自分たちのやるべきことをやろう、そうすれば革命が起こるかもしれない
偉大な発見、大胆な理論、科学的進歩。 メディアはこの種の表現で溢れており、通常は誇張されています。 「偉大な物理学」、LHC、基本的な宇宙論の疑問、そして標準模型との戦いの影のどこかで、勤勉な研究者たちは黙々と自分の仕事に取り組み、実用的な応用について考え、私たちの知識の範囲を一歩ずつ広げています。
「自分たちのことをやろう」というのは、熱核融合の開発に携わる科学者のスローガンであることは間違いありません。 なぜなら、大きな疑問に対する素晴らしい答えにもかかわらず、このプロセスに関連する現実的で一見取るに足らない問題の解決策には、世界に革命を起こす力があるからです。
おそらく、例えば、テーブルに収まる装置を使って、小規模な核融合を行うことが可能になるでしょう。 ワシントン大学の科学者は昨年この装置を製造した Zピンチ (1）、核融合反応を5マイクロ秒間維持することができますが、主な印象的な情報は、長さわずか1,5メートルの反応炉の小型化でした Zピンチは、強力な磁場でプラズマを閉じ込めて圧縮することによって機能します。
あまり効果的ではありませんが、潜在的に非常に重要です のための努力 。 2018年XNUMX月にジャーナル「Physics of Plasmas」に発表された米国エネルギー省（DOE）の研究によると、核融合炉にはプラズマ振動を制御する能力があるという。 これらの波は高エネルギー粒子を反応ゾーンから押し出し、核融合反応に必要なエネルギーの一部を奪います。 DOE の新しい研究では、波の形成を追跡および予測できる高度なコンピューター シミュレーションについて説明しており、これにより物理学者はプロセスを阻止し、粒子を制御下に置くことができます。 科学者たちは自分たちの研究が建設に役立つことを期待している エテル、おそらくフランスで最も有名な核融合実験炉プロジェクト。
などの功績も プラズマ温度 摂氏100億度は、先端超電導トカマク実験施設（EAST）の中国プラズマ物理研究所の科学者チームが昨年末に入手したもので、効率的な核融合に向けた段階的な進歩の一例である。 この研究についてコメントした専門家らによると、これは中国が他の35カ国とともに参加している前述のITERプロジェクトの鍵となる可能性があるという。
超伝導体とエレクトロニクス
大きな可能性を秘めたもう XNUMX つの分野は、大きなブレークスルーではなく、かなり小さな、骨の折れるステップですが、高温超伝導体の探索です。 (2）。 残念ながら、誤報や時期尚早の心配がたくさんあります。 通常、メディアの熱狂的な報道は誇張であるか、単に事実ではないことが判明します。 より深刻なレポートであっても、必ず「しかし」があります。 最近の報告にあるように、シカゴ大学の科学者たちは超伝導、つまりこれまで記録された最高の温度でも損失なく電気を伝導する能力を発見しました。 アルゴンヌ国立研究所の最先端技術を使用して、地元の科学者チームはある種の材料を研究し、約-23℃の温度で超伝導を観察しました。 これは、これまで確認されていた記録から約50度の飛躍です。
2. 磁場中の超電導体
ただし、問題は、かなりの圧力を加える必要があることです。 試験された材料は水素化物でした。 過水素化ランタンは、しばらくの間特に関心を集めてきました。 実験の結果、この材料の非常に薄いサンプルは、150 ～ 170 ギガパスカルの範囲の圧力下で超電導を示すことが明らかになりました。 この結果は、XNUMX月に教授の共著『Nature』誌に掲載された。 ヴィタリー・プロコペンコとエラン・グリンバーグ。
これらの材料の実用化を考えるには、圧力を下げるだけでなく温度も下げる必要があります。-23℃まで下げることさえあまり現実的ではないからです。 この研究は、世界中の研究室で何年もかけて行われている、典型的な初期段階の物理学を表しています。
応用研究についても同様です。 エレクトロニクスにおける磁気現象。 最近では、国際的な科学者チームが、高感度の磁気プローブを使用して、非磁性酸化物の薄層の界面で発生する磁気が、小さな機械力を加えることで簡単に制御できるという驚くべき証拠を発見しました。 昨年 XNUMX 月に Nature Physics 誌で発表されたこの発見は、磁性を制御するための新しく予想外の方法を示し、理論的には、たとえば、より高密度の磁気メモリやスピントロニクスについて考えることが可能になります。
この発見は、今日すでに数十ナノメートルのサイズを有する磁気メモリセルの小型化の新たな機会を生み出すが、既知の技術を使用してさらなる小型化を行うことは困難である。 酸化物界面は、二次元伝導性や超伝導性など、多くの興味深い物理現象を組み合わせます。 磁気を利用した電流の制御は、エレクトロニクス分野で非常に有望な分野です。 望ましい特性を持ち、同時に入手可能で安価な材料を見つけることができれば、開発に真剣に取り組むことができます。 スピントロニクス.
それも疲れます エレクトロニクスにおける廃熱制御。 カリフォルニア大学バークレー校の技術者らは最近、廃熱を回収してこの種の技術ではこれまで見たことのないレベルでエネルギーを生成するために使用できる薄膜材料（膜厚50～100ナノメートル）を開発した。 これは焦電エネルギー変換と呼ばれるプロセスを使用しており、新しい工学研究により、このプロセスは 100°C 未満の熱源での使用に適していることが示されています。 これは、この分野における研究の最新の例にすぎません。 エレクトロニクスにおけるエネルギー管理に関連する研究プログラムは世界中で何百、場合によっては何千も存在します。
「理由は分からないが、効果がある」
新しい材料、その相転移、トポロジカル現象を実験することは、非常に有望な研究分野ですが、あまり効率的ではなく、難しく、メディアにとって魅力的なことはほとんどありません。 これは物理学の分野で最も頻繁に引用される研究の XNUMX つですが、いわゆるメディアで多くの宣伝を受けています。 彼らは通常、主流では勝てません。
材料の相変態を実験すると、予期せぬ結果が生じることがあります。 金属精錬 融点が高い 室温。 その一例は、電場と電子顕微鏡を使用して、通常室温で 1064°C で溶解する金サンプルを溶解するという最近の成果です。 電場をオフにすると金が再び凝固する可能性があるため、この変化は可逆的でした。 したがって、温度と圧力に加えて、電場も相変態に影響を与える既知の要因に加わりました。
強い環境下でも相変化が観察された レーザー光パルス。 この現象の研究結果は、2019 年夏に Nature Physics 誌に発表されました。 これを達成するための国際チームは、Nuh Gedik (3）、マサチューセッツ工科大学の物理学教授。 科学者らは、光誘起溶融中に、トポロジカル欠陥として知られる材料内の特異点の形成を通じて相転移が発生し、それが材料内で生じる電子および格子のダイナミクスに影響を与えることを発見しました。 ゲディック氏は著書の中で、これらのトポロジカル欠陥は、水などの液体内で発生する小さな渦に似ていると説明しました。
研究には、科学者たちはランタンとテルルの化合物である LaTe を使用しました。3。 次のステップは、「制御された方法でこれらの欠陥を生成する」方法を決定することだと研究者らは説明する。 これはデータストレージに使用される可能性があり、データの操作に対応してシステム内の欠陥を記録または修復するために光パルスが使用されます。
そして、私たちは超高速レーザーパルスをテーマにしていますが、多くの興味深い実験や実際の潜在的に有望な用途でのその使用は、科学レポートで頻繁に登場するトピックです。 たとえば、ロチェスター大学の化学および物理学の助教授イグナシオ フランコのチームは最近、超高速レーザー パルスをどのように使用して次のようなことができるかを示しました。 物質の性質を歪める オラズ 電流の発生 これまでに知られているどのテクノロジーをも超える速度で。 研究者らは、細いガラス糸をXNUMX億分のXNUMX秒間処理しました。 ガラス素材は一瞬のうちに電気を通す金属のようなものに変わりました。 これは、電圧が印加されていない場合の既知のシステムよりも速く起こりました。 電流の流れの方向と強度は、レーザービームの特性を変えることで制御できます。 そして、制御できるので、電子技術者は皆、興味深く見ています。
Franco は、Nature Communications の出版物で説明しています。
これらの現象の物理的性質は完全には理解されていません。 フランコ自身は、次のようなメカニズムがあるのではないかと疑っている。 スターク効果つまり、光量子の放出または吸収と電場との相関関係。 これらの現象に基づいて動作する電子システムを構築することが可能であれば、「理由は分からないが、動作する」というエンジニアリング シリーズの別のエピソードが作成されるでしょう。
感度と小型サイズ
ジャイロスコープ 車両、ドローン、電子ユーティリティやポータブル デバイスが XNUMX 次元空間で移動するのを支援するデバイスです。 これらは現在、私たちが毎日使用するデバイスに広く使用されています。 当初、ジャイロスコープは互いに入れ子になった一連のホイールであり、それぞれが独自の軸の周りを回転しました。 現在、携帯電話には、振動し反対方向に移動する XNUMX つの同一の質量に作用する力の変化を測定する微小電気機械センサー (MEMS) が搭載されています。
MEMS ジャイロスコープには重大な感度制限があります。 それで構築中です 光ジャイロスコープと呼ばれる現象を使用する同じタスクに対して、可動部品なしで、 サニャック効果。 しかし、これまでは小型化が課題でした。 入手可能な最小の高性能光ジャイロスコープはピンポン球より大きく、多くのポータブル用途には適していません。 しかし、アリ・ハジミリ率いるカリフォルニア工科大学のエンジニアは、新しい光ジャイロスコープを開発しました。 XNUMX分のXNUMX以下これまでにわかっていること（4）。 彼は「」と呼ばれる新技術を使用して感度を高めます。相互強化» 一般的なサニャック干渉計で使用される XNUMX つの光ビームの間。 この新しいデバイスは、昨年 XNUMX 月に Nature Photonics に掲載された論文で説明されました。
4. Ali Hadjimiri と彼の同僚によって開発された光学ジャイロスコープ。
正確な光ジャイロスコープを開発すれば、スマートフォンの向きを大幅に改善できる可能性があります。 次に、それはコロンビアエンジニアリングの科学者によって建設されました。 初めての平面レンズ 追加の要素を必要とせずに、同じ点に広範囲の色を正確に焦点を合わせることができるため、モバイル機器の写真機能に影響を与える可能性があります。 革新的なミクロンの薄さの平面レンズは、紙よりも大幅に薄く、プレミアム複合レンズに匹敵するパフォーマンスを実現します。 応用物理学の助教授であるNanfang Yu氏が率いるチームの研究結果は、雑誌『Nature』に掲載された研究で発表されている。
科学者たちは「」から平面レンズを構築しました。メタ原子」。 各メタ原子は光の波長の一部のサイズを表し、光波を異なる量だけ遅延させます。 人間の髪の毛ほどの薄さの基板上に非常に薄く平らなナノ構造の層を構築することで、研究者らは、はるかに厚く重い従来のレンズシステムと同じ機能を達成することができました。 フラットスクリーンテレビがブラウン管テレビに置き換わったのと同じように、メタレンズはかさばるレンズシステムを置き換えることができます。
他の方法があるのに、なぜ大きなコライダーを使うのか
小さなステップの物理学にも、さまざまな意味と意味があります。 例えば - 多くの物理学者のように、途方もなく大きな型構造を構築し、さらに大きな構造を要求するのではなく、より控えめなツールを使用して大きな疑問に対する答えを見つけようとすることができます。
ほとんどの加速器は、電場と磁場を生成することによって粒子ビームを加速します。 しかし、しばらくの間、彼は別のテクニックを試しました - プラズマ加速器、電子プラズマ内で生成される波動と組み合わせた電場を使用して、電子、陽電子、イオンなどの荷電粒子を加速すること。 最近、それらの新しいバージョンの開発に取り組んでいます。 CERN の AWAKE チームは、(電子ではなく) 陽子を使用してプラズマ波を生成します。 陽子に切り替えると、XNUMX 回の加速ステップで粒子をより高いエネルギー レベルに移動させることができます。 他の形式のプラズマ覚醒場加速では、同じエネルギーレベルを達成するために複数のステップが必要です。 科学者たちは、彼らの陽子ベースの技術により、将来的にはより小型で安価、より強力な加速器を構築できる可能性があると考えています。
5. DESY の XNUMX 段階ミニチュア加速器 - 視覚化
次に、DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron の略、ドイツの電子シンクロトロン) の科学者たちは、XNUMX 月に粒子加速器の小型化の分野で新記録を樹立しました。 テラヘルツ波で動作する加速器は、注入された電子のエネルギーをXNUMX倍以上に増加させました（5）。 同時に、この装置により、この技術を用いた以前の実験と比較して、電子ビームの品質が大幅に向上しました。
DESY の超高速光学および X 線グループの責任者である Franz Kärtner 氏は、プレス リリースで次のように説明しています。 -
関連する装置は、最新の高出力従来型加速器と同様に、最大強度 200 億ボルト/メートル (MV/m) の加速場を生成しました。
次に、新しい比較的小型の検出器 アルファ-g (6）は、カナダのTRIUMF施設で構築され、今年初めにCERNに送られ、次の使命を持っています 反物質の重力加速度を測定する。 地表に重力場の存在下で反物質は +9,8 m/s2 (下)、-9,8 m/s2 (上)、0 m/s2 (重力加速度がまったくない)、またはその他の値で加速しますか? 後者の可能性は物理学に革命をもたらすでしょう。 小型の ALPHA-g 装置は、「反重力」の存在を証明するだけでなく、宇宙の最大の秘密につながる道に私たちを導くことができます。
さらに小規模なスケールでは、さらに低レベルの現象を研究しようとします。 その上 毎秒60億回転 パデュー大学と中国の大学の科学者によって建設される可能性があります。 数か月前にフィジカル・レビュー・レターズに掲載された論文の実験の著者らによると、このように急速に回転する創造物によって、より深く理解できるようになるという。 秘密 .
同じ極端な回転を受ける物体は、科学者らがシリカから合成した幅約170ナノメートル、長さ320ナノメートルのナノ粒子である。 研究チームは、レーザーを使用して物体を真空中で浮遊させ、物体を回転速度で推進させました。 次のステップは、さらに高い回転速度で実験を実施することです。これにより、真空中での珍しい形態の摩擦など、基本的な物理理論を正確に研究できるようになります。 ご覧のとおり、根本的な謎に直面するために、何マイルものパイプや巨大な探知機を構築する必要はありません。
2009 年、科学者たちは音を吸収する特殊なタイプのブラックホールを実験室で作り出すことに成功しました。 それ以来これらは звук 光を吸収する物体の実験室の類似物として有用であることが証明されています。 今年XNUMX月にジャーナル『ネイチャー』に掲載された論文の中で、テクニオン・イスラエル工科大学の研究者らは、音速ブラックホールをどのように作成し、そのホーキング放射温度を測定したかについて説明している。 これらの測定値は、ホーキング博士が予測した気温と一致しました。 したがって、ブラックホールを探索するためにブラックホールに遠征する必要はないようです。
これらの一見あまり効果的ではない科学プロジェクト、研究室での骨の折れる努力、小さな断片的な理論をテストするための繰り返しの実験の中に、最大の疑問に対する答えが隠されているとは誰にも分かりません。 科学の歴史は、このようなことが起こり得ることを教えています。
