Natuurkunde wereld is verheugd zijn top 10 doorbraken van het jaar voor 2022 aan te kondigen, die alles omvat van kwantum- en medische fysica tot astronomie en gecondenseerde materie. Het geheel Natuurkunde wereld Doorbraak van het jaar wordt op woensdag 14 december onthuld.
De 10 Doorbraken werden geselecteerd door een panel van Natuurkunde wereld redacteuren, die honderden onderzoeksupdates hebben doorgenomen die dit jaar op de website zijn gepubliceerd op alle gebieden van de natuurkunde. Naast gemeld te zijn in Natuurkunde wereld in 2022 moeten selecties voldoen aan de volgende criteria:
- Aanzienlijke vooruitgang in kennis of begrip
- Belang van werk voor wetenschappelijke vooruitgang en/of ontwikkeling van real-world toepassingen
- Van algemeen belang voor Natuurkunde wereld lezers
De Top 10 Doorbraken voor 2022 staan hieronder in willekeurige volgorde. Kom volgende week terug om erachter te komen wie de overall heeft ingepakt Natuurkunde wereld Prijs voor Doorbraak van het Jaar.
Een nieuw tijdperk inluiden voor ultrakoude chemie
Naar Bo Zhao, Jian Wei Pan en collega's van de University of Science and Technology of China (USTC) en de Chinese Academy of Sciences in Beijing; en zelfstandig aan john doyl en collega's van Harvard University in de VS, voor het creëren van de eerste ultrakoude polyatomaire moleculen.
Hoewel natuurkundigen atomen al meer dan 30 jaar afkoelen tot een fractie boven het absolute nulpunt en de eerste ultrakoude diatomische moleculen halverwege de jaren 2000 verschenen, was het doel om ultrakoude moleculen te maken die drie of meer atomen bevatten ongrijpbaar gebleken.
Met behulp van verschillende en complementaire technieken produceerden de teams van USTC en Harvard monsters van triatomaire natrium-kaliummoleculen bij 220 nK en natriumhydroxide bij respectievelijk 110 µK. Hun prestatie maakt de weg vrij voor nieuw onderzoek in zowel de natuurkunde als de scheikunde, met studies van ultrakoude chemische reacties, nieuwe vormen van kwantumsimulatie en tests van fundamentele wetenschap die allemaal dichter bij realisatie komen dankzij deze multi-atomaire moleculaire platforms.
Het observeren van de tetraneutron
Naar Meytal Duer aan het Instituut voor Kernfysica aan de Duitse Technische Universiteit van Darmstadt en de rest van de SAMURAI-samenwerking For het observeren van de tetraneutron en laten zien dat ongeladen nucleaire materie bestaat, al is het maar voor een zeer korte tijd.
Het tetraneutron, bestaande uit vier neutronen, werd gespot in de Radioactive Ion Beam Factory van het RIKEN Nishina Center in Japan. De tetraneutronen zijn gemaakt door helium-8-kernen af te vuren op een doelwit van vloeibare waterstof. De botsingen kunnen een helium-8-kern splitsen in een alfadeeltje (twee protonen en twee neutronen) en een tetraneutron.
Door de terugspringende alfadeeltjes en waterstofkernen te detecteren, kwam het team erachter dat de vier neutronen slechts 10 jaar lang in een ongebonden tetraneutronentoestand verkeerden.-22 s. De statistische significantie van de waarneming is groter dan 5σ, wat de drempel voor een ontdekking in de deeltjesfysica overschrijdt. Het team is nu van plan om de individuele neutronen binnen tetraneutronen te bestuderen en te zoeken naar nieuwe deeltjes die zes en acht neutronen bevatten.
Superefficiënte elektriciteitsopwekking
Naar Alina LaPotin, Asegun Hendrik en collega's van het Massachusetts Institute of Technology en het National Renewable Energy Laboratory, VS, voor het bouwen van een thermofotovoltaïsche (TPV) cel met een rendement van meer dan 40%.
De nieuwe TPV-cel is de eerste solid-state warmtemotor van welke soort dan ook die infraroodlicht efficiënter omzet in elektrische energie dan een op een turbine gebaseerde generator, en kan werken met een breed scala aan mogelijke warmtebronnen. Deze omvatten thermische energieopslagsystemen, zonnestraling (via een tussenliggende stralingsabsorber) en afvalwarmte, evenals kernreacties of verbranding. Het apparaat zou daarom een belangrijk onderdeel kunnen worden van een schoner, groener elektriciteitsnet en een aanvulling op fotovoltaïsche zonnecellen met zichtbaar licht.
De snelst mogelijke opto-elektronische schakelaar
Naar Marcus Ossiander, Martin Schultz en collega's van het Max Planck Instituut voor Quantum Optics en LMU München in Duitsland; de Technische Universiteit van Wenen en de Technische Universiteit van Graz in Oostenrijk; en het CNR NANOTEC Instituut voor Nanotechnologie in Italië, voor definiëren en verkennen van de "snelheidslimieten" van opto-elektronische schakeling op een fysiek apparaat.
Het team gebruikte laserpulsen die slechts één femtoseconde duurden (10-15 s) om een monster van een diëlektrisch materiaal van een isolerende naar een geleidende toestand te schakelen met de snelheid die nodig is om een schakelaar te realiseren die 1000 biljoen keer per seconde werkt (één petahertz). Hoewel het apparaat ter grootte van een appartement dat nodig is om deze supersnelle schakelaar aan te drijven, betekent dat het niet snel in praktische apparaten zal verschijnen, impliceren de resultaten een fundamentele limiet voor klassieke signaalverwerking en suggereren ze dat petahertz solid-state opto-elektronica in principe haalbaar is .
Een nieuw venster op het universum openen
Aan NASA, de Canadian Space Agency en de European Space Agency voor de inzet en eerste beelden van de James Webb Space Telescope (JWST).
Na jaren van vertragingen en kostenstijgingen, de $ 10 miljard JWST eindelijk gelanceerd op 25 december 2021. Voor veel ruimtesondes is de lancering het gevaarlijkste onderdeel van de missie, maar de JWST moest ook een reeks gevaarlijke uitpakmanoeuvres in de diepe ruimte overleven, waarbij zowel de primaire spiegel van 6.5 m werd uitgeklapt als de zonnescherm ter grootte van een tennisbaan.
Voorafgaand aan de lancering identificeerden ingenieurs 344 "single-point" storingen die de missie van het observatorium hadden kunnen belemmeren, of erger nog, het onbruikbaar zouden kunnen maken. Opmerkelijk genoeg werden er geen problemen ondervonden en gevolgd de inbedrijfstelling van de wetenschappelijke instrumenten van de JWST begon het observatorium al snel gegevens te verzamelen en het vastleggen van spectaculaire beelden van de kosmos.
De eerste JWST-foto werd aangekondigd door de Amerikaanse president Joe Biden tijdens een speciaal evenement in het Witte Huis en sindsdien zijn er veel oogverblindende beelden vrijgegeven. Het observatorium zal naar verwachting tot ver in de jaren 2030 operationeel zijn en is al op weg om een revolutie teweeg te brengen in de astronomie.
First-in-human FLASH-protonentherapie
Naar Emily Daugherty van de Universiteit van Cincinnati in de VS en medewerkers die werken aan de FAST-01 proefversie voor het uitvoeren van de eerste klinische proef met FLASH-radiotherapie en het eerste menselijke gebruik van FLASH-protonentherapie.
FLASH-radiotherapie is een opkomende behandelingstechniek waarbij straling wordt toegediend met ultrahoge dosissnelheden, een benadering waarvan wordt aangenomen dat het gezond weefsel spaart en toch effectief kankercellen doodt. Door protonen te gebruiken om de ultrahoge dosis straling af te geven, kunnen tumoren diep in het lichaam worden behandeld.
De proef omvatte 10 patiënten met pijnlijke botmetastasen in hun armen en benen, die een enkele protonenbehandeling ondergingen met een snelheid van 40 Gy/s of meer – zo'n 1000 keer de dosering van conventionele fotonenbestraling. Het team demonstreerde de haalbaarheid van de klinische workflow en toonde aan dat FLASH-protontherapie even effectief was als conventionele radiotherapie voor pijnverlichting, zonder onverwachte bijwerkingen te veroorzaken.
Het perfectioneren van lichttransmissie en -absorptie
Aan een team onder leiding van Stefan Rotter van de Oostenrijkse Technische Universiteit van Wenen en Matthieu Davy van de Universiteit van Rennes in Frankrijk voor het creëren van een antireflectiestructuur die het mogelijk maakt perfecte overdracht via complexe media; samen met een samenwerking onder leiding van Rotter en Ori Katz van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem in Israël, voor het ontwikkelen van eenanti-laser"waardoor elk materiaal al het licht vanuit een breed scala aan hoeken kan absorberen.
In het eerste onderzoek ontwierpen de onderzoekers een anti-reflectielaag die wiskundig is geoptimaliseerd om overeen te komen met de manier waarop golven zouden reflecteren vanaf de voorkant van een object. Door deze structuur voor een willekeurig ongeordend medium te plaatsen, worden reflecties volledig geëlimineerd en wordt het object doorschijnend voor alle inkomende lichtgolven.
In de tweede studie ontwikkelde het team een coherente perfecte absorber, gebaseerd op een set spiegels en lenzen, die invallend licht in een holte opsluit. Door nauwkeurig berekende interferentie-effecten interfereert de invallende bundel met de teruggekaatste bundel tussen de spiegels, waardoor de gereflecteerde bundel bijna volledig wordt uitgedoofd.
Kubisch boorarsenide is een kampioen halfgeleider
Naar onafhankelijke teams onder leiding van Bende Chen aan het Massachusetts Institute of Technology in de VS en Xinfeng Liu van het National Center for Nanoscience and Technology in Beijing, China voor het aantonen dat kubisch boorarsenide is een van de beste halfgeleiders die de wetenschap kent.
De twee groepen voerden experimenten uit waaruit bleek dat kleine, zuivere gebieden van het materiaal een veel hogere thermische geleidbaarheid en gatenmobiliteit hebben dan halfgeleiders zoals silicium, dat de basis vormt van moderne elektronica. De lage mobiliteit van silicium beperkt de snelheid waarmee siliciumapparaten werken, terwijl de lage thermische geleidbaarheid ervoor zorgt dat elektronische apparaten oververhit raken.
Van kubisch boorarsenide daarentegen werd al lang voorspeld dat het beter zou presteren dan silicium op deze metingen, maar onderzoekers hadden moeite om voldoende monokristallijne monsters van het materiaal te maken om de eigenschappen ervan te meten. Nu hebben beide teams deze uitdaging echter overwonnen, waardoor het praktische gebruik van kubisch boorarsenide een stap dichterbij is gekomen.
De baan van een asteroïde veranderen
Naar NASA en Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in de VS For de eerste demonstratie van "kinetische impact" door met succes de baan van een asteroïde te veranderen.
Gelanceerd in november 2021 Dubbele asteroïde-omleidingstest (DART) vaartuig was de allereerste missie om de kinetische impact van een asteroïde te onderzoeken. Het doelwit was een binair asteroïdesysteem dat bijna in de buurt van de aarde kwam, bestaande uit een lichaam met een diameter van 160 meter, Dimorphos genaamd, dat in een baan om een grotere asteroïde met een diameter van 780 meter, Didymos genaamd, draait.
Na een reis van 11 miljoen kilometer naar het asteroïdenstelsel, heeft DART in oktober met succes een impact gehad op Dimorphos met een snelheid van ongeveer 6 km/s. Dagen later, NASA bevestigd dat DART met succes de baan van de Dimorphos met 32 minuten had veranderd - waardoor de baan van 11 uur en 55 minuten werd verkort tot 11 uur en 23 minuten.
Deze verandering was zo'n 25 keer groter dan de 73 seconden die NASA had gedefinieerd als een minimale succesvolle verandering van de baanperiode. De resultaten zullen ook worden gebruikt om te beoordelen hoe de kinetische impacttechniek het beste kan worden toegepast om onze planeet te verdedigen.
Het detecteren van een Aharonov-Bohm-effect voor de zwaartekracht
Naar Chris Overstraat, Peter Asenbaum, Mark Kasevitsj en collega's van Stanford University in de VS voor het detecteren van een Aharonov-Bohm-effect voor de zwaartekracht.
Het oorspronkelijke Aharonov-Bohm-effect, voor het eerst voorspeld in 1949, is een kwantumfenomeen waarbij de golffunctie van een geladen deeltje wordt beïnvloed door een elektrische of magnetische potentiaal, zelfs wanneer het deeltje zich in een gebied bevindt zonder elektrische en magnetische velden. Sinds de jaren zestig wordt het effect waargenomen door een bundel elektronen te splitsen en de twee bundels aan weerszijden van een gebied met een volledig afgeschermd magnetisch veld te sturen. Wanneer de bundels opnieuw worden gecombineerd bij een detector, wordt het Aharonov-Bohm-effect onthuld als een interferentie tussen de bundels.
Nu hebben de natuurkundigen van Stanford a zwaartekrachtversie van het effect met behulp van ultrakoude atomen. Het team splitste de atomen in twee groepen die ongeveer 25 cm van elkaar verwijderd waren, waarbij één groep zwaartekrachtinteractie had met een grote massa. Wanneer ze opnieuw werden gecombineerd, vertoonden de atomen een interferentie die consistent is met een Aharonov-Bohm-effect voor de zwaartekracht. Het effect zou kunnen worden gebruikt om de zwaartekrachtconstante van Newton met zeer hoge precisie te bepalen.
- Felicitaties aan alle teams die zijn geëerd - en houd ons in de gaten voor de algemene winnaar, die op woensdag 14 december 2022 wordt aangekondigd.
