Fysikkens verden er glade for å kunngjøre årets topp 10 gjennombrudd for 2022, som spenner over alt fra kvante- og medisinsk fysikk til astronomi og kondensert materie. Den generelle Fysikkens verden Årets gjennombrudd avsløres onsdag 14. desember.
De 10 gjennombruddene ble valgt ut av et panel av Fysikkens verden redaktører, som så gjennom hundrevis av forskningsoppdateringer publisert på nettstedet i år på tvers av alle fysikkfelt. I tillegg til å ha blitt rapportert i Fysikkens verden i 2022 må valgene oppfylle følgende kriterier:
- Betydelig fremgang i kunnskap eller forståelse
- Viktigheten av arbeid for vitenskapelig fremgang og/eller utvikling av applikasjoner i den virkelige verden
- Av generell interesse for Fysikkens verden lesere
De 10 beste gjennombruddene for 2022 er oppført nedenfor uten spesiell rekkefølge. Kom tilbake neste uke for å finne ut hvem som har fått kjeledressen Fysikkens verden Prisen Årets gjennombrudd.
Innleder en ny æra for ultrakald kjemi
Til Bo Zhao, Jian-Wei Pan og kolleger ved University of Science and Technology of China (USTC) og Chinese Academy of Sciences i Beijing; og uavhengig til John Doyle og kolleger ved Harvard University i USA, for å lage de første ultrakalde polyatomiske molekylene.
Selv om fysikere har avkjølt atomer til en brøkdel over absolutt null i mer enn 30 år, og de første ultrakalde diatomiske molekylene dukket opp på midten av 2000-tallet, hadde målet om å lage ultrakalde molekyler som inneholder tre eller flere atomer vist seg unnvikende.
Ved å bruke forskjellige og komplementære teknikker produserte USTC- og Harvard-teamene prøver av triatomiske natrium-kalium-molekyler ved 220 nK og natriumhydroksyd ved henholdsvis 110 µK. Deres prestasjon baner vei for ny forskning innen både fysikk og kjemi, med studier av ultrakalde kjemiske reaksjoner, nye former for kvantesimulering og tester av grunnleggende vitenskap som alle er nærmere realisert takket være disse multi-atom molekylære plattformene.
Observerer tetranøytronen
Til Meytal Duer ved Institutt for kjernefysikk ved Tysklands tekniske universitet i Darmstadt og resten av SAMURAI-samarbeid forum observerer tetranøytronen og viser at uladet kjernefysisk materie eksisterer, om så bare for en veldig kort tid.
Bestående av fire nøytroner ble tetranøytronen oppdaget ved RIKEN Nishina-senterets radioaktive ionstrålefabrikk i Japan. Tetranøytronene ble skapt ved å skyte helium-8-kjerner mot et mål av flytende hydrogen. Kollisjonene kan splitte en helium-8-kjerne i en alfapartikkel (to protoner og to nøytroner) og en tetranøytron.
Ved å oppdage de rekylende alfapartiklene og hydrogenkjernene fant teamet ut at de fire nøytronene eksisterte i en ubundet tetranøytrontilstand i bare 10-22 s. Den statistiske signifikansen til observasjonen er større enn 5σ, og setter den over terskelen for en oppdagelse i partikkelfysikk. Teamet planlegger nå å studere de individuelle nøytronene i tetranøytroner og se etter nye partikler som inneholder seks og åtte nøytroner.
Supereffektiv strømproduksjon
Til Alina LaPotin, Asegun Henry og kolleger ved Massachusetts Institute of Technology og National Renewable Energy Laboratory, USA, for konstruere en termofotovoltaisk (TPV) celle med en effektivitet på mer enn 40 %.
Den nye TPV-cellen er den første solid-state varmemotoren av noe slag som konverterer infrarødt lys til elektrisk energi mer effektivt enn en turbinbasert generator, og den kan operere med et bredt spekter av mulige varmekilder. Disse inkluderer termiske energilagringssystemer, solstråling (via en mellomliggende strålingsabsorber) og spillvarme samt kjernefysiske reaksjoner eller forbrenning. Enheten kan derfor bli en viktig komponent i et renere, grønnere strømnett, og et komplement til solcelleceller med synlig lys.
Den raskeste mulige optoelektroniske bryteren
Til Marcus Ossiander, Martin Schultze og kolleger ved Max Planck Institute for Quantum Optics og LMU München i Tyskland; det teknologiske universitet i Wien og det tekniske universitetet i Graz i Østerrike; og CNR NANOTEC Institute of Nanotechnology i Italia, for definere og utforske "hastighetsgrensene" for optoelektronisk svitsjing i en fysisk enhet.
Teamet brukte laserpulser som varte bare ett femtosekund (10-15 s) for å bytte en prøve av et dielektrisk materiale fra en isolerende til en ledende tilstand med hastigheten som trengs for å realisere en bryter som opererer 1000 billioner ganger i sekundet (én petahertz). Selv om utstyret på størrelse med leiligheten som kreves for å drive denne superraske bryteren betyr at den ikke vil vises i praktiske enheter med det første, antyder resultatene en grunnleggende grense for klassisk signalbehandling og antyder at petahertz solid-state optoelektronikk i prinsippet er mulig. .
Åpner et nytt vindu på universet
Til NASA, Canadian Space Agency og European Space Agency for utplasseringen og første bilder fra James Webb Space Telescope (JWST).
Etter år med forsinkelser og kostnadsøkninger har JWST på 10 milliarder dollar endelig lansert den 25. desember 2021. For mange romsonder er oppskytningen den farligste delen av oppdraget, men JWST måtte også overleve en rekke farlige utpakkingsmanøvrer i dypt rom, som innebar utfolding av det 6.5 m store primærspeilet samt utfolding av dets hovedspeil. solskjerming på størrelse med tennisbane.
Før lanseringen identifiserte ingeniører 344 "single-point" feil som kunne ha hemmet observatoriets oppdrag, eller enda verre, gjøre det ubrukelig. Bemerkelsesverdig nok ble ingen problemer oppstått og fulgte igangkjøringen av JWSTs vitenskapelige instrumenter begynte observatoriet snart å ta data og ta spektakulære bilder av kosmos.
Det første JWST-bildet ble annonsert av USAs president Joe Biden ved en spesiell begivenhet i Det hvite hus, og mange blendende bilder har siden blitt sluppet. Observatoriet forventes å operere langt ut på 2030-tallet og er allerede på vei til å revolusjonere astronomi.
Første-i-menneskelig FLASH-protonterapi
Til Emily Daugherty fra University of Cincinnati i USA og samarbeidspartnere som jobber med FAST-01 prøveversjon for å utføre første kliniske forsøk med FLASH-strålebehandling og den første i menneskelige bruk av FLASH protonterapi.
FLASH-strålebehandling er en fremvoksende behandlingsteknikk der stråling leveres med ultrahøye doserater, en tilnærming som antas å skåne sunt vev samtidig som den effektivt dreper kreftceller. Bruk av protoner for å levere stråling med ultrahøy dose vil tillate behandling av svulster som ligger dypt inne i kroppen.
Studien inkluderte 10 pasienter med smertefulle benmetastaser i armer og ben, som fikk en enkelt protonbehandling levert ved 40 Gy/s eller mer – rundt 1000 ganger doseraten for konvensjonell fotonstrålebehandling. Teamet demonstrerte gjennomførbarheten av den kliniske arbeidsflyten og viste at FLASH-protonterapi var like effektiv som konvensjonell strålebehandling for smertelindring, uten å forårsake uventede bivirkninger.
Perfekt lysoverføring og absorpsjon
Til et lag ledet av Stefan Rotter fra Østerrikes tekniske universitet i Wien og Matthieu Davy ved Universitetet i Rennes i Frankrike for å lage en antirefleksjonsstruktur som muliggjør perfekt overføring gjennom komplekse medier; sammen med et samarbeid ledet av Rotter og Ori Katz fra det hebraiske universitetet i Jerusalem i Israel, for å utvikle en "anti-laser” som gjør at ethvert materiale kan absorbere alt lys fra et bredt spekter av vinkler.
I den første undersøkelsen designet forskerne et antirefleksjonslag som er matematisk optimalisert for å matche måten bølger reflekterer fra frontoverflaten til et objekt. Plassering av denne strukturen foran et tilfeldig uordnet medium eliminerer fullstendig refleksjoner og gjør objektet gjennomskinnelig for alle innkommende lysbølger.
I den andre studien utviklet teamet en sammenhengende perfekt absorber, basert rundt et sett med speil og linser, som fanger innkommende lys inne i et hulrom. På grunn av nøyaktig beregnede interferenseffekter forstyrrer den innfallende strålen strålen som reflekteres tilbake mellom speilene, slik at den reflekterte strålen nesten slukkes helt.
Kubisk borarsenid er en mesterhalvleder
Til uavhengige team ledet av Gjengen Chen ved Massachusetts Institute of Technology i USA og Xinfeng Liu ved National Center for Nanoscience and Technology i Beijing, Kina for å vise at kubisk borarsenid er en av de beste halvlederne kjent for vitenskapen.
De to gruppene gjorde eksperimenter som avslørte at små, rene områder av materialet har en mye høyere varmeledningsevne og hullmobilitet enn halvledere som silisium, som danner grunnlaget for moderne elektronikk. Silisiums lave hullsmobilitet begrenser hastigheten som silisiumenheter fungerer med, mens den lave varmeledningsevnen får elektroniske enheter til å overopphetes.
Kubisk borarsenid, derimot, hadde lenge vært spådd å overgå silisium på disse målene, men forskere hadde kjempet for å lage store nok enkrystallprøver av materialet til å måle dets egenskaper. Nå har imidlertid begge lag nå overvunnet denne utfordringen, og bringer den praktiske bruken av kubisk borarsenid ett skritt nærmere.
Endre en asteroides bane
Til NASA og Johns Hopkins Applied Physics Laboratory i USA forum den første demonstrasjonen av "kinetisk påvirkning" ved å lykkes med å endre banen til en asteroide.
Lansert i november 2021den Dobbel asteroid omdirigeringstest (DART)-fartøyet var det første oppdraget noensinne for å undersøke kinetisk påvirkning av en asteroide. Målet var et binært jordnært asteroidesystem bestående av et legeme med en diameter på 160 meter kalt Dimorphos som går i bane rundt en større asteroide med 780 meter i diameter kalt Didymos.
Etter en 11 millioner kilometer lang reise til asteroidesystemet, i oktober påvirket DART Dimorphos mens den reiste i omtrent 6 km/s. Dager senere, NASA bekreftet at DART hadde vellykket endret Dimorphos' bane med 32 minutter - og forkortet bane fra 11 timer og 55 minutters bane til 11 timer og 23 minutter.
Denne endringen var rundt 25 ganger større enn de 73 sekundene som NASA hadde definert som en minste vellykket endring i omløpsperiode. Resultatene vil også bli brukt til å vurdere hvordan man best kan bruke den kinetiske påvirkningsteknikken for å forsvare planeten vår.
Oppdager en Aharonov–Bohm-effekt for tyngdekraften
Til Chris Overstreet, Peter Asenbaum, Mark Kasevich og kolleger ved Stanford University i USA for å oppdage en Aharonov-Bohm-effekt for tyngdekraften.
Først spådd i 1949, er den opprinnelige Aharonov-Bohm-effekten et kvantefenomen der bølgefunksjonen til en ladet partikkel påvirkes av et elektrisk eller magnetisk potensial selv når partikkelen er i et område med null elektriske og magnetiske felt. Siden 1960-tallet har effekten blitt observert ved å splitte en elektronstråle og sende de to strålene på hver side av et område som inneholder et fullstendig skjermet magnetfelt. Når strålene kombineres på nytt ved en detektor, avsløres Aharonov-Bohm-effekten som en interferens mellom strålene.
Nå har Stanford-fysikerne observert en gravitasjonsversjon av effekten ved bruk av ultrakalde atomer. Teamet delte atomene i to grupper som var adskilt med omtrent 25 cm, med en gruppe som interagerte gravitasjonsmessig med en stor masse. Når de ble rekombinert, viste atomene en interferens som er i samsvar med en Aharonov-Bohm-effekt for tyngdekraften. Effekten kan brukes til å bestemme Newtons gravitasjonskonstant med svært høy presisjon.
- Gratulerer til alle lagene som har blitt hedret – og følg med på sammenlagtvinneren, som offentliggjøres onsdag 14. desember 2022.
