Fysikvärlden är glada över att tillkännage sina 10 bästa genombrott för 2022, som spänner över allt från kvantfysik och medicinsk fysik till astronomi och kondenserad materia. Helheten Fysikvärlden Årets genombrott avslöjas onsdagen den 14 december.
De 10 genombrotten valdes ut av en panel av Fysikvärlden redaktörer, som sållade igenom hundratals forskningsuppdateringar som publicerats på webbplatsen i år inom alla fysikområden. Förutom att ha anmälts i Fysikvärlden 2022 måste urval uppfylla följande kriterier:
- Betydande framsteg i kunskap eller förståelse
- Vikten av arbete för vetenskapliga framsteg och/eller utveckling av verkliga tillämpningar
- Av allmänt intresse för Fysikvärlden läsare
De 10 bästa genombrotten för 2022 listas nedan utan särskild ordning. Kom tillbaka nästa vecka för att ta reda på vilken som har packat överallen Fysikvärlden Priset Årets genombrott.
Inleder en ny era för ultrakall kemi
Till Bo Zhao, Jian-Wei Pan och kollegor vid University of Science and Technology of China (USTC) och Chinese Academy of Sciences i Peking; och självständigt till John Doyle och kollegor vid Harvard University i USA, för att skapa de första ultrakalla polyatomiska molekylerna.
Även om fysiker har kylt atomer till en bråkdel över absolut noll i mer än 30 år, och de första ultrakalla diatomiska molekylerna dök upp i mitten av 2000-talet, hade målet att göra ultrakalla molekyler som innehåller tre eller fler atomer visat sig svårfångat.
Med hjälp av olika och kompletterande tekniker tog teamen från USTC och Harvard fram prover av triatomära natrium-kaliummolekyler vid 220 nK och natriumhydroxid vid 110 µK respektive. Deras prestation banar väg för ny forskning inom både fysik och kemi, med studier av ultrakalla kemiska reaktioner, nya former av kvantsimulering och tester av grundläggande vetenskap som alla är närmare att förverkligas tack vare dessa multiatommolekylära plattformar.
Att observera tetraneutronen
Till Meytal Duer vid institutet för kärnfysik vid Tysklands tekniska universitet i Darmstadt och resten av SAMURAI Samarbete för observera tetraneutronen och visar att oladdat kärnämne existerar, om än för en mycket kort tid.
Bestående av fyra neutroner sågs tetraneutronen vid RIKEN Nishina Centres radioaktiva jonstrålefabrik i Japan. Tetraneutronerna skapades genom att skjuta helium-8 kärnor mot ett mål av flytande väte. Kollisionerna kan dela en helium-8 kärna i en alfapartikel (två protoner och två neutroner) och en tetraneutron.
Genom att detektera de rekylerande alfapartiklarna och vätekärnorna kom teamet fram till att de fyra neutronerna existerade i ett obundet tetraneutrontillstånd i bara 10-22 s. Den statistiska signifikansen för observationen är större än 5σ, vilket sätter den över tröskeln för en upptäckt inom partikelfysik. Teamet planerar nu att studera de individuella neutronerna inom tetraneutroner och leta efter nya partiklar som innehåller sex och åtta neutroner.
Supereffektiv elproduktion
Till Alina LaPotin, Asegun Henry och kollegor vid Massachusetts Institute of Technology och National Renewable Energy Laboratory, USA, för konstruera en termofotovoltaisk (TPV) cell med en verkningsgrad på mer än 40 %.
Den nya TPV-cellen är den första solid-state värmemotorn av något slag som omvandlar infrarött ljus till elektrisk energi mer effektivt än en turbinbaserad generator, och den kan arbeta med ett brett utbud av möjliga värmekällor. Dessa inkluderar termiska energilagringssystem, solstrålning (via en mellanliggande strålningsabsorbator) och spillvärme samt kärnreaktioner eller förbränning. Enheten kan därför bli en viktig komponent i ett renare, grönare elnät och ett komplement till solceller med synligt ljus.
Den snabbaste möjliga optoelektroniska omkopplaren
Till Marcus Ossiander, Martin Schultze och kollegor vid Max Planck Institute for Quantum Optics och LMU München i Tyskland; Wiens tekniska universitet och Graz tekniska universitet i Österrike; och CNR NANOTEC Institute of Nanotechnology i Italien, för definiera och utforska "hastighetsgränserna" för optoelektronisk omkoppling i en fysisk enhet.
Teamet använde laserpulser som varade bara en femtosekund (10-15 s) för att byta ett prov av ett dielektriskt material från ett isolerande till ett ledande tillstånd med den hastighet som behövs för att realisera en omkopplare som fungerar 1000 biljoner gånger per sekund (en petahertz). Även om apparaten i lägenhetsstorlek som krävs för att driva denna supersnabba strömbrytare innebär att den inte kommer att dyka upp i praktiska enheter inom kort, antyder resultaten en grundläggande gräns för klassisk signalbehandling och antyder att petahertz halvledaroptoelektronik i princip är genomförbar. .
Öppnar ett nytt fönster i universum
Till NASA, Canadian Space Agency och European Space Agency för utplaceringen och första bilderna från James Webb rymdteleskop (JWST).
Efter år av förseningar och kostnadsökningar, $10 miljarder JWST äntligen lanserat den 25 december 2021. För många rymdsonder är uppskjutningen den farligaste delen av uppdraget, men JWST var också tvungen att överleva en serie farliga uppackningsmanövrar i djupt rymden, som innebar att fälla ut dess 6.5 m stora primärspegel och veckla ut dess huvudspegel. solskydd på en tennisbana.
Före lanseringen identifierade ingenjörer 344 "single-point"-fel som kunde ha hindrat observatoriets uppdrag, eller ännu värre, göra det oanvändbart. Anmärkningsvärt nog uppstod inga problem och följde driftsättningen av JWST:s vetenskapliga instrument började observatoriet snart ta data och fånga spektakulära bilder av kosmos.
Den första JWST-bilden tillkännagavs av USA:s president Joe Biden vid ett speciellt evenemang i Vita huset och många bländande bilder har sedan dess släppts. Observatoriet förväntas fungera långt in på 2030-talet och är redan på väg att revolutionera astronomi.
Första i människan FLASH protonterapi
Till Emily Daugherty från University of Cincinnati i USA och medarbetare som arbetar med FAST-01 testversion för att utföra första kliniska prövningen av FLASH-strålbehandling och den första i människans användning av FLASH protonterapi.
FLASH-strålbehandling är en framväxande behandlingsteknik där strålning levereras med ultrahöga doser, ett tillvägagångssätt som tros skona frisk vävnad samtidigt som den effektivt dödar cancerceller. Att använda protoner för att leverera strålning med ultrahög dos kommer att möjliggöra behandling av tumörer som finns djupt inne i kroppen.
Studien inkluderade 10 patienter med smärtsamma benmetastaser i armar och ben, som fick en enda protonbehandling levererad vid 40 Gy/s eller mer – cirka 1000 XNUMX gånger doshastigheten för konventionell fotonstrålbehandling. Teamet visade genomförbarheten av det kliniska arbetsflödet och visade att FLASH protonterapi var lika effektiv som konventionell strålbehandling för smärtlindring, utan att orsaka oväntade biverkningar.
Perfekt ljustransmission och absorption
Till ett team som leds av Stefan Rotter vid Österrikes tekniska universitet i Wien och Matthieu Davy vid universitetet i Rennes i Frankrike för att skapa en antireflektionsstruktur som möjliggör perfekt överföring genom komplexa medier; tillsammans med ett samarbete som leds av Rotter och Ori Katz från hebreiska universitetet i Jerusalem i Israel, för att utveckla en "anti-laser” som gör att alla material kan absorbera allt ljus från ett brett spektrum av vinklar.
I den första undersökningen designade forskarna ett antireflektionsskikt som är matematiskt optimerat för att matcha hur vågor skulle reflektera från framsidan av ett objekt. Att placera denna struktur framför ett slumpmässigt oordnat medium eliminerar helt reflektioner och gör objektet genomskinligt för alla inkommande ljusvågor.
I den andra studien utvecklade teamet en sammanhängande perfekt absorbator, baserad på en uppsättning speglar och linser, som fångar in inkommande ljus i en kavitet. På grund av exakt beräknade interferenseffekter interfererar den infallande strålen med strålen som reflekteras tillbaka mellan speglarna, så att den reflekterade strålen nästan helt släcks.
Kubisk borarsenid är en mästare i halvledare
Till oberoende team ledda av Gäng Chen vid Massachusetts Institute of Technology i USA och Xinfeng Liu från National Center for Nanoscience and Technology i Peking, Kina för att visa att kubisk borarsenid är en av de bästa halvledarna som vetenskapen känner till.
De två grupperna gjorde experiment som avslöjade att små, rena områden av materialet har en mycket högre värmeledningsförmåga och hålrörlighet än halvledare som kisel, som ligger till grund för modern elektronik. Silikons rörlighet med låga hål begränsar hastigheten med vilken silikonenheter fungerar, medan dess låga värmeledningsförmåga gör att elektroniska enheter överhettas.
Kubisk borarsenid, däremot, hade länge förutspåtts överträffa kisel på dessa åtgärder, men forskare hade kämpat för att skapa tillräckligt stora enkristallprov av materialet för att mäta dess egenskaper. Nu har dock båda lagen nu övervunnit denna utmaning och fört den praktiska användningen av kubisk borarsenid ett steg närmare.
Ändra en asteroids bana
Till NASA och Johns Hopkins Applied Physics Laboratory i USA för den första demonstrationen av "kinetisk påverkan" genom att framgångsrikt förändra en asteroids omloppsbana.
Lanserades i november 2021, den Dubbel asteroid omdirigeringstest (DART) farkost var det första uppdraget någonsin att undersöka kinetisk påverkan av en asteroid. Dess mål var ett binärt jordnära asteroidsystem bestående av en kropp med 160 meter i diameter som heter Dimorphos som kretsar kring en större asteroid med 780 meter i diameter som heter Didymos.
Efter en 11 miljoner kilometer lång resa till asteroidsystemet, i oktober drabbade DART framgångsrikt Dimorphos medan den färdades i cirka 6 km/s. Dagar senare, NASA bekräftade att DART framgångsrikt hade förändrat Dimorphos omloppsbana med 32 minuter – vilket förkortade omloppsbanan från 11 timmar och 55 minuter till 11 timmar och 23 minuter.
Denna förändring var cirka 25 gånger större än de 73 sekunder som NASA hade definierat som en minsta framgångsrik omloppsperiodförändring. Resultaten kommer också att användas för att bedöma hur man bäst kan tillämpa den kinetiska stöttekniken för att försvara vår planet.
Detekterar en Aharonov–Bohm-effekt för gravitation
Till Chris Overstreet, Peter Asenbaum, Mark Kasevich och kollegor vid Stanford University i USA för att ha upptäckt en Aharonov–Bohm-effekt för gravitation.
Den ursprungliga Aharonov-Bohm-effekten, som först förutsågs 1949, är ett kvantfenomen där vågfunktionen hos en laddad partikel påverkas av en elektrisk eller magnetisk potential även när partikeln är i ett område med noll elektriska och magnetiska fält. Sedan 1960-talet har effekten observerats genom att dela en elektronstråle och skicka de två strålarna på vardera sidan av ett område som innehåller ett helt avskärmat magnetfält. När strålarna återkombineras vid en detektor avslöjas Aharonov-Bohm-effekten som en interferens mellan strålarna.
Nu har Stanford-fysikerna observerat en gravitationsversionen av effekten med hjälp av ultrakalla atomer. Teamet delade atomerna i två grupper som var åtskilda med cirka 25 cm, där en grupp interagerar gravitationsmässigt med en stor massa. När de återkombinerades visade atomerna en interferens som överensstämmer med en Aharonov-Bohm-effekt för gravitationen. Effekten skulle kunna användas för att bestämma Newtons gravitationskonstant med mycket hög precision.
- Grattis till alla lag som har hedrats – och håll utkik efter den totala vinnaren, som tillkännages onsdagen den 14 december 2022.
