Fysik verden er glade for at annoncere sine top 10 gennembrud for året for 2022, som spænder over alt fra kvante- og medicinsk fysik til astronomi og kondenseret stof. Det overordnede Fysik verden Årets gennembrud afsløres onsdag den 14. december.
De 10 gennembrud blev udvalgt af et panel af Fysik verden redaktører, som gennemgik hundredvis af forskningsopdateringer offentliggjort på hjemmesiden i år på tværs af alle fysikområder. Ud over at være blevet anmeldt i Fysik verden i 2022 skal valgene opfylde følgende kriterier:
- Betydelige fremskridt i viden eller forståelse
- Arbejdets betydning for videnskabelige fremskridt og/eller udvikling af applikationer i den virkelige verden
- Af almen interesse for Fysik verden læsere
De 10 bedste gennembrud for 2022 er angivet nedenfor i nogen bestemt rækkefølge. Vend tilbage i næste uge for at finde ud af, hvilken der har fået overall Fysik verden Prisen for årets gennembrud.
Indleder en ny æra for ultrakold kemi
Til Bo Zhao, Jian-Wei Pan og kolleger ved University of Science and Technology of China (USTC) og det kinesiske videnskabsakademi i Beijing; og selvstændigt til John Doyle og kolleger ved Harvard University i USA, for at skabe de første ultrakolde polyatomiske molekyler.
Selvom fysikere har afkølet atomer til en brøkdel over det absolutte nulpunkt i mere end 30 år, og de første ultrakolde diatomiske molekyler dukkede op i midten af 2000'erne, havde målet om at lave ultrakolde molekyler indeholdende tre eller flere atomer vist sig at være uhåndgribeligt.
Ved hjælp af forskellige og komplementære teknikker producerede USTC- og Harvard-holdene prøver af triatomiske natrium-kalium molekyler ved 220 nK og natriumhydroxid ved henholdsvis 110 µK. Deres præstation baner vejen for ny forskning inden for både fysik og kemi, med studier af ultrakolde kemiske reaktioner, nye former for kvantesimulering og test af grundlæggende videnskab, der alle er tættere på at blive realiseret takket være disse multi-atom molekylære platforme.
Observation af tetraneutronen
Til Meytal Duer ved Institut for Kernefysik ved Tysklands Tekniske Universitet i Darmstadt og resten af de SAMURAI Samarbejde forum observere tetraneutronen og viser, at uladet nukleart stof eksisterer, om end kun i meget kort tid.
Bestående af fire neutroner blev tetraneutronen spottet på RIKEN Nishina Centrets radioaktive ionstrålefabrik i Japan. Tetraneutronerne blev skabt ved at affyre helium-8 kerner mod et mål af flydende brint. Kollisionerne kan splitte en helium-8-kerne i en alfapartikel (to protoner og to neutroner) og en tetraneutron.
Ved at detektere de rekylende alfapartikler og brintkerner fandt holdet ud af, at de fire neutroner eksisterede i en ubundet tetraneutrontilstand i kun 10-22 s. Den statistiske signifikans af observationen er større end 5σ, hvilket sætter den over tærsklen for en opdagelse i partikelfysik. Holdet planlægger nu at studere de individuelle neutroner i tetraneutroner og lede efter nye partikler, der indeholder seks og otte neutroner.
Supereffektiv elproduktion
Til Alina LaPotin, Asegun Henry og kolleger ved Massachusetts Institute of Technology og National Renewable Energy Laboratory, USA, for konstruktion af en termofotovoltaisk (TPV) celle med en effektivitet på mere end 40 %.
Den nye TPV-celle er den første solid-state varmemotor af nogen art, der konverterer infrarødt lys til elektrisk energi mere effektivt end en turbinebaseret generator, og den kan fungere med en bred vifte af mulige varmekilder. Disse omfatter termiske energilagringssystemer, solstråling (via en mellemliggende strålingsabsorber) og spildvarme samt nukleare reaktioner eller forbrænding. Enheden kan derfor blive en vigtig komponent i et renere, grønnere elnet og et supplement til solceller med synligt lys.
Den hurtigst mulige optoelektroniske kontakt
Til Marcus Ossiander, Martin Schultze og kolleger ved Max Planck Institute for Quantum Optics og LMU München i Tyskland; det teknologiske universitet i Wien og det teknologiske universitet i Graz i Østrig; og CNR NANOTEC Institute of Nanotechnology i Italien, for at definere og udforske "hastighedsgrænserne" for optoelektronisk kobling i en fysisk enhed.
Holdet brugte laserimpulser, der kun varede et femtosekund (10-15 s) at skifte en prøve af et dielektrisk materiale fra en isolerende til en ledende tilstand med den hastighed, der er nødvendig for at realisere en kontakt, der fungerer 1000 billioner gange i sekundet (én petahertz). Selvom det apparat i lejlighedsstørrelse, der kræves til at drive denne superhurtige switch, betyder, at den ikke vil dukke op i praktiske enheder lige om lidt, indebærer resultaterne en grundlæggende grænse for klassisk signalbehandling og antyder, at petahertz solid-state optoelektronik i princippet er mulig. .
Åbner et nyt vindue i universet
Til NASA, Canadian Space Agency og European Space Agency til indsættelsen og første billeder fra James Webb Space Telescope (JWST).
Efter år med forsinkelser og omkostningsstigninger har JWST på 10 mia endelig lanceret den 25. december 2021. For mange rumsonder er opsendelse den farligste del af missionen, men JWST måtte også overleve en række farlige udpakningsmanøvrer i dybt rum, som involverede udfoldning af dets 6.5 m primære spejl samt udfoldelse af dets solskærm på størrelse med tennisbane.
Inden lanceringen identificerede ingeniører 344 "single-point" fejl, der kunne have hæmmet observatoriets mission, eller endnu værre, gøre det ubrugeligt. Bemærkelsesværdigt nok blev der ikke stødt på problemer og fulgte idriftsættelsen af JWSTs videnskabelige instrumenter begyndte observatoriet snart at tage data og at fange spektakulære billeder af kosmos.
Det første JWST-billede blev annonceret af den amerikanske præsident Joe Biden ved en særlig begivenhed i Det Hvide Hus, og mange blændende billeder er siden blevet frigivet. Observatoriet forventes at fungere langt ind i 2030'erne og er allerede på vej til at revolutionere astronomi.
Første-i-menneskelig FLASH protonterapi
Til Emily Daugherty fra University of Cincinnati i USA og samarbejdspartnere, der arbejder på FAST-01 prøveversion for at udføre første kliniske forsøg med FLASH-strålebehandling og den første-i-menneskelige brug af FLASH protonterapi.
FLASH-strålebehandling er en ny behandlingsteknik, hvor stråling leveres med ultrahøje dosishastigheder, en tilgang, der menes at skåne sundt væv, mens den stadig effektivt dræber kræftceller. Brug af protoner til at levere strålingen med ultrahøj dosis vil tillade behandling af tumorer placeret dybt inde i kroppen.
Forsøget omfattede 10 patienter med smertefulde knoglemetastaser i deres arme og ben, som modtog en enkelt protonbehandling leveret ved 40 Gy/s eller mere - omkring 1000 gange dosishastigheden af konventionel fotonstrålebehandling. Holdet demonstrerede gennemførligheden af den kliniske arbejdsgang og viste, at FLASH protonterapi var lige så effektiv som konventionel strålebehandling til smertelindring uden at forårsage uventede bivirkninger.
Perfektion af lystransmission og absorption
Til et hold ledet af Stefan Rotter fra Østrigs tekniske universitet i Wien og Matthieu Davy fra universitetet i Rennes i Frankrig for at skabe en antirefleksstruktur, der muliggør perfekt transmission gennem komplekse medier; sammen med et samarbejde ledet af Rotter og Ori Katz fra det hebraiske universitet i Jerusalem i Israel, for at udvikle en "anti-laser”, der gør det muligt for ethvert materiale at absorbere alt lys fra en bred vifte af vinkler.
I den første undersøgelse designede forskerne et anti-reflektionslag, der er matematisk optimeret til at matche den måde, bølger ville reflektere fra den forreste overflade af et objekt. At placere denne struktur foran et tilfældigt uordnet medium eliminerer fuldstændigt refleksioner og gør objektet gennemskinneligt for alle indkommende lysbølger.
I den anden undersøgelse udviklede holdet en sammenhængende perfekt absorber, baseret på et sæt spejle og linser, der fanger indkommende lys inde i et hulrum. På grund af præcist beregnede interferenseffekter interfererer den indfaldende stråle med den stråle, der reflekteres tilbage mellem spejlene, således at den reflekterede stråle næsten slukkes helt.
Kubisk borarsenid er en mesterhalvleder
Til uafhængige teams ledet af Gang Chen ved Massachusetts Institute of Technology i USA og Xinfeng Liu fra National Center for Nanoscience and Technology i Beijing, Kina for at vise, at kubisk borarsenid er en af de bedste halvledere kendt af videnskaben.
De to grupper lavede eksperimenter, der afslørede, at små, rene områder af materialet har en meget højere varmeledningsevne og hulmobilitet end halvledere som silicium, der danner grundlaget for moderne elektronik. Siliciums mobilitet med lavt hul begrænser hastigheden, hvormed siliciumenheder fungerer, mens dets lave varmeledningsevne får elektroniske enheder til at overophedes.
Kubisk borarsenid var derimod længe blevet forudsagt at overgå silicium på disse foranstaltninger, men forskere havde kæmpet for at skabe store nok enkrystalprøver af materialet til at måle dets egenskaber. Nu har begge hold imidlertid nu overvundet denne udfordring, og bragt den praktiske brug af kubisk borarsenid et skridt nærmere.
Ændring af en asteroides bane
Til NASA og Johns Hopkins Applied Physics Laboratory i USA forum den første demonstration af "kinetisk påvirkning" ved succesfuldt at ændre en asteroides kredsløb.
Lanceret i november 2021, Dobbelt asteroide omdirigeringstest (DART)-fartøjet var den første mission nogensinde til at undersøge en asteroides kinetiske påvirkning. Dens mål var et binært jordnært asteroidesystem bestående af et legeme på 160 meter i diameter kaldet Dimorphos, der kredser om en større asteroide med en diameter på 780 meter kaldet Didymos.
Efter en 11 millioner kilometer lang rejse til asteroidesystemet ramte DART i oktober med succes Dimorphos, mens den rejste med omkring 6 km/s. Dage senere, NASA bekræftet at DART med succes havde ændret Dimorphos' kredsløb med 32 minutter – hvilket forkortede kredsløbet fra 11 timer og 55 minutters kredsløb til 11 timer og 23 minutter.
Denne ændring var omkring 25 gange større end de 73 sekunder, som NASA havde defineret som en mindste vellykket kredsløbsperiodeændring. Resultaterne vil også blive brugt til at vurdere, hvordan man bedst anvender den kinetiske påvirkningsteknik til at forsvare vores planet.
Detektering af en Aharonov-Bohm-effekt for tyngdekraften
Til Chris Overstreet, Peter Asenbaum, Mark Kasevich og kolleger ved Stanford University i USA for at detektere en Aharonov-Bohm-effekt for tyngdekraften.
Først forudsagt i 1949, er den oprindelige Aharonov-Bohm-effekt et kvantefænomen, hvor bølgefunktionen af en ladet partikel påvirkes af et elektrisk eller magnetisk potentiale, selv når partiklen er i et område med nul elektriske og magnetiske felter. Siden 1960'erne er effekten blevet observeret ved at splitte en elektronstråle og sende de to stråler på hver side af et område, der indeholder et fuldstændigt afskærmet magnetfelt. Når strålerne rekombineres ved en detektor, afsløres Aharonov-Bohm-effekten som en interferens mellem strålerne.
Nu har Stanford-fysikerne observeret en gravitationsversion af effekten ved hjælp af ultrakolde atomer. Holdet delte atomerne i to grupper, der var adskilt med omkring 25 cm, hvor en gruppe interagerer gravitationsmæssigt med en stor masse. Når de blev rekombineret, viste atomerne en interferens, der er i overensstemmelse med en Aharonov-Bohm-effekt for tyngdekraften. Effekten kunne bruges til at bestemme Newtons gravitationskonstant med meget høj præcision.
- Tillykke til alle de hold, der er blevet hædret – og følg med på den samlede vinder, som offentliggøres onsdag den 14. december 2022.
