Κόσμος Φυσικής είναι στην ευχάριστη θέση να ανακοινώσει τις 10 κορυφαίες ανακαλύψεις της χρονιάς για το 2022, οι οποίες καλύπτουν τα πάντα, από την κβαντική και ιατρική φυσική μέχρι την αστρονομία και τη συμπυκνωμένη ύλη. Το συνολικό Κόσμος Φυσικής Το Breakthrough of the Year θα αποκαλυφθεί την Τετάρτη 14 Δεκεμβρίου.
Τα 10 Breakthroughs επιλέχθηκαν από μια επιτροπή Κόσμος Φυσικής συντάκτες, οι οποίοι εξέτασαν εκατοντάδες ερευνητικές ενημερώσεις που δημοσιεύθηκαν στον ιστότοπο φέτος σε όλους τους τομείς της φυσικής. Εκτός από το ότι έχει αναφερθεί σε Κόσμος Φυσικής το 2022, οι επιλογές πρέπει να πληρούν τα ακόλουθα κριτήρια:
- Σημαντική πρόοδος στη γνώση ή την κατανόηση
- Σημασία της εργασίας για την επιστημονική πρόοδο ή/και την ανάπτυξη εφαρμογών πραγματικού κόσμου
- Γενικού ενδιαφέροντος για Κόσμος Φυσικής αναγνώστες
Οι 10 κορυφαίες ανακαλύψεις για το 2022 παρατίθενται παρακάτω χωρίς ιδιαίτερη σειρά. Επιστρέψτε την επόμενη εβδομάδα για να μάθετε ποιο είναι το σύνολο Κόσμος Φυσικής Βραβείο Breakthrough of the Year.
Ξεκινώντας μια νέα εποχή για την υπερψυχρή χημεία
Προς την Μπο Ζάο, Τζιαν-Γουι Παν και συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας (USTC) και στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών στο Πεκίνο· και ανεξάρτητα να Τζον Ντόιλ και τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ στις ΗΠΑ, για τη δημιουργία των πρώτων υπερψυχρών πολυατομικών μορίων.
Αν και οι φυσικοί ψύχουν τα άτομα σε ένα κλάσμα πάνω από το απόλυτο μηδέν για περισσότερα από 30 χρόνια, και τα πρώτα υπερψυχρά διατομικά μόρια εμφανίστηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 2000, ο στόχος της δημιουργίας υπερψυχρών μορίων που περιέχουν τρία ή περισσότερα άτομα είχε αποδειχτεί άπιαστος.
Χρησιμοποιώντας διαφορετικές και συμπληρωματικές τεχνικές, οι ομάδες USTC και Harvard παρήγαγαν δείγματα τριατομικά μόρια νατρίου-καλίου στα 220 nK και υδροξείδιο του νατρίου στα 110 μΚ, αντίστοιχα. Το επίτευγμά τους ανοίγει το δρόμο για νέα έρευνα τόσο στη φυσική όσο και στη χημεία, με μελέτες υπερψυχρών χημικών αντιδράσεων, καινοτόμες μορφές κβαντικής προσομοίωσης και δοκιμές θεμελιωδών επιστημών, όλα πιο κοντά στο να πραγματοποιηθούν χάρη σε αυτές τις μοριακές πλατφόρμες πολλαπλών ατόμων.
Παρατηρώντας το τετρανετρόνιο
Προς την Meytal Duer στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Ντάρμσταντ της Γερμανίας και στο υπόλοιπο Συνεργασία SAMURAI for παρατηρώντας το τετρανετρόνιο και δείχνοντας ότι υπάρχει αφόρτιστη πυρηνική ύλη, έστω και για πολύ μικρό χρονικό διάστημα.
Αποτελούμενο από τέσσερα νετρόνια, το τετρανετρόνιο εντοπίστηκε στο εργοστάσιο ραδιενεργών ακτίνων ιόντων του RIKEN Nishina Centre στην Ιαπωνία. Τα τετρανετρόνια δημιουργήθηκαν πυροδοτώντας πυρήνες ηλίου-8 σε στόχο υγρού υδρογόνου. Οι συγκρούσεις μπορούν να χωρίσουν έναν πυρήνα ηλίου-8 σε ένα σωματίδιο άλφα (δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια) και ένα τετρανετρόνιο.
Ανιχνεύοντας τα σωματίδια άλφα και τους πυρήνες υδρογόνου που υποχωρούν, η ομάδα ανακάλυψε ότι τα τέσσερα νετρόνια υπήρχαν σε αδέσμευτη κατάσταση τετρανετρονίων για μόλις 10-22 μικρό. Η στατιστική σημασία της παρατήρησης είναι μεγαλύτερη από 5σ, βάζοντας την πάνω από το όριο για μια ανακάλυψη στη σωματιδιακή φυσική. Η ομάδα σχεδιάζει τώρα να μελετήσει τα μεμονωμένα νετρόνια μέσα στα τετρανετρόνια και να αναζητήσει νέα σωματίδια που περιέχουν έξι και οκτώ νετρόνια.
Εξαιρετικά αποδοτική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας
Προς την Alina LaPotin, Ασεγκούν Χένρι και συναδέλφους στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, ΗΠΑ, για κατασκευή θερμοφωτοβολταϊκού στοιχείου (TPV) με απόδοση μεγαλύτερη από 40%.
Η νέα κυψέλη TPV είναι η πρώτη θερμική μηχανή στερεάς κατάστασης οποιουδήποτε είδους που μετατρέπει το υπέρυθρο φως σε ηλεκτρική ενέργεια πιο αποτελεσματικά από μια γεννήτρια που βασίζεται σε στρόβιλο και μπορεί να λειτουργήσει με ένα ευρύ φάσμα πιθανών πηγών θερμότητας. Αυτά περιλαμβάνουν συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας, ηλιακή ακτινοβολία (μέσω ενδιάμεσου απορροφητή ακτινοβολίας) και απορριπτόμενη θερμότητα καθώς και πυρηνικές αντιδράσεις ή καύση. Η συσκευή θα μπορούσε επομένως να γίνει ένα σημαντικό στοιχείο ενός καθαρότερου, πιο πράσινου δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας και συμπλήρωμα των ηλιακών φωτοβολταϊκών κυψελών ορατού φωτός.
Ο ταχύτερος δυνατός οπτοηλεκτρονικός διακόπτης
Προς την Μάρκους Οσιάντερ, Μάρτιν Σούλτζε και συναδέλφους στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική και το LMU του Μονάχου στη Γερμανία. το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης και το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Γκρατς στην Αυστρία· και το Ινστιτούτο Νανοτεχνολογίας CNR NANOTEC στην Ιταλία, για ορίζοντας και διερευνώντας τα «όρια ταχύτητας» της οπτοηλεκτρονικής μεταγωγής σε μια φυσική συσκευή.
Η ομάδα χρησιμοποίησε παλμούς λέιζερ διάρκειας μόλις ενός femtosecond (10-15 s) για να αλλάξει ένα δείγμα διηλεκτρικού υλικού από μονωτική σε αγώγιμη κατάσταση με την ταχύτητα που απαιτείται για να πραγματοποιηθεί ένας διακόπτης που λειτουργεί 1000 τρισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο (ένα πετάχερτζ). Αν και η συσκευή μεγέθους διαμερίσματος που απαιτείται για την οδήγηση αυτού του εξαιρετικά γρήγορου διακόπτη σημαίνει ότι δεν θα εμφανιστεί σύντομα σε πρακτικές συσκευές, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ένα θεμελιώδες όριο για την κλασική επεξεργασία σήματος και υποδηλώνουν ότι η οπτοηλεκτρονική στερεάς κατάστασης petahertz είναι, καταρχήν, εφικτή. .
Ανοίγοντας ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν
Στη NASA, την Καναδική Διαστημική Υπηρεσία και τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος για την ανάπτυξη και οι πρώτες εικόνες από το Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST).
Μετά από χρόνια καθυστερήσεων και αυξήσεων κόστους, το JWST $10 δις τελικά κυκλοφόρησε στις 25 Δεκεμβρίου 2021. Για πολλούς διαστημικούς ανιχνευτές, η εκτόξευση είναι το πιο επικίνδυνο μέρος της αποστολής, αλλά το JWST έπρεπε επίσης να επιβιώσει από μια σειρά επικίνδυνων ελιγμών αποσυσκευασίας στο βαθύ διάστημα, που περιλάμβαναν το ξεδίπλωμα του πρωτεύοντος καθρέφτη μήκους 6.5 μέτρων καθώς και το ξετύλιγμα του Ηλιοπροστασία μεγέθους γηπέδου τένις.
Πριν από την εκτόξευση, οι μηχανικοί εντόπισαν 344 αστοχίες «ενός σημείου» που θα μπορούσαν να παρεμπόδιζαν την αποστολή του παρατηρητηρίου ή ακόμα χειρότερα να το καταστήσουν άχρηστο. Σημειωτέον, δεν παρουσιάστηκαν προβλήματα και δεν ακολούθησαν η θέση σε λειτουργία από τα επιστημονικά όργανα του JWST, το παρατηρητήριο άρχισε σύντομα να λαμβάνει δεδομένα και καταγράφοντας εντυπωσιακές εικόνες του σύμπαντος.
Η πρώτη φωτογραφία του JWST ανακοινώθηκε από τον πρόεδρο των ΗΠΑ Τζο Μπάιντεν σε ειδική εκδήλωση στον Λευκό Οίκο και έκτοτε έχουν κυκλοφορήσει πολλές εκθαμβωτικές εικόνες. Το αστεροσκοπείο αναμένεται να λειτουργήσει μέχρι τη δεκαετία του 2030 και ήδη βρίσκεται σε τροχιά να φέρει επανάσταση στην αστρονομία.
Πρώτη σε άνθρωπο θεραπεία πρωτονίων FLASH
Προς την Έμιλυ Ντόχερτι από το Πανεπιστήμιο του Σινσινάτι στις ΗΠΑ και συνεργάτες που εργάζονται στο Δοκιμή FAST-01 για την εκτέλεση του πρώτη κλινική δοκιμή ακτινοθεραπείας FLASH και η πρώτη στον άνθρωπο χρήση της θεραπείας με πρωτόνια FLASH.
Η ακτινοθεραπεία FLASH είναι μια αναδυόμενη θεραπευτική τεχνική στην οποία η ακτινοβολία χορηγείται σε εξαιρετικά υψηλούς ρυθμούς δόσης, μια προσέγγιση που πιστεύεται ότι προστατεύει τον υγιή ιστό ενώ εξακολουθεί να σκοτώνει αποτελεσματικά τα καρκινικά κύτταρα. Η χρήση πρωτονίων για την παροχή ακτινοβολίας εξαιρετικά υψηλής δόσης θα επιτρέψει τη θεραπεία όγκων που βρίσκονται βαθιά μέσα στο σώμα.
Η δοκιμή περιελάμβανε 10 ασθενείς με επώδυνες οστικές μεταστάσεις στα χέρια και τα πόδια τους, οι οποίοι έλαβαν θεραπεία με ένα μόνο πρωτόνιο που χορηγήθηκε με ταχύτητα 40 Gy/s ή μεγαλύτερη – περίπου 1000 φορές την ταχύτητα δόσης της συμβατικής ακτινοθεραπείας με φωτόνια. Η ομάδα απέδειξε τη σκοπιμότητα της κλινικής ροής εργασιών και έδειξε ότι η θεραπεία με πρωτόνια FLASH ήταν εξίσου αποτελεσματική με τη συμβατική ακτινοθεραπεία για την ανακούφιση από τον πόνο, χωρίς να προκαλέσει απροσδόκητες παρενέργειες.
Τέλεια μετάδοση και απορρόφηση φωτός
Σε μια ομάδα με επικεφαλής τον Στέφαν Ρότερ του Τεχνικού Πανεπιστημίου της Αυστρίας της Βιέννης και Matthieu Davy του Πανεπιστημίου της Ρεν στη Γαλλία για τη δημιουργία μιας αντιανακλαστικής δομής που επιτρέπει τέλεια μετάδοση μέσω πολύπλοκων μέσων; μαζί με μια συνεργασία με επικεφαλής τον Rotter και Όρι Κατς από το Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ στο Ισραήλ, για την ανάπτυξη ενός «αντι-λέιζερ" που επιτρέπει σε οποιοδήποτε υλικό να απορροφά όλο το φως από ένα ευρύ φάσμα γωνιών.
Στην πρώτη έρευνα, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα αντιανακλαστικό στρώμα που είναι μαθηματικά βελτιστοποιημένο για να ταιριάζει με τον τρόπο με τον οποίο τα κύματα θα αντανακλώνται από την μπροστινή επιφάνεια ενός αντικειμένου. Η τοποθέτηση αυτής της δομής μπροστά από ένα τυχαία διαταραγμένο μέσο εξαλείφει εντελώς τις αντανακλάσεις και κάνει το αντικείμενο ημιδιαφανές σε όλα τα εισερχόμενα κύματα φωτός.
Στη δεύτερη μελέτη, η ομάδα ανέπτυξε έναν συνεκτικό τέλειο απορροφητή, που βασίζεται σε ένα σύνολο καθρεφτών και φακών, που παγιδεύει το εισερχόμενο φως μέσα σε μια κοιλότητα. Λόγω των επακριβώς υπολογισμένων επιδράσεων παρεμβολής, η προσπίπτουσα δέσμη παρεμβαίνει στη δέσμη που ανακλάται πίσω μεταξύ των κατόπτρων, έτσι ώστε η ανακλώμενη δέσμη να σβήνει σχεδόν εντελώς.
Το αρσενίδιο του κυβικού βορίου είναι πρωταθλητής ημιαγωγών
Σε ανεξάρτητες ομάδες με επικεφαλής Γκανγκ Τσεν στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στις ΗΠΑ και Xinfeng Liu του Εθνικού Κέντρου Νανοεπιστήμης και Τεχνολογίας στο Πεκίνο της Κίνας για την απόδειξη ότι το αρσενίδιο του κυβικού βορίου είναι ένας από τους καλύτερους ημιαγωγούς που γνωρίζει η επιστήμη.
Οι δύο ομάδες έκαναν πειράματα που αποκάλυψαν ότι μικρές, καθαρές περιοχές του υλικού έχουν πολύ υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα και κινητικότητα οπών από ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο, που αποτελεί τη βάση των σύγχρονων ηλεκτρονικών. Η χαμηλή κινητικότητα της οπής του πυριτίου περιορίζει την ταχύτητα με την οποία λειτουργούν οι συσκευές πυριτίου, ενώ η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα προκαλεί υπερθέρμανση των ηλεκτρονικών συσκευών.
Το κυβικό αρσενίδιο του βορίου, αντίθετα, είχε προβλεφθεί εδώ και καιρό ότι θα υπερτερούσε του πυριτίου σε αυτά τα μέτρα, αλλά οι ερευνητές είχαν αγωνιστεί να δημιουργήσουν αρκετά μεγάλα μονοκρυσταλλικά δείγματα του υλικού για να μετρήσουν τις ιδιότητές του. Τώρα, ωστόσο, και οι δύο ομάδες έχουν πλέον ξεπεράσει αυτήν την πρόκληση, φέρνοντας την πρακτική χρήση του κυβικού αρσενιδίου του βορίου ένα βήμα πιο κοντά.
Αλλαγή της τροχιάς ενός αστεροειδούς
Στη NASA και την Johns Hopkins Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής στις Η.Π.Α for η πρώτη επίδειξη της «κινητικής πρόσκρουσης» αλλάζοντας με επιτυχία την τροχιά ενός αστεροειδούς.
Κυκλοφόρησε τον Νοέμβριο του 2021, τη Δοκιμή διπλής ανακατεύθυνσης αστεροειδών Το σκάφος (DART) ήταν η πρώτη αποστολή για τη διερεύνηση της κινητικής πρόσκρουσης ενός αστεροειδούς. Ο στόχος του ήταν ένα δυαδικό σύστημα αστεροειδών κοντά στη Γη αποτελούμενο από ένα σώμα διαμέτρου 160 μέτρων που ονομάζεται Δήμορφος που περιφέρεται γύρω από έναν μεγαλύτερο αστεροειδή διαμέτρου 780 μέτρων που ονομάζεται Δίδυμος.
Μετά από ένα ταξίδι 11 εκατομμυρίων χιλιομέτρων στο σύστημα αστεροειδών, τον Οκτώβριο το DART προσέκρουσε επιτυχώς στο Dimorphos ενώ ταξίδευε με περίπου 6 km/s. Μέρες αργότερα, η NASA επιβεβαίωσε ότι το DART είχε αλλάξει επιτυχώς την τροχιά του Dimorphos κατά 32 λεπτά – συντομεύοντας την τροχιά από 11 ώρες και 55 λεπτά τροχιάς σε 11 ώρες και 23 λεπτά.
Αυτή η αλλαγή ήταν περίπου 25 φορές μεγαλύτερη από τα 73 δευτερόλεπτα που η NASA είχε ορίσει ως ελάχιστη επιτυχή αλλαγή περιόδου τροχιάς. Τα αποτελέσματα θα χρησιμοποιηθούν επίσης για να αξιολογηθεί ο καλύτερος τρόπος εφαρμογής της τεχνικής κινητικής πρόσκρουσης για την άμυνα του πλανήτη μας.
Ανίχνευση φαινομένου Aharonov-Bohm για τη βαρύτητα
Προς την Κρις Όβερστριτ, Πίτερ Άσενμπαουμ, Μαρκ Κάσεβιτς και τους συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στις ΗΠΑ για την ανίχνευση ενός φαινομένου Aharonov-Bohm για τη βαρύτητα.
Προβλέφθηκε για πρώτη φορά το 1949, το αρχικό φαινόμενο Aharonov-Bohm είναι ένα κβαντικό φαινόμενο όπου η κυματική συνάρτηση ενός φορτισμένου σωματιδίου επηρεάζεται από ένα ηλεκτρικό ή μαγνητικό δυναμικό ακόμη και όταν το σωματίδιο βρίσκεται σε μια περιοχή μηδενικών ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Από τη δεκαετία του 1960, το φαινόμενο παρατηρείται διασπώντας μια δέσμη ηλεκτρονίων και στέλνοντας τις δύο δέσμες εκατέρωθεν μιας περιοχής που περιέχει ένα πλήρως θωρακισμένο μαγνητικό πεδίο. Όταν οι δέσμες ανασυνδυάζονται σε έναν ανιχνευτή, το φαινόμενο Aharonov-Bohm αποκαλύπτεται ως παρεμβολή μεταξύ των ακτίνων.
Τώρα, οι φυσικοί του Στάνφορντ παρατήρησαν α βαρυτική εκδοχή του φαινομένου χρησιμοποιώντας υπερψυχρά άτομα. Η ομάδα χώρισε τα άτομα σε δύο ομάδες που χωρίζονταν κατά περίπου 25 cm, με τη μία ομάδα να αλληλεπιδρά βαρυτικά με μια μεγάλη μάζα. Όταν ανασυνδυάστηκαν, τα άτομα εμφάνισαν μια παρεμβολή που είναι σύμφωνη με το φαινόμενο Aharonov-Bohm για τη βαρύτητα. Το φαινόμενο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της σταθεράς βαρύτητας του Νεύτωνα σε πολύ υψηλή ακρίβεια.
- Συγχαρητήρια σε όλες τις ομάδες που τιμήθηκαν – και μείνετε συντονισμένοι για τον γενικό νικητή, ο οποίος θα ανακοινωθεί την Τετάρτη 14 Δεκεμβρίου 2022.
