Fysiikan maailma on ilo julkistaa vuoden 10 2022 parasta läpimurtoa, jotka kattavat kaiken kvantti- ja lääketieteellisestä fysiikasta tähtitiedettä ja tiivistyneeseen aineeseen. Yleistä Fysiikan maailma Vuoden läpimurto paljastetaan keskiviikkona 14. joulukuuta.
Raati valitsi 10 läpimurtoa Fysiikan maailma toimittajat, jotka seuloivat satoja verkkosivuilla tänä vuonna julkaistuja tutkimuspäivityksiä kaikilta fysiikan aloilta. Sen lisäksi, että on raportoitu Fysiikan maailma vuonna 2022 valintojen tulee täyttää seuraavat kriteerit:
- Huomattava edistys tiedossa tai ymmärryksessä
- Työn merkitys tieteellisen kehityksen ja/tai todellisten sovellusten kehittämisen kannalta
- Yleistä kiinnostavaa Fysiikan maailma lukijoita
Vuoden 10 2022 parasta läpimurtoa on lueteltu alla ilman erityistä järjestystä. Tule takaisin ensi viikolla selvittääksesi, kumpi on saanut haalarin kasaan Fysiikan maailma Vuoden läpimurto -palkinto.
Ultrakylmän kemian uusi aikakausi aloittaa
jotta Bo Zhao, Jian-Wei Pan ja kollegat Kiinan tiede- ja teknologiayliopistossa (USTC) ja Kiinan tiedeakatemiassa Pekingissä; ja itsenäisesti John Doyle ja kollegansa Harvardin yliopistossa Yhdysvalloissa ensimmäisten ultrakylmien polyatomisten molekyylien luomiseen.
Vaikka fyysikot ovat jäähdyttäneet atomeja murto-osaan absoluuttisen nollan yläpuolella yli 30 vuoden ajan, ja ensimmäiset ultrakylmät kaksiatomiset molekyylit ilmestyivät 2000-luvun puolivälissä, tavoite valmistaa ultrakylmiä molekyylejä, joissa on vähintään kolme atomia, oli osoittautunut vaikeaksi.
Käyttämällä erilaisia ja toisiaan täydentäviä tekniikoita, USTC ja Harvardin tiimit tuottivat näytteitä kolmiatomiset natrium-kaliummolekyylit 220 nK:ssa ja natriumhydroksidia 110 uK:ssa, vastaavasti. Heidän saavutuksensa tasoittaa tietä uudelle tutkimukselle sekä fysiikan että kemian aloilla, kun tutkitaan ultrakylmiä kemiallisia reaktioita, uusia kvanttisimulaatiomuotoja ja perustieteen testejä, jotka ovat lähempänä toteutumista näiden moniatomisten molekyylialustojen ansiosta.
Tarkkailemassa tetraneutronia
jotta Meytal Duer Saksan Darmstadtin teknisen yliopiston ydinfysiikan instituutissa ja muualla SAMURAI Yhteistyö varten tarkkailemalla tetraneutronia ja osoittaa, että varaamatonta ydinainetta on olemassa, vaikka vain hyvin lyhyen ajan.
Neljästä neutronista koostuva tetraneutroni havaittiin RIKEN Nishina -keskuksen radioaktiivisen ionisuihkun tehtaalla Japanissa. Tetraneutronit luotiin polttamalla helium-8-ytimiä nestemäisen vedyn kohteeseen. Törmäykset voivat jakaa helium-8-ytimen alfahiukkaseksi (kaksi protonia ja kaksi neutronia) ja tetraneutroniksi.
Havaitsemalla palautuvat alfahiukkaset ja vetyytimet, ryhmä selvitti, että neljä neutronia oli olemassa sitoutumattomassa tetraneutronitilassa vain 10-22 s. Havainnon tilastollinen merkitsevyys on suurempi kuin 5σ, mikä ylittää sen hiukkasfysiikan löydön kynnyksen. Ryhmä aikoo nyt tutkia yksittäisiä neutroneja tetraneutronien sisällä ja etsiä uusia hiukkasia, jotka sisältävät kuusi ja kahdeksan neutronia.
Supertehokasta sähköntuotantoa
jotta Alina LaPotin, Asegun Henry ja kollegat Massachusetts Institute of Technologysta ja National Renewable Energy Laboratorysta Yhdysvalloissa, lämpösähkökenno (TPV) rakentaminen, jonka hyötysuhde on yli 40 %.
Uusi TPV-kenno on ensimmäinen solid-state-lämpömoottori, joka muuntaa infrapunavalon sähköenergiaksi tehokkaammin kuin turbiinipohjainen generaattori, ja se voi toimia useiden mahdollisten lämmönlähteiden kanssa. Näitä ovat lämpöenergian varastointijärjestelmät, auringon säteily (välissä olevan säteilyabsorberin kautta) ja hukkalämpö sekä ydinreaktiot tai palaminen. Laitteesta voisi siksi tulla tärkeä osa puhtaampaa, vihreämpää sähköverkkoa ja täydentää näkyvän valon aurinkokennoja.
Nopein mahdollinen optoelektroninen kytkin
jotta Marcus Ossiander, Martin Schultze ja kollegat Max Planck Institute for Quantum Opticsissa ja LMU Münchenissä Saksassa; Wienin teknillinen yliopisto ja Grazin teknillinen yliopisto Itävallassa; ja CNR NANOTEC Institute of Nanotechnology Italiassa optoelektronisen kytkennän "nopeusrajoitusten" määrittely ja tutkiminen fyysisessä laitteessa.
Ryhmä käytti laserpulsseja, jotka kestivät vain yhden femtosekunnin (10-15 s) vaihtaa eristemateriaalin näyte eristävästä tilaan johtavaan tilaan nopeudella, joka tarvitaan kytkimen toteuttamiseen, joka toimii 1000 biljoonaa kertaa sekunnissa (yksi petahertsi). Vaikka tämän supernopean kytkimen ohjaamiseen vaadittava asunnon kokoinen laite tarkoittaa, että se ei tule pian näkyviin käytännön laitteisiin, tulokset viittaavat perustavanlaatuiseen rajaan klassiselle signaalinkäsittelylle ja viittaavat siihen, että petahertsin puolijohdeoptoelektroniikka on periaatteessa mahdollista. .
Avaa uuden ikkunan universumiin
NASA:lle, Kanadan avaruusjärjestölle ja Euroopan avaruusjärjestölle käyttöönottoa varten ja ensimmäiset kuvat James Webb avaruusteleskooppi (JWST).
Vuosien viivästysten ja kustannusten nousun jälkeen 10 miljardin dollarin JWST lopulta julkaistiin 25. joulukuuta 2021. Monille avaruusluotaimille laukaisu on vaarallisin osa tehtävää, mutta JWST joutui myös selviytymään sarjasta vaarallisia syväavaruuden purkutoimenpiteitä, joihin kuului sen 6.5 metrin pääpeilin avaaminen sekä sen avaaminen. tenniskentän kokoinen aurinkosuoja.
Ennen laukaisua insinöörit tunnistivat 344 "yhden pisteen" vikaa, jotka olisivat saattaneet haitata observatorion tehtävää tai mikä pahempaa, tehdä siitä käyttökelvottoman. Huomattavaa on, että mitään ongelmia ei havaittu eikä seurannut käyttöönottoa JWST:n tieteellisistä laitteista observatorio alkoi pian kerätä tietoja ja upeiden kuvien vangitseminen kosmoksesta.
Ensimmäisen JWST-kuvan julkisti Yhdysvaltain presidentti Joe Biden erityistapahtumassa Valkoisessa talossa, ja sen jälkeen on julkaistu monia häikäiseviä kuvia. Observatorion odotetaan toimivan pitkälle 2030-luvulle, ja se on jo mullistamassa tähtitieteen.
Ensimmäinen ihmisessä FLASH-protoniterapia
jotta Emily Daugherty Cincinnatin yliopistosta Yhdysvalloista ja sen parissa työskentelevistä yhteistyökumppaneista FAST-01 kokeilu suorittamiseen ensimmäinen kliininen FLASH-sädehoidon tutkimus ja ensimmäinen FLASH-protoniterapian käyttö ihmisissä.
FLASH-sädehoito on nouseva hoitotekniikka, jossa säteilyä annetaan erittäin korkeilla annosnopeuksilla. Lähestymistavan uskotaan säästävän terveitä kudoksia samalla kun se tappaa tehokkaasti syöpäsoluja. Protonien käyttö ultrakorkean annosnopeuden säteilyn tuottamiseen mahdollistaa syvällä kehon sisällä olevien kasvainten hoidon.
Tutkimukseen osallistui 10 potilasta, joilla oli kivuliaita luumetastaaseja käsivarsissa ja jaloissa ja jotka saivat yhden protonihoidon nopeudella 40 Gy/s tai enemmän – noin 1000 kertaa tavanomaisen fotonisädehoidon annosnopeus. Tiimi osoitti kliinisen työnkulun toteutettavuuden ja osoitti, että FLASH-protonihoito oli yhtä tehokas kuin tavanomainen sädehoito kivun lievittämisessä aiheuttamatta odottamattomia sivuvaikutuksia.
Täydellinen valon läpäisy ja absorptio
johtamalle tiimille Stefan Rotter Itävallan Wienin teknisestä yliopistosta ja Matthieu Davy Rennesin yliopistossa Ranskassa heijastuksenestorakenteen luomisesta, joka mahdollistaa täydellinen lähetys monimutkaisen median kautta; yhdessä Rotterin ja Rotterin johtaman yhteistyön kanssa Ori Katz Israelin Jerusalemin heprealaisesta yliopistosta "anti-laser", jonka avulla mikä tahansa materiaali voi absorboida kaiken valon useista eri kulmista.
Ensimmäisessä tutkimuksessa tutkijat suunnittelivat heijastuksenestokerroksen, joka on matemaattisesti optimoitu vastaamaan tapaa, jolla aallot heijastaisivat esineen etupinnasta. Tämän rakenteen sijoittaminen satunnaisesti epäjärjestyneen väliaineen eteen eliminoi täysin heijastukset ja tekee kohteesta läpikuultavan kaikille saapuville valoaalloille.
Toisessa tutkimuksessa ryhmä kehitti yhtenäisen täydellisen absorboijan, joka perustuu peilien ja linssien ympärille ja joka vangitsee tulevan valon onteloon. Tarkkaan laskettujen häiriövaikutusten ansiosta tuleva säde häiritsee peilien välistä takaisin heijastuvaa sädettä, jolloin heijastunut säde sammuu lähes kokonaan.
Kuutioinen booriarsenidi on mestaripuolijohde
Riippumattomille ryhmille johtajina Gang Chen Massachusetts Institute of Technologyssa Yhdysvalloissa ja Xinfeng Liu Pekingin, Kiinan kansallisen nanotieteen ja teknologian keskuksen, joka osoitti, että kuutioinen booriarsenidi on yksi parhaista tieteen tuntemista puolijohteista.
Kaksi ryhmää tekivät kokeita, jotka paljastivat, että materiaalin pienillä, puhtailla alueilla on paljon suurempi lämmönjohtavuus ja aukkojen liikkuvuus kuin puolijohteilla, kuten piillä, joka muodostaa nykyaikaisen elektroniikan perustan. Piin alhainen reikien liikkuvuus rajoittaa piilaitteiden toimintanopeutta, kun taas sen alhainen lämmönjohtavuus aiheuttaa elektronisten laitteiden ylikuumenemisen.
Kuution booriarsenidin oli sitä vastoin pitkään ennustettu ylittävän piin näissä mitoissa, mutta tutkijat olivat kamppailleet luodakseen materiaalista tarpeeksi suuria yksikiteisiä näytteitä sen ominaisuuksien mittaamiseksi. Nyt molemmat joukkueet ovat kuitenkin voineet tämän haasteen ja tuoneet kuutiometrisen booriarsenidin käytännön käytön askeleen lähemmäksi.
Asteroidin kiertoradan muuttaminen
NASA:lle ja Johns Hopkins Sovellettavan fysiikan laboratorio Yhdysvalloissa varten ensimmäinen mielenosoitus "kineettinen vaikutus" muuttamalla onnistuneesti asteroidin kiertorataa.
Otettiin käyttöön marraskuussa 2021, The Tupla-asteroidin uudelleenohjaustesti (DART) -alus oli kaikkien aikojen ensimmäinen asteroidin kineettisen vaikutuksen tutkiminen. Sen kohteena oli binaarinen Maanläheinen asteroidijärjestelmä, joka koostui halkaisijaltaan 160 metriä olevasta Dimorphos-kappaleesta, joka kiertää suurempaa, halkaisijaltaan 780 metriä olevaa Didymos-asteroidia.
11 miljoonan kilometrin matkan asteroidijärjestelmään DART osui lokakuussa onnistuneesti Dimorphosiin matkan aikana noin 6 km/s. Päiviä myöhemmin NASA vahvistettu että DART oli onnistuneesti muuttanut Dimorphoksen kiertorataa 32 minuutilla – lyhentäen kiertoradan 11 tunnin ja 55 minuutin kiertoradalta 11 tuntiin ja 23 minuuttiin.
Tämä muutos oli noin 25 kertaa suurempi kuin 73 sekuntia, jotka NASA oli määritellyt onnistuneen kiertoradan vähimmäismuutokseksi. Tuloksia käytetään myös arvioitaessa, kuinka kineettistä iskutekniikkaa voidaan parhaiten soveltaa planeettamme puolustamiseen.
Aharonov-Bohm-ilmiön havaitseminen painovoimalle
jotta Chris Overstreet, Peter Asenbaum, Mark Kasevich ja kollegansa Stanfordin yliopistossa Yhdysvalloissa Aharonov-Bohm-ilmiön havaitsemisesta painovoimalle.
Alkuperäinen Aharonov–Bohm-ilmiö ennustettiin ensimmäisen kerran vuonna 1949, ja se on kvanttiilmiö, jossa sähköinen tai magneettinen potentiaali vaikuttaa varautuneen hiukkasen aaltofunktioon, vaikka hiukkanen olisi alueella, jossa sähkö- ja magneettikenttä on nolla. 1960-luvulta lähtien vaikutus on havaittu jakamalla elektronisäde ja lähettämällä kaksi sädettä täysin suojatun magneettikentän sisältävän alueen molemmille puolille. Kun säteet yhdistetään uudelleen detektorissa, paljastuu Aharonov–Bohm-ilmiö säteiden välisenä häiriönä.
Nyt Stanfordin fyysikot ovat havainneet a vaikutuksen gravitaatioversio käyttämällä ultrakylmiä atomeja. Ryhmä jakoi atomit kahteen ryhmään, joita erotti noin 25 cm, joista yksi ryhmä oli vuorovaikutuksessa painovoimaisesti suuren massan kanssa. Kun atomit yhdistettiin uudelleen, ne osoittivat häiriötä, joka on yhdenmukainen painovoiman Aharonov-Bohm-ilmiön kanssa. Vaikutusta voitaisiin käyttää Newtonin gravitaatiovakion määrittämiseen erittäin suurella tarkkuudella.
- Onnittelut kaikille palkituille joukkueille – ja pysy kuulolla kokonaisvoittajasta, joka julkistetaan keskiviikkona 14.
