Physik-Welt freut sich, seine Top 10 Breakthroughs of the Year für 2022 bekannt zu geben, die alles von Quanten- und Medizinphysik bis hin zu Astronomie und kondensierter Materie umfassen. Das insgesamt Physik-Welt Der Durchbruch des Jahres wird am Mittwoch, den 14. Dezember bekannt gegeben.
Die 10 Durchbrüche wurden von einer Jury ausgewählt Physik-Welt Redakteure, die in diesem Jahr Hunderte von Forschungsaktualisierungen aus allen Bereichen der Physik durchgesehen haben, die auf der Website veröffentlicht wurden. Zusätzlich zur Meldung in Physik-Welt 2022 müssen die Auswahlen die folgenden Kriterien erfüllen:
- Signifikanter Fortschritt in Wissen oder Verständnis
- Bedeutung der Arbeit für den wissenschaftlichen Fortschritt und/oder die Entwicklung realer Anwendungen
- Von allgemeinem Interesse an Physik-Welt Leser
Die Top 10 Breakthroughs für 2022 sind unten in keiner bestimmten Reihenfolge aufgeführt. Kommen Sie nächste Woche wieder, um herauszufinden, wer den Overall eingesackt hat Physik-Welt Durchbruch des Jahres ausgezeichnet.
Der Beginn einer neuen Ära für die ultrakalte Chemie
Zu Bo Zhao, Jian-Wei Pan und Kollegen an der University of Science and Technology of China (USTC) und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking; und selbstständig zu John Doyle und Kollegen an der Harvard University in den USA für die Herstellung der ersten ultrakalten mehratomigen Moleküle.
Obwohl Physiker seit mehr als 30 Jahren Atome auf einen Bruchteil über dem absoluten Nullpunkt kühlen und die ersten ultrakalten zweiatomigen Moleküle Mitte der 2000er Jahre auftauchten, hatte sich das Ziel, ultrakalte Moleküle mit drei oder mehr Atomen herzustellen, als unerreichbar erwiesen.
Unter Verwendung unterschiedlicher und komplementärer Techniken stellten die USTC- und Harvard-Teams Proben von her dreiatomige Natrium-Kalium-Moleküle bei 220 nK und Natriumhydroxid bei 110 µK. Ihre Errungenschaft ebnet den Weg für neue Forschungen sowohl in der Physik als auch in der Chemie, mit Studien zu ultrakalten chemischen Reaktionen, neuartigen Formen der Quantensimulation und Tests der Grundlagenforschung, die dank dieser mehratomigen molekularen Plattformen alle näher an der Realisierung liegen.
Beobachtung des Tetraneutrons
Zu Meytal Dür am Institut für Kernphysik an der deutschen Technischen Universität Darmstadt und dem Rest der SAMURAI-Zusammenarbeit für Beobachtung des Tetraneutrons und zeigen, dass ungeladene Kernmaterie existiert, wenn auch nur für sehr kurze Zeit.
Das aus vier Neutronen bestehende Tetraneutron wurde in der Radioactive Ion Beam Factory des RIKEN Nishina Center in Japan entdeckt. Die Tetraneutronen wurden erzeugt, indem Helium-8-Kerne auf ein Target aus flüssigem Wasserstoff geschossen wurden. Die Kollisionen können einen Helium-8-Kern in ein Alpha-Teilchen (zwei Protonen und zwei Neutronen) und ein Tetraneutron spalten.
Durch den Nachweis der zurückprallenden Alphateilchen und Wasserstoffkerne stellte das Team fest, dass die vier Neutronen nur 10 Jahre lang in einem ungebundenen Tetraneutronenzustand existierten-22 s. Die statistische Signifikanz der Beobachtung ist größer als 5σ und liegt damit über der Schwelle für eine Entdeckung in der Teilchenphysik. Das Team plant nun, die einzelnen Neutronen innerhalb von Tetraneutronen zu untersuchen und nach neuen Teilchen zu suchen, die sechs und acht Neutronen enthalten.
Supereffiziente Stromerzeugung
Zu Alina Lapotin, Asegun Henry und Kollegen am Massachusetts Institute of Technology und am National Renewable Energy Laboratory, USA, z Bau einer thermophotovoltaischen (TPV) Zelle mit einem Wirkungsgrad von über 40 %.
Die neue TPV-Zelle ist die erste Festkörper-Wärmekraftmaschine überhaupt, die Infrarotlicht effizienter in elektrische Energie umwandelt als ein turbinenbasierter Generator, und sie kann mit einer breiten Palette möglicher Wärmequellen betrieben werden. Dazu gehören thermische Energiespeicher, Sonnenstrahlung (über einen zwischengeschalteten Strahlungsabsorber) und Abwärme sowie Kernreaktionen oder Verbrennungen. Das Gerät könnte daher ein wichtiger Bestandteil eines saubereren, umweltfreundlicheren Stromnetzes und eine Ergänzung zu Solarzellen mit sichtbarem Licht werden.
Der schnellstmögliche optoelektronische Schalter
Zu Markus Ossiander, Martin Schultze und Kollegen am Max-Planck-Institut für Quantenoptik und LMU München in Deutschland; die Technische Universität Wien und die Technische Universität Graz in Österreich; und das CNR NANOTEC Institut für Nanotechnologie in Italien, z Definition und Erforschung der „Geschwindigkeitsgrenzen“ der optoelektronischen Schaltung in einem physischen Gerät.
Das Team verwendete Laserpulse mit einer Dauer von nur einer Femtosekunde (10-15 s), um eine Probe eines dielektrischen Materials von einem isolierenden in einen leitenden Zustand mit der Geschwindigkeit zu schalten, die erforderlich ist, um einen Schalter zu realisieren, der 1000 Billionen Mal pro Sekunde (ein Petahertz) arbeitet. Obwohl der wohnungsgroße Apparat, der zum Betrieb dieses superschnellen Schalters erforderlich ist, bedeutet, dass er in absehbarer Zeit nicht in praktischen Geräten erscheinen wird, implizieren die Ergebnisse eine grundlegende Grenze für die klassische Signalverarbeitung und legen nahe, dass Petahertz-Festkörper-Optoelektronik im Prinzip machbar ist .
Ein neues Fenster zum Universum öffnen
An die NASA, die Canadian Space Agency und die European Space Agency für den Einsatz und erste Bilder aus der James Webb Weltraumteleskop (JWST).
Nach Jahren der Verzögerungen und Kostensteigerungen ist der 10-Milliarden-Dollar-JWST endlich gestartet am 25. Dezember 2021. Für viele Raumsonden ist der Start der gefährlichste Teil der Mission, aber das JWST musste auch eine Reihe gefährlicher Auspackmanöver im Weltraum überstehen, bei denen sowohl der 6.5-m-Hauptspiegel ausgeklappt als auch der Spiegel ausgerollt werden mussten Sonnenschutz in Tennisplatzgröße.
Vor dem Start identifizierten die Ingenieure 344 Einzelfehler, die die Mission des Observatoriums hätten behindern oder, schlimmer noch, unbrauchbar machen können. Bemerkenswerterweise wurden keine Probleme festgestellt und folgende die Inbetriebnahme der wissenschaftlichen Instrumente des JWST begann das Observatorium bald, Daten zu sammeln und spektakuläre Bilder des Kosmos einzufangen.
Das erste JWST-Bild wurde von US-Präsident Joe Biden bei einer Sonderveranstaltung im Weißen Haus angekündigt, und seitdem wurden viele schillernde Bilder veröffentlicht. Das Observatorium soll bis weit in die 2030er Jahre hinein betrieben werden und ist bereits auf dem Weg, die Astronomie zu revolutionieren.
Erste FLASH-Protonentherapie beim Menschen
Zu Emily Tochter von der University of Cincinnati in den USA und Mitarbeitern, die an der arbeiten FAST-01-Studie zur Durchführung der erste klinische Studie zur FLASH-Strahlentherapie und die erstmalige Anwendung der FLASH-Protonentherapie beim Menschen.
Die FLASH-Strahlentherapie ist eine aufkommende Behandlungstechnik, bei der Strahlung mit ultrahohen Dosisraten abgegeben wird, ein Ansatz, von dem angenommen wird, dass er gesundes Gewebe schont und Krebszellen dennoch effektiv abtötet. Die Verwendung von Protonen zur Abgabe der Strahlung mit ultrahoher Dosisleistung wird die Behandlung von Tumoren ermöglichen, die sich tief im Körper befinden.
Die Studie umfasste 10 Patienten mit schmerzhaften Knochenmetastasen in Armen und Beinen, die eine einzelne Protonenbehandlung mit 40 Gy/s oder mehr erhielten – etwa das 1000-fache der Dosisrate einer herkömmlichen Photonenbestrahlung. Das Team demonstrierte die Machbarkeit des klinischen Arbeitsablaufs und zeigte, dass die FLASH-Protonentherapie zur Schmerzlinderung genauso wirksam war wie die konventionelle Strahlentherapie, ohne unerwartete Nebenwirkungen zu verursachen.
Perfektionierung der Lichtdurchlässigkeit und -absorption
An ein Team unter der Leitung von Stefan Rott der österreichischen Technischen Universität Wien und Matthias Davy der Universität Rennes in Frankreich für die Schaffung einer Antireflexionsstruktur, die es ermöglicht perfekte Übertragung durch komplexe Medien; zusammen mit einer Zusammenarbeit unter der Leitung von Rotter und Ori Katz von der Hebräischen Universität Jerusalem in Israel für die Entwicklung eines „Anti-Laser“, die es jedem Material ermöglicht, das gesamte Licht aus einer Vielzahl von Winkeln zu absorbieren.
In der ersten Untersuchung entwarfen die Forscher eine Antireflexionsschicht, die mathematisch so optimiert ist, dass sie der Art und Weise entspricht, wie Wellen von der Vorderseite eines Objekts reflektiert werden. Das Platzieren dieser Struktur vor einem zufällig ungeordneten Medium eliminiert Reflexionen vollständig und macht das Objekt für alle einfallenden Lichtwellen durchscheinend.
In der zweiten Studie entwickelte das Team einen kohärenten perfekten Absorber, der auf einer Reihe von Spiegeln und Linsen basiert und einfallendes Licht in einem Hohlraum einfängt. Durch genau berechnete Interferenzeffekte interferiert der einfallende Strahl mit dem zwischen den Spiegeln zurückreflektierten Strahl, so dass der reflektierte Strahl nahezu vollständig ausgelöscht wird.
Kubisches Borarsenid ist ein Champion-Halbleiter
Zu unabhängigen Teams geführt von Gang Chen am Massachusetts Institute of Technology in den USA und Xinfeng Liu vom National Center for Nanoscience and Technology in Peking, China für den Nachweis, dass es sich um kubisches Borarsenid handelt einer der besten Halbleiter, die der Wissenschaft bekannt sind.
Die beiden Gruppen führten Experimente durch, die zeigten, dass kleine, reine Bereiche des Materials eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit und Lochmobilität aufweisen als Halbleiter wie Silizium, das die Grundlage moderner Elektronik bildet. Die geringe Lochmobilität von Silizium begrenzt die Geschwindigkeit, mit der Siliziumgeräte arbeiten, während seine geringe Wärmeleitfähigkeit dazu führt, dass elektronische Geräte überhitzen.
Im Gegensatz dazu wurde lange vorhergesagt, dass kubisches Borarsenid Silizium bei diesen Messungen übertreffen würde, aber die Forscher hatten Mühe, ausreichend große Einkristallproben des Materials herzustellen, um seine Eigenschaften zu messen. Nun aber haben beide Teams diese Herausforderung gemeistert und sind der praktischen Anwendung von kubischem Borarsenid einen Schritt näher gekommen.
Änderung der Umlaufbahn eines Asteroiden
Zur Nasa und für Johns Hopkins Angewandtes Physiklabor in den USA für die erste Vorführung des „kinetischen Aufpralls“ durch erfolgreiche Veränderung der Umlaufbahn eines Asteroiden.
Gestartet im November 2021, der Doppelter Asteroiden-Umleitungstest (DART) war die allererste Mission zur Untersuchung des kinetischen Aufpralls eines Asteroiden. Sein Ziel war ein binäres erdnahes Asteroidensystem, bestehend aus einem Körper mit 160 Metern Durchmesser namens Dimorphos, der einen größeren Asteroiden mit 780 Metern Durchmesser namens Didymos umkreist.
Nach einer 11 Millionen Kilometer langen Reise zum Asteroidensystem traf DART im Oktober erfolgreich auf Dimorphos, während es sich mit etwa 6 km/s fortbewegte. Tage später NASA bestätigt dass DART die Umlaufbahn der Dimorphos erfolgreich um 32 Minuten geändert hatte – und die Umlaufbahn von 11 Stunden und 55 Minuten auf 11 Stunden und 23 Minuten verkürzt hatte.
Diese Änderung war etwa 25-mal größer als die 73 Sekunden, die die NASA als minimale erfolgreiche Änderung der Umlaufzeit definiert hatte. Die Ergebnisse werden auch verwendet, um zu beurteilen, wie die kinetische Schlagtechnik am besten zur Verteidigung unseres Planeten angewendet werden kann.
Nachweis eines Aharonov-Bohm-Effekts für die Schwerkraft
Zu Chris Oberstraße, Peter Assenbaum, Markus Kasewitsch und Kollegen an der Stanford University in den USA für die Entdeckung eines Aharonov-Bohm-Effekts für die Schwerkraft.
Der ursprüngliche Aharonov-Bohm-Effekt, der erstmals 1949 vorhergesagt wurde, ist ein Quantenphänomen, bei dem die Wellenfunktion eines geladenen Teilchens durch ein elektrisches oder magnetisches Potential beeinflusst wird, selbst wenn sich das Teilchen in einem Bereich mit elektrischen und magnetischen Feldern von Null befindet. Seit den 1960er Jahren wurde der Effekt beobachtet, indem ein Elektronenstrahl geteilt und die beiden Strahlen zu beiden Seiten eines Bereichs gesendet wurden, der ein vollständig abgeschirmtes Magnetfeld enthält. Wenn die Strahlen an einem Detektor rekombiniert werden, zeigt sich der Aharonov-Bohm-Effekt als Interferenz zwischen den Strahlen.
Nun haben die Stanford-Physiker eine beobachtet Gravitationsversion des Effekts mit ultrakalten Atomen. Das Team teilte die Atome in zwei Gruppen auf, die etwa 25 cm voneinander entfernt waren, wobei eine Gruppe gravitativ mit einer großen Masse wechselwirkte. Bei der Rekombination zeigten die Atome eine Interferenz, die mit einem Aharonov-Bohm-Effekt für die Schwerkraft übereinstimmt. Der Effekt könnte genutzt werden, um die Newtonsche Gravitationskonstante mit sehr hoher Genauigkeit zu bestimmen.
- Herzlichen Glückwunsch an alle ausgezeichneten Teams – und seien Sie gespannt auf den Gesamtsieger, der am Mittwoch, den 14. Dezember 2022 bekannt gegeben wird.
