Urobme si svoju vec a možno príde revolúcia

Veľké objavy, odvážne teórie, vedecké objavy. Médiá sú plné takýchto formulácií, zvyčajne prehnaných. Kdesi v tieni „veľkej fyziky“, LHC, zásadných kozmologických otázok a boja proti Štandardnému modelu si tvrdo pracujúci výskumníci v tichosti robia svoju prácu, premýšľajú o praktických aplikáciách a krok za krokom rozširujú pole našich vedomostí.

„Urobme si po svojom“ môže byť určite slogan vedcov, ktorí sa podieľajú na vývoji termonukleárnej fúzie. Pretože, napriek skvelým odpovediam na veľké otázky, riešenie praktických, zdanlivo bezvýznamných problémov spojených s týmto procesom, môže spôsobiť revolúciu vo svete.

Možno bude napríklad možné urobiť jadrovú fúziu v malom meradle - so zariadením, ktoré sa zmestí na stôl. Vedci z Washingtonskej univerzity zostrojili zariadenie minulý rok Z-štipka (1), ktorý je schopný udržať fúznu reakciu do 5 mikrosekúnd, aj keď hlavnou pôsobivou informáciou bola miniaturizácia reaktora, ktorý je dlhý len 1,5 m. Z-štipka funguje tak, že zachytí a stlačí plazmu v silnom magnetickom poli.

Nie veľmi efektívne, ale potenciálne mimoriadne dôležité úsilie o to . Podľa výskumu amerického ministerstva energetiky (DOE), publikovaného v októbri 2018 v časopise Physics of Plasmas, majú fúzne reaktory schopnosť riadiť osciláciu plazmy. Tieto vlny vytláčajú vysokoenergetické častice z reakčnej zóny a berú so sebou časť energie potrebnej na fúznu reakciu. Nová štúdia DOE popisuje sofistikované počítačové simulácie, ktoré dokážu sledovať a predpovedať tvorbu vĺn, čo dáva fyzikom schopnosť zabrániť procesu a udržať častice pod kontrolou. Vedci dúfajú, že ich práca pomôže pri výstavbe ITER, možno najznámejší projekt experimentálneho fúzneho reaktora vo Francúzsku.

Aj úspechy ako napr teplota plazmy 100 miliónov stupňov Celzia, ktorú koncom minulého roka získal tím vedcov z China Institute of Plasma Physics v experimentálnom pokročilom supravodivom tokamaku (EAST), je príkladom postupného pokroku smerom k efektívnej fúzii. Podľa expertov komentujúcich štúdiu môže mať kľúčový význam v spomínanom projekte ITER, na ktorom sa Čína podieľa spolu s ďalšími 35 krajinami.

Supravodiče a elektronika

Ďalšou oblasťou s veľkým potenciálom, kde sa namiesto veľkých prielomov robia skôr malé, starostlivé kroky, je hľadanie vysokoteplotných supravodičov. (2). Bohužiaľ, falošných poplachov a predčasných obáv je veľa. Správy v médiách sa zvyčajne ukážu ako prehnané alebo jednoducho nepravdivé. Aj v závažnejších správach sa vždy nájde „ale“. Ako v nedávnej správe, vedci z Chicagskej univerzity objavili supravodivosť, schopnosť viesť elektrinu bez strát pri najvyšších teplotách, aké boli kedy zaznamenané. Pomocou špičkovej technológie v Argonne National Laboratory tím miestnych vedcov študoval triedu materiálov, v ktorých pozoroval supravodivosť pri teplotách okolo -23 °C. Ide o skok o približne 50 stupňov oproti predchádzajúcemu potvrdenému rekordu.

2. Supravodič v magnetickom poli

Háčik je však v tom, že musíte vyvinúť veľký tlak. Materiály, ktoré boli testované, boli hydridy. Už nejaký čas je obzvlášť zaujímavý perhydrid lantanitý. Experimenty ukázali, že extrémne tenké vzorky tohto materiálu vykazujú supravodivosť pri tlakoch v rozmedzí od 150 do 170 gigapascalov. Výsledky boli publikované v máji v časopise Nature, ktorého spoluautorom je Prof. Vitalij Prokopenko a Eran Greenberg.

Na premýšľanie o praktickom použití týchto materiálov budete musieť znížiť tlak a tiež teplotu, pretože ani do -23 °C nie je veľmi praktické. Práca na ňom je typická fyzika malých krokov, ktorá prebieha roky v laboratóriách po celom svete.

To isté platí pre aplikovaný výskum. magnetické javy v elektronike. Nedávno, pomocou vysoko citlivých magnetických sond, medzinárodný tím vedcov našiel prekvapivý dôkaz, že magnetizmus, ktorý sa vyskytuje na rozhraní tenkých vrstiev nemagnetického oxidu, možno ľahko ovládať pôsobením malých mechanických síl. Objav, ohlásený vlani v decembri v Nature Physics, ukazuje nový a neočakávaný spôsob ovládania magnetizmu, ktorý teoreticky umožňuje uvažovať napríklad o hustejšej magnetickej pamäti a spintronike.

Tento objav vytvára novú príležitosť na miniaturizáciu magnetických pamäťových buniek, ktoré už dnes majú veľkosť niekoľkých desiatok nanometrov, no ich ďalšia miniaturizácia pomocou známych technológií je náročná. Oxidové rozhrania spájajú množstvo zaujímavých fyzikálnych javov, akými sú dvojrozmerná vodivosť a supravodivosť. Riadenie prúdu pomocou magnetizmu je veľmi perspektívna oblasť v elektronike. Nájdenie materiálov so správnymi vlastnosťami, ktoré sú však cenovo dostupné a lacné, by nám umožnilo začať s vývojom vážne spintronic.

je to tiež únavné riadenie odpadového tepla v elektronike. Inžinieri UC Berkeley nedávno vyvinuli tenkovrstvový materiál (hrúbka filmu 50 – 100 nanometrov), ktorý možno použiť na regeneráciu odpadového tepla na výrobu energie na úrovniach, ktoré v tomto type technológie ešte neboli. Využíva proces nazývaný konverzia pyroelektrickej energie, ktorý je podľa nového inžinierskeho výskumu vhodný na použitie v zdrojoch tepla pod 100 °C. Toto je len jeden z najnovších príkladov výskumu v tejto oblasti. Vo svete existujú stovky alebo dokonca tisíce výskumných programov súvisiacich s energetickým manažmentom v elektronike.

"Neviem prečo, ale funguje to"

Experimentovanie s novými materiálmi, ich fázovými prechodmi a topologickými javmi je veľmi sľubnou oblasťou výskumu, nie je veľmi efektívna, náročná a pre médiá málokedy atraktívna. Ide o jednu z najčastejšie citovaných štúdií z oblasti fyziky, aj keď sa jej dostalo veľkej publicity v médiách, tzv. mainstream zvyčajne nevyhrávajú.

Experimenty s fázovými premenami v materiáloch niekedy prinášajú napríklad neočakávané výsledky tavenie kovov s vysokými teplotami topenia izbová teplota. Príkladom je nedávny úspech tavenia vzoriek zlata, ktoré sa zvyčajne topia pri 1064 °C pri izbovej teplote, pomocou elektrického poľa a elektrónového mikroskopu. Táto zmena bola reverzibilná, pretože vypnutím elektrického poľa by mohlo zlato opäť stuhnúť. K známym faktorom ovplyvňujúcim fázové premeny okrem teploty a tlaku pribudlo elektrické pole.

Fázové zmeny boli pozorované aj počas intenzívnych pulzy laserového svetla. Výsledky štúdie tohto javu boli publikované v lete 2019 v časopise Nature Physics. Medzinárodný tím na dosiahnutie tohto cieľa viedol Nuh Gedik (3), profesor fyziky na Massachusetts Institute of Technology. Vedci zistili, že počas opticky indukovaného topenia dochádza k fázovému prechodu prostredníctvom tvorby singularít v materiáli, známych ako topologické defekty, ktoré následne ovplyvňujú výslednú dynamiku elektrónov a mriežok v materiáli. Tieto topologické defekty, ako Gedik vysvetlil vo svojej publikácii, sú analogické s malými vírmi, ktoré sa vyskytujú v kvapalinách, ako je voda.

Pre svoj výskum vedci použili zlúčeninu lantánu a telúru LaTe.₃. Výskumníci vysvetľujú, že ďalším krokom bude pokúsiť sa zistiť, ako môžu „kontrolovane generovať tieto defekty“. Potenciálne by sa to dalo využiť na ukladanie dát, kde by sa svetelné impulzy využívali na zápis alebo opravu defektov v systéme, čo by zodpovedalo dátovým operáciám.

A keďže sme sa dostali k ultrarýchlym laserovým impulzom, ich využitie v mnohých zaujímavých experimentoch a potenciálne sľubných aplikáciách v praxi je témou, ktorá sa často objavuje vo vedeckých správach. Napríklad skupina Ignacia Franca, asistenta profesora chémie a fyziky na Univerzite v Rochesteri, nedávno ukázala, ako možno použiť ultrarýchle laserové impulzy skresľujúce vlastnosti hmoty Oraz generovanie elektrického prúdu rýchlosťou vyššou ako ktorákoľvek technika, ktorá je nám doteraz známa. Vedci ošetrili tenké sklenené vlákna s trvaním jednej milióntiny miliardtiny sekundy. Skelný materiál sa mihnutím oka zmenil na niečo ako kov, ktorý vedie elektrinu. Stalo sa to rýchlejšie ako v akomkoľvek známom systéme bez aplikovaného napätia. Smer toku a intenzitu prúdu je možné ovládať zmenou vlastností laserového lúča. A keďže sa to dá ovládať, každý elektrotechnik pozerá so záujmom.

Franco vysvetlil v publikácii v Nature Communications.

Fyzikálna podstata týchto javov nie je úplne pochopená. Sám Franco tuší, že mechanizmy ako ostrý efekt, teda korelácia emisie alebo absorpcie svetelných kvánt s elektrickým poľom. Ak by bolo možné vybudovať fungujúce elektronické systémy založené na týchto javoch, mali by sme ďalšiu epizódu inžinierskeho seriálu s názvom Nevieme prečo, ale funguje to.

Citlivosť a malá veľkosť

Gyroskopy sú zariadenia, ktoré pomáhajú vozidlám, dronom, ako aj elektronickým službám a prenosným zariadeniam navigovať v trojrozmernom priestore. Teraz sú široko používané v zariadeniach, ktoré používame každý deň. Spočiatku boli gyroskopy súborom vnorených kolies, z ktorých každé sa otáčalo okolo svojej vlastnej osi. Dnes v mobilných telefónoch nájdeme mikroelektromechanické senzory (MEMS), ktoré merajú zmeny síl pôsobiacich na dve rovnaké hmoty, kmitajú a pohybujú sa v opačnom smere.

MEMS gyroskopy majú výrazné obmedzenia citlivosti. Takže sa buduje optické gyroskopy, bez pohyblivých častí, na rovnaké úlohy, ktoré využívajú jav tzv Sagnac efekt. Doteraz však existoval problém ich miniaturizácie. Najmenšie dostupné vysokovýkonné optické gyroskopy sú väčšie ako pingpongová loptička a nie sú vhodné pre mnohé prenosné aplikácie. Inžinieri z Caltech University of Technology pod vedením Aliho Hadjimiriho však vyvinuli nový optický gyroskop, ktorý päťstokrát menejčo je doteraz známe4). Svoju citlivosť zvyšuje pomocou novej techniky s názvom „vzájomné posilňovanie» Medzi dvoma lúčmi svetla, ktoré sa používajú v typickom interferometri Sagnac. Nové zariadenie bolo popísané v článku publikovanom v Nature Photonics vlani v novembri.

4. Optický gyroskop vyvinutý Ali Hadjimirim a jeho kolegami. 

Vývoj presného optického gyroskopu môže výrazne zlepšiť orientáciu smartfónov. Na druhej strane ho postavili vedci z Columbia Engineering. prvá plochá šošovka schopnosť správne zaostriť širokú škálu farieb na rovnaký bod bez potreby ďalších prvkov môže ovplyvniť fotografické možnosti mobilného zariadenia. Revolučná mikrónovo tenká plochá šošovka je výrazne tenšia ako list papiera a poskytuje výkon porovnateľný s prémiovými kompozitnými šošovkami. Zistenia skupiny, ktorú vedie Nanfang Yu, odborný asistent aplikovanej fyziky, sú prezentované v štúdii publikovanej v časopise Nature.

Vedci vytvorili ploché šošovky z "metaatómy". Každý metaatóm je veľkosťou zlomku vlnovej dĺžky svetla a oneskoruje svetelné vlny o iné množstvo. Vybudovaním veľmi tenkej plochej vrstvy nanoštruktúr na substráte hrubom ako ľudský vlas boli vedci schopní dosiahnuť rovnakú funkčnosť ako oveľa hrubší a ťažší systém konvenčných šošoviek. Metalens môže nahradiť objemné šošovkové systémy rovnakým spôsobom, akým televízory s plochou obrazovkou nahradili televízory s katódovou trubicou.

Načo veľký zrážač, keď existujú aj iné spôsoby

Fyzika malých krokov môže mať tiež rôzne významy a významy. Napríklad - namiesto budovania obludne veľkých typových štruktúr a náročných ešte väčších, ako to robia mnohí fyzici, sa možno pokúsiť nájsť odpovede na veľké otázky so skromnejšími nástrojmi.

Väčšina urýchľovačov urýchľuje lúče častíc vytváraním elektrických a magnetických polí. Nejaký čas však experimentoval s inou technikou - plazmové urýchľovače, zrýchlenie nabitých častíc, ako sú elektróny, pozitróny a ióny pomocou elektrického poľa kombinovaného s vlnou generovanou v elektrónovej plazme. V poslednej dobe som pracoval na ich novej verzii. Tím AWAKE v CERN používa protóny (nie elektróny) na vytvorenie plazmovej vlny. Prechod na protóny môže dostať častice na vyššiu energetickú úroveň v jedinom kroku zrýchlenia. Iné formy zrýchlenia poľa prebúdzania plazmy vyžadujú niekoľko krokov na dosiahnutie rovnakej úrovne energie. Vedci sa domnievajú, že ich technológia založená na protónoch by nám v budúcnosti mohla umožniť vybudovať menšie, lacnejšie a výkonnejšie urýchľovače.

5. Dvojstupňový miniatúrny urýchľovač od DESY - vizualizácia

Vedci z DESY (skratka pre Deutsches Elektronen-Synchrotron - nemecký elektronický synchrotrón) zase v júli vytvorili nový rekord v oblasti miniaturizácie urýchľovačov častíc. Terahertzový urýchľovač viac ako zdvojnásobil energiu vstreknutých elektrónov (5). Súčasne nastavenie výrazne zlepšilo kvalitu elektrónového lúča v porovnaní s predchádzajúcimi experimentmi s touto technikou.

Franz Kärtner, vedúci skupiny ultrarýchlej optiky a röntgenu v DESY, vysvetlil v tlačovej správe. -

Pridružené zariadenie vytváralo zrýchľovacie pole s maximálnou intenzitou 200 miliónov voltov na meter (MV/m) – podobné najvýkonnejšiemu modernému konvenčnému urýchľovaču.

Zase nový, relatívne malý detektor ALPHA-g (6), postavený kanadskou spoločnosťou TRIUMF a odoslaný do CERN-u začiatkom tohto roka, má za úlohu merať gravitačné zrýchlenie antihmoty. Zrýchľuje sa antihmota v prítomnosti gravitačného poľa na zemskom povrchu o +9,8 m/s2 (dole), o -9,8 m/s2 (hore), o 0 m/s2 (vôbec žiadne gravitačné zrýchlenie) alebo má iná hodnota? Posledná možnosť by spôsobila revolúciu vo fyzike. Malý prístroj ALPHA-g nás okrem dokazovania existencie „antigravitácie“ dokáže naviesť na cestu vedúcu k najväčším záhadám vesmíru.

V ešte menšom meradle sa snažíme študovať javy ešte nižšej úrovne. Vyššie 60 miliárd otáčok za sekundu môžu ho navrhnúť vedci z Purdue University a čínskych univerzít. Podľa autorov experimentu v článku publikovanom pred niekoľkými mesiacmi vo Physical Review Letters im takýto rýchlo rotujúci výtvor umožní lepšie porozumieť tajomstvo .

Objekt, ktorý je v rovnakej extrémnej rotácii, je nanočastica široká asi 170 nanometrov a dlhá 320 nanometrov, ktorú vedci syntetizovali z oxidu kremičitého. Výskumný tím levitoval objekt vo vákuu pomocou lasera, ktorý ním potom pulzoval obrovskou rýchlosťou. Ďalším krokom bude uskutočnenie experimentov s ešte vyššími rotačnými rýchlosťami, ktoré umožnia presný výskum základných fyzikálnych teórií, vrátane exotických foriem trenia vo vákuu. Ako vidíte, nepotrebujete stavať kilometre potrubí a obrích detektorov, aby ste čelili základným záhadám.

V roku 2009 sa vedcom podarilo v laboratóriu vytvoriť špeciálny druh čiernej diery, ktorá pohlcuje zvuk. Odvtedy tieto zvuk  sa ukázali ako užitočné ako laboratórne analógy objektu absorbujúceho svetlo. V článku publikovanom v časopise Nature v júli výskumníci z Technion Israel Institute of Technology opisujú, ako vytvorili zvukovú čiernu dieru a zmerali jej teplotu Hawkingovho žiarenia. Tieto merania boli v súlade s teplotou, ktorú predpovedal Hawking. Zdá sa teda, že na preskúmanie čiernej diery nie je potrebné podnikať expedíciu.

Ktovie, či sa v týchto zdanlivo menej efektívnych vedeckých projektoch, v usilovnom laboratórnom úsilí a opakovaných experimentoch na testovanie malých, roztrieštených teórií, neskrývajú odpovede na najväčšie otázky. História vedy učí, že sa to môže stať.