讓我們做我們的事，也許會有一場革命

偉大的發現、大膽的理論、科學的突破。 媒體上充斥著這樣的表述，通常是誇大其詞。 在“偉大的物理學”、大型強子對撞機、基本宇宙學問題和與標準模型的鬥爭的陰影下，辛勤工作的研究人員正在默默地工作，思考實際應用，並逐步擴展我們的知識領域。

“做我們自己的事”當然可以成為參與熱核聚變發展的科學家的口號。 因為，儘管對重大問題有很好的答案，但與這一過程相關的實際、看似微不足道的問題的解決方案能夠徹底改變世界。

例如，也許可以進行小規模核聚變——使用可以放在桌子上的設備。 華盛頓大學的科學家去年製造了這種設備 Z-夾點 (1)，它能夠在 5 微秒內維持聚變反應，儘管主要令人印象深刻的信息是反應器的小型化，它只有 1,5 m 長。Z 夾通過在強大的磁場中捕獲和壓縮等離子體來工作。

不是很有效，但可能非常重要 努力 . 根據美國能源部 (DOE) 於 2018 年 XNUMX 月發表在《等離子體物理學》雜誌上的研究，聚變反應堆具有控制等離子體振蕩的能力。 這些波將高能粒子推出反應區，帶走一些聚變反應所需的能量。 美國能源部的一項新研究描述了複雜的計算機模擬，可以跟踪和預測波浪的形成，使物理學家能夠阻止這一過程並控製粒子。 科學家們希望他們的工作將有助於建設 ITER，也許是法國最著名的實驗性聚變反應堆項目。

還有成就如 等離子溫度100億攝氏度去年年底，中國等離子體物理研究所的一組科學家在實驗先進超導託卡馬克（EAST）中獲得的，是向高效聚變逐步推進的一個例子。 據評論該研究的專家稱，它可能對上述 ITER 項目至關重要，中國與其他 35 個國家一起參與了該項目。

超導體和電子產品

另一個具有巨大潛力的領域是尋找高溫超導體，該領域正在採取相當小的、艱苦的步驟而不是大的突破。 (2）。 不幸的是，有很多誤報和過早的擔憂。 通常，狂熱的媒體報導被證明是誇大其詞或根本不真實。 即使在更嚴肅的報導中，也總有一個“但是”。 在最近的一份報告中，芝加哥大學的科學家們發現了超導性，即在有記錄以來的最高溫度下無損耗地導電的能力。 使用阿貢國家實驗室的尖端技術，當地科學家團隊研究了一類材料，他們在 -23°C 左右的溫度下觀察到超導性。 這比之前確認的記錄高出約 50 度。

2. 磁場中的超導體

然而，問題是你必須施加很大的壓力。 被測試的材料是氫化物。 一段時間以來，過氫化鑭一直備受關注。 在實驗中，發現這種材料的極薄樣品在 150 至 170 吉帕的壓力作用下表現出超導性。 該結果於 XNUMX 月發表在由教授合著的《自然》雜誌上。 維塔利·普羅科彭科和伊蘭·格林伯格。

要考慮這些材料的實際應用，您將不得不降低壓力和溫度，因為即使降至 -23°C 也不是很實用。 研究它是典型的小步物理，在世界各地的實驗室中持續多年。

這同樣適用於應用研究。 電子學中的磁現象. 最近，一個國際科學家團隊使用高度敏感的磁性探針發現了令人驚訝的證據，表明在非磁性氧化物薄層界面處發生的磁性可以通過施加小的機械力輕鬆控制。 這一發現於去年 XNUMX 月在《自然物理學》雜誌上宣布，它展示了一種新的、意想不到的控制磁性的方法，例如，理論上可以考慮更密集的磁記憶和自旋電子學。

這一發現為磁存儲單元的小型化創造了新的機會，如今磁存儲單元的尺寸已經達到幾十納米，但使用已知技術進一步小型化是困難的。 氧化物界面結合了許多有趣的物理現象，例如二維電導率和超導性。 通過磁力控制電流是電子學中一個非常有前途的領域。 尋找具有合適特性、價格實惠且便宜的材料，將使我們能夠認真對待開發 自旋電子.

也很累 電子設備中的廢熱控制. 加州大學伯克利分校的工程師最近開發了一種薄膜材料（薄膜厚度為 50-100 納米），可用於回收廢熱以產生這種技術前所未有的水平。 它使用一種稱為熱釋電轉換的過程，新的工程研究表明該過程非常適合用於低於 100°C 的熱源。 這只是該領域研究的最新例子之一。 全世界有成百上千個與電子能源管理相關的研究項目。

“我不知道為什麼，但它有效”

用新材料進行實驗，它們的相變和拓撲現像是一個非常有前途的研究領域，效率不高，難度大，而且很少對媒體有吸引力。 這是物理學領域最常被引用的研究之一，儘管它在所謂的媒體上得到了很多宣傳。 主流他們通常不會贏。

材料中的相變實驗有時會帶來意想不到的結果，例如 金屬冶煉 具有高熔點 室內溫度. 一個例子是最近使用電場和電子顯微鏡熔化金樣品的成就，通常在室溫下在 1064°C 熔化。 這種變化是可逆的，因為關閉電場可以使黃金再次凝固。 因此，除了溫度和壓力之外，電場還加入了影響相變的已知因素。

在激烈的過程中也觀察到相變 激光脈衝. 這一現象的研究結果於 2019 年夏天發表在《自然物理學》雜誌上。 實現這一目標的國際團隊由 Nuh Gedik 領導（3)，麻省理工學院物理學教授。 科學家們發現，在光學誘導熔化過程中，相變是通過材料中形成的奇點（稱為拓撲缺陷）發生的，這反過來會影響材料中產生的電子和晶格動力學。 正如 Gedik 在他的出版物中解釋的那樣，這些拓撲缺陷類似於發生在水等液體中的微小渦流。

在他們的研究中，科學家們使用了鑭和碲 LaTe 的化合物。₃. 研究人員解釋說，下一步將嘗試確定他們如何“以受控方式產生這些缺陷”。 潛在地，這可以用於數據存儲，其中光脈衝將用於寫入或修復系統中的缺陷，這將對應於數據操作。

並且由於我們得到了超快激光脈衝，它們在許多有趣的實驗中的使用以及在實踐中潛在的有前途的應用是科學報告中經常出現的主題。 例如，羅切斯特大學化學和物理學助理教授 Ignacio Franco 的小組最近展示瞭如何使用超快激光脈衝 扭曲物質的性質 歐拉茲 電流產生 速度比我們目前所知的任何技術都要快。 研究人員以百萬分之一秒的時間處理細玻璃絲。 眨眼間，玻璃狀物質變成了一種類似金屬的東西，可以導電。 在沒有施加電壓的情況下，這比任何已知系統發生得更快。 流動的方向和電流的強度可以通過改變激光束的特性來控制。 而且由於可以控制，每個電子工程師都饒有興趣地看著。

Franco 在 Nature Communications 的一篇文章中解釋道。

這些現象的物​​理性質尚不完全清楚。 佛朗哥自己懷疑像這樣的機制 明顯的影響，即光量子的發射或吸收與電場的相關性。 如果有可能基於這些現象構建工作電子系統，我們將會有另一集工程系列，名為“我們不知道為什麼，但它可以工作”。

靈敏度和體積小

陀螺儀 是幫助車輛、無人機以及電子實用程序和便攜式設備在三維空間中導航的設備。 現在它們被廣泛用於我們每天使用的設備中。 最初，陀螺儀是一組嵌套的輪子，每個輪子都圍繞自己的軸旋轉。 今天，在移動電話中，我們發現了微機電傳感器 (MEMS)，它可以測量作用在兩個相同質量上的力的變化，這些質量在相反方向上振盪和移動。

MEMS 陀螺儀有很大的靈敏度限制。 所以它正在建設 光學陀螺儀，沒有移動部件，用於使用稱為現象的相同任務 薩尼亞克效應. 然而，到目前為止，它們還存在小型化的問題。 可用的最小的高性能光學陀螺儀比乒乓球還大，不適合許多便攜式應用。 然而，由 Ali Hadjimiri 領導的加州理工大學工程師開發了一種新的光學陀螺儀， 少五百倍到目前為止已知的4)。 他通過使用一種名為“相互加強» 在典型的 Sagnac 干涉儀中使用的兩束光束之間。 去年 XNUMX 月，在 Nature Photonics 上發表的一篇文章中描述了這種新設備。

4. Ali Hadjimiri 和他的同事開發的光學陀螺儀。 

精確光學陀螺儀的發展可以極大地改善智能手機的定位。 反過來，它是由哥倫比亞工程公司的科學家建造的。 第一個平面透鏡 能夠在同一點正確聚焦多種顏色而不需要額外的元素可能會影響移動設備的攝影能力。 革命性的微米級平面透鏡比一張紙薄得多，其性能可與高級複合透鏡相媲美。 該小組的研究結果由應用物理學助理教授 Nanfang Yu 領導，發表在《自然》雜誌上的一項研究中。

科學家們從“元原子”。 每個元原子在大小上是光波長的一小部分，並以不同的量延遲光波。 通過在與人類頭髮一樣厚的基底上構建一層非常薄的扁平納米結構層，科學家們能夠實現與更厚、更重的傳統透鏡系統相同的功能。 Metalenses 可以取代笨重的鏡頭系統，就像平板電視取代 CRT 電視一樣。

當有其他方式時，為什麼要使用大型對撞機

小步的物理學也可以有不同的含義和含義。 例如 - 與其像許多物理學家那樣建造大得驚人的類型結構並要求更大的結構，人們可以嘗試使用更簡單的工具來找到重大問題的答案。

大多數加速器通過產生電場和磁場來加速粒子束。 然而，有一段時間他嘗試了一種不同的技術—— 等離子加速器，使用電場與電子等離子體中產生的波相結合來加速電子、正電子和離子等帶電粒子。 最近我一直在研究他們的新版本。 CERN 的 AWAKE 團隊使用質子（不是電子）來產生等離子體波。 切換到質子可以在一步加速中將粒子帶到更高的能級。 其他形式的等離子體喚醒場加速需要幾個步驟才能達到相同的能量水平。 科學家們相信，他們基於質子的技術可以讓我們在未來建造更小、更便宜、更強大的加速器。

5. DESY的兩級微型加速器——可視化

反過來，來自 DESY（Deutsches Elektronen-Synchrotron 的簡稱 - 德國電子同步加速器）的科學家在 XNUMX 月創下了粒子加速器小型化領域的新紀錄。 太赫茲加速器使注入電子的能量增加了一倍以上（5）。 同時，與之前使用該技術的實驗相比，該設置顯著提高了電子束的質量。

DESY 超快光學和 X 射線組負責人 Franz Kärtner 在一份新聞稿中解釋道。 -

相關設備產生了一個最大強度為每米 200 億伏 (MV/m) 的加速場——類似於最強大的現代傳統加速器。

反過來，一個新的、相對較小的探測器 阿爾法-g (6)，由加拿大公司 TRIUMF 建造並於今年早些時候運往 CERN，其任務是 測量反物質的重力加速度. 在地球表面存在重力場的情況下，反物質是否會加速 +9,8 m/s2（向下）、-9,8 m/s2（向上）、0 m/s2（根本沒有重力加速度），還是有一些其他價值？ 後一種可能性將徹底改變物理學。 一個小型的 ALPHA-g 裝置，除了證明“反重力”的存在外，還能帶領我們走上通往宇宙最大奧秘的道路。

在更小的範圍內，我們正在嘗試研究更低層次的現象。 多於 每秒 60 億轉 它可以由普渡大學和中國大學的科學家設計。 據實驗作者在幾個月前發表在《物理評論快報》上的一篇文章中說，如此快速旋轉的創作將使他們更好地理解 秘密 .

該物體處於同樣的極端旋轉狀態，是一種大約 170 納米寬和 320 納米長的納米粒子，科學家們用二氧化矽合成了這種納米粒子。 研究小組使用激光將物體懸浮在真空中，然後以極快的速度對其進行脈衝處理。 下一步將是進行更高轉速的實驗，這將允許對基本物理理論進行準確研究，包括真空中奇異的摩擦形式。 如您所見，您無需建造數公里長的管道和巨型探測器即可面對基本謎團。

2009 年，科學家們設法在實驗室中製造了一種特殊的黑洞，可以吸收聲音。 從此這些 聲音  被證明可用作吸光物體的實驗室類似物。 在今年 XNUMX 月發表在《自然》雜誌上的一篇論文中，以色列理工學院的研究人員描述了他們如何創造一個聲波黑洞並測量其霍金輻射溫度。 這些測量結果與霍金預測的溫度一致。 因此，似乎沒有必要為了探索黑洞而去探險。

誰知道隱藏在這些看似效率較低的科學項目中，在艱苦的實驗室工作和反复實驗中，以檢驗小的、零散的理論，是否是最大問題的答案。 科學史告訴我們這是可能發生的。