Ayo lakukan hal kita dan mungkin akan ada revolusi

Penemuan hebat, teori berani, terobosan ilmiah. Media penuh dengan formulasi seperti itu, biasanya dilebih-lebihkan. Di suatu tempat dalam bayang-bayang "fisika hebat", LHC, pertanyaan kosmologis fundamental, dan perjuangan melawan Model Standar, para peneliti pekerja keras diam-diam melakukan pekerjaan mereka, memikirkan aplikasi praktis dan memperluas pengetahuan kita selangkah demi selangkah.

"Let's do our own thing" tentu bisa menjadi slogan para ilmuwan yang terlibat dalam pengembangan fusi termonuklir. Karena, terlepas dari jawaban-jawaban besar atas pertanyaan-pertanyaan besar, solusi dari masalah-masalah praktis yang tampaknya tidak penting yang terkait dengan proses ini, mampu merevolusi dunia.

Mungkin, misalnya, dimungkinkan untuk melakukan fusi nuklir skala kecil - dengan peralatan yang muat di atas meja. Para ilmuwan di University of Washington membangun perangkat itu tahun lalu Z-cubit (1), yang mampu mempertahankan reaksi fusi dalam 5 mikrodetik, meskipun informasi utama yang mengesankan adalah miniaturisasi reaktor, yang panjangnya hanya 1,5 m. Z-pinch bekerja dengan menjebak dan mengompresi plasma dalam medan magnet yang kuat.

Tidak terlalu efektif, tetapi berpotensi sangat penting Upaya untuk . Menurut penelitian Departemen Energi AS (DOE), yang diterbitkan pada Oktober 2018 di jurnal Physics of Plasmas, reaktor fusi memiliki kemampuan untuk mengontrol osilasi plasma. Gelombang ini mendorong partikel berenergi tinggi keluar dari zona reaksi, membawa serta sebagian energi yang dibutuhkan untuk reaksi fusi. Sebuah studi DOE baru menjelaskan simulasi komputer canggih yang dapat melacak dan memprediksi pembentukan gelombang, memberikan fisikawan kemampuan untuk mencegah proses dan menjaga partikel di bawah kendali. Para ilmuwan berharap pekerjaan mereka akan membantu dalam konstruksi ITU, mungkin proyek reaktor fusi eksperimental paling terkenal di Prancis.

Juga prestasi seperti suhu plasma 100 juta derajat Celcius, diperoleh pada akhir tahun lalu oleh tim ilmuwan di Institut Fisika Plasma China di Eksperimental Superkonduktor Tokamak (EAST), adalah contoh kemajuan langkah demi langkah menuju fusi yang efisien. Menurut para ahli yang mengomentari penelitian ini, ini mungkin menjadi kunci penting dalam proyek ITER yang disebutkan di atas, di mana China berpartisipasi bersama dengan 35 negara lainnya.

Superkonduktor dan elektronik

Area lain dengan potensi besar, di mana langkah-langkah kecil dan telaten diambil alih-alih terobosan besar, adalah pencarian superkonduktor suhu tinggi. (2). Sayangnya, ada banyak alarm palsu dan kekhawatiran prematur. Biasanya laporan media yang hangat ternyata dibesar-besarkan atau tidak benar. Bahkan dalam laporan yang lebih serius selalu ada "tetapi". Seperti dalam laporan baru-baru ini, para ilmuwan di University of Chicago telah menemukan superkonduktivitas, kemampuan untuk menghantarkan listrik tanpa kehilangan pada suhu tertinggi yang pernah tercatat. Menggunakan teknologi mutakhir di Argonne National Laboratory, tim ilmuwan lokal mempelajari kelas bahan di mana mereka mengamati superkonduktivitas pada suhu sekitar -23°C. Ini adalah lompatan sekitar 50 derajat dari rekor yang dikonfirmasi sebelumnya.

2. Superkonduktor dalam medan magnet

Namun, tangkapannya adalah Anda harus menerapkan banyak tekanan. Bahan yang diuji adalah hidrida. Untuk beberapa waktu, lantanum perhidrida telah menjadi perhatian khusus. Dalam percobaan, ditemukan bahwa sampel yang sangat tipis dari bahan ini menunjukkan superkonduktivitas di bawah aksi tekanan dalam kisaran 150 hingga 170 gigapascal. Hasilnya diterbitkan pada bulan Mei di jurnal Nature, yang ditulis bersama oleh Prof. Vitaly Prokopenko dan Eran Greenberg.

Untuk memikirkan aplikasi praktis dari bahan-bahan ini, Anda harus menurunkan tekanan dan juga suhu, karena bahkan hingga -23 ° C tidak terlalu praktis. Mengerjakannya adalah tipikal fisika langkah kecil, berlangsung selama bertahun-tahun di laboratorium di seluruh dunia.

Hal yang sama berlaku untuk penelitian terapan. fenomena magnetik dalam elektronika. Baru-baru ini, dengan menggunakan probe magnetik yang sangat sensitif, tim ilmuwan internasional telah menemukan bukti mengejutkan bahwa magnetisme yang terjadi pada antarmuka lapisan tipis oksida non-magnetik dapat dengan mudah dikontrol dengan menerapkan gaya mekanis kecil. Penemuan tersebut, yang diumumkan Desember lalu di Nature Physics, menunjukkan cara baru dan tak terduga untuk mengontrol magnetisme, secara teoritis memungkinkan untuk berpikir tentang memori magnetik yang lebih padat dan spintronics, misalnya.

Penemuan ini menciptakan peluang baru untuk miniaturisasi sel memori magnetik, yang saat ini telah memiliki ukuran beberapa puluh nanometer, tetapi miniaturisasi lebih lanjut mereka menggunakan teknologi yang dikenal sulit. Antarmuka oksida menggabungkan sejumlah fenomena fisik yang menarik seperti konduktivitas dua dimensi dan superkonduktivitas. Kontrol arus melalui magnet adalah bidang yang sangat menjanjikan dalam elektronik. Menemukan bahan dengan properti yang tepat, namun terjangkau dan murah, akan memungkinkan kita untuk serius mengembangkannya spintronik.

melelahkan juga kontrol limbah panas dalam elektronik. Insinyur UC Berkeley baru-baru ini mengembangkan bahan film tipis (ketebalan film 50-100 nanometer) yang dapat digunakan untuk memulihkan panas limbah guna menghasilkan daya pada tingkat yang belum pernah terlihat sebelumnya dalam jenis teknologi ini. Ini menggunakan proses yang disebut konversi daya piroelektrik, yang menurut penelitian teknik baru sangat cocok untuk digunakan dalam sumber panas di bawah 100 °C. Ini hanyalah salah satu contoh terbaru dari penelitian di bidang ini. Ada ratusan bahkan ribuan program penelitian di seluruh dunia terkait manajemen energi di bidang elektronika.

"Aku tidak tahu kenapa, tapi itu berhasil"

Bereksperimen dengan bahan baru, transisi fase dan fenomena topologi adalah bidang penelitian yang sangat menjanjikan, tidak terlalu efisien, sulit dan jarang menarik bagi media. Ini adalah salah satu penelitian yang paling sering dikutip di bidang fisika, meskipun menerima banyak publisitas di media, yang disebut. mainstream mereka biasanya tidak menang.

Eksperimen dengan transformasi fasa dalam bahan terkadang membawa hasil yang tidak terduga, misalnya peleburan logam dengan titik leleh tinggi suhu kamar. Contohnya adalah pencapaian baru-baru ini dalam peleburan sampel emas, yang biasanya meleleh pada 1064°C pada suhu kamar, menggunakan medan listrik dan mikroskop elektron. Perubahan ini dapat dibalik karena mematikan medan listrik dapat memadatkan emas kembali. Dengan demikian, medan listrik telah bergabung dengan faktor-faktor yang diketahui mempengaruhi transformasi fasa, selain suhu dan tekanan.

Perubahan fase juga diamati selama intens pulsa sinar laser. Hasil studi fenomena ini dipublikasikan pada musim panas 2019 di jurnal Nature Physics. Tim internasional untuk mencapai hal tersebut dipimpin oleh Nuh Gedik (3), profesor fisika di Massachusetts Institute of Technology. Para ilmuwan menemukan bahwa selama peleburan yang diinduksi secara optik, transisi fase terjadi melalui pembentukan singularitas dalam material, yang dikenal sebagai cacat topologi, yang pada gilirannya mempengaruhi dinamika elektron dan kisi yang dihasilkan dalam material. Cacat topologi ini, seperti yang dijelaskan Gedik dalam publikasinya, dianalogikan dengan vortisitas kecil yang terjadi pada cairan seperti air.

Untuk penelitian mereka, para ilmuwan menggunakan senyawa lantanum dan telurium LaTe.₃. Para peneliti menjelaskan bahwa langkah selanjutnya adalah mencoba menentukan bagaimana mereka dapat "menghasilkan cacat ini secara terkendali." Secara potensial, ini dapat digunakan untuk penyimpanan data, di mana pulsa cahaya akan digunakan untuk menulis atau memperbaiki cacat pada sistem, yang sesuai dengan operasi data.

Dan sejak kita sampai pada pulsa laser ultracepat, penggunaannya dalam banyak eksperimen menarik dan aplikasi yang berpotensi menjanjikan dalam praktik adalah topik yang sering muncul dalam laporan ilmiah. Misalnya, kelompok Ignacio Franco, asisten profesor kimia dan fisika di Universitas Rochester, baru-baru ini menunjukkan bagaimana pulsa laser ultracepat dapat digunakan untuk mendistorsi sifat materi Oraz pembangkitan arus listrik dengan kecepatan lebih cepat daripada teknik apa pun yang kita ketahui sejauh ini. Para peneliti memperlakukan filamen kaca tipis dengan durasi sepersejuta miliar detik. Dalam sekejap mata, bahan kaca berubah menjadi sesuatu seperti logam yang menghantarkan listrik. Ini terjadi lebih cepat daripada di sistem yang dikenal tanpa adanya tegangan yang diberikan. Arah aliran dan intensitas arus dapat dikontrol dengan mengubah sifat sinar laser. Dan karena dapat dikendalikan, setiap insinyur elektronik melihat dengan penuh minat.

- Franco menjelaskan dalam publikasi di Nature Communications.

Sifat fisik dari fenomena ini tidak sepenuhnya dipahami. Franco sendiri menduga bahwa mekanisme seperti efek mencolok, yaitu, korelasi emisi atau penyerapan kuanta cahaya dengan medan listrik. Jika mungkin untuk membangun sistem elektronik yang bekerja berdasarkan fenomena ini, kita akan memiliki episode lain dari seri teknik yang disebut Kami Tidak Tahu Mengapa, Tapi Itu Berhasil.

Sensitivitas dan ukuran kecil

Giroskop adalah perangkat yang membantu kendaraan, drone, serta utilitas elektronik dan perangkat portabel bernavigasi di ruang tiga dimensi. Sekarang mereka banyak digunakan di perangkat yang kita gunakan setiap hari. Awalnya, giroskop adalah satu set roda bersarang, yang masing-masing berputar di sekitar porosnya sendiri. Saat ini, di ponsel, kami menemukan sensor mikroelektromekanis (MEMS) yang mengukur perubahan gaya yang bekerja pada dua massa identik, berosilasi dan bergerak ke arah yang berlawanan.

Giroskop MEMS memiliki keterbatasan sensitivitas yang signifikan. Jadi itu membangun giroskop optik, tanpa bagian yang bergerak, untuk tugas yang sama yang menggunakan fenomena yang disebut Efek Sagnac. Namun, sampai saat ini masih ada masalah miniaturisasi mereka. Giroskop optik kinerja tinggi terkecil yang tersedia lebih besar dari bola pingpong dan tidak cocok untuk banyak aplikasi portabel. Namun, para insinyur di Universitas Teknologi Caltech, yang dipimpin oleh Ali Hadjimiri, telah mengembangkan giroskop optik baru yang lima ratus kali lebih sedikitapa yang diketahui sejauh ini4). Dia meningkatkan kepekaannya melalui penggunaan teknik baru yang disebut "penguatan timbal balik» Antara dua berkas cahaya yang digunakan dalam interferometer Sagnac yang khas. Perangkat baru ini dijelaskan dalam sebuah artikel yang diterbitkan di Nature Photonics November lalu.

4. Giroskop optik yang dikembangkan oleh Ali Hadjimiri dan rekan-rekannya. 

Pengembangan giroskop optik yang akurat dapat sangat meningkatkan orientasi ponsel cerdas. Pada gilirannya, itu dibangun oleh para ilmuwan dari Columbia Engineering. lensa datar pertama mampu memfokuskan berbagai warna dengan benar pada titik yang sama tanpa memerlukan elemen tambahan dapat memengaruhi kemampuan fotografi peralatan bergerak. Lensa datar mikron-tipis revolusioner secara signifikan lebih tipis dari selembar kertas dan memberikan kinerja yang sebanding dengan lensa komposit premium. Temuan kelompok tersebut, dipimpin oleh Nanfang Yu, asisten profesor fisika terapan, dipresentasikan dalam sebuah penelitian yang diterbitkan dalam jurnal Nature.

Para ilmuwan telah membangun lensa datar dari "metaatom". Setiap metaatom adalah sebagian kecil dari panjang gelombang cahaya dalam ukuran dan menunda gelombang cahaya dengan jumlah yang berbeda. Dengan membangun lapisan struktur nano yang sangat tipis pada substrat setebal rambut manusia, para ilmuwan mampu mencapai fungsi yang sama seperti sistem lensa konvensional yang jauh lebih tebal dan lebih berat. Metalenses dapat menggantikan sistem lensa besar dengan cara yang sama seperti TV layar datar menggantikan TV CRT.

Mengapa tabrakan besar ketika ada cara lain

Fisika langkah-langkah kecil juga dapat memiliki arti dan makna yang berbeda-beda. Misalnya - daripada membangun struktur tipe yang sangat besar dan menuntut yang lebih besar, seperti yang dilakukan banyak fisikawan, orang dapat mencoba menemukan jawaban atas pertanyaan besar dengan alat yang lebih sederhana.

Kebanyakan akselerator mempercepat berkas partikel dengan menciptakan medan listrik dan magnet. Namun, untuk beberapa waktu dia bereksperimen dengan teknik lain - akselerator plasma, percepatan partikel bermuatan seperti elektron, positron dan ion menggunakan medan listrik yang dikombinasikan dengan gelombang yang dihasilkan dalam plasma elektron. Akhir-akhir ini saya sedang mengerjakan versi baru mereka. Tim AWAK di CERN menggunakan proton (bukan elektron) untuk membuat gelombang plasma. Beralih ke proton dapat membawa partikel ke tingkat energi yang lebih tinggi dalam satu langkah percepatan. Bentuk lain dari percepatan medan kebangkitan plasma memerlukan beberapa langkah untuk mencapai tingkat energi yang sama. Para ilmuwan percaya teknologi berbasis proton mereka dapat memungkinkan kita untuk membangun akselerator yang lebih kecil, lebih murah, dan lebih kuat di masa depan.

5. Akselerator miniatur dua tahap dari DESY - visualisasi

Pada gilirannya, para ilmuwan dari DESY (singkatan dari Deutsches Elektronen-Synchrotron - sinkrotron elektronik Jerman) membuat rekor baru di bidang miniaturisasi akselerator partikel pada bulan Juli. Akselerator terahertz lebih dari dua kali lipat energi elektron yang disuntikkan (5). Pada saat yang sama, pengaturan secara signifikan meningkatkan kualitas berkas elektron dibandingkan dengan eksperimen sebelumnya dengan teknik ini.

- jelas Franz Kärtner, yang mengepalai grup Ultrafast Optics dan X-ray di DESY, dalam siaran persnya. –

Perangkat terkait menghasilkan medan percepatan dengan intensitas maksimum 200 juta volt per meter (MV/m) - mirip dengan akselerator konvensional modern yang paling kuat.

Pada gilirannya, detektor baru yang relatif kecil ALPHA-g (6), dibangun oleh perusahaan Kanada TRIUMF dan dikirim ke CERN awal tahun ini, memiliki tugas mengukur percepatan gravitasi antimateri. Apakah antimateri berakselerasi dengan adanya medan gravitasi di permukaan bumi sebesar +9,8 m/s2 (turun), sebesar -9,8 m/s2 (naik), sebesar 0 m/s2 (tidak ada percepatan gravitasi sama sekali), atau memiliki nilai lain? Kemungkinan terakhir akan merevolusi fisika. Sebuah peralatan ALPHA-g kecil dapat, selain membuktikan keberadaan "anti-gravitasi", membawa kita ke jalan yang mengarah ke misteri terbesar alam semesta.

Pada skala yang lebih kecil, kami mencoba mempelajari fenomena dari tingkat yang lebih rendah. Di atas 60 miliar putaran per detik itu dapat dirancang oleh para ilmuwan dari Universitas Purdue dan universitas Cina. Menurut penulis percobaan dalam sebuah artikel yang diterbitkan beberapa bulan lalu di Physical Review Letters, kreasi yang berputar dengan cepat akan memungkinkan mereka untuk lebih memahami Rahasia .

Objek, yang berada dalam rotasi ekstrim yang sama, adalah partikel nano dengan lebar sekitar 170 nanometer dan panjang 320 nanometer, yang disintesis para ilmuwan dari silika. Tim peneliti melayangkan sebuah objek dalam ruang hampa menggunakan laser, yang kemudian berdenyut dengan kecepatan yang luar biasa. Langkah selanjutnya adalah melakukan eksperimen dengan kecepatan rotasi yang lebih tinggi, yang akan memungkinkan penelitian yang akurat tentang teori fisika dasar, termasuk bentuk gesekan eksotis dalam ruang hampa. Seperti yang Anda lihat, Anda tidak perlu membangun beberapa kilometer pipa dan detektor raksasa untuk menghadapi misteri mendasar.

Pada tahun 2009, para ilmuwan berhasil membuat jenis lubang hitam khusus di laboratorium yang menyerap suara. Sejak itu suara  terbukti berguna sebagai analog laboratorium dari objek penyerap cahaya. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Nature Juli ini, para peneliti di Technion Israel Institute of Technology menjelaskan bagaimana mereka menciptakan lubang hitam sonik dan mengukur suhu radiasi Hawking-nya. Pengukuran ini sejalan dengan suhu yang diprediksi oleh Hawking. Dengan demikian, tampaknya tidak perlu melakukan ekspedisi ke lubang hitam untuk menjelajahinya.

Siapa yang tahu jika tersembunyi dalam proyek-proyek ilmiah yang tampaknya kurang efisien ini, dalam upaya laboratorium yang melelahkan dan eksperimen berulang untuk menguji teori-teori kecil yang terfragmentasi, adalah jawaban atas pertanyaan terbesar. Sejarah sains mengajarkan bahwa ini bisa terjadi.