Svet fizike z veseljem objavlja svojih 10 najboljših prebojev leta za leto 2022, ki zajemajo vse od kvantne in medicinske fizike do astronomije in kondenzirane snovi. Celotno Svet fizike Preboj leta bo znan v sredo, 14. decembra.
10 prebojev je izbrala komisija Svet fizike uredniki, ki so letos prebrskali na stotine posodobitev raziskav, objavljenih na spletni strani, na vseh področjih fizike. Poleg tega, da so bili prijavljeni v Svet fizike v letu 2022 morajo izbori izpolnjevati naslednja merila:
- Pomemben napredek v znanju ali razumevanju
- Pomen dela za znanstveni napredek in/ali razvoj aplikacij v realnem svetu
- V splošnem interesu za Svet fizike bralci
10 največjih prebojev za leto 2022 je navedenih spodaj brez posebnega vrstnega reda. Vrnite se naslednji teden, da ugotovite, katera je osvojila kombinezon Svet fizike Nagrada za preboj leta.
Začetek nove dobe ultrahladne kemije
Da Bo Zhao, Jian-Wei Pan in sodelavci na Univerzi za znanost in tehnologijo Kitajske (USTC) in Kitajski akademiji znanosti v Pekingu; in neodvisno od John doyle in kolegom na univerzi Harvard v ZDA, za ustvarjanje prvih ultrahladnih poliatomskih molekul.
Čeprav so fiziki že več kot 30 let ohlajali atome na delček nad absolutno ničlo in so se prve ultrahladne dvoatomske molekule pojavile sredi 2000-ih, se je cilj izdelave ultrahladnih molekul, ki vsebujejo tri ali več atomov, izkazal za nedosegljivega.
Z uporabo različnih in komplementarnih tehnik sta ekipi USTC in Harvard izdelali vzorce triatomske natrij-kalijeve molekule pri 220 nK in natrijev hidroksid pri 110 µK oz. Njihov dosežek utira pot novim raziskavam v fiziki in kemiji, s študijami ultrahladnih kemičnih reakcij, novimi oblikami kvantne simulacije in preizkusi temeljne znanosti, ki so vse bližje realizaciji zahvaljujoč tem večatomskim molekularnim platformam.
Opazovanje tetranevtrona
Da Meytal Duer na Inštitutu za jedrsko fiziko na nemški tehnični univerzi v Darmstadtu in ostalih Sodelovanje SAMURAI za opazovanje tetranevtrona in dokazuje, da nenaelektrena jedrska snov obstaja, čeprav le za zelo kratek čas.
Tetranevtron, sestavljen iz štirih nevtronov, so opazili v tovarni radioaktivnih ionskih žarkov centra RIKEN Nishina na Japonskem. Tetranevtroni so bili ustvarjeni z izstrelitvijo jeder helija-8 na tarčo tekočega vodika. Trki lahko razcepijo jedro helija-8 na delec alfa (dva protona in dva nevtrona) in tetranevtron.
Z zaznavanjem odbojnih alfa delcev in vodikovih jeder je ekipa ugotovila, da so štirje nevtroni obstajali v nevezanem tetranevtronskem stanju samo 10-22 s. Statistična pomembnost opazovanja je večja od 5σ, kar pomeni, da presega prag za odkritje v fiziki delcev. Ekipa zdaj načrtuje preučevanje posameznih nevtronov znotraj tetranevtronov in iskanje novih delcev, ki vsebujejo šest in osem nevtronov.
Super učinkovita proizvodnja električne energije
Da Alina LaPotin, Asegun Henry in sodelavci na Massachusetts Institute of Technology in National Renewable Energy Laboratory, ZDA, za izdelava termofotovoltaične (TPV) celice z izkoristkom več kot 40 %.
Nova celica TPV je prvi polprevodniški toplotni motor katere koli vrste, ki pretvarja infrardečo svetlobo v električno energijo učinkoviteje kot turbinski generator in lahko deluje s širokim naborom možnih virov toplote. Sem spadajo sistemi za shranjevanje toplotne energije, sončno sevanje (preko vmesnega absorberja sevanja) in odpadna toplota ter jedrske reakcije ali zgorevanje. Naprava bi tako lahko postala pomemben sestavni del čistejšega, bolj zelenega električnega omrežja in dopolnilo sončnim fotovoltaičnim celicam v vidni svetlobi.
Najhitrejše možno optoelektronsko stikalo
Da Marcus Ossiander, Martin Schultze in sodelavci na Inštitutu Maxa Plancka za kvantno optiko in LMU München v Nemčiji; Dunajska tehnološka univerza in Graška tehnološka univerza v Avstriji; in CNR NANOTEC Inštitut za nanotehnologijo v Italiji, za definiranje in raziskovanje »omejitev hitrosti« optoelektronskega preklapljanja v fizični napravi.
Ekipa je uporabila laserske impulze, ki so trajali le eno femtosekundo (10-15 s) za preklop vzorca dielektričnega materiala iz izolacijskega v prevodno stanje s hitrostjo, ki je potrebna za realizacijo stikala, ki deluje 1000 trilijonov krat na sekundo (en petaherc). Čeprav aparat v velikosti stanovanja, ki je potreben za pogon tega super hitrega stikala, pomeni, da se v praktičnih napravah ne bo kmalu pojavil, rezultati kažejo na temeljno omejitev za klasično obdelavo signalov in kažejo, da je petaherčna polprevodniška optoelektronika načeloma izvedljiva .
Odpiranje novega okna v vesolje
Nasi, Kanadski vesoljski agenciji in Evropski vesoljski agenciji za razporeditev in prve slike iz Vesoljski teleskop James Webb (JWST).
Po letih zamud in rasti stroškov je JWST v vrednosti 10 milijard USD končno lansiran 25. decembra 2021. Za številne vesoljske sonde je izstrelitev najnevarnejši del misije, vendar je morala JWST preživeti tudi vrsto nevarnih manevrov razpakiranja globokega vesolja, ki so vključevali razpiranje njenega 6.5-metrskega primarnega zrcala in odvijanje sončna zaščita v velikosti teniškega igrišča.
Pred izstrelitvijo so inženirji identificirali 344 "enotočkovnih" napak, ki bi lahko ovirale misijo observatorija ali, kar je še huje, ga naredile neuporabnega. Presenetljivo je, da ni bilo nobenih težav in naslednjih zagon znanstvenih instrumentov JWST je observatorij kmalu začel zbirati podatke in zajemanje spektakularnih podob vesolja.
Prvo sliko JWST je napovedal ameriški predsednik Joe Biden na posebnem dogodku v Beli hiši in od takrat je bilo objavljenih veliko bleščečih slik. Pričakuje se, da bo observatorij deloval vse do leta 2030 in je že na poti, da bo spremenil astronomijo.
Prva protonska terapija FLASH pri ljudeh
Da Emily Daugherty z Univerze v Cincinnatiju v ZDA in sodelavci, ki delajo na Preizkus FAST-01 za izvajanje prvo klinično preskušanje radioterapije FLASH in prva uporaba protonske terapije FLASH pri ljudeh.
Radioterapija FLASH je nastajajoča tehnika zdravljenja, pri kateri se sevanje dovaja z ultravisokimi odmerki, pristop, za katerega se domneva, da prihrani zdravo tkivo, medtem ko še vedno učinkovito ubija rakave celice. Uporaba protonov za prenos sevanja z ultravisokimi dozami bo omogočila zdravljenje tumorjev, ki se nahajajo globoko v telesu.
Preskušanje je vključevalo 10 bolnikov z bolečimi metastazami v kosteh na rokah in nogah, ki so prejeli eno protonsko zdravljenje s 40 Gy/s ali več – približno 1000-kratna hitrost odmerka običajne fotonske radioterapije. Ekipa je dokazala izvedljivost kliničnega poteka dela in pokazala, da je protonska terapija FLASH enako učinkovita kot običajna radioterapija za lajšanje bolečin, ne da bi povzročila nepričakovane stranske učinke.
Izpopolni prepustnost in absorpcijo svetlobe
Ekipi, ki jo vodi Stefan Rotter avstrijske tehnične univerze na Dunaju in Matthieu Davy Univerze v Rennesu v Franciji za ustvarjanje antirefleksne strukture, ki omogoča popoln prenos skozi kompleksne medije; skupaj s sodelovanjem, ki sta ga vodila Rotter in Ori Katz s Hebrejske univerze v Jeruzalemu v Izraelu za razvoj "protilaserski”, ki omogoča, da kateri koli material absorbira vso svetlobo iz širokega razpona kotov.
V prvi preiskavi so raziskovalci zasnovali protiodsevno plast, ki je matematično optimizirana, da se ujema z načinom odbijanja valov od sprednje površine predmeta. Postavitev te strukture pred naključno neurejen medij popolnoma odpravi odseve in naredi predmet prosojen za vse vhodne svetlobne valove.
V drugi študiji je ekipa razvila koherenten popoln absorber, ki temelji na nizu ogledal in leč, ki ujame vhodno svetlobo v votlino. Zaradi natančno izračunanih interferenčnih učinkov vpadni žarek interferira z nazaj odbitim žarkom med ogledali, tako da odbiti žarek skoraj popolnoma ugasne.
Kubični borov arzenid je najboljši polprevodnik
Neodvisnim ekipam pod vodstvom Gang Chen na Massachusetts Institute of Technology v ZDA in Xinfeng Liu Nacionalnega centra za nanoznanost in tehnologijo v Pekingu na Kitajskem za dokaz, da je kubični borov arzenid eden najboljših polprevodnikov, ki jih pozna znanost.
Skupini sta izvedli poskuse, ki so razkrili, da imajo majhne, čiste regije materiala veliko večjo toplotno prevodnost in mobilnost lukenj kot polprevodniki, kot je silicij, ki je osnova sodobne elektronike. Silicijeva nizka mobilnost lukenj omejuje hitrost delovanja silicijevih naprav, medtem ko njegova nizka toplotna prevodnost povzroča pregrevanje elektronskih naprav.
V nasprotju s tem se je dolgo napovedovalo, da bo pri teh ukrepih presegel silicij, vendar so se raziskovalci trudili ustvariti dovolj velike monokristalne vzorce materiala, da bi izmerili njegove lastnosti. Sedaj pa sta obe ekipi premagali ta izziv in praktično uporabo kubičnega borovega arzenida približali korak bližje.
Spreminjanje orbite asteroida
V Naso in Johns Hopkins Laboratorij za uporabno fiziko v ZDA za prva demonstracija "kinetičnega udarca" z uspešno spremembo orbite asteroida.
Lansirano novembra 2021je Preskus preusmeritve dvojnega asteroida (DART) je bila prva misija, ki je raziskovala kinetični udar asteroida. Njegov cilj je bil binarni asteroidni sistem blizu Zemlje, sestavljen iz telesa s premerom 160 metrov, imenovanega Dimorphos, ki kroži okoli večjega asteroida s premerom 780 metrov, imenovanega Didymos.
Po 11 milijonov kilometrov dolgem potovanju do asteroidnega sistema je DART oktobra uspešno trčil v Dimorphos, medtem ko je potoval s približno 6 km/s. Nekaj dni kasneje, NASA potrjena da je DART uspešno spremenil orbito Dimorphosa za 32 minut – skrajšanje orbite z 11 ur in 55 minut na 11 ur in 23 minut.
Ta sprememba je bila približno 25-krat večja od 73 sekund, ki jih je NASA opredelila kot minimalno uspešno spremembo obdobja orbite. Rezultati bodo uporabljeni tudi za oceno, kako najbolje uporabiti tehniko kinetičnega udarca za obrambo našega planeta.
Zaznavanje Aharonov–Bohmovega učinka za gravitacijo
Da Chris Overstreet, Peter Asenbaum, Mark Kasevič in kolegom na univerzi Stanford v ZDA za odkrivanje Aharonov–Bohmovega učinka za gravitacijo.
Prvotni Aharonov–Bohmov učinek, ki je bil prvič napovedan leta 1949, je kvantni pojav, pri katerem na valovno funkcijo nabitega delca vpliva električni ali magnetni potencial, tudi če je delec v območju ničelnih električnih in magnetnih polj. Od šestdesetih let prejšnjega stoletja so učinek opazovali tako, da so žarek elektronov razdelili in oba žarka poslali na obe strani območja, ki vsebuje popolnoma zaščiteno magnetno polje. Ko se žarki rekombinirajo na detektorju, se Aharonov–Bohmov učinek razkrije kot interferenca med žarki.
Zdaj so fiziki s Stanforda opazili a gravitacijska različica učinka z uporabo ultrahladnih atomov. Ekipa je razdelila atome v dve skupini, ki sta bili ločeni s približno 25 cm, pri čemer je ena skupina gravitacijsko vplivala na veliko maso. Pri rekombinaciji so atomi pokazali interferenco, ki je skladna z učinkom Aharonov–Bohm za gravitacijo. Učinek bi lahko uporabili za določitev Newtonove gravitacijske konstante z zelo visoko natančnostjo.
- Čestitamo vsem ekipam, ki so bile nagrajene – in spremljajte skupnega zmagovalca, ki bo objavljen v sredo, 14. decembra 2022.
