โลกฟิสิกส์ มีความยินดีที่จะประกาศความก้าวหน้า 10 อันดับแรกแห่งปีสำหรับปี 2022 ซึ่งครอบคลุมทุกอย่างตั้งแต่ควอนตัมและฟิสิกส์การแพทย์ไปจนถึงดาราศาสตร์และสสารควบแน่น โดยรวม โลกฟิสิกส์ Breakthrough of the Year จะถูกเปิดเผยในวันพุธที่ 14 ธันวาคม
ความก้าวหน้า 10 ประการได้รับการคัดเลือกโดยคณะกรรมการของ โลกฟิสิกส์ บรรณาธิการที่กลั่นกรองการอัปเดตงานวิจัยหลายร้อยรายการที่เผยแพร่บนเว็บไซต์ในปีนี้ในทุกสาขาวิชาฟิสิกส์ นอกจากจะมีรายงานเข้ามาแล้ว โลกฟิสิกส์ ในปี 2022 การคัดเลือกจะต้องเป็นไปตามเกณฑ์ดังต่อไปนี้:
- ความก้าวหน้าอย่างมากในความรู้หรือความเข้าใจ
- ความสำคัญของงานเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และ/หรือการพัฒนาแอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริง
- ผู้สนใจทั่วไป โลกฟิสิกส์ ผู้อ่าน
ความก้าวหน้า 10 อันดับแรกสำหรับปี 2022 แสดงไว้ด้านล่างโดยไม่เรียงลำดับ กลับมาในสัปดาห์หน้าเพื่อดูว่าอันไหนมีภาพรวม โลกฟิสิกส์ รางวัลความก้าวหน้าแห่งปี
นำเข้าสู่ยุคใหม่สำหรับเคมีอุลตร้าโคลด์
ไปยัง บ่อจ้าว, เจียนเว่ยปาน และเพื่อนร่วมงานที่ University of Science and Technology of China (USTC) และ Chinese Academy of Sciences ในกรุงปักกิ่ง และเป็นอิสระที่จะ จอห์น ดอยล์ และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในสหรัฐอเมริกาสำหรับการสร้างโมเลกุลโพลิอะตอมมิกชนิดเย็นพิเศษตัวแรก
แม้ว่านักฟิสิกส์ได้ทำให้อะตอมเย็นลงจนถึงเศษส่วนเหนือศูนย์สัมบูรณ์มากว่า 30 ปีแล้ว และโมเลกุลไดอะตอมแบบเย็นพิเศษตัวแรกปรากฏขึ้นในช่วงกลางปี 2000 เป้าหมายของการสร้างโมเลกุลแบบเย็นพิเศษที่มีอะตอมสามอะตอมหรือมากกว่านั้นได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเข้าใจยาก
ทีมงาน USTC และ Harvard ใช้เทคนิคที่แตกต่างและเสริมกันในการผลิตตัวอย่าง โมเลกุลโซเดียมโพแทสเซียมไตรอะตอม ที่ 220 nK และ โซเดียมไฮดรอกไซด์ ที่ 110 µK ตามลำดับ ความสำเร็จของพวกเขาปูทางไปสู่การวิจัยใหม่ๆ ทั้งในฟิสิกส์และเคมี ด้วยการศึกษาเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีที่เย็นจัด รูปแบบของการจำลองควอนตัมแบบใหม่ และการทดสอบวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่ใกล้จะบรรลุผลสำเร็จมากขึ้นด้วยแพลตฟอร์มโมเลกุลหลายอะตอมเหล่านี้
การสังเกตเตตระนิวตรอน
ไปยัง มีทัล ดูเอร์ ที่สถาบันฟิสิกส์นิวเคลียร์แห่งมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งดาร์มสตัดท์ของเยอรมนี และที่อื่นๆ การทำงานร่วมกันของซามูไร for การสังเกตเตตระนิวตรอน และแสดงให้เห็นว่ามีสสารนิวเคลียร์ที่ไม่มีประจุอยู่ หากเป็นเพียงช่วงเวลาสั้นๆ
เตตระนิวตรอนประกอบด้วยนิวตรอนสี่ตัวถูกค้นพบที่โรงงานลำแสงไอออนกัมมันตภาพรังสีของ RIKEN Nishina Center ในประเทศญี่ปุ่น เตตระนิวตรอนถูกสร้างขึ้นโดยการยิงนิวเคลียสของฮีเลียม-8 ไปที่เป้าหมายของไฮโดรเจนเหลว การชนสามารถแบ่งนิวเคลียสของฮีเลียม-8 ออกเป็นอนุภาคแอลฟา (โปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว) และเตตระนิวตรอน
จากการตรวจจับอนุภาคแอลฟาที่ถอยกลับและนิวเคลียสของไฮโดรเจน ทีมงานพบว่านิวตรอนทั้งสี่อยู่ในสถานะเตตระนิวตรอนที่ไม่ได้ผูกไว้เป็นเวลาเพียง 10-22 ส. นัยสำคัญทางสถิติของการสังเกตนั้นมากกว่า 5σ ทำให้เกินเกณฑ์สำหรับการค้นพบในฟิสิกส์ของอนุภาค ขณะนี้ทีมวางแผนที่จะศึกษานิวตรอนแต่ละตัวภายในเตตระนิวตรอน และค้นหาอนุภาคใหม่ที่ประกอบด้วยนิวตรอน XNUMX และ XNUMX ตัว
การผลิตไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูง
ไปยัง อลีนา ลาโปติน, อาเซกุน เฮนรี่ และเพื่อนร่วมงานที่ Massachusetts Institute of Technology และ National Renewable Energy Laboratory, US, for สร้างเซลล์เทอร์โมโฟโตโวลตาอิก (TPV) ที่มีประสิทธิภาพมากกว่า 40%.
เซลล์ TPV ใหม่เป็นเครื่องยนต์ความร้อนโซลิดสเตตชนิดแรกที่เปลี่ยนแสงอินฟราเรดเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ใช้กังหัน และสามารถทำงานได้กับแหล่งความร้อนที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงระบบกักเก็บพลังงานความร้อน รังสีดวงอาทิตย์ (ผ่านตัวดูดซับรังสีระดับกลาง) และความร้อนเหลือทิ้ง ตลอดจนปฏิกิริยานิวเคลียร์หรือการเผาไหม้ ดังนั้นอุปกรณ์ดังกล่าวจึงกลายเป็นองค์ประกอบสำคัญของโครงข่ายไฟฟ้าที่สะอาดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมยิ่งขึ้น และเป็นส่วนประกอบของเซลล์แสงอาทิตย์แบบแสงที่มองเห็นได้
สวิตช์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่เร็วที่สุดเท่าที่เป็นไปได้
ไปยัง มาร์คัส ออสเซียนเดอร์, มาร์ติน ชูลท์เซ่ และเพื่อนร่วมงานที่ Max Planck Institute for Quantum Optics และ LMU Munich ในเยอรมนี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเวียนนาและมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีกราซในออสเตรีย; และสถาบันนาโนเทคโนโลยี CNR NANOTEC ประเทศอิตาลี สำหรับ การกำหนดและสำรวจ "ขีดจำกัดความเร็ว" ของสวิตช์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ในอุปกรณ์ทางกายภาพ
ทีมใช้เลเซอร์พัลส์ที่กินเวลาเพียงหนึ่งเฟมโตวินาที (10-15 s) เพื่อเปลี่ยนตัวอย่างของวัสดุไดอิเล็กตริกจากสถานะฉนวนเป็นสถานะตัวนำด้วยความเร็วที่จำเป็นเพื่อให้สวิตช์ทำงาน 1000 ล้านล้านครั้งต่อวินาที (หนึ่งเพตาเฮิรตซ์) แม้ว่าอุปกรณ์ขนาดอพาร์ตเมนต์ที่จำเป็นในการขับเคลื่อนสวิตช์ความเร็วสูงนี้หมายความว่าจะไม่ปรากฏในอุปกรณ์ที่ใช้งานจริงเร็วๆ นี้ แต่ผลลัพธ์ที่ได้บ่งชี้ถึงขีดจำกัดพื้นฐานสำหรับการประมวลผลสัญญาณแบบดั้งเดิม และแนะนำว่าโดยหลักการแล้ว petahertz solid-state optoelectronics นั้นเป็นไปได้ .
เปิดหน้าต่างใหม่สู่จักรวาล
ถึง NASA องค์การอวกาศแคนาดา และองค์การอวกาศยุโรป สำหรับการปรับใช้ และภาพแรกจาก กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (เจดับบลิวเอสที).
หลังจากหลายปีของความล่าช้าและการขึ้นราคา JWST มูลค่า 10 หมื่นล้านดอลลาร์ ในที่สุดก็เปิดตัว ในวันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2021 สำหรับยานสำรวจอวกาศหลายลำ การปล่อยยานเป็นส่วนที่อันตรายที่สุดของภารกิจ แต่ JWST ยังต้องเอาชีวิตรอดจากการซ้อมรบในอวกาศห้วงลึกที่อันตราย ซึ่งรวมถึงการเปิดกระจกหลักสูง 6.5 ม. และคลี่มันออก ที่บังแดดขนาดสนามเทนนิส
ก่อนการเปิดตัว วิศวกรระบุความล้มเหลว "จุดเดียว" 344 รายการที่อาจขัดขวางภารกิจของหอดูดาว หรือแย่กว่านั้นคือทำให้ใช้งานไม่ได้ ไม่พบปัญหาและการติดตามอย่างน่าทึ่ง การว่าจ้าง จากเครื่องมือวิทยาศาสตร์ของ JWST ในไม่ช้าหอดูดาวก็เริ่มเก็บข้อมูลและ จับภาพอันน่าตื่นตาตื่นใจของจักรวาล.
ภาพ JWST ภาพแรกได้รับการประกาศโดยประธานาธิบดีสหรัฐ โจ ไบเดน ในงานพิเศษที่ทำเนียบขาว และภาพอันน่าตื่นตาจำนวนมากก็ได้รับการเผยแพร่ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา คาดว่าหอดูดาวจะใช้งานได้ดีในช่วงปี 2030 และกำลังจะปฏิวัติวงการดาราศาสตร์
การบำบัดด้วยโปรตอน FLASH ครั้งแรกในมนุษย์
ไปยัง เอมิลี่ ลูกสาว จาก University of Cincinnati ในสหรัฐอเมริกาและผู้ทำงานร่วมกันที่ทำงานเกี่ยวกับ ทดลองใช้ FAST-01 สำหรับการแสดง การทดลองทางคลินิกครั้งแรกของการรักษาด้วยรังสี FLASH และการใช้ FLASH proton therapy เป็นครั้งแรกในมนุษย์
การรักษาด้วยรังสี FLASH เป็นเทคนิคการรักษาที่เกิดขึ้นใหม่ ซึ่งมีการฉายรังสีในอัตราปริมาณรังสีสูงพิเศษ ซึ่งเป็นวิธีการที่คิดว่าจะช่วยรักษาเนื้อเยื่อที่แข็งแรงในขณะที่ยังคงฆ่าเซลล์มะเร็งได้อย่างมีประสิทธิภาพ การใช้โปรตอนเพื่อส่งรังสีปริมาณรังสีสูงพิเศษจะช่วยให้สามารถรักษาเนื้องอกที่อยู่ลึกเข้าไปในร่างกายได้
การทดลองนี้รวมผู้ป่วย 10 รายที่มีการแพร่กระจายของกระดูกไปยังแขนและขาที่เจ็บปวด ซึ่งได้รับการรักษาด้วยโปรตอนเดี่ยวที่ความเร็ว 40 Gy/s หรือสูงกว่า ซึ่งมากกว่าอัตราการให้รังสีโฟตอนทั่วไปประมาณ 1000 เท่า ทีมงานได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของขั้นตอนการทำงานทางคลินิกและแสดงให้เห็นว่าการบำบัดด้วยโปรตอน FLASH นั้นมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับการรักษาด้วยรังสีเพื่อบรรเทาอาการปวดแบบดั้งเดิม โดยไม่ก่อให้เกิดผลข้างเคียงที่ไม่คาดคิด
การส่งผ่านแสงและการดูดซับที่สมบูรณ์แบบ
นำทีมโดย สเตฟาน ร็อตเตอร์ ของมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเวียนนาของออสเตรียและ มาติเยอ เดวี่ ของมหาวิทยาลัย Rennes ในฝรั่งเศสสำหรับการสร้างโครงสร้างป้องกันแสงสะท้อนที่เปิดใช้งาน การถ่ายทอดที่สมบูรณ์แบบผ่านสื่อที่ซับซ้อน; พร้อมด้วยการทำงานร่วมกันโดย Rotter และ โอริ แคทซ์ จากมหาวิทยาลัยฮิบรูแห่งเยรูซาเล็มในอิสราเอล เพื่อพัฒนา “ต่อต้านเลเซอร์” ที่ช่วยให้วัสดุใดๆ ก็ตามสามารถดูดซับแสงทั้งหมดจากหลากหลายมุม
ในการตรวจสอบครั้งแรก นักวิจัยได้ออกแบบชั้นป้องกันแสงสะท้อนที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมทางคณิตศาสตร์เพื่อให้ตรงกับลักษณะที่คลื่นจะสะท้อนจากพื้นผิวด้านหน้าของวัตถุ การวางโครงสร้างนี้ไว้ด้านหน้าตัวกลางที่ไม่เป็นระเบียบแบบสุ่มจะช่วยขจัดแสงสะท้อนและทำให้วัตถุโปร่งแสงต่อคลื่นแสงที่เข้ามาทั้งหมด
ในการศึกษาครั้งที่สอง ทีมงานได้พัฒนาตัวดูดซับที่สมบูรณ์แบบซึ่งเชื่อมโยงกันโดยใช้ชุดกระจกและเลนส์ ซึ่งจะดักจับแสงที่ส่องเข้ามาภายในโพรง เนื่องจากผลการรบกวนที่คำนวณได้อย่างแม่นยำ ลำแสงที่ตกกระทบจะรบกวนลำแสงที่สะท้อนกลับระหว่างกระจก ดังนั้นลำแสงที่สะท้อนจะดับลงเกือบทั้งหมด
Cubic boron arsenide เป็นสารกึ่งตัวนำระดับแชมเปี้ยน
ให้กับทีมอิสระนำโดย แก๊งเฉิน ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ในสหรัฐอเมริกาและ ซินเฟิงหลิว ของศูนย์นาโนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติในกรุงปักกิ่ง ประเทศจีน เพื่อแสดงว่าคิวบิกโบรอนอาร์เซไนด์คือ หนึ่งในเซมิคอนดักเตอร์ที่ดีที่สุดที่วิทยาศาสตร์รู้จัก.
ทั้งสองกลุ่มทำการทดลองที่เผยให้เห็นว่าบริเวณเล็กๆ ที่บริสุทธิ์ของวัสดุมีค่าการนำความร้อนและการเคลื่อนที่ของรูสูงกว่าสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิกอน ซึ่งเป็นพื้นฐานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ การเคลื่อนที่ของรูที่ต่ำของซิลิกอนจะจำกัดความเร็วที่อุปกรณ์ซิลิกอนทำงาน ในขณะที่ค่าการนำความร้อนต่ำทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ร้อนเกินไป
ในทางตรงกันข้าม Cubic boron arsenide ได้รับการทำนายมานานแล้วว่าจะมีประสิทธิภาพดีกว่าซิลิกอนในมาตรการเหล่านี้ แต่นักวิจัยพยายามดิ้นรนในการสร้างตัวอย่างผลึกเดี่ยวที่มีขนาดใหญ่พอที่จะวัดคุณสมบัติของวัสดุ อย่างไรก็ตาม ตอนนี้ ทั้งสองทีมได้เอาชนะความท้าทายนี้แล้ว ทำให้การใช้คิวบิกโบรอนอาร์เซไนด์ในทางปฏิบัติใกล้เข้ามาอีกก้าวหนึ่ง
การเปลี่ยนวงโคจรของดาวเคราะห์น้อย
ถึงองค์การนาซ่า และ Johns Hopkins ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ประยุกต์ในสหรัฐอเมริกา for การสาธิตครั้งแรก ของ "ผลกระทบทางจลนศาสตร์" โดยการเปลี่ยนวงโคจรของดาวเคราะห์น้อยได้สำเร็จ
เปิดตัวในเดือนพฤศจิกายน 2021ที่ การทดสอบการเปลี่ยนทิศทางของดาวเคราะห์น้อยคู่ ยาน (DART) เป็นภารกิจแรกในการตรวจสอบผลกระทบทางจลนศาสตร์ของดาวเคราะห์น้อย เป้าหมายคือดาวเคราะห์น้อยระบบคู่ใกล้โลกซึ่งประกอบด้วยวัตถุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 160 เมตรที่เรียกว่าไดมอร์ฟอส ซึ่งโคจรรอบดาวเคราะห์น้อยขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่านศูนย์กลาง 780 เมตรที่เรียกว่าดิไดมอส
หลังจากการเดินทาง 11 ล้านกิโลเมตรไปยังระบบดาวเคราะห์น้อย ในเดือนตุลาคม DART ประสบความสำเร็จในการส่งผลกระทบต่อ Dimorphos ในขณะที่เดินทางด้วยความเร็วประมาณ 6 กม./วินาที วันต่อมา องค์การนาซ่า ได้รับการยืนยัน ว่า DART ประสบความสำเร็จในการเปลี่ยนวงโคจรของ Dimorphos โดยใช้เวลา 32 นาที ทำให้วงโคจรสั้นลงจาก 11 ชั่วโมง 55 นาที เป็น 11 ชั่วโมง 23 นาที
การเปลี่ยนแปลงนี้มากกว่า 25 วินาทีที่ NASA กำหนดให้เป็นการเปลี่ยนแปลงระยะเวลาโคจรขั้นต่ำที่ประสบความสำเร็จถึง 73 เท่า ผลลัพธ์จะถูกนำไปใช้เพื่อประเมินว่าจะใช้เทคนิคผลกระทบทางจลนพลศาสตร์ได้ดีที่สุดอย่างไรเพื่อปกป้องโลกของเรา
ตรวจจับเอฟเฟกต์ Aharonov–Bohm สำหรับแรงโน้มถ่วง
ไปยัง คริส โอเวอร์สตรีท, ปีเตอร์ อาเซนบอม, มาร์ค เกษวิชญ์ และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดในสหรัฐอเมริกาในการตรวจจับผลกระทบของ Aharonov-Bohm สำหรับแรงโน้มถ่วง
ครั้งแรกที่ทำนายในปี 1949 เอฟเฟ็กต์ Aharonov-Bohm ดั้งเดิมเป็นปรากฏการณ์ควอนตัมโดยฟังก์ชันคลื่นของอนุภาคที่มีประจุจะได้รับผลกระทบจากศักย์ไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก แม้ว่าอนุภาคจะอยู่ในบริเวณที่ไม่มีสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กก็ตาม นับตั้งแต่ทศวรรษที่ 1960 เป็นต้นมา ผลกระทบดังกล่าวได้รับการสังเกตจากการแยกลำแสงอิเล็กตรอนและส่งลำแสงทั้งสองไปยังด้านใดด้านหนึ่งของพื้นที่ซึ่งมีสนามแม่เหล็กที่กำบังไว้อย่างสมบูรณ์ เมื่อลำแสงรวมตัวกันอีกครั้งที่เครื่องตรวจจับ เอฟเฟกต์ Aharonov–Bohm จะถูกเปิดเผยเป็นการแทรกสอดระหว่างลำแสง
ตอนนี้ นักฟิสิกส์ของสแตนฟอร์ดได้สังเกต เอฟเฟ็กต์แบบแรงโน้มถ่วง โดยใช้อะตอมอุลตร้าโคลด์ ทีมแบ่งอะตอมออกเป็นสองกลุ่มซึ่งห่างกันประมาณ 25 ซม. โดยกลุ่มหนึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับแรงโน้มถ่วงด้วยมวลขนาดใหญ่ เมื่อรวมตัวกันใหม่ อะตอมจะแสดงการแทรกสอดที่สอดคล้องกับผลกระทบของ Aharonov-Bohm สำหรับแรงโน้มถ่วง ผลกระทบนี้สามารถนำมาใช้เพื่อหาค่าคงที่ความโน้มถ่วงของนิวตันให้มีความแม่นยำสูงมากได้
- ขอแสดงความยินดีกับทุกทีมที่ได้รับรางวัล – และคอยติดตามผู้ชนะโดยรวมซึ่งจะประกาศในวันพุธที่ 14 ธันวาคม 2022
