우리 할 일을 하면 아마도 혁명이 있을 것입니다

위대한 발견, 대담한 이론, 과학적 돌파구. 미디어는 일반적으로 과장된 그러한 공식으로 가득 차 있습니다. "위대한 물리학", LHC, 근본적인 우주론적 질문 및 표준 모델에 대한 투쟁의 그늘 어딘가에서 열심히 일하는 연구원들은 실제 적용에 대해 생각하고 단계적으로 지식을 확장하면서 묵묵히 자신의 일을 하고 있습니다.

열핵융합 개발에 참여하는 과학자들의 슬로건은 '우리 마음대로 하자'가 분명하다. 큰 질문에 대한 훌륭한 답변에도 불구하고 이 과정과 관련된 실용적이고 겉보기에 사소해 보이는 문제의 해결책은 세계를 혁명적으로 변화시킬 수 있기 때문입니다.

예를 들어 테이블에 맞는 장비로 소규모 핵융합을 수행하는 것이 가능할 것입니다. 워싱턴 대학의 과학자들은 작년에 이 장치를 만들었습니다. Z 핀치 (15m 길이에 불과한 원자로의 소형화에도 불구하고 1,5마이크로초 이내에 핵융합 반응을 유지할 수 있는 Z핀치는 강력한 자기장에 플라즈마를 가두어 압축하는 방식이다.

그다지 효과적이지는 않지만 잠재적으로 매우 중요합니다. 노력 . 2018년 XNUMX월 Physics of Plasmas 저널에 게재된 미국 에너지부(DOE)의 연구에 따르면, 융합 원자로는 플라즈마 진동을 제어할 수 있는 능력이 있습니다. 이 파동은 고에너지 입자를 반응 구역 밖으로 밀어내고 핵융합 반응에 필요한 에너지의 일부를 가져옵니다. 새로운 DOE 연구는 물리학자들에게 프로세스를 방지하고 입자를 제어할 수 있는 능력을 제공하여 파동 형성을 추적하고 예측할 수 있는 정교한 컴퓨터 시뮬레이션에 대해 설명합니다. 과학자들은 그들의 연구가 건설에 도움이 되기를 바랍니다 에테르, 아마도 프랑스에서 가장 유명한 실험적 핵융합로 프로젝트.

또한 다음과 같은 성과 플라즈마 온도 섭씨 100억도작년 말 중국 플라즈마 물리학 연구소의 과학자 팀이 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)에서 얻은 는 효율적인 핵융합을 향한 단계적 진보의 한 예입니다. 이 연구에 대해 논평하는 전문가들에 따르면, 이는 중국이 다른 35개국과 함께 참여하는 앞서 언급한 ITER 프로젝트에서 핵심적인 중요성을 가질 수 있습니다.

초전도체 및 전자공학

큰 돌파구 대신 작은 노력이 필요한 단계를 밟고 있는 잠재력이 큰 또 다른 분야는 고온 초전도체를 찾는 것입니다. (2). 불행히도 잘못된 경보와 섣부른 걱정이 많이 있습니다. 일반적으로 격찬 미디어 보도는 과장되거나 사실이 아닌 것으로 판명됩니다. 더 심각한 보고서에도 항상 "하지만"이 있습니다. 최근 보고서에서처럼 시카고 대학의 과학자들은 기록된 가장 높은 온도에서 손실 없이 전기를 전도하는 능력인 초전도성을 발견했습니다. 아르곤 국립 연구소의 첨단 기술을 사용하여 지역 과학자 팀은 약 -23°C의 온도에서 초전도성을 관찰한 물질 종류를 연구했습니다. 이는 기존 확인된 기록보다 약 50도 가량 오른 수치다.

2. 자기장 속의 초전도체

그러나 문제는 많은 압력을 가해야 한다는 것입니다. 시험된 물질은 수소화물이었다. 얼마 동안 과수소화 란탄이 특히 관심을 받았습니다. 실험에 따르면 이 물질의 극도로 얇은 샘플은 150~170 기가파스칼 범위의 압력에서 초전도성을 나타냅니다. 그 결과는 교수가 공동 저술한 네이처 저널에 XNUMX월에 게재됐다. 비탈리 프로코펜코와 에란 그린버그.

이러한 재료의 실제 적용에 대해 생각하려면 -23°C까지 내려가는 것도 그다지 실용적이지 않기 때문에 압력과 온도도 낮춰야 합니다. 그것에 대한 작업은 전 세계의 실험실에서 수년간 진행되는 전형적인 작은 단계 물리학입니다.

응용 연구에도 동일하게 적용됩니다. 전자의 자기 현상. 보다 최근에, 국제 과학자 팀은 매우 민감한 자기 프로브를 사용하여 비자성 산화물의 얇은 층 계면에서 발생하는 자기가 작은 기계적 힘을 가함으로써 쉽게 제어될 수 있다는 놀라운 증거를 발견했습니다. 작년 XNUMX월 Nature Physics에 발표된 이 발견은 예를 들어 더 밀도가 높은 자기 메모리와 스핀트로닉스에 대해 이론적으로 생각할 수 있게 해주는 새롭고 예상치 못한 자기 제어 방법을 보여줍니다.

이 발견은 오늘날 이미 수십 나노미터의 크기를 가지고 있지만 알려진 기술을 사용하여 더 소형화하기 어려운 자기 메모리 셀의 소형화를 위한 새로운 기회를 창출합니다. 산화물 인터페이스는 XNUMX차원 전도성 및 초전도성과 같은 여러 흥미로운 물리적 현상을 결합합니다. 자기를 이용한 전류 제어는 전자공학에서 매우 유망한 분야입니다. 적절한 특성을 가지면서도 저렴하고 저렴한 재료를 찾으면 개발에 진지하게 임할 수 있습니다. 스핀트로닉.

너무 피곤하다 전자 제품의 폐열 제어. UC Berkeley 엔지니어들은 최근 이러한 유형의 기술에서 이전에는 볼 수 없었던 수준으로 전력을 생성하기 위해 폐열을 회수하는 데 사용할 수 있는 박막 재료(필름 두께 50-100 나노미터)를 개발했습니다. 그것은 새로운 엔지니어링 연구에 따르면 초전력 변환이라는 프로세스를 사용하며 100°C 미만의 열원에서 사용하기에 적합합니다. 이것은 이 분야의 최신 연구 사례 중 하나일 뿐입니다. 전자 제품의 에너지 관리와 관련된 수백 또는 수천 개의 연구 프로그램이 전 세계에 있습니다.

"이유는 모르겠지만 효과가 있습니다"

새로운 물질을 실험하고 상전이 및 위상 현상을 연구하는 것은 매우 효율적이지 않고 어렵고 미디어에 거의 매력적이지 않은 매우 유망한 연구 분야입니다. 이것은 소위 미디어에서 많은 홍보를 받았지만 물리학 분야에서 가장 자주 인용되는 연구 중 하나입니다. 주류 그들은 일반적으로 승리하지 않습니다.

재료의 상 변형 실험은 때때로 예기치 않은 결과를 가져옵니다. 금속 제련 높은 융점으로 실온. 예를 들어, 전기장과 전자 현미경을 사용하여 일반적으로 실온에서 1064°C에서 녹는 금 샘플을 녹이는 최근 성과가 있습니다. 전기장을 끄면 금이 다시 굳을 수 있기 때문에 이 변화는 되돌릴 수 있었습니다. 따라서 전기장은 온도 및 압력 외에도 상 변형에 영향을 미치는 알려진 요소에 합류했습니다.

격렬한 동안 위상 변화도 관찰되었습니다. 레이저 빛의 펄스. 이 현상에 대한 연구 결과는 2019년 여름 Nature Physics 저널에 게재되었습니다. 이를 달성하기 위한 국제 팀은 Nuh Gedik(3), 매사추세츠 공과 대학의 물리학 교수. 과학자들은 광학적으로 유도된 용융 동안 위상 전이가 위상 결함으로 알려진 재료의 특이점 형성을 통해 발생하여 결과적으로 재료의 전자 및 격자 역학에 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. Gedik이 그의 간행물에서 설명했듯이 이러한 토폴로지 결함은 물과 같은 액체에서 발생하는 작은 소용돌이와 유사합니다.

그들의 연구를 위해 과학자들은 란탄과 텔루륨 LaTe의 화합물을 사용했습니다.₃. 연구원들은 다음 단계가 "제어된 방식으로 이러한 결함을 생성"할 수 있는 방법을 결정하려고 시도할 것이라고 설명합니다. 잠재적으로 이것은 광 펄스가 데이터 작업에 해당하는 시스템의 결함을 쓰거나 수리하는 데 사용되는 데이터 저장에 사용될 수 있습니다.

그리고 우리가 초고속 레이저 펄스에 도달했기 때문에 많은 흥미로운 실험과 실제로 잠재적으로 유망한 응용 분야에서의 사용은 과학 보고서에 자주 등장하는 주제입니다. 예를 들어, 로체스터 대학의 화학 및 물리학 조교수인 Ignacio Franco 그룹은 최근 초고속 레이저 펄스가 어떻게 사용될 수 있는지 보여주었습니다. 물질의 왜곡된 성질 오라즈 전류 생성 지금까지 알려진 어떤 기술보다 빠른 속도로 말이죠. 연구원들은 얇은 유리 필라멘트를 XNUMX만분의 XNUMX억분의 XNUMX초의 지속 시간으로 처리했습니다. 눈 깜짝할 사이에 유리 같은 물질은 전기를 전도하는 금속처럼 변했습니다. 이것은 인가된 전압이 없을 때 알려진 어떤 시스템보다 빠르게 발생했습니다. 흐름의 방향과 전류의 세기는 레이저 빔의 속성을 변경하여 제어할 수 있습니다. 그리고 제어할 수 있기 때문에 모든 전자 엔지니어가 관심을 가지고 살펴봅니다.

Franco는 Nature Communications의 간행물에서 설명했습니다.

이러한 현상의 물리적 특성은 완전히 이해되지 않았습니다. Franco 자신은 다음과 같은 메커니즘을 의심합니다. 뚜렷한 효과즉, 빛 양자의 방출 또는 흡수와 전기장의 상관 관계. 이러한 현상을 기반으로 작동하는 전자 시스템을 구축할 수 있다면 We Don't Know Why, But It Works라는 엔지니어링 시리즈의 또 다른 에피소드가 있습니다.

감도 및 작은 크기

자이로스코프 차량, 드론, 전자 유틸리티 및 휴대용 장치가 XNUMX차원 공간에서 탐색하는 데 도움이 되는 장치입니다. 이제 그들은 우리가 매일 사용하는 장치에 널리 사용됩니다. 처음에 자이로스코프는 중첩된 바퀴 세트였으며 각 바퀴는 자체 축을 중심으로 회전했습니다. 오늘날 휴대전화에서 우리는 진동하고 반대 방향으로 움직이는 두 개의 동일한 질량에 작용하는 힘의 변화를 측정하는 MEMS(마이크로 전자 기계 센서)를 찾습니다.

MEMS 자이로스코프에는 상당한 감도 제한이 있습니다. 그래서 건설 중 광학 자이로스코프, 움직이는 부분 없이 라는 현상을 사용하는 동일한 작업에 대해 사냑 효과. 그러나 지금까지는 소형화의 문제가 있었다. 사용 가능한 가장 작은 고성능 광학 자이로스코프는 탁구공보다 크며 많은 휴대용 애플리케이션에 적합하지 않습니다. 그러나 Ali Hadjimiri가 이끄는 Caltech University of Technology의 엔지니어들은 새로운 광학 자이로스코프를 개발했습니다. XNUMX배 적은지금까지 알려진 것4). "라는 새로운 기술을 사용해 감수성을 높인다.상호 강화» 일반적인 Sagnac 간섭계에 사용되는 두 개의 광선 사이. 이 새로운 장치는 지난 XNUMX월 Nature Photonics에 게재된 기사에 설명되어 있습니다.

4. Ali Hadjimiri와 그의 동료들이 개발한 광학 자이로스코프. 

정확한 광학 자이로스코프의 개발은 스마트폰의 방향성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 차례로 Columbia Engineering의 과학자들이 만들었습니다. 첫 번째 평면 렌즈 추가 요소 없이 동일한 지점에서 다양한 색상의 초점을 정확하게 맞출 수 있는 것은 모바일 장비의 사진 기능에 영향을 미칠 수 있습니다. 혁신적인 미크론 두께의 평면 렌즈는 종이보다 훨씬 얇으며 프리미엄 복합 렌즈에 필적하는 성능을 제공합니다. 응용 물리학 조교수인 Nanfang Yu가 이끄는 팀의 연구 결과는 Nature 저널에 발표된 연구에 발표되었습니다.

과학자들은 "에서 평면 렌즈를 만들었습니다.중원자". 각 메타 원자는 크기가 빛 파장의 일부이며 다른 양만큼 광파를 지연시킵니다. 사람의 머리카락만큼 두꺼운 기판에 매우 얇고 평평한 나노구조 층을 구축함으로써 과학자들은 훨씬 더 두껍고 무거운 기존 렌즈 시스템과 동일한 기능을 달성할 수 있었습니다. Metalens는 평면 스크린 TV가 음극선관 TV를 대체한 것과 같은 방식으로 부피가 큰 렌즈 시스템을 대체할 수 있습니다.

다른 방법이 있을 때 왜 큰 충돌기

작은 단계의 물리학은 또한 다른 의미와 의미를 가질 수 있습니다. 예를 들어 - 많은 물리학자들이 하는 것처럼 엄청나게 큰 유형의 구조를 만들고 더 큰 구조를 요구하는 것보다 더 겸손한 도구를 사용하여 큰 질문에 대한 답을 찾으려고 노력할 수 있습니다.

대부분의 가속기는 전기장과 자기장을 생성하여 입자 빔을 가속합니다. 그러나 얼마 동안 그는 다른 기술을 실험했습니다. 플라즈마 가속기, 전자 플라즈마에서 생성된 파동과 결합된 전기장을 사용하여 전자, 양전자 및 이온과 같은 하전 입자의 가속. 최근에 나는 그들의 새 버전을 작업하고 있습니다. CERN의 AWAKE 팀은 양성자(전자가 아님)를 사용하여 플라즈마 파동을 생성합니다. 양성자로 전환하면 한 단계의 가속으로 입자를 더 높은 에너지 수준으로 끌어올릴 수 있습니다. 다른 형태의 플라즈마 각성 장 가속은 동일한 에너지 수준에 도달하기 위해 여러 단계를 필요로 합니다. 과학자들은 그들의 양성자 기반 기술이 미래에 더 작고 저렴하며 강력한 가속기를 만들 수 있다고 믿습니다.

5. DESY의 XNUMX단계 소형 가속기 - 시각화

차례로 DESY(Deutsches Elektronen-Synchrotron - 독일 전자 싱크로트론)의 과학자들은 XNUMX월에 입자 가속기의 소형화 분야에서 새로운 기록을 세웠습니다. 테라헤르츠 가속기는 주입된 전자의 에너지를 두 배 이상 증가시켰습니다(5). 동시에 이 설정은 이 기술을 사용한 이전 실험에 비해 전자빔의 품질을 크게 향상시켰습니다.

DESY의 초고속 광학 및 X선 그룹 책임자인 Franz Kärtner는 보도 자료에서 설명했습니다. -

관련 장치는 가장 강력한 현대의 기존 가속기와 유사한 최대 강도가 ​​미터당 200억 볼트(MV/m)인 가속장을 생성했습니다.

차례로, 새롭고 상대적으로 작은 검출기 알파-g (6) 캐나다 회사인 TRUMF가 제작하여 올해 초 CERN에 배송 반물질의 중력 가속도 측정. 지구 표면에 중력장이 있을 때 반물질은 +9,8 m/s2(아래), -9,8 m/s2(위), 0 m/s2(중력 가속도가 전혀 없음)만큼 가속합니까? 다른 가치? 후자의 가능성은 물리학에 혁명을 일으킬 것입니다. 작은 ALPHA-g 장치는 "반중력"의 존재를 증명하는 것 외에도 우주의 가장 큰 신비로 이끄는 길로 우리를 인도할 수 있습니다.

더 작은 규모에서 우리는 더 낮은 수준의 현상을 연구하려고 합니다. 위에 초당 60억 회전 퍼듀 대학교와 중국 대학교의 과학자들이 설계할 수 있습니다. 몇 달 전 Physical Review Letters에 실린 기사에서 실험의 저자에 따르면, 이렇게 빠르게 회전하는 창조물은 그들이 더 잘 이해할 수 있게 해줄 것입니다. 비밀 .

같은 극한 회전에 있는 물체는 과학자들이 실리카에서 합성한 폭 170나노미터, 길이 320나노미터 정도의 나노입자입니다. 연구팀은 진공 상태에서 레이저를 이용해 물체를 공중에 띄운 뒤 엄청난 속도로 펄스를 가했다. 다음 단계는 더 높은 회전 속도로 실험을 수행하는 것인데, 이를 통해 진공 상태에서 특이한 형태의 마찰을 비롯한 기본 물리 이론을 정확하게 연구할 수 있습니다. 보시다시피, 근본적인 미스터리에 직면하기 위해 수 킬로미터에 달하는 파이프와 거대한 탐지기를 만들 필요가 없습니다.

2009년 과학자들은 실험실에서 소리를 흡수하는 특별한 종류의 블랙홀을 만드는 데 성공했습니다. 이후 이들 звук  빛을 흡수하는 물체의 실험실 유사체로 유용한 것으로 판명되었습니다. 올해 XNUMX월 네이처 저널에 발표된 논문에서 Technion Israel Institute of Technology의 연구원들은 음파 블랙홀을 생성하고 호킹 복사 온도를 측정한 방법을 설명합니다. 이러한 측정은 호킹이 예측한 온도와 일치했습니다. 따라서 블랙홀을 탐사하기 위해 꼭 탐사를 할 필요는 없는 것 같습니다.

덜 효과적인 것처럼 보이는 이러한 과학적 프로젝트, 고된 실험실 노력 및 작고 파편화된 이론을 테스트하기 위한 반복적인 실험이 가장 큰 질문에 대한 답이 아닐지 누가 압니까? 과학의 역사는 이것이 일어날 수 있다고 가르칩니다.