Fagamos o noso e quizais haxa unha revolución

Grandes descubrimentos, teorías audaces, avances científicos. Os medios están cheos de formulacións deste tipo, xeralmente esaxeradas. Nalgún lugar á sombra da "gran física", o LHC, as cuestións cosmolóxicas fundamentais e a loita contra o Modelo Estándar, os investigadores traballados están a facer o seu traballo en silencio, pensando en aplicacións prácticas e ampliando o campo do noso coñecemento paso a paso.

"Fagamos o noso" pode ser certamente o slogan dos científicos implicados no desenvolvemento da fusión termonuclear. Pois, a pesar das grandes respostas ás grandes preguntas, a solución de problemas prácticos, aparentemente insignificantes, asociados a este proceso, é capaz de revolucionar o mundo.

Quizais, por exemplo, sexa posible facer fusión nuclear a pequena escala, cun equipamento que cabe nunha mesa. Científicos da Universidade de Washington construíron o dispositivo o ano pasado Pinza Z (1), que é capaz de manter unha reacción de fusión en 5 microsegundos, aínda que a principal información impresionante foi a miniaturización do reactor, que ten só 1,5 m de lonxitude. O pinch Z funciona atrapando e comprimindo o plasma nun potente campo magnético.

Non moi eficaz, pero potencialmente extremadamente importante esforzos para . Segundo unha investigación do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos (DOE), publicada en outubro de 2018 na revista Physics of Plasmas, os reactores de fusión teñen a capacidade de controlar a oscilación do plasma. Estas ondas empuxan partículas de alta enerxía fóra da zona de reacción, levando consigo parte da enerxía necesaria para a reacción de fusión. Un novo estudo do DOE describe sofisticadas simulacións informáticas que poden rastrexar e predecir a formación de ondas, dando aos físicos a capacidade de previr o proceso e manter as partículas baixo control. Os científicos esperan que o seu traballo axude na construción ITER, quizais o proxecto de reactor de fusión experimental máis famoso de Francia.

Tamén logros como temperatura do plasma 100 millóns de graos centígrados, obtido a finais do ano pasado por un equipo de científicos do Instituto de Física do Plasma de China no Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), é un exemplo dun progreso paso a paso cara a unha fusión eficiente. Segundo os expertos que comentan o estudo, pode ter unha importancia fundamental no citado proxecto ITER, no que participa China xunto con outros 35 países.

Supercondutores e electrónica

Outra área con gran potencial, onde se están dando pasos bastante pequenos e minuciosos en lugar de grandes avances, é a busca de supercondutores de alta temperatura. (2). Desafortunadamente, hai moitas falsas alarmas e preocupacións prematuras. Normalmente, os informes entusiastas dos medios resultan esaxeracións ou simplemente falsos. Mesmo nos informes máis serios sempre hai un "pero". Como nun informe recente, científicos da Universidade de Chicago descubriron a supercondutividade, a capacidade de conducir electricidade sen perda ás temperaturas máis altas xamais rexistradas. Usando tecnoloxía de punta no Laboratorio Nacional de Argonne, un equipo de científicos locais estudou unha clase de materiais nos que observaron a supercondutividade a temperaturas arredor dos -23 °C. Trátase dun salto duns 50 graos respecto ao rexistro anterior confirmado.

2. Supercondutor nun campo magnético

O problema, con todo, é que hai que aplicar moita presión. Os materiais que se probaron foron hidruros. Durante algún tempo, o perhídrido de lantano foi de especial interese. Nos experimentos, descubriuse que mostras extremadamente finas deste material presentan supercondutividade baixo a acción de presións no rango de 150 a 170 gigapascais. Os resultados foron publicados en maio na revista Nature, da co-autoría do Prof. Vitaly Prokopenko e Eran Greenberg.

Para pensar na aplicación práctica destes materiais, terás que baixar a presión e tamén a temperatura, porque ata -23 °C non é moi práctico. O seu traballo é a típica física de pequenos pasos, que se desenvolve durante anos en laboratorios de todo o mundo.

O mesmo se aplica á investigación aplicada. Fenómenos magnéticos en electrónica. Máis recentemente, utilizando sondas magnéticas moi sensibles, un equipo internacional de científicos atopou probas sorprendentes de que o magnetismo que se produce na interface de capas delgadas de óxido non magnético pode controlarse facilmente aplicando pequenas forzas mecánicas. O descubrimento, anunciado o pasado mes de decembro en Nature Physics, mostra unha forma nova e inesperada de controlar o magnetismo, que teoricamente permite pensar nunha memoria magnética máis densa e na espintrónica, por exemplo.

Este descubrimento crea unha nova oportunidade para a miniaturización das células de memoria magnética, que hoxe en día xa teñen un tamaño de varias decenas de nanómetros, pero a súa posterior miniaturización mediante tecnoloxías coñecidas é difícil. As interfaces de óxido combinan unha serie de fenómenos físicos interesantes como a condutividade bidimensional e a supercondutividade. O control da corrente mediante magnetismo é un campo moi prometedor en electrónica. Atopar materiais coas propiedades correctas, aínda que asequibles e baratos, permitiríanos tomar en serio o desenvolvemento espintrónico.

tamén é cansativo control de calor residual en electrónica. Os enxeñeiros da UC Berkeley desenvolveron recentemente un material de película delgada (espesor de película de 50 a 100 nanómetros) que se pode utilizar para recuperar a calor residual para xerar enerxía a niveis nunca antes vistos neste tipo de tecnoloxía. Usa un proceso chamado conversión de enerxía piroeléctrica, que a nova investigación de enxeñería mostra que é moi axeitado para o seu uso en fontes de calor por debaixo dos 100 °C. Este é só un dos últimos exemplos de investigación nesta área. Existen centos ou mesmo miles de programas de investigación en todo o mundo relacionados coa xestión da enerxía en electrónica.

"Non sei por que, pero funciona"

Experimentar con novos materiais, as súas transicións de fase e fenómenos topolóxicos é unha área de investigación moi prometedora, pouco eficiente, difícil e raramente atractiva para os medios. Este é un dos estudos máis citados no campo da física, aínda que tivo moita publicidade nos medios de comunicación, os denominados. mainstream normalmente non gañan.

Os experimentos con transformacións de fase en materiais ás veces dan resultados inesperados, por exemplo fundición de metal con altos puntos de fusión temperatura ambiente. Un exemplo é o recente logro da fusión de mostras de ouro, que normalmente se funden a 1064 °C a temperatura ambiente, utilizando un campo eléctrico e un microscopio electrónico. Este cambio foi reversible porque apagar o campo eléctrico podería solidificar o ouro de novo. Así, o campo eléctrico uniuse aos factores coñecidos que inflúen nas transformacións de fase, ademais da temperatura e a presión.

Tamén se observaron cambios de fase durante intensos pulsos de luz láser. Os resultados do estudo deste fenómeno foron publicados no verán de 2019 na revista Nature Physics. O equipo internacional para conseguilo estivo dirixido por Nuh Gedik (3), profesor de física no Instituto Tecnolóxico de Massachusetts. Os científicos descubriron que durante a fusión inducida ópticamente, a transición de fase ocorre mediante a formación de singularidades no material, coñecidas como defectos topolóxicos, que á súa vez afectan á dinámica de electróns e reticular resultante no material. Estes defectos topolóxicos, como explicou Gedik na súa publicación, son análogos aos pequenos vórtices que se producen en líquidos como a auga.

Para a súa investigación, os científicos utilizaron un composto de lantano e telurio LaTe.₃. Os investigadores explican que o seguinte paso será tratar de determinar como poden "xerar estes defectos de forma controlada". Potencialmente, isto podería usarse para o almacenamento de datos, onde se utilizarían pulsos de luz para escribir ou reparar defectos no sistema, que corresponderían a operacións de datos.

E xa que chegamos aos pulsos láser ultrarrápidos, o seu uso en moitos experimentos interesantes e aplicacións potencialmente prometedoras na práctica é un tema que adoita aparecer nos informes científicos. Por exemplo, o grupo de Ignacio Franco, profesor asistente de química e física da Universidade de Rochester, mostrou recentemente como se poden utilizar pulsos láser ultrarrápidos para propiedades distorsionantes da materia Oraz xeración de corrente eléctrica a unha velocidade máis rápida que calquera técnica coñecida ata agora. Os investigadores trataron finos filamentos de vidro cunha duración dunha millonésima de milmillonésima parte de segundo. Nun abrir e pechar de ollos, o material vítreo converteuse en algo así como un metal que conduce a electricidade. Isto ocorreu máis rápido que en calquera sistema coñecido en ausencia dunha tensión aplicada. A dirección do fluxo e a intensidade da corrente pódense controlar cambiando as propiedades do feixe láser. E como se pode controlar, todo enxeñeiro electrónico mira con interese.

Explicou Franco nunha publicación en Nature Communications.

A natureza física destes fenómenos non se entende completamente. O propio Franco sospeita que mecanismos como efecto crudo, é dicir, a correlación da emisión ou absorción de cantos luminosos cun campo eléctrico. Se fose posible construír sistemas electrónicos que funcionen a partir destes fenómenos, teríamos outro episodio da serie de enxeñería chamado We Don't Know Why, But It Works.

Sensibilidade e pequeno tamaño

Xiroscopios son dispositivos que axudan a vehículos, drons, así como utilidades electrónicas e dispositivos portátiles a navegar no espazo tridimensional. Agora son moi utilizados nos dispositivos que usamos todos os días. Inicialmente, os xiróscopos eran un conxunto de rodas aniñadas, cada unha das cales xiraba arredor do seu propio eixe. Hoxe, nos teléfonos móbiles, atopamos sensores microelectromecánicos (MEMS) que miden os cambios de forzas que actúan sobre dúas masas idénticas, oscilando e movéndose en sentido contrario.

Os xiróscopos MEMS teñen limitacións de sensibilidade significativas. Así que está construíndo xiroscopios ópticos, sen partes móbiles, para as mesmas tarefas que empregan un fenómeno chamado Efecto Sagnac. Porén, ata agora había un problema de miniaturización. Os xiroscopios ópticos de alto rendemento máis pequenos dispoñibles son máis grandes que unha pelota de ping pong e non son axeitados para moitas aplicacións portátiles. Non obstante, enxeñeiros da Universidade Tecnolóxica de Caltech, dirixidos por Ali Hadjimiri, desenvolveron un novo xiroscopio óptico que cincocentas veces menoso que se sabe ata agora4). Mellora a súa sensibilidade mediante o uso dunha nova técnica chamada "reforzo mutuo» Entre dous feixes de luz que se utilizan nun interferómetro típico de Sagnac. O novo dispositivo foi descrito nun artigo publicado en Nature Photonics o pasado novembro.

4. Xiroscopio óptico desenvolvido por Ali Hadjimiri e os seus colegas. 

O desenvolvemento dun xiroscopio óptico preciso pode mellorar moito a orientación dos teléfonos intelixentes. Á súa vez, foi construído por científicos de Columbia Engineering. primeira lente plana capaz de enfocar correctamente unha ampla gama de cores no mesmo punto sen necesidade de elementos adicionais pode afectar as capacidades fotográficas dos equipos móbiles. A revolucionaria lente plana de micras finas é significativamente máis delgada que unha folla de papel e ofrece un rendemento comparable ás lentes compostas premium. Os descubrimentos do grupo, dirixido por Nanfang Yu, profesor asistente de física aplicada, preséntanse nun estudo publicado na revista Nature.

Os científicos construíron lentes planas a partir de "metaátomos". Cada metaátomo é unha fracción dunha lonxitude de onda de luz en tamaño e atrasa as ondas luminosas nunha cantidade diferente. Ao construír unha capa plana moi delgada de nanoestruturas sobre un substrato tan groso como un cabelo humano, os científicos puideron conseguir a mesma funcionalidade que un sistema de lentes convencional moito máis groso e pesado. Os metalenses poden substituír os voluminosos sistemas de lentes do mesmo xeito que os televisores de pantalla plana substituíron aos televisores CRT.

Por que un gran colisionador cando hai outras formas

A física dos pequenos pasos tamén pode ter diferentes significados e significados. Por exemplo - en lugar de construír estruturas de tipo monstruosamente grandes e esixir outras aínda máis grandes, como fan moitos físicos, pódese tentar atopar respostas a grandes preguntas con ferramentas máis modestas.

A maioría dos aceleradores aceleran os feixes de partículas xerando campos eléctricos e magnéticos. Non obstante, durante algún tempo experimentou cunha técnica diferente: aceleradores de plasma, aceleración de partículas cargadas como electróns, positróns e ións mediante un campo eléctrico combinado cunha onda xerada nun plasma de electróns. Ultimamente estiven traballando na súa nova versión. O equipo AWAKE do CERN utiliza protóns (non electróns) para crear unha onda de plasma. Cambiar aos protóns pode levar as partículas a niveis máis elevados de enerxía nun só paso de aceleración. Outras formas de aceleración do campo de espertar de plasma requiren varios pasos para alcanzar o mesmo nivel de enerxía. Os científicos cren que a súa tecnoloxía baseada en protóns podería permitirnos construír aceleradores máis pequenos, máis baratos e máis potentes no futuro.

5. Acelerador en miniatura de dúas etapas de DESY - visualización

Pola súa banda, os científicos de DESY (abreviatura de Deutsches Elektronen-Synchrotron - sincrotrón electrónico alemán) estableceron en xullo un novo récord no campo da miniaturización dos aceleradores de partículas. O acelerador de terahercios duplicou a enerxía dos electróns inxectados (5). Ao mesmo tempo, a configuración mellorou significativamente a calidade do feixe de electróns en comparación con experimentos anteriores con esta técnica.

Franz Kärtner, xefe do grupo de óptica ultrarrápida e raios X de DESY, explicou nun comunicado de prensa. -

O dispositivo asociado produciu un campo de aceleración cunha intensidade máxima de 200 millóns de voltios por metro (MV/m), semellante ao acelerador convencional moderno máis potente.

Á súa vez, un detector novo, relativamente pequeno ALFA-g (6), construído pola empresa canadense TRIUMF e enviado ao CERN a principios deste ano, ten a tarefa de medir a aceleración gravitatoria da antimateria. A antimateria acelera en presenza dun campo gravitatorio na superficie terrestre en +9,8 m/s2 (abaixo), en -9,8 m/s2 (arriba), en 0 m/s2 (sen aceleración gravitatoria en absoluto) ou ten algunha outro valor? Esta última posibilidade revolucionaría a física. Un pequeno aparello ALPHA-g pode, ademais de demostrar a existencia da “antigravidade”, levarnos por un camiño que conduce aos maiores misterios do universo.

Nunha escala aínda menor, estamos tentando estudar fenómenos de nivel aínda inferior. Arriba 60 mil millóns de revolucións por segundo pode ser deseñado por científicos da Universidade de Purdue e universidades chinesas. Segundo os autores do experimento nun artigo publicado hai uns meses en Physical Review Letters, unha creación tan rápida que rota permitiralles comprender mellor segredos .

O obxecto, que está na mesma rotación extrema, é unha nanopartícula duns 170 nanómetros de ancho e 320 nanómetros de longo, que os científicos sintetizaron a partir de sílice. O equipo de investigación levitou un obxecto no baleiro mediante un láser, que despois o pulsou a unha velocidade tremenda. O seguinte paso será realizar experimentos con velocidades de rotación aínda máis altas, o que permitirá unha investigación precisa das teorías físicas básicas, incluídas as formas exóticas de fricción no baleiro. Como podes ver, non necesitas construír quilómetros de tubos e detectores xigantes para enfrontarte a misterios fundamentais.

En 2009, os científicos lograron crear un tipo especial de buraco negro no laboratorio que absorbe o son. Dende entón estes opinión  demostrou ser útil como análogos de laboratorio dun obxecto que absorbe a luz. Nun artigo publicado na revista Nature este xullo, os investigadores do Technion Israel Institute of Technology describen como crearon un buraco negro sónico e mediron a súa temperatura de radiación Hawking. Estas medicións estaban en consonancia coa temperatura prevista por Hawking. Así, parece que non é necesario facer unha expedición a un buraco negro para exploralo.

Quen sabe se agochadas nestes proxectos científicos aparentemente menos eficientes, en minuciosos esforzos de laboratorio e experimentos repetidos para probar teorías pequenas e fragmentadas, están as respostas ás preguntas máis grandes. A historia da ciencia ensina que isto pode ocorrer.