoqda optik giroskoplar, harakatlanuvchi qismlarga ega bo'lmagan holda, deb nomlangan hodisani ishlatadigan bir xil vazifalar uchun Sagnac effekti. Biroq, shu paytgacha ularni miniatyura qilish muammosi mavjud edi. Mavjud bo'lgan eng kichik yuqori samarali optik gyroskoplar stol tennisi to'pidan kattaroqdir va ko'plab portativ ilovalar uchun mos kelmaydi. Biroq, Ali Hadjimiri boshchiligidagi Kaltech texnologiya universiteti muhandislari yangi optik giroskopni ishlab chiqdilar. besh yuz baravar kamhozirgacha ma'lum bo'lgan narsa4). U yangi texnikani qo'llash orqali o'zining sezgirligini oshiradi.o'zaro mustahkamlash» Oddiy Sagnac interferometrida ishlatiladigan ikkita yorug'lik nurlari o'rtasida. Yangi qurilma o‘tgan yilning noyabr oyida Nature Photonics jurnalida chop etilgan maqolada tasvirlangan.

4. Ali Hadjimiri va uning hamkasblari tomonidan yaratilgan optik giroskop. 

Aniq optik giroskopni ishlab chiqish smartfonlarning yo'nalishini sezilarli darajada yaxshilashi mumkin. O'z navbatida, u Columbia Engineering olimlari tomonidan qurilgan. birinchi tekis linzalar qo'shimcha elementlarga muhtoj bo'lmasdan bir xil nuqtada keng doiradagi ranglarni to'g'ri yo'naltirishga qodir bo'lgan mobil qurilmalarning fotografik imkoniyatlariga ta'sir qilishi mumkin. Inqilobiy mikron yupqa tekis linzalar qog'oz varag'idan sezilarli darajada yupqaroq va yuqori sifatli kompozit linzalar bilan taqqoslanadigan unumdorlikni ta'minlaydi. Amaliy fizika kafedrasi dotsenti Nanfang Yu boshchiligidagi jamoaning xulosalari Nature jurnalida chop etilgan tadqiqotda keltirilgan.

Olimlar "dan tekis linzalarni qurishdi.metaatomlar". Har bir metaatom o'lchamdagi yorug'lik to'lqin uzunligining bir qismidir va yorug'lik to'lqinlarini boshqa miqdorda kechiktiradi. Inson sochidek qalin substratda juda yupqa tekis qatlamli nanostrukturani qurish orqali olimlar ancha qalinroq va og‘irroq an’anaviy linzalar tizimi bilan bir xil funksionallikka erisha oldilar. Metalens katta hajmli linza tizimlarini xuddi tekis ekranli televizorlar katodli trubkali televizorlarni almashtirgandek almashtirishi mumkin.

Boshqa yo'llar mavjud bo'lganda, nima uchun katta kollayder

Kichik qadamlar fizikasi ham turli ma'no va ma'nolarga ega bo'lishi mumkin. Masalan - Ko'pgina fiziklar singari dahshatli darajada katta turdagi tuzilmalarni qurish va undan kattaroqlarini talab qilish o'rniga, oddiyroq vositalar yordamida katta savollarga javob topishga harakat qilish mumkin.

Akseleratorlar zarrachalar nurlarini elektr va magnit maydonlarini hosil qilish orqali tezlashtiradi. Biroq, bir muncha vaqt u boshqa texnikani sinab ko'rdi - plazma tezlatgichlari, elektron plazmasida hosil bo'lgan to'lqin bilan birlashtirilgan elektr maydon yordamida elektronlar, pozitronlar va ionlar kabi zaryadlangan zarralarning tezlashishi. So'nggi paytlarda men ularning yangi versiyasi ustida ishlayapman. CERNdagi UYG'ON guruhi plazma to'lqinini yaratish uchun protonlardan (elektron emas) foydalanadi. Protonlarga o'tish zarrachalarni tezlashtirishning bir bosqichida yuqori energiya darajalariga olib chiqishi mumkin. Plazma uyg'onish maydonini tezlashtirishning boshqa shakllari bir xil energiya darajasiga erishish uchun bir necha qadamlarni talab qiladi. Olimlarning fikriga ko'ra, ularning protonga asoslangan texnologiyasi kelajakda kichikroq, arzonroq va kuchliroq tezlatgichlarni yaratishga imkon beradi.

5. DESY dan ikki bosqichli miniatyura tezlatgichi - vizualizatsiya

O‘z navbatida, DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron – nemis elektron sinxrotron so‘zining qisqartmasi) olimlari iyul oyida zarracha tezlatgichlarini miniatyuralashtirish sohasida yangi rekord o‘rnatdilar. Terahertz tezlatgichi yuborilgan elektronlarning energiyasini ikki baravar oshirdi (5). Shu bilan birga, o'rnatish ushbu texnika bilan oldingi tajribalarga nisbatan elektron nurning sifatini sezilarli darajada yaxshiladi.

DESY ultrafast optika va rentgen guruhi rahbari Frants Kärtner press-relizda tushuntirdi. -

Bog'langan qurilma maksimal intensivligi metriga 200 million volt (MV/m) bo'lgan tezlashtiruvchi maydon hosil qildi - bu eng kuchli zamonaviy an'anaviy tezlatgichga o'xshaydi.

O'z navbatida, yangi, nisbatan kichik detektor ALPHA-g (6), Kanadaning TRIUMF kompaniyasi tomonidan qurilgan va shu yil boshida CERNga jo'natilgan. antimateriyaning tortishish tezlanishini o'lchang. Antimateriya Yer yuzasida tortishish maydoni mavjud bo‘lganda +9,8 m/s2 (pastga), -9,8 m/s2 (yuqori), 0 m/s2 (umuman tortishish tezlanishi yo‘q) tezlashadimi yoki bir oz tezlashadimi? boshqa qiymat? Ikkinchi imkoniyat fizikani inqilob qiladi. Kichkina ALPHA-g apparati "anti-tortishish" mavjudligini isbotlashdan tashqari, bizni koinotning eng buyuk sirlariga olib boradigan yo'lga olib borishi mumkin.

Bundan ham kichikroq miqyosda biz undan ham past darajadagi hodisalarni o'rganishga harakat qilmoqdamiz. Yuqorida soniyada 60 milliard aylanish u Purdue universiteti va Xitoy universitetlari olimlari tomonidan ishlab chiqilishi mumkin. Tajriba mualliflarining bir necha oy oldin Physical Review Letters jurnalida chop etilgan maqolasiga ko‘ra, bunday tez aylanadigan yaratilish ularga yaxshiroq tushunish imkonini beradi. sirlari .

Xuddi shu haddan tashqari aylanishda bo'lgan ob'ekt olimlar kremniy dioksiddan sintez qilgan kengligi taxminan 170 nanometr va uzunligi 320 nanometr bo'lgan nanozarrachadir. Tadqiqot guruhi lazer yordamida ob'ektni vakuumda ko'tardi, keyin esa uni juda katta tezlikda pulsladi. Keyingi qadam yana yuqori aylanish tezligi bilan tajribalar o'tkazish bo'ladi, bu esa asosiy fizik nazariyalarni, shu jumladan vakuumdagi ishqalanishning ekzotik shakllarini aniq tadqiq qilish imkonini beradi. Ko'rib turganingizdek, fundamental sirlarga duch kelish uchun kilometrlab quvurlar va ulkan detektorlar qurishingiz shart emas.

2009 yilda olimlar laboratoriyada tovushni yutuvchi maxsus turdagi qora tuynuk yaratishga muvaffaq bo'lishdi. O'shandan beri bular ovozi  yorug'likni yutuvchi ob'ektning laboratoriya analoglari sifatida foydali ekanligini isbotladi. Joriy yilning iyul oyida Nature jurnalida chop etilgan maqolada Technion Isroil texnologiya instituti tadqiqotchilari qanday qilib tovushli qora tuynukni yaratganliklari va uning Xoking radiatsiya haroratini o‘lchaganliklarini tasvirlab berishdi. Bu o'lchovlar Xoking tomonidan bashorat qilingan haroratga to'g'ri keldi. Shunday qilib, qora tuynukni tadqiq qilish uchun unga ekspeditsiya qilish shart emasdek tuyuladi.

Kim biladi, bu unchalik samarali bo'lmagan ilmiy loyihalar, mashaqqatli laboratoriya harakatlari va kichik, parchalangan nazariyalarni sinab ko'rish uchun takroriy tajribalar eng katta savollarga javob bo'lmasligi mumkin. Ilm-fan tarixi bu sodir bo'lishi mumkinligini o'rgatadi.