Fem el nostre i potser hi haurà una revolució

Grans descobriments, teories atrevides, avenços científics. Els mitjans de comunicació estan plens d'aquestes formulacions, generalment exagerades. En algun lloc a l'ombra de la "gran física", l'LHC, les qüestions cosmològiques fonamentals i la lluita contra el Model Estàndard, els investigadors treballadors fan la seva feina en silenci, pensant en aplicacions pràctiques i ampliant el camp del nostre coneixement pas a pas.

"Fem el nostre" pot ser sens dubte l'eslògan dels científics implicats en el desenvolupament de la fusió termonuclear. Perquè, malgrat les grans respostes a les grans preguntes, la solució de problemes pràctics, aparentment insignificants, associats a aquest procés és capaç de revolucionar el món.

Potser, per exemple, serà possible fer una fusió nuclear a petita escala, amb equips que caben sobre una taula. Científics de la Universitat de Washington van construir el dispositiu l'any passat Pessic Z (1), que és capaç de mantenir una reacció de fusió en un termini de 5 microsegons, tot i que la principal informació impressionant va ser la miniaturització del reactor, que només fa 1,5 m de llarg.El Z-pinch funciona atrapant i comprimint el plasma en un potent camp magnètic.

No gaire efectiu, però potencialment extremadament important esforços per . Segons una investigació del Departament d'Energia dels Estats Units (DOE), publicada l'octubre de 2018 a la revista Physics of Plasmas, els reactors de fusió tenen la capacitat de controlar l'oscil·lació del plasma. Aquestes ones empenyen partícules d'alta energia fora de la zona de reacció, portant amb elles part de l'energia necessària per a la reacció de fusió. Un nou estudi del DOE descriu simulacions per ordinador sofisticades que poden fer un seguiment i predir la formació d'ones, donant als físics la capacitat de prevenir el procés i mantenir les partícules sota control. Els científics esperen que el seu treball ajudi a la construcció ITER, potser el projecte de reactor de fusió experimental més famós de França.

També èxits com ara temperatura del plasma 100 milions de graus centígrads, obtingut a finals de l'any passat per un equip de científics de l'Institut Xinès de Física del Plasma a l'Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), és un exemple d'un progrés pas a pas cap a una fusió eficient. Segons els experts que comenten l'estudi, pot tenir una importància cabdal en l'esmentat projecte ITER, en el qual participa la Xina juntament amb 35 països més.

Superconductors i electrònica

Un altre àmbit amb un gran potencial, on s'estan fent passos més aviat petits i minuciosos en comptes de grans avenços, és la recerca de superconductors d'alta temperatura. (2). Malauradament, hi ha moltes falses alarmes i preocupacions prematures. Normalment, els informes entusiastes dels mitjans resulten ser exagerats o simplement falsos. Fins i tot en els informes més seriosos sempre hi ha un "però". Com en un informe recent, científics de la Universitat de Chicago han descobert la superconductivitat, la capacitat de conduir l'electricitat sense pèrdua a les temperatures més altes mai registrades. Utilitzant tecnologia d'avantguarda al Laboratori Nacional d'Argonne, un equip de científics locals va estudiar una classe de materials en què van observar la superconductivitat a temperatures al voltant dels -23 °C. Es tracta d'un salt d'uns 50 graus respecte a l'anterior rècord confirmat.

2. Superconductor en un camp magnètic

El problema, però, és que s'ha d'aplicar molta pressió. Els materials que es van provar van ser hidrurs. Des de fa temps, el perhídrur de lantà ha estat d'especial interès. En experiments, es va trobar que mostres extremadament primes d'aquest material presenten superconductivitat sota l'acció de pressions en el rang de 150 a 170 gigapascals. Els resultats es van publicar al maig a la revista Nature, coautor del Prof. Vitaly Prokopenko i Eran Greenberg.

Per pensar en l'aplicació pràctica d'aquests materials, hauràs de baixar la pressió i també la temperatura, perquè fins i tot fins a -23 °C no és gaire pràctic. Treballar-hi és una física típica de petits passos, que es fa durant anys en laboratoris d'arreu del món.

El mateix passa amb la recerca aplicada. Fenòmens magnètics en electrònica. Més recentment, utilitzant sondes magnètiques altament sensibles, un equip internacional de científics ha trobat proves sorprenents que el magnetisme que es produeix a la interfície de capes primes d'òxid no magnètic es pot controlar fàcilment aplicant petites forces mecàniques. El descobriment, anunciat el desembre passat a Nature Physics, mostra una manera nova i inesperada de controlar el magnetisme, que teòricament permet pensar en una memòria magnètica més densa i en l'espintrònica, per exemple.

Aquest descobriment crea una nova oportunitat per a la miniaturització de cèl·lules de memòria magnètica, que avui ja tenen una mida de diverses desenes de nanòmetres, però la seva miniaturització posterior mitjançant tecnologies conegudes és difícil. Les interfícies d'òxid combinen una sèrie de fenòmens físics interessants com la conductivitat bidimensional i la superconductivitat. El control del corrent mitjançant magnetisme és un camp molt prometedor en electrònica. Trobar materials amb les propietats adequades, però assequibles i barats, ens permetria prendre seriosament el desenvolupament espintrònica.

també és cansat control de calor residual en electrònica. Els enginyers de la UC Berkeley han desenvolupat recentment un material de pel·lícula prima (gruix de pel·lícula 50-100 nanòmetres) que es pot utilitzar per recuperar la calor residual per generar energia a nivells mai vists abans en aquest tipus de tecnologia. Utilitza un procés anomenat conversió d'energia piroelèctrica, que la nova investigació d'enginyeria mostra que és adequat per al seu ús en fonts de calor per sota dels 100 °C. Aquest és només un dels últims exemples de recerca en aquesta àrea. Hi ha centenars o fins i tot milers de programes de recerca arreu del món relacionats amb la gestió de l'energia en electrònica.

"No sé per què, però funciona"

Experimentar amb nous materials, les seves transicions de fase i els fenòmens topològics és una àrea d'investigació molt prometedora, poc eficient, difícil i rarament atractiva per als mitjans. Aquest és un dels estudis més citats en el camp de la física, tot i que va rebre molta publicitat als mitjans de comunicació, els anomenats. generalment no guanyen.

Els experiments amb transformacions de fase en materials de vegades aporten resultats inesperats, per exemple fosa de metalls amb alts punts de fusió temperatura ambient. Un exemple és l'assoliment recent de la fusió de mostres d'or, que normalment es fonen a 1064 °C a temperatura ambient, utilitzant un camp elèctric i un microscopi electrònic. Aquest canvi va ser reversible perquè apagar el camp elèctric podria tornar a solidificar l'or. Així, el camp elèctric s'ha unit als factors coneguts que influeixen en les transformacions de fase, a més de la temperatura i la pressió.

També es van observar canvis de fase durant els intensos polsos de llum làser. Els resultats de l'estudi d'aquest fenomen es van publicar l'estiu del 2019 a la revista Nature Physics. L'equip internacional per aconseguir-ho va ser liderat per Nuh Gedik (3), professor de física a l'Institut Tecnològic de Massachusetts. Els científics van trobar que durant la fusió induïda òpticament, la transició de fase es produeix mitjançant la formació de singularitats en el material, conegudes com a defectes topològics, que al seu torn afecten la dinàmica d'electrons i gelosia resultant en el material. Aquests defectes topològics, com va explicar Gedik a la seva publicació, són anàlegs als vòrtexs diminuts que es produeixen en líquids com l'aigua.

Per a la seva investigació, els científics van utilitzar un compost de lantà i tel·luri LaTe.₃. Els investigadors expliquen que el següent pas serà intentar determinar com poden "generar aquests defectes de manera controlada". Potencialment, es podria utilitzar per a l'emmagatzematge de dades, on s'utilitzarien polsos de llum per escriure o reparar defectes del sistema, que correspondrien a operacions de dades.

I com que vam arribar als polsos làser ultra ràpids, el seu ús en molts experiments interessants i aplicacions potencialment prometedores a la pràctica és un tema que apareix sovint als informes científics. Per exemple, el grup d'Ignacio Franco, professor adjunt de química i física de la Universitat de Rochester, va demostrar recentment com es poden utilitzar polsos làser ultra ràpids per propietats distorsionants de la matèria Oraz generació de corrent elèctric a una velocitat més ràpida que qualsevol tècnica que ens coneixem fins ara. Els investigadors van tractar filaments de vidre prims amb una durada d'una milionèsima de mil milions de segon. En un obrir i tancar d'ulls, el material vidre es va convertir en una cosa semblant a un metall que condueix l'electricitat. Això va passar més ràpid que en qualsevol sistema conegut en absència d'una tensió aplicada. La direcció del flux i la intensitat del corrent es poden controlar canviant les propietats del raig làser. I com que es pot controlar, cada enginyer electrònic mira amb interès.

Ho explica Franco en una publicació a Nature Communications.

La naturalesa física d'aquests fenòmens no s'entén del tot. El mateix Franco sospita que mecanismes com efecte crus, és a dir, la correlació de l'emissió o absorció de quants de llum amb un camp elèctric. Si fos possible construir sistemes electrònics que funcionin a partir d'aquests fenòmens, tindríem un altre episodi de la sèrie d'enginyeria anomenat We Don't Know Why, But It Works.

Sensibilitat i mida petita

Giroscopis són dispositius que ajuden els vehicles, els drons, així com els serveis electrònics i els dispositius portàtils a navegar per l'espai tridimensional. Ara s'utilitzen àmpliament en dispositius que fem servir cada dia. Inicialment, els giroscopis eren un conjunt de rodes imbricades, cadascuna de les quals girava al voltant del seu propi eix. Avui en dia, als telèfons mòbils, trobem sensors microelectromecànics (MEMS) que mesuren els canvis de forces que actuen sobre dues masses idèntiques, oscil·lant i movent-se en sentit contrari.

Els giroscopis MEMS tenen limitacions de sensibilitat importants. Així que s'està construint giroscopis òptics, sense parts mòbils, per a les mateixes tasques que utilitzen un fenomen anomenat Efecte sagnac. Tanmateix, fins ara hi havia un problema de la seva miniaturització. Els giroscopis òptics d'alt rendiment més petits disponibles són més grans que una pilota de ping-pong i no són adequats per a moltes aplicacions portàtils. Tanmateix, els enginyers de la Universitat Tecnològica de Caltech, dirigits per Ali Hadjimiri, han desenvolupat un nou giroscopi òptic que cinc-centes vegades menysel que se sap fins ara4). Potencia la seva sensibilitat mitjançant l'ús d'una nova tècnica anomenada "reforç mutu» Entre dos feixos de llum que s'utilitzen en un interferòmetre típic de Sagnac. El nou dispositiu es va descriure en un article publicat a Nature Photonics el novembre passat.

4. Giroscopi òptic desenvolupat per Ali Hadjimiri i els seus col·legues. 

El desenvolupament d'un giroscopi òptic precís pot millorar molt l'orientació dels telèfons intel·ligents. Al seu torn, va ser construït per científics de Columbia Engineering. primera lent plana capaç d'enfocar correctament una àmplia gamma de colors en el mateix punt sense necessitat d'elements addicionals pot afectar les capacitats fotogràfiques dels equips mòbils. La revolucionària lent plana de micres prims és significativament més prima que un full de paper i ofereix un rendiment comparable a les lents compostes premium. Les troballes del grup, dirigides per Nanfang Yu, professor ajudant de física aplicada, es presenten en un estudi publicat a la revista Nature.

Els científics han construït lents planes a partir de "metaàtoms". Cada metaàtom és una fracció de la longitud d'ona de la llum i retarda les ones de llum en una quantitat diferent. En construir una capa plana molt fina de nanoestructures sobre un substrat tan gruixut com un cabell humà, els científics van poder aconseguir la mateixa funcionalitat que un sistema de lents convencionals molt més gruixut i pesat. Metalenses pot substituir els sistemes de lents voluminosos de la mateixa manera que els televisors de pantalla plana han substituït els televisors CRT.

Per què un gran col·lisionador quan hi ha altres maneres

La física dels petits passos també pot tenir diferents significats i significats. Per exemple - en lloc de construir estructures de tipus monstruosament grans i exigir-ne de més grans, com fan molts físics, es pot intentar trobar respostes a grans preguntes amb eines més modestes.

La majoria dels acceleradors acceleren els feixos de partícules generant camps elèctrics i magnètics. Tanmateix, durant un temps va experimentar amb una tècnica diferent: acceleradors de plasma, acceleració de partícules carregades com electrons, positrons i ions mitjançant un camp elèctric combinat amb una ona generada en un plasma d'electrons. Últimament he estat treballant en la seva nova versió. L'equip AWAKE del CERN utilitza protons (no electrons) per crear una ona de plasma. El canvi als protons pot portar les partícules a nivells d'energia més alts en un sol pas d'acceleració. Altres formes d'acceleració del camp de despertar del plasma requereixen diversos passos per assolir el mateix nivell d'energia. Els científics creuen que la seva tecnologia basada en protons ens podria permetre construir acceleradors més petits, més barats i més potents en el futur.

5. Accelerador en miniatura de dues etapes de DESY - visualització

Al seu torn, els científics de DESY (abreviatura de Deutsches Elektronen-Synchrotron - sincrotró electrònic alemany) van establir un nou rècord en el camp de la miniaturització dels acceleradors de partícules al juliol. L'accelerador de terahertz va duplicar l'energia dels electrons injectats (5). Al mateix temps, la configuració va millorar significativament la qualitat del feix d'electrons en comparació amb experiments anteriors amb aquesta tècnica.

Franz Kärtner, cap del grup d'òptica ultraràpida i raigs X de DESY, ho explica en un comunicat de premsa. -

El dispositiu associat va produir un camp accelerador amb una intensitat màxima de 200 milions de volts per metre (MV/m), semblant a l'accelerador convencional modern més potent.

Al seu torn, un detector nou, relativament petit ALFA-g (6), construït per l'empresa canadenca TRIUMF i enviat al CERN a principis d'any, té la tasca de mesura l'acceleració gravitatòria de l'antimatèria. L'antimatèria s'accelera en presència d'un camp gravitatori a la superfície de la Terra en +9,8 m/s2 (avall), en -9,8 m/s2 (amunt), en 0 m/s2 (no té cap acceleració gravitatòria) o té alguna? un altre valor? Aquesta última possibilitat revolucionaria la física. Un petit aparell ALPHA-g pot, a més de demostrar l'existència de l'"antigravetat", ens condueix a un camí que condueix als misteris més grans de l'univers.

A una escala encara més petita, estem intentant estudiar fenòmens d'un nivell encara inferior. A dalt 60 mil milions de revolucions per segon pot ser dissenyat per científics de la Universitat de Purdue i universitats xineses. Segons els autors de l'experiment en un article publicat fa uns mesos a Physical Review Letters, una creació tan ràpida de rotació els permetrà entendre millor misteris .

L'objecte, que es troba en la mateixa rotació extrema, és una nanopartícula d'uns 170 nanòmetres d'ample i 320 nanòmetres de llarg, que els científics van sintetitzar a partir de sílice. L'equip d'investigació va levitar un objecte al buit amb un làser, que després el va polsar a una velocitat tremenda. El següent pas serà dur a terme experiments amb velocitats de rotació encara més altes, que permetran investigar amb precisió les teories físiques bàsiques, incloses les formes exòtiques de fricció en el buit. Com podeu veure, no cal construir quilòmetres de canonades i detectors gegants per afrontar misteris fonamentals.

L'any 2009, els científics van aconseguir crear un tipus especial de forat negre al laboratori que absorbeix el so. Des de llavors aquests звук  va demostrar ser útil com a anàlegs de laboratori de l'objecte que absorbeix la llum. En un article publicat a la revista Nature aquest juliol, els investigadors del Technion Israel Institute of Technology descriuen com van crear un forat negre sonor i van mesurar la seva temperatura de radiació Hawking. Aquestes mesures estaven en línia amb la temperatura predita per Hawking. Així, sembla que no cal fer una expedició a un forat negre per explorar-lo.

Qui sap si s'amaguen en aquests projectes científics aparentment menys eficients, en minuciosos esforços de laboratori i experiments repetits per provar teories petites i fragmentades, hi ha les respostes a les preguntes més grans. La història de la ciència ensenya que això pot passar.