Udělejme svou věc a možná bude revoluce

Velké objevy, odvážné teorie, vědecké průlomy. Takových formulací, obvykle přehnaných, jsou plná média. Někde ve stínu „velké fyziky“, LHC, zásadních kosmologických otázek a boje proti Standardnímu modelu dělají pracovití výzkumníci mlčky svou práci, přemýšlejí o praktických aplikacích a krok za krokem rozšiřují pole našich znalostí.

„Udělejme si svou věc“ jistě může být slogan vědců zabývajících se vývojem termojaderné fúze. Neboť navzdory skvělým odpovědím na velké otázky je řešení praktických, zdánlivě bezvýznamných problémů spojených s tímto procesem, schopné způsobit revoluci ve světě.

Možná bude například možné provést jadernou fúzi v malém měřítku - s vybavením, které se vejde na stůl. Vědci z University of Washington sestrojili zařízení v loňském roce Z-štípnutí (1), který je schopen udržet fúzní reakci do 5 mikrosekund, i když hlavní působivou informací byla miniaturizace reaktoru, který je dlouhý pouze 1,5 m. Z-pinch funguje tak, že zachycuje a stlačuje plazma v silném magnetickém poli.

Není to příliš efektivní, ale potenciálně nesmírně důležité úsilí o . Podle výzkumu amerického ministerstva energetiky (DOE), publikovaného v říjnu 2018 v časopise Physics of Plasmas, mají fúzní reaktory schopnost řídit oscilaci plazmatu. Tyto vlny vytlačují vysokoenergetické částice z reakční zóny a berou s sebou část energie potřebné pro fúzní reakci. Nová studie DOE popisuje sofistikované počítačové simulace, které dokážou sledovat a předpovídat tvorbu vln, což dává fyzikům možnost tomuto procesu zabránit a udržet částice pod kontrolou. Vědci doufají, že jejich práce pomůže ve stavebnictví ITER, možná nejslavnější projekt experimentálního fúzního reaktoru ve Francii.

Také úspěchy jako např teplota plazmy 100 milionů stupňů Celsia, kterou na konci loňského roku získal tým vědců z China Institute of Plasma Physics v experimentálním pokročilém supravodivém tokamaku (EAST), je příkladem postupného pokroku směrem k účinné fúzi. Podle expertů, kteří studii komentují, může mít klíčový význam ve zmíněném projektu ITER, na kterém se Čína podílí spolu s dalšími 35 zeměmi.

Supravodiče a elektronika

Další oblastí s velkým potenciálem, kde se místo velkých průlomů podnikají spíše malé, pečlivé kroky, je hledání vysokoteplotních supravodičů. (2). Bohužel je zde spousta planých poplachů a předčasných obav. Zprávy z nadšených médií se obvykle ukáží jako přehánění nebo prostě nepravdivé. I ve vážnějších zprávách je vždy nějaké „ale“. Stejně jako v nedávné zprávě objevili vědci z University of Chicago supravodivost, schopnost vést elektřinu beze ztrát při nejvyšších teplotách, jaké byly kdy zaznamenány. Tým místních vědců s využitím nejmodernější technologie v Argonne National Laboratory studoval třídu materiálů, u kterých pozoroval supravodivost při teplotách kolem -23 °C. To je skok o zhruba 50 stupňů od předchozího potvrzeného rekordu.

2. Supravodič v magnetickém poli

Háček je však v tom, že musíte vyvinout velký tlak. Materiály, které byly testovány, byly hydridy. Po nějakou dobu byl zvláště zajímavý perhydrid lanthanu. Při experimentech bylo zjištěno, že extrémně tenké vzorky tohoto materiálu vykazují supravodivost při působení tlaků v rozmezí od 150 do 170 gigapascalů. Výsledky byly publikovány v květnu v časopise Nature, jehož spoluautorem je Prof. Vitalij Prokopenko a Eran Greenberg.

Abyste mohli přemýšlet o praktické aplikaci těchto materiálů, budete muset snížit tlak a také teplotu, protože ani do -23 °C není příliš praktické. Práce na něm je typická fyzika malých kroků, která probíhá léta v laboratořích po celém světě.

Totéž platí pro aplikovaný výzkum. magnetické jevy v elektronice. Nedávno pomocí vysoce citlivých magnetických sond našel mezinárodní tým vědců překvapivý důkaz, že magnetismus, který se vyskytuje na rozhraní tenkých vrstev nemagnetického oxidu, lze snadno ovládat aplikací malých mechanických sil. Objev, oznámený loni v prosinci v Nature Physics, ukazuje nový a nečekaný způsob ovládání magnetismu, který teoreticky umožňuje uvažovat například o hustší magnetické paměti a spintronice.

Tento objev vytváří novou příležitost pro miniaturizaci magnetických paměťových buněk, které již dnes mají velikost několika desítek nanometrů, ale jejich další miniaturizace pomocí známých technologií je obtížná. Oxidová rozhraní spojují řadu zajímavých fyzikálních jevů, jako je dvourozměrná vodivost a supravodivost. Řízení proudu pomocí magnetismu je velmi perspektivní obor v elektronice. Nalezení materiálů se správnými vlastnostmi, a přesto cenově dostupných a levných, by nám umožnilo začít se vývojem vážně spintronic.

je to taky únavné regulace odpadního tepla v elektronice. Inženýři UC Berkeley nedávno vyvinuli tenkovrstvý materiál (tloušťka filmu 50-100 nanometrů), který lze použít k rekuperaci odpadního tepla k výrobě energie na úrovních, které v tomto typu technologie dosud nebyly nevídané. Využívá proces zvaný pyroelektrická přeměna energie, který je podle nového inženýrského výzkumu vhodný pro použití ve zdrojích tepla pod 100 °C. Toto je jen jeden z nejnovějších příkladů výzkumu v této oblasti. Po celém světě existují stovky nebo dokonce tisíce výzkumných programů souvisejících s energetickým managementem v elektronice.

"Nevím proč, ale funguje to"

Experimentování s novými materiály, jejich fázovými přechody a topologickými jevy je velmi slibnou oblastí výzkumu, nepříliš efektivní, obtížnou a málokdy mediálně atraktivní. Jedná se o jeden z nejčastěji citovaných výzkumů v oblasti fyziky, i když se mu dostalo velké publicity v médiích, tzv. mainstream obvykle nevyhrávají.

Experimenty s fázovými přeměnami v materiálech někdy přinášejí například nečekané výsledky tavení kovů s vysokými body tání pokojová teplota. Příkladem je nedávný úspěch tavení vzorků zlata, které se typicky taví při 1064 °C při pokojové teplotě, pomocí elektrického pole a elektronového mikroskopu. Tato změna byla vratná, protože vypnutí elektrického pole mohlo zlato opět ztuhnout. Ke známým faktorům ovlivňujícím fázové přeměny se tak vedle teploty a tlaku připojilo i elektrické pole.

Fázové změny byly také pozorovány během intenzivní pulsy laserového světla. Výsledky studia tohoto jevu byly publikovány v létě 2019 v časopise Nature Physics. Mezinárodní tým k dosažení tohoto cíle vedl Nuh Gedik (3), profesor fyziky na Massachusetts Institute of Technology. Vědci zjistili, že během opticky indukovaného tání dochází k fázovému přechodu prostřednictvím tvorby singularit v materiálu, známých jako topologické defekty, které následně ovlivňují výslednou dynamiku elektronů a mřížek v materiálu. Tyto topologické defekty, jak Gedik vysvětlil ve své publikaci, jsou analogické s drobnými víry, které se vyskytují v kapalinách, jako je voda.

Pro svůj výzkum vědci použili sloučeninu lanthanu a teluru LaTe.₃. Výzkumníci vysvětlují, že dalším krokem bude pokusit se zjistit, jak mohou „vytvářet tyto defekty kontrolovaným způsobem“. Potenciálně by se to dalo využít pro ukládání dat, kdy by se světelné impulsy využívaly k zápisu nebo opravě závad v systému, což by odpovídalo datovým operacím.

A protože jsme se dostali k ultrarychlým laserovým pulzům, je jejich využití v mnoha zajímavých experimentech a potenciálně slibných aplikacích v praxi tématem, které se často objevuje ve vědeckých zprávách. Například skupina Ignacia Franca, asistenta profesora chemie a fyziky na Univerzitě v Rochesteru, nedávno ukázala, jak lze ultrarychlé laserové pulsy využít k zkreslující vlastnosti hmoty Oraz generování elektrického proudu rychlostí vyšší než jakákoliv dosud známá technika. Vědci ošetřili tenká skleněná vlákna s trváním jedné miliontiny miliardtiny sekundy. Skelný materiál se mrknutím oka proměnil v něco jako kov, který vede elektřinu. Stalo se to rychleji než v jakémkoli známém systému bez přiloženého napětí. Směr toku a intenzitu proudu lze řídit změnou vlastností laserového paprsku. A protože se dá ovládat, každý elektronik se zaujatě dívá.

Franco vysvětlil v publikaci v Nature Communications.

Fyzikální povaha těchto jevů není plně pochopena. Sám Franco tuší, že mechanismy jako ostrý efekt, tj. korelace emise nebo absorpce světelných kvant s elektrickým polem. Pokud by bylo možné postavit fungující elektronické systémy založené na těchto jevech, měli bychom další díl inženýrské série s názvem Nevíme proč, ale funguje to.

Citlivost a malá velikost

Gyroskopy jsou zařízení, která pomáhají vozidlům, dronům a také elektronickým utilitám a přenosným zařízením navigovat v trojrozměrném prostoru. Nyní jsou široce používány v zařízeních, která používáme každý den. Zpočátku byly gyroskopy sadou vnořených kol, z nichž každé se otáčelo kolem své vlastní osy. Dnes v mobilních telefonech najdeme mikroelektromechanické senzory (MEMS), které měří změny sil působících na dvě stejné hmoty, kmitající a pohybující se v opačném směru.

MEMS gyroskopy mají významná omezení citlivosti. Takže se staví optické gyroskopy, bez pohyblivých částí, pro stejné úkoly, které využívají fenomén tzv Sagnacův efekt. Dosud však existoval problém s jejich miniaturizací. Nejmenší dostupné vysoce výkonné optické gyroskopy jsou větší než pingpongový míček a nejsou vhodné pro mnoho přenosných aplikací. Inženýři z Caltech University of Technology pod vedením Aliho Hadjimiriho však vyvinuli nový optický gyroskop, který pětsetkrát méněco je zatím známo4). Svou citlivost zvyšuje pomocí nové techniky zvané „vzájemné posílení» Mezi dvěma paprsky světla, které se používají v typickém interferometru Sagnac. Nové zařízení bylo popsáno v článku publikovaném v Nature Photonics loni v listopadu.

4. Optický gyroskop vyvinutý Ali Hadjimirim a jeho kolegy. 

Vývoj přesného optického gyroskopu může výrazně zlepšit orientaci chytrých telefonů. Na druhé straně jej postavili vědci z Columbia Engineering. první plochá čočka schopnost správně zaostřit širokou škálu barev na stejný bod bez potřeby dalších prvků může ovlivnit fotografické schopnosti mobilního zařízení. Revoluční mikronově tenká plochá čočka je výrazně tenčí než list papíru a poskytuje výkon srovnatelný s prémiovými kompozitními čočkami. Zjištění skupiny, kterou vede Nanfang Yu, odborný asistent aplikované fyziky, jsou prezentovány ve studii publikované v časopise Nature.

Vědci sestrojili ploché čočky z "metaatomy". Každý metaatom je velikostí zlomek vlnové délky světla a zpožďuje světelné vlny o různé množství. Vybudováním velmi tenké ploché vrstvy nanostruktur na substrátu silném jako lidský vlas byli vědci schopni dosáhnout stejné funkčnosti jako mnohem tlustší a těžší systém konvenčních čoček. Metalenses mohou nahradit objemné čočkové systémy stejným způsobem, jakým ploché televizory nahradily CRT televizory.

Proč velký srážeč, když jsou i jiné cesty

Fyzika malých kroků může mít také různé významy a významy. Například - namísto budování monstrózně velkých typových struktur a náročných ještě větších, jak to dělá mnoho fyziků, se lze pokusit najít odpovědi na velké otázky pomocí skromnějších nástrojů.

Většina urychlovačů urychluje paprsky částic generováním elektrických a magnetických polí. Nějakou dobu však experimentoval s jinou technikou - plazmové urychlovače, urychlení nabitých částic, jako jsou elektrony, pozitrony a ionty pomocí elektrického pole kombinovaného s vlnou generovanou v elektronovém plazmatu. V poslední době jsem pracoval na jejich nové verzi. Tým AWAKE v CERN používá protony (nikoli elektrony) k vytvoření plazmové vlny. Přepnutí na protony může dostat částice na vyšší energetické hladiny v jediném kroku zrychlení. Jiné formy zrychlení pole probuzení plazmatu vyžadují několik kroků k dosažení stejné energetické hladiny. Vědci se domnívají, že jejich technologie založená na protonech by nám v budoucnu mohla umožnit stavět menší, levnější a výkonnější urychlovače.

5. Dvoustupňový miniaturní urychlovač od DESY - vizualizace

Vědci z DESY (zkratka pro Deutsches Elektronen-Synchrotron - německý elektronický synchrotron) zase v červenci vytvořili nový rekord v oblasti miniaturizace urychlovačů částic. Terahertzový urychlovač více než zdvojnásobil energii vstřikovaných elektronů (5). Nastavení zároveň výrazně zlepšilo kvalitu elektronového paprsku ve srovnání s předchozími experimenty s touto technikou.

Franz Kärtner, vedoucí skupiny ultrarychlé optiky a rentgenu ve společnosti DESY, vysvětlil v tiskové zprávě. -

Přidružené zařízení vytvářelo urychlovací pole s maximální intenzitou 200 milionů voltů na metr (MV/m) – podobné nejvýkonnějšímu modernímu konvenčnímu urychlovači.

Zase nový, relativně malý detektor ALPHA-g (6), postavený kanadskou společností TRIUMF a dodaný do CERNu začátkem tohoto roku, má za úkol měřit gravitační zrychlení antihmoty. Zrychluje se antihmota v přítomnosti gravitačního pole na zemském povrchu o +9,8 m/s2 (dolů), o -9,8 m/s2 (nahoru), o 0 m/s2 (žádné gravitační zrychlení) nebo má nějaké jiná hodnota? Druhá možnost by znamenala revoluci ve fyzice. Malý aparát ALPHA-g nás může kromě prokázání existence „antigravitace“ navést na cestu vedoucí k největším záhadám vesmíru.

V ještě menším měřítku se snažíme studovat jevy ještě nižší úrovně. Výše 60 miliard otáček za sekundu mohou jej navrhnout vědci z Purdue University a čínských univerzit. Podle autorů experimentu v článku publikovaném před pár měsíci ve Physical Review Letters jim takto rychle rotující výtvor umožní lépe porozumět Tajemství .

Objektem, který je ve stejné extrémní rotaci, je nanočástice o šířce asi 170 nanometrů a délce 320 nanometrů, kterou vědci syntetizovali z oxidu křemičitého. Výzkumný tým levitoval objekt ve vakuu pomocí laseru, který s ním pak pulzoval obrovskou rychlostí. Dalším krokem bude provedení experimentů s ještě vyššími rychlostmi otáčení, které umožní přesný výzkum základních fyzikálních teorií, včetně exotických forem tření ve vakuu. Jak vidíte, nepotřebujete stavět kilometry potrubí a obří detektory, abyste čelili zásadním záhadám.

V roce 2009 se vědcům podařilo v laboratoři vytvořit speciální druh černé díry, která pohlcuje zvuk. Od té doby tyto звук  se ukázaly být užitečné jako laboratorní analogy objektu pohlcujícího světlo. V článku publikovaném v časopise Nature letos v červenci vědci z Technion Israel Institute of Technology popisují, jak vytvořili zvukovou černou díru a měřili teplotu jejího Hawkingova záření. Tato měření byla v souladu s teplotou předpovídanou Hawkingem. Zdá se tedy, že k jejímu prozkoumání není nutné podnikat výpravu do černé díry.

Kdo ví, zda se v těchto zdánlivě méně efektivních vědeckých projektech, v pečlivém laboratorním úsilí a opakovaných experimentech k testování malých, roztříštěných teorií, neskrývají odpovědi na největší otázky. Historie vědy učí, že se to může stát.