בואו נעשה את שלנו ואולי תהיה מהפכה
תוכן
תגליות גדולות, תיאוריות נועזות, פריצות דרך מדעיות. התקשורת מלאה בניסוחים כאלה, בדרך כלל מוגזמים. אי שם בצל ה"פיזיקה הגדולה", ה-LHC, שאלות קוסמולוגיות בסיסיות והמאבק במודל הסטנדרטי, חוקרים חרוצים עושים את עבודתם בשקט, חושבים על יישומים מעשיים ומרחיבים את תחום הידע שלנו צעד אחר צעד.
"בואו נעשה את שלנו" בהחלט יכולה להיות הסיסמה של מדענים המעורבים בפיתוח היתוך תרמו-גרעיני. שכן, למרות התשובות הגדולות לשאלות הגדולות, הפתרון של בעיות מעשיות, חסרות משמעות לכאורה הקשורות לתהליך זה, מסוגל לחולל מהפכה בעולם.
אולי, למשל, אפשר יהיה לעשות היתוך גרעיני בקנה מידה קטן - עם ציוד שיתאים על שולחן. מדענים מאוניברסיטת וושינגטון בנו את המכשיר בשנה שעברה צביטה Z (1), המסוגל לשמור על תגובת היתוך תוך 5 מיקרו שניות, אם כי המידע המרשים העיקרי היה מזעור הכור, שאורכו 1,5 מ' בלבד. ה-Z-pinch פועל על ידי לכידה ודחיסה של הפלזמה בשדה מגנטי רב עוצמה.
לא מאוד יעיל, אבל פוטנציאלי חשוב ביותר מאמצים ל . על פי מחקר של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE), שפורסם באוקטובר 2018 בכתב העת Physics of Plasmas, לכורי היתוך יש את היכולת לשלוט בתנודת פלזמה. גלים אלה דוחפים חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה אל מחוץ לאזור התגובה, ולוקחים איתם חלק מהאנרגיה הדרושה לתגובת ההיתוך. מחקר חדש של DOE מתאר סימולציות ממוחשבות מתוחכמות שיכולות לעקוב ולחזות היווצרות גל, מה שנותן לפיזיקאים את היכולת למנוע את התהליך ולשמור על חלקיקים בשליטה. מדענים מקווים שעבודתם תעזור בבנייה ITER, אולי פרויקט כור ההיתוך הניסיוני המפורסם ביותר בצרפת.
גם הישגים כגון טמפרטורת פלזמה 100 מיליון מעלות צלזיוס, שהושג בסוף השנה שעברה על ידי צוות של מדענים במכון הסיני לפיזיקת פלזמה ב-Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), הוא דוגמה להתקדמות צעד אחר צעד לקראת היתוך יעיל. לפי מומחים שהתייחסו למחקר, ייתכן שיש לו חשיבות מרכזית בפרויקט ITER הנ"ל, שבו משתתפת סין יחד עם 35 מדינות נוספות.
מוליכים ואלקטרוניקה
תחום נוסף עם פוטנציאל גדול, בו ננקטים צעדים די קטנים וקפדניים במקום פריצות דרך גדולות, הוא החיפוש אחר מוליכים בטמפרטורה גבוהה. (2). למרבה הצער, יש הרבה אזעקות שווא ודאגות מוקדמות. בדרך כלל דיווחים נלהבים בתקשורת מתגלים כהגזמות או פשוט לא נכונות. גם בדיווחים רציניים יותר תמיד יש "אבל". כמו בדוח שפורסם לאחרונה, מדענים מאוניברסיטת שיקגו גילו מוליכות-על, היכולת להוליך חשמל ללא אובדן בטמפרטורות הגבוהות ביותר שתועדו אי פעם. באמצעות טכנולוגיה חדשנית במעבדה הלאומית של Argonne, צוות של מדענים מקומיים חקרו כיתה של חומרים שבהם צפו מוליכות-על בטמפרטורות סביב -23 מעלות צלזיוס. מדובר בזינוק של כ-50 מעלות מהשיא הקודם שאושר.
2. מוליך-על בשדה מגנטי
הקאץ', לעומת זאת, הוא שאתה צריך להפעיל לחץ רב. החומרים שנבדקו היו הידידים. במשך זמן מה, lanthanum perhydride היה מעניין במיוחד. בניסויים, נמצא שדגימות דקות במיוחד של חומר זה מציגות מוליכות-על תחת פעולת לחצים בטווח שבין 150 ל-170 ג'יגה-פסקל. התוצאות פורסמו במאי בכתב העת Nature, בשיתוף פרופ. ויטלי פרוקופנקו וערן גרינברג.
כדי לחשוב על היישום המעשי של חומרים אלה, תצטרך להוריד את הלחץ וגם את הטמפרטורה, כי אפילו עד -23 מעלות צלזיוס זה לא מאוד מעשי. העבודה על זה היא פיזיקת צעדים קטנים טיפוסית, הנמשכת במשך שנים במעבדות ברחבי העולם.
כך גם לגבי מחקר יישומי. תופעות מגנטיות באלקטרוניקה. לאחרונה, באמצעות בדיקות מגנטיות רגישות ביותר, צוות בינלאומי של מדענים מצא עדויות מפתיעות לכך שניתן לשלוט בקלות על המגנטיות המתרחשת בממשק של שכבות דקות של תחמוצת לא מגנטית על ידי הפעלת כוחות מכניים קטנים. התגלית, שהוכרזה בדצמבר האחרון ב- Nature Physics, מראה דרך חדשה ובלתי צפויה לשלוט במגנטיות, ומאפשרת תיאורטית לחשוב על זיכרון מגנטי צפוף יותר וספינטרוניקה, למשל.
גילוי זה יוצר הזדמנות חדשה למזעור של תאי זיכרון מגנטיים, שכיום כבר יש להם גודל של כמה עשרות ננומטרים, אך מזעור נוסף שלהם באמצעות טכנולוגיות מוכרות קשה. ממשקי תחמוצת משלבים מספר תופעות פיזיקליות מעניינות כמו מוליכות דו-ממדית ומוליכות-על. שליטה בזרם באמצעות מגנטיות היא תחום מבטיח מאוד באלקטרוניקה. מציאת חומרים בעלי המאפיינים הנכונים, אך זולים וזולים, יאפשרו לנו להיות רציניים בפיתוח ספינטרוניק.
זה גם מעייף בקרת חום פסולת באלקטרוניקה. מהנדסי UC Berkeley פיתחו לאחרונה חומר סרט דק (עובי סרט 50-100 ננומטר) שניתן להשתמש בו כדי לשחזר פסולת חום להפקת חשמל ברמות שטרם נראו בטכנולוגיה מסוג זה. הוא משתמש בתהליך הנקרא המרת הספק פירואלקטרי, שמחקר הנדסי חדש מראה כי הוא מתאים לשימוש במקורות חום מתחת ל-100 מעלות צלזיוס. זוהי רק אחת הדוגמאות האחרונות למחקר בתחום זה. יש מאות או אפילו אלפי תוכניות מחקר ברחבי העולם הקשורות לניהול אנרגיה באלקטרוניקה.
"אני לא יודע למה, אבל זה עובד"
ניסוי עם חומרים חדשים, מעברי פאזות ותופעות טופולוגיות שלהם הוא תחום מחקר מבטיח מאוד, לא מאוד יעיל, קשה ולעיתים רחוקות אטרקטיבי לתקשורת. זהו אחד המחקרים המצוטטים ביותר בתחום הפיזיקה, למרות שהוא זכה לפרסום רב בתקשורת, מה שנקרא. מיינסטרים הם בדרך כלל לא מנצחים.
ניסויים עם טרנספורמציות פאזה בחומרים מביאים לפעמים תוצאות בלתי צפויות, למשל התכת מתכת עם נקודות התכה גבוהות טמפרטורת חדר. דוגמה לכך היא ההישג האחרון של המסת דגימות זהב, הנמסות בדרך כלל ב-1064 מעלות צלזיוס בטמפרטורת החדר, באמצעות שדה חשמלי ומיקרוסקופ אלקטרונים. שינוי זה היה הפיך מכיוון שכיבוי השדה החשמלי יכול לגבש את הזהב שוב. לפיכך, השדה החשמלי הצטרף לגורמים הידועים המשפיעים על טרנספורמציות פאזה, בנוסף לטמפרטורה וללחץ.
שינויים בשלב נצפו גם במהלך אינטנסיבי פולסים של אור לייזר. תוצאות המחקר של תופעה זו פורסמו בקיץ 2019 בכתב העת Nature Physics. הצוות הבינלאומי להשיג זאת הובל על ידי Nuh Gedik (3), פרופסור לפיזיקה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. המדענים גילו שבמהלך התכה אופטית, מעבר הפאזות מתרחש באמצעות היווצרות של יחודיות בחומר, הידועים כפגמים טופולוגיים, אשר בתורם משפיעים על הדינמיקה של האלקטרון והסריג שנוצרו בחומר. פגמים טופולוגיים אלו, כפי שהסביר גדיק בפרסומו, מקבילים למערבולות זעירות המתרחשות בנוזלים כמו מים.
עבור המחקר שלהם, מדענים השתמשו בתרכובת של לנתנום וטלוריום LaTe.3. החוקרים מסבירים כי השלב הבא יהיה לנסות לקבוע כיצד הם יכולים "ליצור את הליקויים הללו בצורה מבוקרת". פוטנציאלי, זה יכול לשמש לאחסון נתונים, שבו פעימות אור ישמשו כדי לכתוב או לתקן פגמים במערכת, שיתאימו לפעולות הנתונים.
ומאז שהגענו לפולסי לייזר מהירים במיוחד, השימוש בהם בניסויים מעניינים רבים ויישומים מבטיחים בפועל הוא נושא שמופיע לעתים קרובות בדיווחים מדעיים. לדוגמה, קבוצתו של איגנסיו פרנקו, עוזר פרופסור לכימיה ופיזיקה באוניברסיטת רוצ'סטר, הראתה לאחרונה כיצד ניתן להשתמש בפולסי לייזר מהירים במיוחד כדי עיוות תכונות של חומר אורז ייצור זרם חשמלי במהירות גבוהה יותר מכל טכניקה המוכרת לנו עד כה. החוקרים טיפלו בחוטי זכוכית דקים באורך של מיליונית מיליארדית השנייה. כהרף עין, החומר הזגוגי הפך למשהו כמו מתכת המוליכה חשמל. זה קרה מהר יותר מאשר בכל מערכת מוכרת בהיעדר מתח מופעל. ניתן לשלוט בכיוון הזרימה ובעוצמת הזרם על ידי שינוי תכונות קרן הלייזר. ומכיוון שניתן לשלוט בו, כל מהנדס אלקטרוניקה מסתכל בעניין.
פרנקו הסביר בפרסום ב-Nature Communications.
הטבע הפיזי של תופעות אלו אינו מובן במלואו. פרנקו עצמו חושד שמנגנונים אוהבים השפעה חזקה, כלומר, המתאם של פליטה או בליעה של קוונטות אור עם שדה חשמלי. אם אפשר היה לבנות מערכות אלקטרוניות עובדות המבוססות על התופעות הללו, היה לנו פרק נוסף בסדרת ההנדסה שנקרא We Don't Know Why, But It Works.
רגישות וגודל קטן
ג'ירוסקופים הם מכשירים המסייעים לכלי רכב, רחפנים, כמו גם כלי עזר אלקטרוניים והתקנים ניידים לנווט במרחב תלת מימדי. כעת הם נמצאים בשימוש נרחב במכשירים שאנו משתמשים בהם מדי יום. בתחילה, גירוסקופים היו קבוצה של גלגלים מקוננים, שכל אחד מהם הסתובב סביב הציר שלו. כיום, בטלפונים ניידים, אנו מוצאים חיישנים מיקרו-אלקטרומכניים (MEMS) המודדים שינויים בכוחות הפועלים על שתי מסות זהות, מתנודדים ונעים בכיוון ההפוך.
לג'ירוסקופים של MEMS יש מגבלות רגישות משמעותיות. אז זה בונה גירוסקופים אופטיים, ללא חלקים נעים, עבור אותן משימות המשתמשות בתופעה שנקראת אפקט סגניאק. עם זאת, עד עכשיו הייתה בעיה של מזעור שלהם. הגירוסקופים האופטיים הקטנים ביותר הזמינים הם גדולים יותר מכדור פינג פונג ואינם מתאימים ליישומים ניידים רבים. עם זאת, מהנדסים באוניברסיטת קלטק לטכנולוגיה, בראשות עלי הדג'ימירי, פיתחו גירוסקופ אופטי חדש פי חמש מאות פחותמה שידוע עד כה4). הוא מגביר את רגישותו באמצעות שימוש בטכניקה חדשה הנקראת "חיזוק הדדי» בין שתי אלומות אור המשמשות באינטרפרומטר טיפוסי של Sagnac. המכשיר החדש תואר במאמר שפורסם ב-Nature Photonics בנובמבר האחרון.
4. גירוסקופ אופטי שפותח על ידי עלי הדג'ימירי ועמיתיו.
פיתוח של גירוסקופ אופטי מדויק יכול לשפר מאוד את הכיוון של סמארטפונים. בתורו, הוא נבנה על ידי מדענים מקולומביה הנדסה. עדשה שטוחה ראשונה מסוגל למקד נכון מגוון רחב של צבעים באותה נקודה ללא צורך באלמנטים נוספים עשוי להשפיע על יכולות הצילום של ציוד נייד. העדשה השטוחה המהפכנית הדקה במיקרון היא דקה משמעותית מגיליון נייר ומספקת ביצועים דומים לעדשות מרוכבות פרימיום. ממצאי הקבוצה, בראשות ננפאנג יו, עוזר פרופסור לפיזיקה יישומית, מוצגים במחקר שפורסם בכתב העת Nature.
מדענים בנו עדשות שטוחות מ"מטאאטומים". כל מטא-אטום הוא שבריר מאורך גל של אור בגודלו ומעכב גלי אור בכמות שונה. על ידי בניית שכבה שטוחה דקה מאוד של מבנים ננו על מצע עבה כמו שערה אנושית, המדענים הצליחו להשיג את אותה פונקציונליות כמו מערכת עדשות קונבנציונלית עבה וכבדה בהרבה. Metalenses יכול להחליף מערכות עדשות מגושמות באותו אופן שבו טלוויזיות עם מסך שטוח החליפו טלוויזיות CRT.
למה מתנגש גדול כשיש דרכים אחרות
גם לפיזיקה של צעדים קטנים יכולה להיות משמעויות ומשמעויות שונות. לדוגמה - במקום לבנות מבנים מסוגים גדולים להפליא ולדרוש מבנים גדולים אף יותר, כפי שעושים פיזיקאים רבים, אפשר לנסות למצוא תשובות לשאלות גדולות בכלים צנועים יותר.
רוב המאיצים מאיצים את אלומת החלקיקים על ידי יצירת שדות חשמליים ומגנטיים. עם זאת, במשך זמן מה הוא התנסה בטכניקה אחרת - מאיצי פלזמה, האצה של חלקיקים טעונים כגון אלקטרונים, פוזיטרונים ויונים באמצעות שדה חשמלי בשילוב עם גל שנוצר בפלזמת אלקטרונים. לאחרונה עבדתי על הגרסה החדשה שלהם. צוות AWAKE ב-CERN משתמש בפרוטונים (לא אלקטרונים) כדי ליצור גל פלזמה. מעבר לפרוטונים יכול לקחת חלקיקים לרמות אנרגיה גבוהות יותר בצעד אחד של האצה. צורות אחרות של האצת שדה התעוררות פלזמה דורשות מספר שלבים כדי להגיע לאותה רמת אנרגיה. מדענים מאמינים שהטכנולוגיה מבוססת הפרוטונים שלהם יכולה לאפשר לנו לבנות מאיצים קטנים, זולים וחזקים יותר בעתיד.
5. מאיץ מיניאטורי דו-שלבי מבית DESY - הדמיה
בתורם, מדענים מ-DESY (קיצור של Deutsches Elektronen-Synchrotron - סינכרוטרון אלקטרוני גרמני) קבעו ביולי שיא חדש בתחום המזעור של מאיצי חלקיקים. מאיץ הטרה-הרץ יותר מהכפיל את האנרגיה של האלקטרונים המוזרקים (5). במקביל, ההתקנה שיפרה משמעותית את איכות אלומת האלקטרונים בהשוואה לניסויים קודמים בטכניקה זו.
פרנץ קרטנר, ראש קבוצת האופטיקה והרנטגן האולטרה-מהירה ב-DESY, הסביר בהודעה לעיתונות. -
המכשיר המשויך הפיק שדה מאיץ בעוצמה מרבית של 200 מיליון וולט למטר (MV/m) - בדומה למאיץ הקונבנציונלי המודרני החזק ביותר.
בתורו, גלאי חדש וקטן יחסית אלפא-ג (6), שנבנה על ידי חברת TRIUMF הקנדית ונשלחה ל-CERN מוקדם יותר השנה, מוטלת על המשימה למדוד את תאוצת הכבידה של אנטי-חומר. האם אנטי-חומר מאיץ בנוכחות שדה כבידה על פני כדור הארץ ב-+9,8 מ'/שנ'2 (למטה), ב-9,8 מ'/שנ'2 (למעלה), ב-0 מ'/שנ'2 (ללא תאוצת כבידה כלל), או שיש לו כמה ערך אחר? האפשרות האחרונה תחולל מהפכה בפיזיקה. מנגנון ALPHA-g קטן יכול, בנוסף להוכחת קיומו של "אנטי כבידה", להוביל אותנו בנתיב המוביל אל התעלומות הגדולות ביותר של היקום.
בקנה מידה קטן עוד יותר, אנו מנסים לחקור תופעות ברמה נמוכה עוד יותר. מֵעַל 60 מיליארד סיבובים בשנייה זה יכול להיות מתוכנן על ידי מדענים מאוניברסיטת Purdue ומאוניברסיטאות סיניות. על פי מחברי הניסוי במאמר שפורסם לפני מספר חודשים ב-Physical Review Letters, יצירה כה מסתובבת במהירות תאפשר להם להבין טוב יותר סודות .
העצם, שנמצא באותו סיבוב קיצוני, הוא ננו-חלקיק ברוחב של כ-170 ננומטר ואורכו 320 ננומטר, אותו סינתזו המדענים מסיליקה. צוות המחקר הרים חפץ בוואקום באמצעות לייזר, ולאחר מכן הפעיל אותו במהירות עצומה. השלב הבא יהיה עריכת ניסויים במהירויות סיבוב גבוהות עוד יותר, שיאפשרו מחקר מדויק של תיאוריות פיזיקליות בסיסיות, כולל צורות אקזוטיות של חיכוך בוואקום. כפי שאתה יכול לראות, אתה לא צריך לבנות קילומטרים של צינורות וגלאים ענקיים כדי להתמודד עם תעלומות יסוד.
בשנת 2009 הצליחו מדענים ליצור סוג מיוחד של חור שחור במעבדה הקולט קול. מאז אלה звук הוכח כיעיל כאנלוגים מעבדתיים של האובייקט הסופג אור. במאמר שפורסם בכתב העת Nature ביולי הקרוב, חוקרים בטכניון המכון הטכנולוגי הישראלי מתארים כיצד יצרו חור שחור קולי ומדדו את טמפרטורת קרינת ההוקינג שלו. מדידות אלו היו בהתאם לטמפרטורה שחזה הוקינג. לפיכך, נראה שאין צורך לבצע משלחת לחור שחור על מנת לחקור אותו.
מי יודע אם מסתתרים בפרויקטים המדעיים הפחות יעילים הללו, במאמצי מעבדה קפדניים ובניסויים חוזרים ונשנים לבדיקת תיאוריות קטנות ומקוטעות, הן התשובות לשאלות הגדולות ביותר. ההיסטוריה של המדע מלמדת שזה יכול לקרות.
