Facemu a nostra cosa è forse ci sarà una rivoluzione

Grandi scuperte, teorie audaci, scuperte scientifiche. I media sò pieni di tali formulazioni, di solitu esageratu. In un locu in l'ombra di a "grande fisica", u LHC, e dumande cosmologicu fundamentali è a lotta contru u mudellu Standard, i ricercatori travagliadori facenu in silenziu u so travagliu, pensendu à l'applicazioni pratiche è espansione u campu di a nostra cunniscenza passu à passu.

"Femu a nostra propria cosa" pò esse certamente u slogan di i scientisti implicati in u sviluppu di a fusione termonucleare. Perchè, malgradu i grandi risposte à e grandi dumande, a suluzione di prublemi pratichi, apparentemente insignificanti assuciati à stu prucessu, hè capaci di rivoluzionari u mondu.

Forsi, per esempiu, serà pussibule di fà una fusione nucleare à piccula scala - cù l'equipaggiu chì si mette nantu à una tavula. I scientisti di l'Università di Washington anu custruitu u dispusitivu l'annu passatu Z-pizzicu (1), chì hè capaci di mantene una reazzione di fusione in 5 microseconds, ancu s'è l'infurmazioni impressiunanti principali era a miniaturizazione di u reactor, chì hè solu 1,5 m di longu. U Z-pinch travaglia trapping and compressing the plasma in un putente campu magneticu.

Ùn hè micca assai efficace, ma potenzialmente estremamente impurtante sforzi per . Sicondu a ricerca di u Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti (DOE), publicata in uttrovi 2018 in a rivista Physics of Plasmas, i reattori di fusione anu a capacità di cuntrullà l'oscillazione di plasma. Queste onde spinghjenu particelle d'alta energia fora di a zona di reazione, purtendu cun elli una parte di l'energia necessaria per a reazione di fusione. Un novu studiu DOE descrive simulazioni di computer sofisticate chì ponu seguità è predichendu a furmazione di l'onda, dendu à i fisici a capacità di prevene u prucessu è di mantene e particelle sottu à cuntrollu. I scientisti speranu chì u so travagliu aiuterà in a custruzzione ITER, forse u prughjettu di reattore di fusione sperimentale più famosu in Francia.

Ancu rializazioni cum'è temperatura di u plasma 100 milioni di gradi Celsius, ottenutu à a fine di l'annu passatu da una squadra di scientisti in l'Istitutu Chine di Fisica di Plasma in u Tokamak Superconducting Avanzatu Sperimentale (EAST), hè un esempiu di un prugressu passu à passu versu a fusione efficiente. Sicondu i sperti chì cumentanu u studiu, pò esse di primura impurtante in u prughjettu ITER sopra citatu, in quale a Cina participa cù 35 altri paesi.

Superconductors è l'elettronica

Un'altra zona cù un grande putenziale, induve si piglianu passi piuttostu chjuchi è minuciosi invece di grandi scuperte, hè a ricerca di superconductors à alta temperatura. (2). Sfurtunatamente, ci sò assai falsi alarmi è preoccupazioni premature. Di solitu, i rapporti di media rave risultanu esse esagerazioni o semplicemente falsi. Ancu in i rapporti più serii ci hè sempre un "ma". Cum'è in un rapportu recenti, i scientisti di l'Università di Chicago anu scupertu a superconductività, a capacità di cunduce l'electricità senza perdita à a più alta temperatura mai registrata. Utilizendu a tecnulugia di punta à u Laboratoriu Naziunale di Argonne, una squadra di scientisti lucali studiau una classa di materiali in quale anu osservatu a superconductività à a temperatura di circa -23 ° C. Questu hè un saltu di circa 50 gradi da u record cunfirmatu precedente.

2. Superconductor in un campu magneticu

A catch, però, hè chì avete da applicà assai pressione. I materiali chì sò stati pruvati eranu idruri. Dapoi qualchì tempu, u perhydride di lantanu hè statu d'interessu particulari. In l'esperimenti, hè statu truvatu chì i campioni estremamente sottili di stu materiale presentanu superconductività sottu l'azzione di pressioni in a gamma da 150 à 170 gigapascals. I risultati sò stati publicati in maghju in a rivista Nature, co-autore di u Prof. Vitaly Prokopenko è Eran Greenberg.

Per pensà à l'applicazione pratica di questi materiali, avete bisognu di calà a pressione è ancu a temperatura, perchè ancu finu à -23 ° C ùn hè micca assai praticu. U travagliu nantu à questu hè una fisica tipica di picculi passi, chì dura per anni in laboratori di u mondu.

U listessu vale per a ricerca applicata. fenomeni magnetichi in l'elettronica. Più ricenti, utilizendu sonde magnetichi assai sensibili, una squadra internaziunale di scientisti hà trovu una evidenza sorprendente chì u magnetismu chì si trova à l'interfaccia di strati sottili di ossidu non magneticu pò esse facilmente cuntrullatu appliendu forze meccaniche chjuche. A scuperta, annunziata u dicembre scorsu in Nature Physics, mostra un modu novu è inesperu per cuntrullà u magnetismu, teoricamente chì permette di pensà à a memoria magnetica più densa è a spintronica, per esempiu.

Sta scuperta crea una nova opportunità per a miniaturizazione di e cellule di memoria magnetica, chì oghje anu digià una dimensione di parechje decine di nanometri, ma a so miniaturizazione ulteriore cù e tecnulugia cunnisciute hè difficiule. L'interfaccia d'ossidu combina una quantità di fenomeni fisichi interessanti cum'è a conduttività bidimensionale è a superconduttività. U cuntrollu di u currente per mezu di u magnetismu hè un campu assai prometenti in l'elettronica. Truvà materiali cù e pruprietà ghjuste, ma affordabbli è boni, ci permetterebbe di diventà seriu nantu à u sviluppu spintronica.

hè ancu stancu cuntrollu di u calore di scarti in l'elettronica. L'ingegneri di l'UC Berkeley anu sviluppatu recentemente un materiale di film sottile (spessore di film 50-100 nanometri) chì pò esse usatu per ricuperà u calore di scarti per generà energia à livelli mai vistu prima in stu tipu di tecnulugia. Aduprà un prucessu chjamatu cunversione di energia piroelettrica, chì a nova ricerca di l'ingegneria mostra chì hè adattatu per l'usu in fonti di calore sottu à 100 ° C. Questu hè solu unu di l'ultimi esempi di ricerca in questa zona. Ci sò centinaie o ancu millaie di prugrammi di ricerca in u mondu ligati à a gestione di l'energia in l'elettronica.

"Ùn sò micca perchè, ma funziona"

Sperimentà cù novi materiali, e so transizioni di fasi è i fenomeni topologichi hè una zona assai promettente di ricerca, micca assai efficace, difficiuli è raramente attrattiva per i media. Questu hè unu di i studii più spessu citati in u campu di a fisica, ancu s'ellu hà ricevutu assai publicità in i media, u cusì chjamatu. mainstream di solitu ùn vincenu micca.

Esperimenti cù trasfurmazioni di fasi in i materiali qualchì volta portanu risultati inaspettati, per esempiu fusione di metalli cù alti punti di fusione a temperatura di l'ambienti. Un esempiu hè u recente successu di campioni d'oru di fusione, chì generalmente si funnu à 1064 ° C à a temperatura di l'ambienti, utilizendu un campu elettricu è un microscopiu elettronicu. Stu cambiamentu era reversibile perchè disattivà u campu elettricu puderia solidificà l'oru di novu. Cusì, u campu elettricu hà unitu à i fatturi cunnisciuti chì influenzanu e trasfurmazioni di fasi, in più di a temperatura è a pressione.

I cambiamenti di fase sò stati osservati ancu durante intensi impulsi di luce laser. I risultati di u studiu di stu fenomenu sò stati publicati in l'estiu di 2019 in a rivista Nature Physics. A squadra internaziunale per ottene questu hè stata guidata da Nuh Gedik (3), prufissore di fisica à u Massachusetts Institute of Technology. I scientisti anu truvatu chì durante a fusione indotta da otticu, a transizione di fasa si faci per a furmazione di singularità in u materiale, cunnisciuti cum'è difetti topologichi, chì à u turnu affettanu a dinamica di l'elettroni è di a lattice resultanti in u materiale. Questi difetti topologichi, cum'è Gedik hà spiegatu in a so publicazione, sò analoghi à i vortici minusculi chì si trovanu in liquidi cum'è l'acqua.

Per a so ricerca, i scientisti anu utilizatu un compostu di lanthanu è tellurium LaTe.₃. I circadori spieganu chì u prossimu passu serà di pruvà à determinà cumu si ponu "generà sti difetti in una manera cuntrullata". Potenzialmente, questu puderia esse usatu per l'almacenamiento di dati, induve i pulsati di luce seranu usati per scrive o riparà difetti in u sistema, chì currispondenu à l'operazioni di dati.

E postu chì avemu ghjuntu à impulsi laser ultrafast, u so usu in parechji esperimenti interessanti è applicazioni potenzialmente promettenti in a pratica hè un tema chì spessu appare in rapporti scientifichi. Per esempiu, u gruppu di Ignacio Franco, prufessore assistente di chimica è fisica in l'Università di Rochester, hà dimustratu pocu tempu cumu si ponu utilizà impulsi laser ultrarapidi per proprietà distorte di a materia Oraz generazione di corrente elettrica à una velocità più veloce di qualsiasi tecnica cunnisciuta finu à noi. I circadori anu trattatu filamenti di vetru sottili cù una durata di un milionesimu di un bilionisimu di secondu. In un battitu d'ochju, u materiale vetru hè diventatu qualcosa cum'è un metallu chì cunduce l'electricità. Questu hè accadutu più veloce chì in qualsiasi sistema cunnisciutu in l'absenza di una tensione applicata. A direzzione di u flussu è l'intensità di u currente ponu esse cuntrullati cambiando e proprietà di u fasciu laser. E postu chì pò esse cuntrullatu, ogni ingegnere elettronicu vede cun interessu.

Franco spiegò in una publicazione in Nature Communications.

A natura fisica di sti fenomeni ùn hè micca cumplettamente capitu. Franco stessu suspetta chì i miccanismi cum'è effettu crudu, vale à dì, a correlazione di l'emissione o l'assorbimentu di quanta di luce cù un campu elettricu. S'ellu era pussibule di custruisce sistemi elettronichi di travagliu basatu annantu à questi fenomeni, avaristi un altru episodiu di a serie di l'ingegneria chjamata Ùn sapemu perchè, ma funziona.

Sensibilità è piccula dimensione

Giroscopi sò dispusitivi chì aiutanu i veiculi, i droni, è ancu l'utilità elettroniche è i dispositi portatili navigà in u spaziu tridimensionale. Avà sò largamente usati in i dispositi chì avemu aduprà ogni ghjornu. Inizialmente, i giroscopi eranu un inseme di roti nidificate, ognuna di e quali girava intornu à u so propiu assi. Oghje, in i telefoni cellulari, truvamu sensori microelectromechanical (MEMS) chì misuranu i cambiamenti di e forze chì agiscenu nantu à duie massi idèntici, oscillanti è movendu in a direzzione opposta.

I giroscopi MEMS anu limitazioni di sensibilità significativa. Allora hè custruitu giroscopi ottici, senza parti in muvimentu, per i stessi travaglii chì utilizanu un fenomenu chjamatu Effet Sagnac. Tuttavia, finu à avà ci era un prublema di a so miniaturizazione. I più chjuchi giroscopi ottici d'alta prestazione dispunibuli sò più grande di una bola di ping pong è ùn sò micca adattati per parechje applicazioni portatili. Tuttavia, l'ingegneri di l'Università di Tecnulugia di Caltech, guidati da Ali Hadjimiri, anu sviluppatu un novu giroscopiu otticu chì cinque centu volte menuciò chì hè cunnisciutu finu à avà4). Aumenta a so sensibilità cù l'usu di una nova tecnica chjamata "rinforzu mutuale» Trà dui fasci di luce chì sò usati in un interferometru tipicu di Sagnac. U novu dispositivu hè statu discrittu in un articulu publicatu in Nature Photonics nuvembre scorsu.

4. Giroscopiu otticu sviluppatu da Ali Hadjimiri è i so culleghi. 

U sviluppu di un giroscopiu otticu precisu pò migliurà assai l'orientazione di i telefoni intelligenti. À u turnu, hè statu custruitu da scientisti di Columbia Engineering. prima lente piatta capace di fucalizza currettamente una larga gamma di culori in u stessu puntu senza a necessità di elementi supplementari pò influenzà e capacità fotografiche di l'equipaggiu mobile. A rivoluzionaria lente piatta micron-thin hè significativamente più sottile ch'è un fogliu di carta è offre prestazioni paragunabili à lenti composite premium. I risultati di u gruppu, guidati da Nanfang Yu, un prufissore assistente di fisica applicata, sò presentati in un studiu publicatu in a rivista Nature.

I scientisti anu custruitu lenti piatte da "metaatomi". Ogni metaatomu hè una frazione di una lunghezza d'onda di luce in dimensione è ritarda l'onda di luce per una quantità diversa. Custruendu una strata piatta assai fina di nanostrutture nantu à un sustrato grossu cum'è un capeddu umanu, i scientisti anu pussutu ottene a listessa funziunalità cum'è un sistema di lenti cunvinziunali assai più grossu è più pesante. Metalenses ponu rimpiazzà i sistemi di lenti voluminosi in a listessa manera chì i TV di schermu pianu anu rimpiazzatu i TV CRT.

Perchè un grande collider quandu ci sò altre manere

A fisica di i picculi passi pò ancu avè diverse significati è significati. Per esempiu - piuttostu cà custruì strutturi di tipu monstrously grande è esigenti ancu più grande, cum'è parechji fisici fà, unu pò pruvà à truvà risposte à e grande dumande cù arnesi più modesti.

A maiò parte di l'acceleratori acceleranu i fasci di particelle generendu campi elettrici è magnetichi. Tuttavia, per qualchì tempu hà sperimentatu una tecnica diversa - acceleratori di plasma, accelerazione di particelle cariche cum'è elettroni, positroni è ioni chì utilizanu un campu elettricu cumminatu cù una onda generata in un plasma elettronicu. Ultimamente aghju travagliatu nantu à a so nova versione. A squadra AWAKE in CERN usa protoni (micca elettroni) per creà una onda di plasma. Passà à i protoni pò piglià particelle à livelli di energia più altu in un unicu passu di accelerazione. Altre forme di l'accelerazione di u campu di svegliu di plasma necessitanu parechji passi per ghjunghje à u listessu livellu di energia. I scientisti credi chì a so tecnulugia basata in protoni puderia permette di custruisce acceleratori più chjuchi, più economici è più putenti in u futuru.

5. Acceleratore miniatura in dui fasi da DESY - visualizazione

À u turnu, i scientisti di DESY (abbreviazione di Deutsches Elektronen-Synchrotron - Synchrotron elettronicu tedescu) hà stabilitu un novu record in u campu di a miniaturizazione di l'acceleratori di particelle in u lugliu. L'acceleratore di terahertz hà più di duppiatu l'energia di l'elettroni injected (5). À u listessu tempu, a stallazione hà migliuratu significativamente a qualità di u fasciu di l'elettroni cumparatu cù esperimenti precedenti cù sta tecnica.

Franz Kärtner, capu di l'ottica ultrarapida è u gruppu di raghji X in DESY, hà spiegatu in un comunicatu di stampa. -

U dispusitivu assuciatu hà pruduttu un campu di accelerazione cù una intensità massima di 200 milioni di volti per metru (MV / m) - simile à l'acceleratore cunvinziunali mudernu più putente.

À u turnu, un novu detector relativamente chjucu ALPHA-g (6), custruita da a cumpagnia canadiana TRIUMF è spedita à u CERN prima di questu annu, hà u compitu di misura l'accelerazione gravitazionale di l'antimateria. L'antimateria accelera in presenza di un campu gravitazionale nantu à a superficia di a Terra di +9,8 m/s2 (in basso), di -9,8 m/s2 (up), di 0 m/s2 (nessuna accelerazione gravitazionale) altru valore ? Quest'ultima pussibilità rivoluzionaria a fisica. Un picculu apparatu ALPHA-g pò, in più di pruvucà l'esistenza di "anti-gravità", ci porta à una strada chì porta à i più grandi misteri di l'universu.

À una scala ancu più chjuca, circhemu di studià fenomeni di un livellu ancu più bassu. Sopra 60 miliardi di rivoluzioni per seconda pò esse cuncepitu da i scientisti di l'Università Purdue è l'università cinese. Sicondu l'autori di l'esperimentu in un articulu publicatu uni pochi mesi fà in Lettere di Revisione Fìsica, una creazione cusì rotante rapidamente li permetterà di capisce megliu. sicreti .

L'ughjettu, chì hè in a stessa rotazione estrema, hè una nanoparticella di circa 170 nanometri di larghezza è 320 nanometri di longu, chì i scientisti sintetizzati da a silice. A squadra di ricerca hà levitatu un oggettu in un vacuum cù un laser, chì poi pulsava à una velocità tremenda. U prossimu passu serà di fà esperimenti cù velocità di rotazione ancu più altu, chì permettenu una ricerca precisa di e teorie fisiche basiche, cumprese forme esotiche di attritu in u vacuum. Comu pudete vede, ùn avete micca bisognu di custruisce chilometri di tubi è detectors giganti per affruntà i misteri fundamentali.

In u 2009, i scientisti anu sappiutu di creà un tipu speciale di pirtusu neru in u laboratoriu chì assorbe u sonu. Da tandu questi un sonu  s'hè dimustratu utile cum'è analogu di laboratoriu di l'ughjettu chì assorbe a luce. In un articulu publicatu in a rivista Nature stu lugliu, i circadori di l'Istitutu di Tecnulugia di Technion Israele descrizanu cumu anu creatu un pirtusu neru sonicu è misuranu a so temperatura di radiazione Hawking. Queste misure eranu in linea cù a temperatura prevista da Hawking. Cusì, pare chì ùn hè micca necessariu di fà una spidizioni à un pirtusu neru per scopre.

Quale sà s'ellu si nasconde in questi prughjetti scientifichi apparentemente menu efficaci, in sforzi di laboratori scrupolosi è esperimenti ripetuti per pruvà e teorie chjuche è frammentate, sò e risposte à e dumande maiò. A storia di a scienza insegna chì questu pò accade.