بیایید کار خود را انجام دهیم و شاید انقلاب شود

اکتشافات بزرگ، نظریه های جسورانه، پیشرفت های علمی. رسانه ها مملو از چنین فرمول بندی هایی هستند که معمولاً اغراق آمیز هستند. جایی در سایه «فیزیک بزرگ»، LHC، پرسش‌های بنیادی کیهان‌شناسی و مبارزه با مدل استاندارد، محققان سخت‌کوش در سکوت کار خود را انجام می‌دهند و به کاربردهای عملی فکر می‌کنند و گام به گام حوزه دانش ما را گسترش می‌دهند.

«بیایید کار خودمان را بکنیم» قطعاً می تواند شعار دانشمندانی باشد که در توسعه همجوشی گرما هسته ای نقش دارند. زیرا علیرغم پاسخ‌های عالی به سؤالات بزرگ، حل مشکلات عملی و به ظاهر ناچیز مرتبط با این فرآیند می‌تواند جهان را متحول کند.

برای مثال، شاید بتوان همجوشی هسته‌ای در مقیاس کوچک را با تجهیزاتی که روی یک میز قرار می‌گیرد، انجام داد. دانشمندان دانشگاه واشنگتن سال گذشته این دستگاه را ساختند Z-pinch (1) که قادر است واکنش همجوشی را در عرض 5 میکروثانیه حفظ کند، اگرچه اطلاعات تاثیرگذار اصلی کوچک سازی راکتور بود که تنها 1,5 متر طول دارد. Z-pinch با به دام انداختن و فشرده سازی پلاسما در یک میدان مغناطیسی قدرتمند عمل می کند.

خیلی موثر نیست، اما به طور بالقوه بسیار مهم است تلاش برای . طبق تحقیقات وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) که در اکتبر 2018 در مجله Physics of Plasmas منتشر شد، راکتورهای همجوشی توانایی کنترل نوسانات پلاسما را دارند. این امواج ذرات پرانرژی را به خارج از ناحیه واکنش می راند و مقداری از انرژی مورد نیاز برای واکنش همجوشی را با خود می برد. یک مطالعه جدید DOE شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیچیده‌ای را توصیف می‌کند که می‌توانند تشکیل موج را ردیابی و پیش‌بینی کنند و به فیزیکدانان این توانایی را می‌دهند که از این فرآیند جلوگیری کنند و ذرات را تحت کنترل نگه دارند. دانشمندان امیدوارند کار آنها در ساخت و ساز کمک کند ITER، شاید معروف ترین پروژه راکتور همجوشی تجربی در فرانسه باشد.

همچنین دستاوردهایی مانند دمای پلاسما 100 میلیون درجه سانتیگرادکه در پایان سال گذشته توسط تیمی از دانشمندان موسسه فیزیک پلاسما چین در توکاماک ابررسانای پیشرفته تجربی (EAST) به دست آمد، نمونه ای از پیشرفت گام به گام به سمت همجوشی کارآمد است. به گفته کارشناسانی که در مورد این مطالعه اظهار نظر می کنند، ممکن است در پروژه ITER فوق الذکر که چین به همراه 35 کشور دیگر در آن مشارکت دارد، اهمیت کلیدی داشته باشد.

ابررساناها و الکترونیک

یکی دیگر از زمینه‌های با پتانسیل زیاد، که در آن به جای پیشرفت‌های بزرگ، گام‌های کوچک و پر زحمت برداشته می‌شود، جستجو برای ابررساناهای با دمای بالا است. (2). متأسفانه، هشدارهای کاذب و نگرانی های زودهنگام زیادی وجود دارد. معمولاً گزارش های رسانه های خنده دار اغراق آمیز یا به سادگی نادرست هستند. حتی در گزارش های جدی تر همیشه یک "اما" وجود دارد. همانطور که در گزارش اخیر، دانشمندان دانشگاه شیکاگو ابررسانایی، توانایی هدایت الکتریسیته بدون تلفات در بالاترین دمای ثبت شده را کشف کردند. تیمی از دانشمندان محلی با استفاده از فناوری پیشرفته در آزمایشگاه ملی آرگون، کلاسی از مواد را مطالعه کردند که در آنها ابررسانایی را در دمای حدود -23 درجه سانتیگراد مشاهده کردند. این یک جهش حدود 50 درجه ای نسبت به رکورد تایید شده قبلی است.

2. ابررسانا در میدان مغناطیسی

اما نکته مهم این است که باید فشار زیادی وارد کنید. موادی که مورد آزمایش قرار گرفتند، هیدریدها بودند. برای مدتی، پرهیدرید لانتانیم مورد توجه خاص بوده است. در آزمایش‌ها، مشخص شد که نمونه‌های بسیار نازک این ماده تحت تأثیر فشارهایی در محدوده 150 تا 170 گیگا پاسکال، ابررسانایی از خود نشان می‌دهند. نتایج در ماه مه در مجله Nature به نویسندگی مشترک پروفسور منتشر شد. ویتالی پروکوپنکو و اران گرینبرگ

برای فکر کردن به کاربرد عملی این مواد، باید فشار و همچنین دما را کاهش دهید، زیرا حتی تا 23- درجه سانتیگراد نیز چندان کاربردی نیست. کار روی آن یک فیزیک گام کوچک معمولی است که سال ها در آزمایشگاه های سراسر جهان ادامه دارد.

همین امر در مورد تحقیقات کاربردی نیز صدق می کند. پدیده های مغناطیسی در الکترونیک. اخیراً، با استفاده از کاوشگرهای مغناطیسی بسیار حساس، یک تیم بین‌المللی از دانشمندان شواهد شگفت‌انگیزی پیدا کرده‌اند که نشان می‌دهد مغناطیس‌ای که در سطح مشترک لایه‌های نازک اکسید غیر مغناطیسی رخ می‌دهد را می‌توان به راحتی با اعمال نیروهای مکانیکی کوچک کنترل کرد. این کشف که در دسامبر گذشته در Nature Physics اعلام شد، روشی جدید و غیرمنتظره را برای کنترل مغناطیس نشان می‌دهد، که از نظر تئوری اجازه می‌دهد تا درباره حافظه مغناطیسی متراکم‌تر و برای مثال اسپینترونیک فکر کنیم.

این کشف فرصت جدیدی برای کوچک‌سازی سلول‌های حافظه مغناطیسی ایجاد می‌کند که امروزه اندازه آن‌ها چند ده نانومتر است، اما کوچک‌سازی بیشتر آنها با استفاده از فناوری‌های شناخته شده دشوار است. رابط های اکسیدی تعدادی از پدیده های فیزیکی جالب مانند رسانایی دو بعدی و ابررسانایی را ترکیب می کنند. کنترل جریان با استفاده از مغناطیس یک زمینه بسیار امیدوارکننده در الکترونیک است. یافتن موادی با خواص مناسب، در عین حال مقرون به صرفه و ارزان، به ما این امکان را می دهد که در توسعه جدی باشیم اسپینترونیک.

این هم خسته کننده است کنترل گرمای زباله در الکترونیک. مهندسان دانشگاه کالیفرنیا برکلی اخیراً یک ماده لایه نازک (ضخامت لایه 50 تا 100 نانومتر) ساخته اند که می تواند برای بازیابی گرمای هدر رفته و تولید برق در سطوحی که قبلاً در این نوع فناوری دیده نشده است، استفاده شود. این فرآیند از فرآیندی به نام تبدیل توان پیرو الکتریک استفاده می کند که تحقیقات مهندسی جدید نشان می دهد برای استفاده در منابع گرمایی زیر 100 درجه سانتی گراد مناسب است. این تنها یکی از آخرین نمونه های تحقیق در این زمینه است. صدها یا حتی هزاران برنامه تحقیقاتی در سراسر جهان در ارتباط با مدیریت انرژی در الکترونیک وجود دارد.

"نمی دانم چرا، اما کار می کند"

آزمایش با مواد جدید، انتقال فاز و پدیده های توپولوژیکی آنها یک حوزه تحقیقاتی بسیار امیدوارکننده است، نه چندان کارآمد، دشوار و به ندرت برای رسانه ها جذاب است. این یکی از تحقیقاتی است که اغلب در زمینه فیزیک مورد استناد قرار گرفته است، اگرچه تبلیغات زیادی در رسانه ها دریافت کرد، به اصطلاح. جریان اصلی آنها معمولا برنده نمی شوند.

برای مثال، آزمایش‌هایی با تبدیل فاز در مواد، گاهی اوقات نتایج غیرمنتظره‌ای را به همراه دارد ذوب فلز با نقطه ذوب بالا دمای اتاق. نمونه‌ای از دستاوردهای اخیر ذوب نمونه‌های طلا است که معمولاً با استفاده از میدان الکتریکی و میکروسکوپ الکترونی در دمای 1064 درجه سانتی‌گراد در دمای اتاق ذوب می‌شوند. این تغییر برگشت پذیر بود زیرا خاموش کردن میدان الکتریکی می تواند طلا را دوباره جامد کند. بنابراین، میدان الکتریکی علاوه بر دما و فشار، به عوامل شناخته شده مؤثر در تبدیل فازها پیوسته است.

تغییرات فاز نیز در طول شدید مشاهده شد پالس های نور لیزر. نتایج مطالعه این پدیده در تابستان 2019 در مجله Nature Physics منتشر شد. تیم بین المللی برای رسیدن به این هدف توسط نوح گدیک (3استاد فیزیک در موسسه فناوری ماساچوست. دانشمندان دریافتند که در طی ذوب القایی نوری، انتقال فاز از طریق تشکیل تکینگی‌هایی در ماده رخ می‌دهد که به عنوان نقص توپولوژیکی شناخته می‌شوند، که به نوبه خود بر دینامیک الکترون و شبکه حاصل در ماده تأثیر می‌گذارد. این نقایص توپولوژیکی، همانطور که گدیک در انتشارات خود توضیح داد، مشابه گرداب های کوچکی است که در مایعاتی مانند آب رخ می دهد.

برای تحقیقات خود، دانشمندان از ترکیبی از لانتانیم و تلوریوم LaTe استفاده کردند.₃. محققان توضیح می‌دهند که گام بعدی تلاش برای تعیین اینکه چگونه می‌توانند این نقص‌ها را به شیوه‌ای کنترل‌شده ایجاد کنند، خواهد بود. به طور بالقوه، این می تواند برای ذخیره سازی داده ها استفاده شود، جایی که پالس های نور برای نوشتن یا تعمیر عیوب در سیستم، که با عملیات داده مطابقت دارد، استفاده می شود.

و از آنجایی که به پالس های لیزر فوق سریع رسیدیم، استفاده از آنها در بسیاری از آزمایش های جالب و کاربردهای بالقوه امیدوارکننده در عمل موضوعی است که اغلب در گزارش های علمی ظاهر می شود. به عنوان مثال، گروه ایگناسیو فرانکو، استادیار شیمی و فیزیک در دانشگاه روچستر، اخیرا نشان داد که چگونه می توان از پالس های لیزری فوق سریع برای خواص تحریف کننده ماده اوراز تولید جریان الکتریکی با سرعتی سریعتر از هر تکنیکی که تاکنون برای ما شناخته شده است. محققان رشته های شیشه ای نازک را با مدت زمان یک میلیونم یک میلیاردم ثانیه درمان کردند. در یک چشم به هم زدن ماده شیشه ای به چیزی شبیه فلز تبدیل شد که جریان الکتریکی را هدایت می کند. این سریعتر از هر سیستم شناخته شده ای در غیاب ولتاژ اعمال شده اتفاق افتاد. جهت جریان و شدت جریان را می توان با تغییر خواص پرتو لیزر کنترل کرد. و از آنجایی که می توان آن را کنترل کرد، هر مهندس الکترونیک با علاقه نگاه می کند.

فرانکو در انتشاراتی در Nature Communications توضیح داد.

ماهیت فیزیکی این پدیده ها به طور کامل درک نشده است. خود فرانکو مشکوک است که مکانیسم هایی مانند اثر شدید، یعنی همبستگی گسیل یا جذب کوانتوم های نور با میدان الکتریکی. اگر امکان ساخت سیستم‌های الکترونیکی فعال بر اساس این پدیده‌ها وجود داشت، قسمت دیگری از سریال مهندسی با نام «نمی‌دانیم چرا، اما کار می‌کند» را داشتیم.

حساسیت و اندازه کوچک

ژیروسکوپ ها دستگاه‌هایی هستند که به وسایل نقلیه، پهپادها، و همچنین ابزارهای الکترونیکی و دستگاه‌های قابل حمل کمک می‌کنند تا در فضای سه‌بعدی حرکت کنند. در حال حاضر آنها به طور گسترده ای در دستگاه هایی که ما هر روز استفاده می کنیم استفاده می شود. در ابتدا ژیروسکوپ ها مجموعه ای از چرخ های تو در تو بودند که هر کدام حول محور خود می چرخیدند. امروزه در تلفن‌های همراه، حسگرهای میکروالکترومکانیکی (MEMS) را می‌یابیم که تغییرات نیروهای وارد بر دو جرم یکسان، نوسان و حرکت در جهت مخالف را اندازه‌گیری می‌کنند.

ژیروسکوپ های MEMS دارای محدودیت های حساسیت قابل توجهی هستند. بنابراین در حال ساختن است ژیروسکوپ های نوری، بدون قطعات متحرک، برای کارهای مشابهی که از پدیده ای به نام استفاده می شود اثر ساگناک. با این حال، تا کنون مشکل کوچک سازی آنها وجود داشت. کوچکترین ژیروسکوپ های نوری با کارایی بالا موجود بزرگتر از توپ پینگ پنگ هستند و برای بسیاری از کاربردهای قابل حمل مناسب نیستند. با این حال، مهندسان دانشگاه صنعتی کلتک به رهبری علی حاجیمیری ژیروسکوپ نوری جدیدی ساخته اند که پانصد برابر کمترآنچه تاکنون شناخته شده است4). او با استفاده از تکنیک جدیدی به نام "حساسیت خود را افزایش می دهد.تقویت متقابل» بین دو پرتو نور که در تداخل سنج معمولی ساگناک استفاده می شود. دستگاه جدید در مقاله ای که نوامبر گذشته در Nature Photonics منتشر شد، توضیح داده شد.

4. ژیروسکوپ نوری توسعه یافته توسط علی حاجیمیری و همکارانش. 

توسعه یک ژیروسکوپ اپتیکال دقیق می تواند جهت گیری گوشی های هوشمند را تا حد زیادی بهبود بخشد. به نوبه خود، توسط دانشمندان مهندسی کلمبیا ساخته شد. اولین لنز تخت توانایی فوکوس صحیح طیف گسترده ای از رنگ ها در یک نقطه بدون نیاز به عناصر اضافی ممکن است بر قابلیت های عکاسی تجهیزات موبایل تأثیر بگذارد. لنز تخت انقلابی نازک میکرون به طور قابل توجهی نازک تر از یک ورق کاغذ است و عملکردی قابل مقایسه با لنزهای کامپوزیت درجه یک را ارائه می دهد. یافته های این تیم به سرپرستی نانفانگ یو، استادیار فیزیک کاربردی، در مطالعه ای که در مجله نیچر منتشر شده است، ارائه شده است.

دانشمندان لنزهای تخت ساخته اندفرااتم ها". اندازه هر متاتوم کسری از طول موج نور است و امواج نور را با مقدار متفاوتی به تاخیر می اندازد. با ساختن یک لایه مسطح بسیار نازک از نانوساختارها بر روی بستری به ضخامت موی انسان، دانشمندان توانستند عملکردی مشابه یک سیستم لنز معمولی بسیار ضخیم‌تر و سنگین‌تر داشته باشند. متالنزها می توانند جایگزین سیستم های لنز حجیم شوند، همانطور که تلویزیون های صفحه تخت جایگزین تلویزیون های CRT شده اند.

چرا یک برخورد بزرگ وقتی راه های دیگری وجود دارد

فیزیک گام های کوچک نیز می تواند معانی و معانی مختلفی داشته باشد. مثلا - به جای ساختن سازه‌های بزرگ از نوع هیولا‌آمیز و نیاز به سازه‌های بزرگ‌تر، همانطور که بسیاری از فیزیکدانان انجام می‌دهند، می‌توان سعی کرد با ابزارهای ساده‌تر پاسخی برای سؤالات بزرگ بیابد.

بیشتر شتاب دهنده ها با ایجاد میدان های الکتریکی و مغناطیسی به پرتوهای ذرات سرعت می بخشند. با این حال، برای مدتی او با یک تکنیک متفاوت آزمایش کرد - شتاب دهنده های پلاسماشتاب ذرات باردار مانند الکترون ها، پوزیترون ها و یون ها با استفاده از میدان الکتریکی همراه با موج تولید شده در پلاسمای الکترونی. اخیراً روی نسخه جدید آنها کار می کنم. تیم AWAKE در سرن از پروتون (نه الکترون) برای ایجاد موج پلاسما استفاده می کند. تغییر به پروتون ها می تواند ذرات را در یک مرحله شتاب به سطوح انرژی بالاتری برساند. سایر اشکال شتاب میدان بیداری پلاسما نیازمند چندین مرحله برای رسیدن به همان سطح انرژی است. دانشمندان بر این باورند که فناوری مبتنی بر پروتون می‌تواند ما را قادر سازد در آینده شتاب‌دهنده‌های کوچک‌تر، ارزان‌تر و قدرتمندتر بسازیم.

5. شتاب دهنده مینیاتوری دو مرحله ای از DESY - تجسم

به نوبه خود، دانشمندان DESY (مخفف Deutsches Elektronen-Synchrotron - سینکروترون الکترونیکی آلمانی) رکورد جدیدی را در زمینه کوچک سازی شتاب دهنده های ذرات در ماه جولای ثبت کردند. شتاب دهنده تراهرتز انرژی الکترون های تزریق شده را بیش از دو برابر کرد.5). در همان زمان، راه اندازی به طور قابل توجهی کیفیت پرتو الکترونی را در مقایسه با آزمایش های قبلی با این تکنیک بهبود بخشید.

فرانتس کرتنر، رئیس گروه نوری فوق سریع و اشعه ایکس در DESY، در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح داد. -

دستگاه مربوطه یک میدان شتاب با حداکثر شدت 200 میلیون ولت بر متر (MV/m) تولید کرد - شبیه به قدرتمندترین شتاب دهنده معمولی مدرن.

به نوبه خود، یک آشکارساز جدید، نسبتا کوچک ALPHA-g (6)، که توسط شرکت کانادایی TRIUMF ساخته شده و در اوایل سال جاری به سرن ارسال شده است، وظیفه دارد: اندازه گیری شتاب گرانشی پادماده. آیا پادماده در حضور میدان گرانشی روی سطح زمین 9,8+ m/s2 (پایین)، 9,8- m/s2 (بالا)، 0 m/s2 (اصلاً شتاب گرانشی ندارد) شتاب می گیرد یا مقداری دارد. ارزش دیگر؟ احتمال دوم فیزیک را متحول خواهد کرد. یک دستگاه کوچک ALPHA-g می تواند علاوه بر اثبات وجود «ضد گرانش»، ما را در مسیری هدایت کند که به بزرگترین اسرار کیهان منتهی می شود.

در مقیاسی حتی کوچکتر، ما سعی می کنیم پدیده های سطح پایین تر را مطالعه کنیم. در بالا 60 میلیارد دور در ثانیه می توان آن را توسط دانشمندان دانشگاه پوردو و دانشگاه های چین طراحی کرد. به گفته نویسندگان این آزمایش در مقاله ای که چند ماه پیش در Physical Review Letters منتشر شد، چنین خلقت با چرخش سریع به آنها اجازه می دهد تا درک بهتری داشته باشند. اسرار .

این جسم که در همان چرخش شدید قرار دارد، نانوذره‌ای با عرض 170 نانومتر و طول 320 نانومتر است که دانشمندان آن را از سیلیس سنتز کردند. تیم تحقیقاتی یک شی را با استفاده از لیزر در خلاء معلق کردند و سپس آن را با سرعت فوق العاده ای به جریان انداختند. گام بعدی انجام آزمایش‌هایی با سرعت‌های چرخشی حتی بالاتر است که امکان تحقیق دقیق در مورد نظریه‌های فیزیکی پایه، از جمله اشکال عجیب و غریب اصطکاک در خلاء را فراهم می‌کند. همانطور که می بینید، برای رویارویی با اسرار اساسی نیازی به ساخت کیلومترها لوله و آشکارسازهای غول پیکر ندارید.

در سال 2009، دانشمندان موفق به ایجاد نوع خاصی از سیاهچاله در آزمایشگاه شدند که صدا را جذب می کند. از آن زمان اینها صدا  به عنوان آنالوگ آزمایشگاهی جسم جاذب نور مفید است. در مقاله‌ای که در ماه جولای در مجله Nature منتشر شد، محققان موسسه فناوری Technion اسرائیل چگونگی ایجاد یک سیاه‌چاله صوتی و اندازه‌گیری دمای تابش هاوکینگ آن را شرح می‌دهند. این اندازه گیری ها مطابق با دمای پیش بینی شده توسط هاوکینگ بود. بنابراین، به نظر می رسد که برای کاوش در سیاهچاله نیازی به سفر به سیاهچاله نیست.

چه کسی می‌داند که در این پروژه‌های علمی به ظاهر کمتر کارآمد، در تلاش‌های پر زحمت آزمایشگاهی و آزمایش‌های مکرر برای آزمایش تئوری‌های کوچک و پراکنده، پاسخ‌های بزرگ‌ترین پرسش‌ها پنهان است یا خیر. تاریخ علم می آموزد که این می تواند اتفاق بیفتد.