Füüsika maailm avaldab heameelega 10. aasta 2022 parimat läbimurret, mis hõlmavad kõike alates kvant- ja meditsiinifüüsikast kuni astronoomia ja kondenseeritud aineni. Üleüldine Füüsika maailm Aasta läbimurre selgub kolmapäeval, 14. detsembril.
10 läbimurret valis välja komitee Füüsika maailm toimetajad, kes sõelusid läbi sadu sel aastal veebisaidil avaldatud teadusuuendusi kõigis füüsikavaldkondades. Lisaks sellele, et on teatatud aastal Füüsika maailm 2022. aastal peavad valikud vastama järgmistele kriteeriumidele:
- Märkimisväärne edasiminek teadmistes või arusaamises
- Töö tähtsus teaduse progressi ja/või reaalmaailma rakenduste arendamise jaoks
- Üldist huvi pakkuv Füüsika maailm lugejad
10. aasta 2022 parimat läbimurret on loetletud allpool ilma kindlas järjekorras. Tulge järgmisel nädalal tagasi, et teada saada, milline on kombinesooni kandnud Füüsika maailm Aasta läbimurde auhind.
Uut ajastut ülikülma keemia jaoks
Et Bo Zhao, Jian-Wei Pan ja kolleegid Hiina teaduse ja tehnoloogia ülikoolist (USTC) ning Hiina teaduste akadeemiast Pekingis; ja iseseisvalt john doyle ja kolleegid USA Harvardi ülikoolist esimeste ülikülmade polüaatomiliste molekulide loomise eest.
Kuigi füüsikud on aatomeid jahutanud murdosani üle absoluutse nulli üle 30 aasta ja esimesed ülikülmad kaheaatomilised molekulid ilmusid 2000. aastate keskel, osutus kolme või enama aatomiga ülikülmade molekulide valmistamise eesmärk raskesti mõistetavaks.
Kasutades erinevaid ja üksteist täiendavaid tehnikaid, valmistasid USTC ja Harvardi meeskonnad näidiseid kolmeaatomilised naatrium-kaaliummolekulid 220 nK juures ja naatriumhüdroksiid vastavalt 110 uK juures. Nende saavutused sillutavad teed uutele teadusuuringutele nii füüsikas kui ka keemias, koos ülikülmade keemiliste reaktsioonide, kvantsimulatsiooni uudsete vormide ja fundamentaalteaduste testidega, mis on tänu nendele mitmeaatomilistele molekulaarplatvormidele lähemal realiseerimisele.
Tetraneutroni jälgimine
Et Meytal Duer Saksamaa Darmstadti Tehnikaülikooli tuumafüüsika instituudis ja ülejäänud SAMURAI koostöö eest tetraneutroni jälgimine ja näitab, et laenguta tuumaaine on olemas, kui ainult väga lühikest aega.
Neljast neutronist koosnevat tetraneutronit märgati Jaapanis RIKEN Nishina keskuse radioaktiivse ioonkiire tehases. Tetraneutronid loodi heelium-8 tuumade tulistamisel vedela vesiniku sihtmärgile. Kokkupõrked võivad heelium-8 tuuma jagada alfaosakeseks (kaks prootonit ja kaks neutronit) ja tetraneutroniks.
Tuvastades tagasitõmbuvad alfaosakesed ja vesiniku tuumad, tegi meeskond kindlaks, et neli neutronit eksisteerisid sidumata tetraneutroni olekus vaid 10-22 s. Vaatluse statistiline olulisus on suurem kui 5σ, mis ületab osakeste füüsika avastuse läve. Meeskond kavatseb nüüd uurida üksikuid neutroneid tetraneutronites ja otsida uusi kuut ja kaheksa neutronit sisaldavaid osakesi.
Ülitõhus elektritootmine
Et Alina LaPotin, Asegun Henry ja kolleegid Massachusettsi Tehnoloogiainstituudist ja USA riiklikust taastuvenergia laborist, termofotoelemendi (TPV) konstrueerimine, mille efektiivsus on üle 40%.
Uus TPV element on esimene tahkis-soojusmootor, mis muudab infrapunavalguse elektrienergiaks tõhusamalt kui turbiinil põhinev generaator, ja see võib töötada paljude võimalike soojusallikatega. Nende hulka kuuluvad soojusenergia salvestamise süsteemid, päikesekiirgus (vahepealse kiirguse neelduja kaudu) ja heitsoojus, samuti tuumareaktsioonid või põlemine. Seetõttu võib seadmest saada puhtama ja rohelisema elektrivõrgu oluline komponent ning nähtava valgusega päikesepatareide täiendus.
Kiireim võimalik optoelektrooniline lüliti
Et Marcus Ossiander, Martin Schultze ja kolleegid Max Plancki kvantoptika instituudist ja LMU Münchenist Saksamaal; Viini Tehnikaülikool ja Grazi Tehnikaülikool Austrias; ja CNR NANOTECi nanotehnoloogia instituut Itaalias optoelektroonilise ümberlülituse "kiiruspiirangute" määratlemine ja uurimine füüsilises seadmes.
Meeskond kasutas laserimpulsse, mis kestsid vaid ühe femtosekundi (10-15 s), et lülitada dielektrilise materjali näidis isoleerivast olekusse juhtivasse olekusse kiirusega, mis on vajalik lüliti teostamiseks, mis töötab 1000 triljonit korda sekundis (üks petaherts). Kuigi selle ülikiire lüliti juhtimiseks vajalik korterisuurune aparaat tähendab, et see ei ilmu praktilistes seadmetes niipea, viitavad tulemused klassikalise signaalitöötluse põhimõttelisele piirile ja viitavad sellele, et petahertsi pooljuhtoptoelektroonika on põhimõtteliselt teostatav. .
Universumi uue akna avamine
NASA-le, Kanada Kosmoseagentuurile ja Euroopa Kosmoseagentuurile kasutuselevõtuks ja esimesed pildid James Webb kosmoseteleskoop (JWST).
Pärast aastaid kestnud viivitusi ja kulude kasvu on 10 miljardi dollari suurune JWST lõpuks käivitatud 25. detsembril 2021. Paljude kosmosesondide jaoks on startimine missiooni kõige ohtlikum osa, kuid JWST pidi üle elama ka rea ohtlikke süvakosmose lahtipakkimismanöövreid, mis hõlmasid nii 6.5-meetrise esmase peegli lahti voltimist kui ka selle lahtiharutamist. tenniseväljaku suurune päikesevari.
Enne käivitamist tuvastasid insenerid 344 "ühepunktilist" riket, mis võisid observatooriumi missiooni takistada või, mis veelgi hullem, muuta selle kasutuskõlbmatuks. Tähelepanuväärne on, et probleeme ei ilmnenud ega järgitud kasutuselevõtt JWST teadusinstrumentidest hakkas observatoorium peagi andmeid koguma ja suurejooneliste kujutiste jäädvustamine kosmosest.
Esimese JWST-pildi avalikustas USA president Joe Biden Valges Majas toimunud eriüritusel ja sellest ajast alates on avaldatud palju silmipimestavaid pilte. Observatoorium peaks tegutsema 2030. aastatel ja on juba kursis astronoomia revolutsiooniliseks muutmiseks.
Esmane FLASH prootonteraapia inimeses
Et Emily Daugherty USA-st Cincinnati ülikoolist ja kaastöötajatest, kes selle kallal töötavad FAST-01 prooviversioon sooritamise eest FLASH kiiritusravi esimene kliiniline uuring ja FLASH prootonteraapia esmakordne kasutamine inimesel.
FLASH-kiiritusravi on arenev ravimeetod, mille puhul kiirgust edastatakse ülikõrgete doosikiirustega, mis arvatakse säästvat terveid kudesid, hävitades samal ajal tõhusalt vähirakke. Prootonite kasutamine ülikõrge doosikiirusega kiirguse edastamiseks võimaldab ravida sügaval kehas paiknevaid kasvajaid.
Uuringus osales 10 patsienti, kelle kätes ja jalgades esinesid valulikud luumetastaasid, kes said ühe prootonravi kiirusega 40 Gy/s või rohkem – ligikaudu 1000 korda suurem doosikiirus kui tavapärasest footonkiirgusest. Meeskond demonstreeris kliinilise töövoo teostatavust ja näitas, et FLASH prootonteraapia oli valu leevendamiseks sama efektiivne kui tavaline kiiritusravi, põhjustamata ootamatuid kõrvalmõjusid.
Täiustab valguse läbilaskvust ja neeldumist
Meeskonnale, mida juhib Stefan Rotter Austria Viini Tehnikaülikoolist ja Matthieu Davy Prantsusmaal Rennes'i ülikoolis peegeldusvastase struktuuri loomise eest, mis võimaldab täiuslik edastamine keeruka meedia kaudu; koos Rotteri ja koostööga Ori Katz Jeruusalemma Heebrea Ülikoolist Iisraelis "anti-laser”, mis võimaldab mis tahes materjalil neelata kogu valgust mitmesuguste nurkade alt.
Esimeses uurimises kavandasid teadlased peegeldusvastase kihi, mis on matemaatiliselt optimeeritud nii, et see vastaks sellele, kuidas lained peegelduvad objekti esipinnalt. Selle struktuuri asetamine juhuslikult korratu keskkonna ette kõrvaldab täielikult peegeldused ja muudab objekti läbipaistvaks kõikidele sissetulevatele valguslainetele.
Teises uuringus töötas meeskond välja ühtse täiusliku neelduja, mis põhineb peeglite ja läätsede komplektil, mis püüab sissetuleva valguse õõnsusse. Täpselt arvutatud interferentsiefektide tõttu häirib langev kiir peeglite vahelt tagasi peegeldunud kiirt, nii et peegeldunud kiir kustub peaaegu täielikult.
Kuubikujuline boorarseniid on meisterpooljuht
Sõltumatutele meeskondadele eesotsas Gang Chen Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis USA-s ja Xinfeng Liu Hiinas Pekingis asuva riikliku nanoteaduste ja tehnoloogia keskuse esindaja, kes näitas, et kuupmeetriline boorarseniid on üks parimaid teadusele teadaolevaid pooljuhte.
Kaks rühma tegid katseid, mis näitasid, et materjali väikestel puhastel piirkondadel on palju suurem soojusjuhtivus ja aukude liikuvus kui pooljuhtidel, nagu räni, mis on kaasaegse elektroonika aluseks. Räni aukude väike liikuvus piirab räniseadmete töökiirust, samas kui selle madal soojusjuhtivus põhjustab elektroonikaseadmete ülekuumenemist.
Seevastu kuupmeetri boorarseniid oli pikka aega ennustanud, et see ületab nende meetmete puhul räni, kuid teadlased olid näinud vaeva, et luua materjalist piisavalt suuri ühekristallseid proove, et mõõta selle omadusi. Nüüd on aga mõlemad meeskonnad sellest väljakutsest üle saanud, viies kuubikuboorarseniidi praktilise kasutamise sammu võrra lähemale.
Asteroidi orbiidi muutmine
NASA-le ja Johns Hopkins Rakendusfüüsika labor USA-s eest esimene demonstratsioon "kineetiline mõju", muutes edukalt asteroidi orbiiti.
Käivitatud novembris 2021, Topeltsteroidi ümbersuunamise test (DART) veesõiduk oli esimene missioon asteroidi kineetilise mõju uurimiseks. Selle sihtmärk oli binaarne Maa-lähedane asteroidisüsteem, mis koosnes 160-meetrise läbimõõduga kehast nimega Dimorphos, mis tiirleb ümber suurema, 780-meetrise läbimõõduga asteroidi nimega Didymos.
Pärast 11 miljoni kilomeetri pikkust teekonda asteroidisüsteemini tabas DART oktoobris edukalt Dimorphost, liikudes kiirusega umbes 6 km/s. Mõni päev hiljem NASA kinnitatud et DART oli edukalt muutnud Dimorphose orbiiti 32 minuti võrra – lühendades orbiidi 11 tunni ja 55 minuti pealt 11 tunni ja 23 minutini.
See muutus oli umbes 25 korda suurem kui 73 sekundit, mille NASA oli määratlenud kui minimaalset edukat orbiidiperioodi muutust. Tulemusi kasutatakse ka selleks, et hinnata, kuidas meie planeedi kaitsmisel kõige paremini rakendada kineetiliste löökide tehnikat.
Gravitatsiooni Aharonovi-Bohmi efekti tuvastamine
Et Chris Overstreet, Peeter Asenbaum, Mark Kasevitš ja kolleegid USA-s Stanfordi ülikoolist gravitatsiooni Aharonovi-Bohmi efekti tuvastamise eest.
Esmakordselt ennustati 1949. aastal, algne Aharonovi-Bohmi efekt on kvantnähtus, mille korral laetud osakese lainefunktsiooni mõjutab elektriline või magnetiline potentsiaal isegi siis, kui osake on nulli elektri- ja magnetväljaga piirkonnas. Alates 1960. aastatest on efekti täheldatud elektronkiire poolitamisel ja kahe kiirte saatmisel täielikult varjestatud magnetvälja sisaldava piirkonna mõlemale poole. Kui talad rekombineeritakse detektoris, ilmneb Aharonovi-Bohmi efekt kui interferents kiirte vahel.
Nüüd on Stanfordi füüsikud täheldanud a efekti gravitatsiooniline versioon ülikülmade aatomite kasutamine. Meeskond jagas aatomid kaheks rühmaks, mida eraldas umbes 25 cm, kusjuures üks rühm suhtles gravitatsiooniliselt suure massiga. Rekombineerimisel avaldasid aatomid häireid, mis on kooskõlas Aharonovi-Bohmi gravitatsiooniefektiga. Seda efekti saab kasutada Newtoni gravitatsioonikonstandi määramiseks väga suure täpsusega.
- Õnnitleme kõiki võistkondi, keda autasustati – ja olge kursis üldvõitjaga, mis selgub kolmapäeval, 14. detsembril 2022.
