多くの物理学者が材料の研究に取り組んでおり、私たちは毎年、この分野で最もエキサイティングな研究について記事を書くことを楽しみにしています。今年も例外ではなく、2023 年のお気に入りのマテリアル ストーリーをいくつか紹介します。
人工知能を活用して新しい素材が考案される時代に、私たちも木材への関心が再び高まっていることに心強く思います。これは間違いなく人類が使用した最も古い材料の 1 つであり、現在世界中の研究者がこの再生可能な資源を使用して刺激的な材料を作成する新しい方法を開発しています。今、 イサク・エンクイスト of リンシェーピング大学有機エレクトロニクス研究室 スウェーデンの同僚たちは木の板からトランジスタを作りました。彼らは、イオン伝導性電解質のためのスペースを作り出す方法で、材料全体に導電性ポリマーを組み込むことによってこれを実現しました。彼らの新しい製造技術により、木材を多数の電子部品のテンプレートとして使用できるようになりましたが、木製トランジスタの性能は従来のデバイスの足元にも及ばないことを研究チームは認めています。考えられる応用例の 1 つは、生きた植物に電子機器を組み込むことかもしれません。しかし、たとえ木製トランジスタの実用的な用途がほとんどないとしても、それは依然として巧妙なトリックであることに変わりはありません。
木材と同様に、水は並外れた特性を持つ遍在する物質です。ほとんどの物質とは異なり、固体の水は液体の水よりも密度が低いため、温度が定期的に 0 °C を下回る地球の広大な範囲で水生生物が生息できます。氷には少なくとも 20 種類の異なる結晶構造があることが知られています。現在、中国の研究者たちは、王立文氏と白雪東氏らによって率いられています。 凝縮物質物理学のための北京国立研究所 と 松山湖材料研究所 東莞の研究者らは、水分子のダイヤモンド立方構造を持つ立方氷の存在を初めて確認した。この氷は、シャイナーのハローの原因であると考えられています。シャイナーのハローは、太陽の約 28 度の周囲に光の輪を作り出す非常に珍しい光学効果です。これは、六角形の氷の結晶による屈折によって生じる通常の 22° のハローとは異なります。研究チームは、単層グラフェンで作られた凍結プレート上に立方体の氷を作成し、極低温透過型電子顕微鏡を使用してその形成を監視した。彼らの技術は、あらゆる種類の氷が表面上でどのように形成されるかを研究するのに役立つ可能性がある。
20 世紀の物理学の勝利の 1950 つは超伝導の BCS 理論です。この理論は、一部の材料が非常に低い温度で電気抵抗がゼロになる理由を説明するために XNUMX 年代に開発されました。この考えは、これらの超伝導体の電子が対になってボソンを生成するというものです。これらの「クーパー対」は凝縮して、抵抗なく流れることができる超流体のような物質を形成します。クーパー対の存在を示す間接的な証拠はありますが、物理学者は、クーパー対の存在の直接的な証拠となる電子対のスピン間の負の相関をまだ測定していませんでした。現在、スイスとイタリアの物理学者が率いる アルナフ・ボルドロイ バーゼル大学の研究チームは、2 つの量子ドットを使用して、小さな超伝導体からクーパー対を抽出しました。次に、ペアを分割し、それらのスピン偏極を測定したところ、BCS 理論で予測されたとおり、通常は反対方向を向いていることがわかりました。
数十年前、私が大学生だった頃、フラクタルが大流行していました。その理由の 1 つは、ブノワ マンデルブロが作成した高品質のビジュアライゼーションのおかげです。したがって、今日の研究でそれらが登場するたびに、私は常に興味を持っています。 2月中、 クラウディオ・カステルノヴォ ケンブリッジ大学の研究者らと英国、ドイツ、米国、アルゼンチンの研究者らは、スピンアイスの中に新しいタイプのフラクタルが潜んでいることを示した。スピンアイスは、低温では周期的な配置に落ち着くことができないために挫折する磁気モーメントを持つ物質です。その代わりに、水の氷に見られるものと同様の程度の無秩序さで瞬間が凍結します。 2009 年、物理学者は、一部のスピンアイスの励起は磁気単極子のように振る舞うと主張しました。今回、カステルノボらは、これらの単極子が 3D で自由に移動するのではなく、常に分岐する軌道のフラクタルの世界で移動することを示しました。スピンアイス中の単極子の研究は、多くの応用にとって重要になる可能性があるとチームメンバーは語る ジョナサン・ニルソン・ハレン ケンブリッジとドレスデンを拠点としています。 「スピンアイスは、トポロジカル磁石の最もアクセスしやすい例の 1 つであり、スピンアイス内の磁気単極子は、分別励起の最もよく理解されている例の 1 つです。」と彼は言います。
ホッキョクグマの白い毛皮は、雪に覆われた北極の風景の中でカモフラージュします。しかし、白衣は日光の下でクマを温めるのに悪い効果があると思うかもしれません。シロクマの毛皮は日光をクマの黒い皮膚に導き、そこで効率的に吸収されるように設計されているため、これは当てはまりません。さらに、毛皮はクマの皮膚から放射される熱を閉じ込めるのに非常に優れており、本質的に温室効果を生み出します。今、 トリシャ・アンドリュー マサチューセッツ大学アマースト校の同僚らは、シロクマにインスピレーションを得て、太陽や室内照明からのエネルギーを吸収し、閉じ込めて暖かさを維持する新しい二重層生地を開発した。 130 W/m の光強度にさらされた場合2 (英国の鈍い真冬の日)着用者は綿生地と同じくらい暖かく保たれますが、気温は 10 °C 低く、重量は 30% 軽量です。 「当社のシロクマ生地は、部屋の暖房の代わりに周囲の照明を使って室内の人々を暖房することで、大量のエネルギーを消費する暖房をよりエネルギー効率の高い方法で管理するのに非常に役立つ可能性があります」とアンドリュー氏は言います。
ここでは準粒子が大好きです 物理学の世界, そのため、2023年に物理学者がついに「パインズの悪魔」を検出したことを嬉しく思いました。 1952年に最初に予言されたのは、 デビッド・パインズ および デビッドボーム、この準粒子は、プラズマ内の量子化された電子密度のゆらぎです。準粒子は、金属の異なるバンドの電子が互いに位相をずらして移動し、全体の電荷を静的に保つときに形成されます。実際、デーモンは中性の準粒子の集団運動であり、デーモンには質量がなく、光と相互作用することができません。これらすべてにより、準粒子の検出が非常に困難になります。今、 ピーター・アバモンテ 米国イリノイ大学アーバナシャンペーン校(UIUC)のDr.らとその同僚らは、電子エネルギー損失分光法と呼ばれる技術を用いて、ルテニウム酸ストロンチウムの単結晶におけるパインズの悪魔に関連する励起を特定し、悪魔の証拠を発見した。
人間はコンクリートに対して愛憎の関係を持っているようです。この材料の実用性は建築環境の多くを支えていますが、私たちはその時々残忍な外観と、その製造中に排出される大量の二酸化炭素を非難しています。現在、MIT が率いる米国のチームが フランツ・ヨーゼフ・ウルム, アドミール・マシック および ヤン・シャオ・ホーン 彼らは、エネルギーを貯蔵するためのスーパーキャパシタの作成に使用できるコンクリートの種類を開発しました。製造はカーボン ブラックとセメントの乾燥混合物から始まり、これに水と減水剤が加えられます。材料が固化すると、フラクタルのような細孔のネットワークが形成され、非常に大きな表面積を持つ導体になります。これはまさにコンデンサの電極に求められるもので、表面積が大きいほど静電容量も大きくなります。研究チームによると、3.55メートルの立方体ほどの大きさのコンクリートコンデンサは約10kWhのエネルギーを蓄えることができるという。したがって、これらのコンデンサを含む基礎で建てられた家は、たとえば太陽電池パネルによって生成された XNUMX 日分のエネルギーを蓄え、必要なときに放出することができます。この材料は風力タービンの基部にも使用でき、必要になるまで余剰エネルギーを蓄えることができる。この技術は、道路や駐車場などのインフラに再生可能エネルギーを貯蔵するためにも使用でき、誘導によってエネルギーを車両に伝達することもできる。
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