Świat Fizyki z przyjemnością ogłasza 10 najlepszych przełomów roku 2022, które obejmują wszystko, od fizyki kwantowej i medycznej po astronomię i materię skondensowaną. Ogólny Świat Fizyki Przełom roku zostanie ujawniony w środę 14 grudnia.
Panel składający się z 10 przełomów wybrał Świat Fizyki redaktorów, którzy przejrzeli setki aktualizacji badań opublikowanych w tym roku na stronie ze wszystkich dziedzin fizyki. Oprócz zgłoszenia w Świat Fizyki w 2022 r. selekcje muszą spełniać następujące kryteria:
- Znaczący postęp w wiedzy lub zrozumieniu
- Znaczenie pracy dla postępu naukowego i/lub rozwoju zastosowań w świecie rzeczywistym
- W interesie ogólnym Świat Fizyki czytelnicy
Poniżej wymieniono 10 najważniejszych przełomów w 2022 r. w przypadkowej kolejności. Wróć w przyszłym tygodniu, aby dowiedzieć się, który z nich zdobył ogólny wynik Świat Fizyki Nagroda Przełom Roku.
Zapoczątkowanie nowej ery chemii ultrazimnej
Do Bo Zhao, Pan Jian-Wei i współpracownikami z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (USTC) oraz Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie; i niezależnie do John Doyle i współpracownikami z Uniwersytetu Harvarda w USA za stworzenie pierwszych ultrazimnych cząsteczek wieloatomowych.
Chociaż fizycy schładzali atomy do ułamka powyżej zera absolutnego przez ponad 30 lat, a pierwsze ultrazimne cząsteczki dwuatomowe pojawiły się w połowie 2000 roku, cel stworzenia ultrazimnych cząsteczek zawierających trzy lub więcej atomów okazał się nieuchwytny.
Wykorzystując różne i uzupełniające się techniki, zespoły USTC i Harvard stworzyły próbki trójatomowe cząsteczki sodu i potasu przy 220 nK i wodorotlenek sodu odpowiednio przy 110 µK. Ich osiągnięcie toruje drogę nowym badaniom zarówno w fizyce, jak i chemii, a badania nad ultrazimnymi reakcjami chemicznymi, nowatorskie formy symulacji kwantowych i testy z zakresu nauk podstawowych są coraz bliżej realizacji dzięki wieloatomowym platformom molekularnym.
Obserwacja tetraneutronu
Do Meytal Duer w Instytucie Fizyki Jądrowej na niemieckim Uniwersytecie Technicznym w Darmstadt i reszcie Współpraca SAMURAJÓW dla obserwacja tetraneutronu i pokazując, że nienaładowana materia jądrowa istnieje, choćby przez bardzo krótki czas.
Składający się z czterech neutronów tetraneutron został zauważony w Radioactive Ion Beam Factory w Centrum RIKEN Nishina w Japonii. Tetraneutrony powstały przez wystrzelenie jąder helu-8 w cel z ciekłego wodoru. Zderzenia mogą spowodować rozszczepienie jądra helu-8 na cząstkę alfa (dwa protony i dwa neutrony) oraz tetraneutron.
Wykrywając odbijające się cząstki alfa i jądra wodoru, zespół ustalił, że cztery neutrony istniały w niezwiązanym stanie tetraneutronowym przez zaledwie 10-22 s. Istotność statystyczna obserwacji jest większa niż 5σ, co stawia ją powyżej progu odkrycia w fizyce cząstek elementarnych. Zespół planuje teraz zbadać poszczególne neutrony w tetraneutronach i poszukać nowych cząstek zawierających sześć i osiem neutronów.
Super wydajne wytwarzanie energii elektrycznej
Do Alinę LaPotin, Asegun Henryk i współpracownikami z Massachusetts Institute of Technology i National Renewable Energy Laboratory w USA zbudowanie ogniwa termofotowoltaicznego (TPV) o sprawności powyżej 40%.
Nowe ogniwo TPV to pierwszy półprzewodnikowy silnik cieplny dowolnego rodzaju, który przekształca światło podczerwone w energię elektryczną wydajniej niż generator turbinowy i może pracować z szeroką gamą możliwych źródeł ciepła. Należą do nich systemy magazynowania energii cieplnej, promieniowanie słoneczne (przez pośredni absorber promieniowania) i ciepło odpadowe, a także reakcje jądrowe lub spalanie. Urządzenie może zatem stać się ważnym elementem czystszej, bardziej ekologicznej sieci elektrycznej i uzupełnieniem ogniw fotowoltaicznych emitujących światło widzialne.
Najszybszy możliwy przełącznik optoelektroniczny
Do Marek Ossiander, Marcin Schultze i współpracownikami z Max Planck Institute for Quantum Optics i LMU Monachium w Niemczech; Politechnika Wiedeńska i Politechnika Graz w Austrii; oraz CNR NANOTEC Instytut Nanotechnologii we Włoszech, dla definiowanie i badanie „ograniczeń prędkości” przełączania optoelektronicznego w urządzeniu fizycznym.
Zespół wykorzystał impulsy laserowe trwające zaledwie jedną femtosekundę (10-15 s). Chociaż urządzenie wielkości mieszkania wymagane do napędzania tego superszybkiego przełącznika oznacza, że nie pojawi się on w praktycznych urządzeniach w najbliższym czasie, wyniki wskazują na fundamentalne ograniczenie dla klasycznego przetwarzania sygnału i sugerują, że optoelektronika półprzewodnikowa petahercowa jest w zasadzie wykonalna .
Otwarcie nowego okna na wszechświat
Do NASA, Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej i Europejskiej Agencji Kosmicznej dla rozmieszczenia i pierwsze zdjęcia z Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST).
Po latach opóźnień i podwyżek kosztów JWST o wartości 10 miliardów dolarów wreszcie uruchomiony 25 grudnia 2021 r. Dla wielu sond kosmicznych wystrzelenie jest najniebezpieczniejszą częścią misji, ale JWST musiał również przetrwać serię niebezpiecznych manewrów rozpakowywania w głębokim kosmosie, które obejmowały rozłożenie 6.5-metrowego lustra głównego oraz rozwinięcie jego osłona przeciwsłoneczna wielkości kortu tenisowego.
Przed startem inżynierowie zidentyfikowali 344 „pojedyncze” awarie, które mogły utrudnić misję obserwatorium lub, co gorsza, uniemożliwić jego użytkowanie. Co ciekawe, nie napotkano żadnych problemów uruchomienie instrumentów naukowych JWST, obserwatorium wkrótce zaczęło zbierać dane i robiąc spektakularne zdjęcia kosmosu.
Pierwsze zdjęcie JWST zostało ogłoszone przez prezydenta USA Joe Bidena podczas specjalnego wydarzenia w Białym Domu i od tego czasu opublikowano wiele olśniewających zdjęć. Oczekuje się, że obserwatorium będzie działać jeszcze w latach 2030. XX wieku i już jest na dobrej drodze do zrewolucjonizowania astronomii.
Pierwsza u ludzi terapia protonowa FLASH
Do Emily Córka z University of Cincinnati w USA i współpracownikami pracującymi nad Próba FAST-01 za wykonanie pierwsze badanie kliniczne radioterapii FLASH oraz pierwsze zastosowanie terapii protonowej FLASH u ludzi.
Radioterapia FLASH to nowa technika leczenia, w której promieniowanie jest dostarczane z bardzo wysokimi dawkami, podejściem, które uważa się za oszczędzające zdrową tkankę, a jednocześnie skutecznie zabijające komórki nowotworowe. Wykorzystanie protonów do dostarczania ultrawysokich dawek promieniowania pozwoli na leczenie guzów zlokalizowanych głęboko w organizmie.
Badanie obejmowało 10 pacjentów z bolesnymi przerzutami do kości w rękach i nogach, którzy otrzymali pojedyncze leczenie protonowe z mocą 40 Gy/s lub większą – około 1000 razy większą niż dawka konwencjonalnej radioterapii fotonowej. Zespół wykazał wykonalność klinicznego przebiegu pracy i wykazał, że terapia protonowa FLASH jest tak samo skuteczna jak konwencjonalna radioterapia w łagodzeniu bólu, nie powodując nieoczekiwanych skutków ubocznych.
Doskonalenie transmisji i absorpcji światła
Do zespołu kierowanego przez Stefana Rottera austriackiego Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu i Mateusz Davy z Uniwersytetu w Rennes we Francji za stworzenie struktury antyrefleksyjnej, która umożliwia doskonała transmisja przez złożone media; wraz ze współpracą kierowaną przez Rottera i Ori Katz z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie w Izraelu za opracowanie „antylaser”, który umożliwia dowolnemu materiałowi pochłanianie całego światła z szerokiego zakresu kątów.
W pierwszym badaniu naukowcy zaprojektowali warstwę antyrefleksyjną, która jest zoptymalizowana matematycznie, aby pasowała do sposobu, w jaki fale odbijałyby się od przedniej powierzchni obiektu. Umieszczenie tej struktury przed losowo nieuporządkowanym ośrodkiem całkowicie eliminuje odbicia i sprawia, że obiekt jest przezroczysty dla wszystkich przychodzących fal świetlnych.
W drugim badaniu zespół opracował spójny doskonały pochłaniacz, oparty na zestawie luster i soczewek, który zatrzymuje wpadające światło do wnęki. Dzięki precyzyjnie obliczonym efektom interferencyjnym, wiązka padająca interferuje z wiązką odbitą z powrotem między zwierciadłami, dzięki czemu wiązka odbita zostaje prawie całkowicie wygaszona.
Sześcienny arsenek boru jest mistrzowskim półprzewodnikiem
Do niezależnych zespołów kierowanych przez Gang Chena w Massachusetts Institute of Technology w USA i Xinfeng Liu z Narodowego Centrum Nanonauki i Technologii w Pekinie za wykazanie, że sześcienny arsenek boru jest jeden z najlepszych półprzewodników znanych nauce.
Obie grupy przeprowadziły eksperymenty, które wykazały, że małe, czyste obszary materiału mają znacznie wyższą przewodność cieplną i ruchliwość dziur niż półprzewodniki, takie jak krzem, który stanowi podstawę współczesnej elektroniki. Niska ruchliwość dziur krzemu ogranicza prędkość, z jaką działają urządzenia krzemowe, a jego niska przewodność cieplna powoduje przegrzewanie się urządzeń elektronicznych.
Od dawna przewidywano, że sześcienny arsenek boru będzie przewyższał krzem w tych pomiarach, ale naukowcy starali się stworzyć wystarczająco duże próbki monokrystaliczne materiału, aby zmierzyć jego właściwości. Teraz jednak oba zespoły sprostały temu wyzwaniu, przybliżając praktyczne zastosowanie sześciennego arsenku boru o krok.
Zmiana orbity asteroidy
Do NASA oraz Johns Hopkins Laboratorium Fizyki Stosowanej w USA dla pierwsza demonstracja „uderzenia kinetycznego” poprzez skuteczną zmianę orbity asteroidy.
Rozpoczęty w listopadzie 2021 r.The Test przekierowania podwójnej asteroidy Statek (DART) był pierwszą w historii misją zbadania kinetycznego uderzenia asteroidy. Jego celem był podwójny układ planetoid w pobliżu Ziemi składający się z ciała o średnicy 160 metrów, zwanego Dimorphos, które krąży wokół większej asteroidy o średnicy 780 metrów, zwanej Didymos.
Po 11-milionowej podróży do układu asteroid, w październiku DART z powodzeniem uderzył w Dimorphos, poruszając się z prędkością około 6 km/s. Kilka dni później NASA Zatwierdzony że DART z powodzeniem zmienił orbitę Dimorphos o 32 minuty - skracając orbitę z 11 godzin i 55 minut do 11 godzin i 23 minut.
Ta zmiana była około 25 razy większa niż 73 sekundy, które NASA zdefiniowała jako minimalną pomyślną zmianę okresu orbity. Wyniki posłużą również do oceny najlepszego zastosowania techniki uderzenia kinetycznego do obrony naszej planety.
Wykrywanie efektu Aharonova-Bohma dla grawitacji
Do Chrisa Overstreeta, Piotra Asenbauma, Marek Kasewicz i współpracownikami z Uniwersytetu Stanforda w USA za wykrycie efektu Aharonova-Bohma dla grawitacji.
Pierwotny efekt Aharonova-Bohma, po raz pierwszy przewidziany w 1949 r., Jest zjawiskiem kwantowym, w którym na funkcję falową naładowanej cząstki wpływa potencjał elektryczny lub magnetyczny, nawet gdy cząstka znajduje się w obszarze zerowych pól elektrycznych i magnetycznych. Od lat 1960. efekt obserwowano poprzez rozszczepienie wiązki elektronów i wysłanie dwóch wiązek po obu stronach obszaru zawierającego całkowicie ekranowane pole magnetyczne. Kiedy wiązki są ponownie łączone w detektorze, efekt Aharonova-Bohma ujawnia się jako interferencja między wiązkami.
Teraz fizycy ze Stanford zaobserwowali a grawitacyjna wersja efektu przy użyciu ultrazimnych atomów. Zespół podzielił atomy na dwie grupy oddalone od siebie o około 25 cm, przy czym jedna grupa oddziałuje grawitacyjnie z dużą masą. Po ponownym połączeniu atomy wykazywały interferencję zgodną z efektem Aharonova-Bohma dla grawitacji. Efekt ten można wykorzystać do wyznaczenia stałej grawitacji Newtona z bardzo dużą precyzją.
- Gratulujemy wszystkim zespołom, które zostały uhonorowane – i bądźcie czujni na zwycięzcę, który zostanie ogłoszony w środę 14 grudnia 2022 r.
