Gadewch i ni wneud ein peth ac efallai y bydd chwyldro

Darganfyddiadau gwych, damcaniaethau beiddgar, datblygiadau gwyddonol. Mae'r cyfryngau yn llawn o fformwleiddiadau o'r fath, fel arfer yn gorliwio. Yn rhywle yng nghysgod "ffiseg wych", yr LHC, cwestiynau cosmolegol sylfaenol a'r frwydr yn erbyn y Model Safonol, mae ymchwilwyr gweithgar yn gwneud eu gwaith yn dawel, yn meddwl am gymwysiadau ymarferol ac yn ehangu maes ein gwybodaeth gam wrth gam.

Gall "Gadewch i ni wneud ein peth ein hunain" yn sicr fod yn slogan gwyddonwyr sy'n ymwneud â datblygu ymasiad thermoniwclear. Oherwydd, er gwaethaf yr atebion gwych i'r cwestiynau mawr, mae datrysiad i broblemau ymarferol, sy'n ymddangos yn ddi-nod yn gysylltiedig â'r broses hon, yn gallu chwyldroi'r byd.

Efallai, er enghraifft, y bydd modd gwneud ymasiad niwclear ar raddfa fach - gydag offer sy'n ffitio ar fwrdd. Adeiladodd gwyddonwyr ym Mhrifysgol Washington y ddyfais y llynedd Z-pinsied (1), sy'n gallu cynnal adwaith ymasiad o fewn 5 microseconds, er mai'r brif wybodaeth drawiadol oedd miniaturization yr adweithydd, sef dim ond 1,5 m o hyd.Mae'r pinsiad Z yn gweithio trwy ddal a chywasgu'r plasma mewn maes magnetig pwerus.

Ddim yn effeithiol iawn, ond o bosibl yn hynod bwysig ymdrechion i . Yn ôl ymchwil gan Adran Ynni yr Unol Daleithiau (DOE), a gyhoeddwyd ym mis Hydref 2018 yn y cyfnodolyn Physics of Plasmas, mae gan adweithyddion ymasiad y gallu i reoli osciliad plasma. Mae'r tonnau hyn yn gwthio gronynnau egni uchel allan o'r parth adwaith, gan fynd â rhywfaint o'r egni sydd ei angen ar gyfer yr adwaith ymasiad gyda nhw. Mae astudiaeth DOE newydd yn disgrifio efelychiadau cyfrifiadurol soffistigedig a all olrhain a rhagweld ffurfiant tonnau, gan roi'r gallu i ffisegwyr atal y broses a chadw gronynnau dan reolaeth. Mae gwyddonwyr yn gobeithio y bydd eu gwaith yn helpu ym maes adeiladu ITER, efallai y prosiect adweithydd ymasiad arbrofol enwocaf yn Ffrainc.

Hefyd cyraeddiadau fel tymheredd plasma 100 miliwn gradd Celsius, a gafwyd ddiwedd y llynedd gan dîm o wyddonwyr yn Sefydliad Ffiseg Plasma Tsieina yn y Tokamak Uwchddargludo Uwch Arbrofol (DWYRAIN), yn enghraifft o gynnydd cam wrth gam tuag at ymasiad effeithlon. Yn ôl arbenigwyr sy'n rhoi sylwadau ar yr astudiaeth, gall fod o bwysigrwydd allweddol yn y prosiect ITER uchod, y mae Tsieina yn cymryd rhan ynddo ynghyd â 35 o wledydd eraill.

Uwch-ddargludyddion ac electroneg

Maes arall sydd â photensial mawr, lle mae camau eithaf bach, manwl yn cael eu cymryd yn lle datblygiadau mawr, yw chwilio am uwch-ddargludyddion tymheredd uchel. (2). Yn anffodus, mae llawer o alwadau diangen a phryderon cynamserol. Fel arfer mae adroddiadau craff yn y cyfryngau yn troi allan i fod yn or-ddweud neu'n anwir. Hyd yn oed mewn adroddiadau mwy difrifol mae “ond”. Fel mewn adroddiad diweddar, mae gwyddonwyr ym Mhrifysgol Chicago wedi darganfod uwch-ddargludedd, y gallu i ddargludo trydan heb ei golli ar y tymereddau uchaf a gofnodwyd erioed. Gan ddefnyddio technoleg flaengar yn Labordy Cenedlaethol Argonne, astudiodd tîm o wyddonwyr lleol ddosbarth o ddeunyddiau lle buont yn arsylwi uwchddargludedd ar dymheredd o tua -23°C. Mae hyn yn naid o tua 50 gradd o'r record flaenorol a gadarnhawyd.

2. Superconductor mewn maes magnetig

Y dal, fodd bynnag, yw bod yn rhaid i chi roi llawer o bwysau. Y deunyddiau a brofwyd oedd hydrides. Ers peth amser, mae lanthanum perhydride wedi bod o ddiddordeb arbennig. Mewn arbrofion, canfuwyd bod samplau hynod denau o'r deunydd hwn yn arddangos uwchddargludedd o dan weithred pwysau yn yr ystod o 150 i 170 gigapascals. Cyhoeddwyd y canlyniadau ym mis Mai yn y cyfnodolyn Nature, a gyd-awdurwyd gan Prof. Vitaly Prokopenko ac Eran Greenberg.

I feddwl am gymhwysiad ymarferol y deunyddiau hyn, bydd yn rhaid i chi ostwng y pwysau a hefyd y tymheredd, oherwydd nid yw hyd yn oed i lawr i -23 ° C yn ymarferol iawn. Mae gwaith arno yn ffiseg cam bach nodweddiadol, yn mynd ymlaen am flynyddoedd mewn labordai ledled y byd.

Mae'r un peth yn wir am ymchwil gymhwysol. ffenomenau magnetig mewn electroneg. Yn fwy diweddar, gan ddefnyddio chwilwyr magnetig hynod sensitif, mae tîm rhyngwladol o wyddonwyr wedi canfod tystiolaeth syndod y gellir rheoli'r magnetedd sy'n digwydd ar ryngwyneb haenau tenau o ocsid anfagnetig yn hawdd trwy gymhwyso grymoedd mecanyddol bach. Mae'r darganfyddiad, a gyhoeddwyd fis Rhagfyr diwethaf yn Nature Physics, yn dangos ffordd newydd ac annisgwyl o reoli magnetedd, gan ganiatáu yn ddamcaniaethol ar gyfer meddwl am gof magnetig dwysach a spintronics, er enghraifft.

Mae'r darganfyddiad hwn yn creu cyfle newydd ar gyfer miniaturization o gelloedd cof magnetig, sydd heddiw eisoes â maint o sawl degau o nanometrau, ond mae eu miniaturization pellach gan ddefnyddio technolegau hysbys yn anodd. Mae rhyngwynebau ocsid yn cyfuno nifer o ffenomenau ffisegol diddorol megis dargludedd dau ddimensiwn ac uwchddargludedd. Mae rheoli cerrynt trwy gyfrwng magnetedd yn faes addawol iawn ym myd electroneg. Byddai dod o hyd i ddeunyddiau gyda'r priodweddau cywir, ond eto'n fforddiadwy ac yn rhad, yn ein galluogi i fod o ddifrif ynglŷn â datblygu sbintronig.

mae'n flinedig hefyd rheoli gwres gwastraff mewn electroneg. Yn ddiweddar, mae peirianwyr UC Berkeley wedi datblygu deunydd ffilm denau (trwch ffilm 50-100 nanometr) y gellir ei ddefnyddio i adennill gwres gwastraff i gynhyrchu pŵer ar lefelau nas gwelwyd o'r blaen yn y math hwn o dechnoleg. Mae'n defnyddio proses o'r enw trosi pŵer pyrodrydanol, y mae ymchwil peirianneg newydd yn dangos sy'n addas iawn i'w defnyddio mewn ffynonellau gwres o dan 100 ° C. Dyma un yn unig o’r enghreifftiau diweddaraf o ymchwil yn y maes hwn. Mae cannoedd neu hyd yn oed filoedd o raglenni ymchwil ledled y byd yn ymwneud â rheoli ynni mewn electroneg.

"Dydw i ddim yn gwybod pam, ond mae'n gweithio"

Mae arbrofi gyda deunyddiau newydd, eu trawsnewidiadau cyfnod a ffenomenau topolegol yn faes ymchwil addawol iawn, nid yn effeithlon iawn, yn anodd ac yn anaml yn ddeniadol i'r cyfryngau. Dyma un o'r ymchwil a ddyfynnir amlaf ym maes ffiseg, er iddo gael llawer o gyhoeddusrwydd yn y cyfryngau, fel y'i gelwir. prif ffrwd nid ydynt fel arfer yn ennill.

Weithiau mae arbrofion gyda thrawsnewidiadau cyfnod mewn deunyddiau yn dod â chanlyniadau annisgwyl, er enghraifft mwyndoddi metel gyda phwyntiau toddi uchel tymheredd ystafell. Enghraifft o hyn yw cyflawniad diweddar samplau aur toddi, sydd fel arfer yn toddi ar dymheredd ystafell 1064 ° C, gan ddefnyddio maes trydan a microsgop electron. Roedd y newid hwn yn wrthdroadwy oherwydd gallai diffodd y maes trydan gadarnhau'r aur eto. Felly, mae'r maes trydan wedi ymuno â'r ffactorau hysbys sy'n dylanwadu ar drawsnewidiadau cyfnod, yn ogystal â thymheredd a phwysau.

Gwelwyd newidiadau cyfnod hefyd yn ystod dwys corbys o olau laser. Cyhoeddwyd canlyniadau'r astudiaeth o'r ffenomen hon yn ystod haf 2019 yn y cyfnodolyn Nature Physics. Arweiniwyd y tîm rhyngwladol i gyflawni hyn gan Nuh Gedik (3), athro ffiseg yn Sefydliad Technoleg Massachusetts. Canfu'r gwyddonwyr, yn ystod toddi a achosir yn optegol, fod y trawsnewidiad cam yn digwydd trwy ffurfio singularities yn y deunydd, a elwir yn ddiffygion topolegol, sydd yn eu tro yn effeithio ar ddeinameg electron a dellt yn y deunydd. Mae'r diffygion topolegol hyn, fel yr eglurodd Gedik yn ei gyhoeddiad, yn cyfateb i vortices bach sy'n digwydd mewn hylifau fel dŵr.

Ar gyfer eu hymchwil, defnyddiodd gwyddonwyr gyfansoddyn o lanthanum a tellurium LaTe.₃. Mae'r ymchwilwyr yn esbonio mai'r cam nesaf fydd ceisio penderfynu sut y gallant "gynhyrchu'r diffygion hyn mewn modd rheoledig." Mae'n bosibl y gellid defnyddio hwn ar gyfer storio data, lle byddai corbys golau yn cael eu defnyddio i ysgrifennu neu atgyweirio diffygion yn y system, a fyddai'n cyfateb i weithrediadau data.

Ac ers i ni gyrraedd corbys laser tra chyflym, mae eu defnydd mewn llawer o arbrofion diddorol a chymwysiadau addawol yn ymarferol yn bwnc sy'n ymddangos yn aml mewn adroddiadau gwyddonol. Er enghraifft, yn ddiweddar dangosodd grŵp Ignacio Franco, athro cynorthwyol cemeg a ffiseg ym Mhrifysgol Rochester, sut y gellir defnyddio corbys laser tra chyflym i ystumio priodweddau mater Oraz cynhyrchu cerrynt trydan ar gyflymder cyflymach nag unrhyw dechneg sy'n hysbys i ni hyd yn hyn. Bu'r ymchwilwyr yn trin ffilamentau gwydr tenau gyda hyd o filiynfed o biliynfed o eiliad. Mewn amrantiad llygad, trodd y defnydd gwydrog yn rhywbeth fel metel sy'n dargludo trydan. Digwyddodd hyn yn gyflymach nag mewn unrhyw system hysbys yn absenoldeb foltedd cymhwysol. Gellir rheoli cyfeiriad y llif a dwyster y cerrynt trwy newid priodweddau'r pelydr laser. A chan y gellir ei reoli, mae pob peiriannydd electroneg yn edrych gyda diddordeb.

Esboniodd Franco mewn cyhoeddiad yn Nature Communications.

Nid yw natur gorfforol y ffenomenau hyn yn cael ei deall yn llawn. Mae Franco ei hun yn amau ​​​​bod mecanweithiau fel effaith amlwg, h.y., cydberthynas allyriadau neu amsugno cwanta golau â maes trydan. Pe bai'n bosibl adeiladu systemau electronig gweithredol yn seiliedig ar y ffenomenau hyn, byddai gennym bennod arall o'r gyfres beirianneg o'r enw We Don't Know Why, But It Works.

Sensitifrwydd a maint bach

Gyrosgopau yn ddyfeisiau sy'n helpu cerbydau, dronau, yn ogystal â chyfleustodau electronig a dyfeisiau cludadwy i lywio mewn gofod tri dimensiwn. Nawr fe'u defnyddir yn eang mewn dyfeisiau rydyn ni'n eu defnyddio bob dydd. I ddechrau, roedd gyrosgopau yn set o olwynion nythu, pob un ohonynt yn cylchdroi o amgylch ei echel ei hun. Heddiw, mewn ffonau symudol, rydym yn dod o hyd i synwyryddion microelectromechanical (MEMS) sy'n mesur newidiadau mewn grymoedd sy'n gweithredu ar ddau fàs union yr un fath, yn oscillaidd ac yn symud i'r cyfeiriad arall.

Mae gan gyrosgopau MEMS gyfyngiadau sensitifrwydd sylweddol. Felly mae'n adeiladu gyrosgopau optegol, heb unrhyw rannau symudol, ar gyfer yr un tasgau sy'n defnyddio ffenomen o'r enw Effaith Sagnac. Fodd bynnag, hyd yn hyn roedd problem o'u miniaturization. Mae'r gyrosgopau optegol perfformiad uchel lleiaf sydd ar gael yn fwy na phêl ping pong ac nid ydynt yn addas ar gyfer llawer o gymwysiadau cludadwy. Fodd bynnag, mae peirianwyr ym Mhrifysgol Technoleg Caltech, dan arweiniad Ali Hadjimiri, wedi datblygu gyrosgop optegol newydd sy'n bum cant gwaith yn llaiyr hyn a wyddys hyd yn hyn4). Mae'n gwella ei sensitifrwydd trwy ddefnyddio techneg newydd o'r enw "atgyfnerthu cilyddol» Rhwng dau belydryn o olau a ddefnyddir mewn interferomedr Sagnac nodweddiadol. Disgrifiwyd y ddyfais newydd mewn erthygl a gyhoeddwyd yn Nature Photonics fis Tachwedd diwethaf.

4. Gyrosgop optegol a ddatblygwyd gan Ali Hadjimiri a'i gydweithwyr. 

Gall datblygu gyrosgop optegol cywir wella cyfeiriadedd ffonau smart yn fawr. Yn ei dro, fe'i hadeiladwyd gan wyddonwyr o Columbia Engineering. lens fflat gyntaf a all ganolbwyntio'n gywir ar ystod eang o liwiau ar yr un pwynt heb yr angen am elfennau ychwanegol effeithio ar alluoedd ffotograffig offer symudol. Mae'r lens fflat micron-denau chwyldroadol yn sylweddol deneuach na dalen o bapur ac yn darparu perfformiad tebyg i lensys cyfansawdd premiwm. Cyflwynir canfyddiadau'r grŵp, dan arweiniad Nanfang Yu, athro cynorthwyol ffiseg gymhwysol, mewn astudiaeth a gyhoeddwyd yn y cyfnodolyn Nature.

Mae gwyddonwyr wedi adeiladu lensys fflat o "metaatomau" . Mae pob metaatom yn ffracsiwn o donfedd golau o ran maint ac yn gohirio tonnau golau o swm gwahanol. Trwy adeiladu haen fflat denau iawn o nanostrwythurau ar swbstrad mor drwchus â gwallt dynol, roedd y gwyddonwyr yn gallu cyflawni'r un swyddogaeth â system lensys confensiynol llawer mwy trwchus a thrymach. Gall metalenses ddisodli systemau lens swmpus yn yr un modd ag y mae setiau teledu sgrin fflat wedi disodli setiau teledu CRT.

Pam gwrthdrawiadwr mawr pan fo ffyrdd eraill

Gall ffiseg camau bach hefyd gael gwahanol ystyron ac ystyron. Er enghraifft - yn hytrach nag adeiladu strwythurau math anhygoel o fawr a mynnu rhai hyd yn oed yn fwy, fel y mae llawer o ffisegwyr yn ei wneud, gall rhywun geisio dod o hyd i atebion i gwestiynau mawr gydag offer mwy cymedrol.

Mae'r rhan fwyaf o gyflymwyr yn cyflymu trawstiau gronynnau trwy gynhyrchu meysydd trydan a magnetig. Fodd bynnag, am beth amser bu'n arbrofi gyda thechneg wahanol - cyflymyddion plasma, cyflymiad gronynnau gwefredig megis electronau, positronau ac ïonau gan ddefnyddio maes trydan wedi'i gyfuno â thon a gynhyrchir mewn plasma electron. Yn ddiweddar rydw i wedi bod yn gweithio ar eu fersiwn newydd. Mae tîm AWAKE yn CERN yn defnyddio protonau (nid electronau) i greu ton plasma. Gall newid i brotonau fynd â gronynnau i lefelau egni uwch mewn un cam cyflymiad. Mae mathau eraill o gyflymiad maes deffro plasma yn gofyn am sawl cam i gyrraedd yr un lefel egni. Mae gwyddonwyr yn credu y gallai eu technoleg seiliedig ar broton ein galluogi i adeiladu cyflymyddion llai, rhatach a mwy pwerus yn y dyfodol.

5. Cyflymydd bach dau gam o DESY - delweddu

Yn eu tro, gosododd gwyddonwyr o DESY (yn fyr ar gyfer Deutsches Elektronen-Synchrotron - synchrotron electronig Almaeneg) record newydd ym maes miniaturization cyflymyddion gronynnau ym mis Gorffennaf. Roedd y cyflymydd terahertz wedi mwy na dyblu egni'r electronau wedi'u chwistrellu (5). Ar yr un pryd, fe wnaeth y gosodiad wella ansawdd y pelydr electron yn sylweddol o'i gymharu ag arbrofion blaenorol gyda'r dechneg hon.

Esboniodd Franz Kärtner, pennaeth y grŵp opteg cyflym iawn a phelydr-X yn DESY, mewn datganiad i'r wasg. -

Cynhyrchodd y ddyfais gysylltiedig faes cyflymu ag uchafswm dwyster o 200 miliwn folt y metr (MV/m) - yn debyg i'r cyflymydd confensiynol modern mwyaf pwerus.

Yn ei dro, synhwyrydd newydd, cymharol fach ALPHA-g (6), a adeiladwyd gan y cwmni o Ganada TRIUMF ac a gludwyd i CERN yn gynharach eleni, sydd â'r dasg o mesur cyflymiad disgyrchiant gwrthfater. A yw gwrthfater yn cyflymu ym mhresenoldeb maes disgyrchiant ar wyneb y Ddaear o +9,8 m/s2 (i lawr), -9,8 m/s2 (i fyny), 0 m/s2 (dim cyflymiad disgyrchiant o gwbl), neu a oes ganddo rywfaint gwerth arall? Byddai'r posibilrwydd olaf yn chwyldroi ffiseg. Gall cyfarpar bach ALPHA-g, yn ogystal â phrofi bodolaeth "gwrth-ddisgyrchiant", ein harwain ar lwybr sy'n arwain at ddirgelion mwyaf y bydysawd.

Ar raddfa lai fyth, rydym yn ceisio astudio ffenomenau ar lefel is fyth. Uchod 60 biliwn o chwyldroadau yr eiliad gellir ei ddylunio gan wyddonwyr o Brifysgol Purdue a phrifysgolion Tsieineaidd. Yn ôl awduron yr arbrawf mewn erthygl a gyhoeddwyd ychydig fisoedd yn ôl yn Physical Review Letters, bydd creadigaeth sy'n cylchdroi mor gyflym yn caniatáu iddynt ddeall yn well. cyfrinachau .

Mae'r gwrthrych, sydd yn yr un cylchdro eithafol, yn nanoronyn tua 170 nanometr o led a 320 nanometr o hyd, y mae'r gwyddonwyr yn ei syntheseiddio o silica. Trodd y tîm ymchwil wrthrych mewn gwactod gan ddefnyddio laser, a'i bwlsiodd wedyn ar gyflymder aruthrol. Y cam nesaf fydd cynnal arbrofion gyda chyflymder cylchdro uwch fyth, a fydd yn caniatáu ymchwil gywir i ddamcaniaethau ffisegol sylfaenol, gan gynnwys ffurfiau egsotig o ffrithiant mewn gwactod. Fel y gwelwch, nid oes angen i chi adeiladu cilomedr o bibellau a synwyryddion anferth i wynebu dirgelion sylfaenol.

Yn 2009, llwyddodd gwyddonwyr i greu math arbennig o dwll du yn y labordy sy'n amsugno sain. Ers hynny y rhain звук  profi i fod yn ddefnyddiol fel analogs labordy o wrthrych sy'n amsugno golau. Mewn papur a gyhoeddwyd yn y cyfnodolyn Nature fis Gorffennaf eleni, mae ymchwilwyr yn Sefydliad Technoleg Technion Israel yn disgrifio sut y gwnaethant greu twll du sonig a mesur ei dymheredd ymbelydredd Hawking. Roedd y mesuriadau hyn yn unol â'r tymheredd a ragfynegwyd gan Hawking. Felly, mae'n ymddangos nad oes angen gwneud taith i dwll du er mwyn ei archwilio.

Pwy a ŵyr os yw'r atebion i'r cwestiynau mwyaf wedi'u cuddio yn y prosiectau gwyddonol hyn sy'n ymddangos yn llai effeithlon, mewn ymdrechion labordy manwl ac arbrofion ailadroddus i brofi damcaniaethau bach, tameidiog. Mae hanes gwyddoniaeth yn dysgu y gall hyn ddigwydd.