Світ фізики із задоволенням оголошує 10 найкращих проривів 2022 року, які охоплюють усе: від квантової та медичної фізики до астрономії та конденсованих речовин. Загальний Світ фізики Прорив року буде оголошено в середу, 14 грудня.
10 проривів були обрані групою Світ фізики редактори, які переглянули сотні оновлених досліджень, опублікованих на веб-сайті цього року в усіх галузях фізики. Крім того, що було повідомлено в Світ фізики у 2022 році вибір має відповідати таким критеріям:
- Значний прогрес у знаннях або розумінні
- Важливість роботи для наукового прогресу та/або розробки реальних додатків
- Загальний інтерес для Світ фізики читачі
10 найкращих проривів 2022 року перераховані нижче без певного порядку. Поверніться наступного тижня, щоб дізнатися, хто з них отримав комбінезон Світ фізики Премія «Прорив року».
Початок нової ери ультрахолодної хімії
До Бо Чжао, Цзянь-Вей Пан та колеги з Університету науки і технологій Китаю (USTC) і Китайської академії наук у Пекіні; і самостійно до Джон Дойл і колеги з Гарвардського університету в США за створення перших ультрахолодних багатоатомних молекул.
Хоча фізики охолоджували атоми до частки вище абсолютного нуля більше 30 років, а перші ультрахолодні двоатомні молекули з’явилися в середині 2000-х років, мета створення ультрахолодних молекул, що містять три або більше атомів, виявилася недосяжною.
Використовуючи різні методи, що доповнюють один одного, команди USTC і Гарвардського університету виготовили зразки триатомні молекули натрію-калію при 220 нК і їдкий натр при 110 мкК відповідно. Їхні досягнення відкривають шлях для нових досліджень як у фізиці, так і в хімії, з дослідженнями ультрахолодних хімічних реакцій, новими формами квантового моделювання та тестами фундаментальної науки, які наближаються до реалізації завдяки цим багатоатомним молекулярним платформам.
Спостереження тетранейтрона
До Мейтал Дуер в Інституті ядерної фізики німецького Технічного університету Дармштадта та інших Співпраця SAMURAI та цінності спостереження тетранейтрона і показує, що незаряджена ядерна матерія існує, хоча б протягом дуже короткого часу.
Тетранейтрон, що складається з чотирьох нейтронів, був помічений на заводі радіоактивних іонних променів центру RIKEN Nishina в Японії. Тетранейтрони були створені шляхом стрільби ядер гелію-8 по мішені з рідкого водню. Зіткнення можуть розщепити ядро гелію-8 на альфа-частинку (два протони і два нейтрони) і тетранейтрон.
Виявивши віддачу альфа-частинок і ядер водню, команда з’ясувала, що чотири нейтрони існували у стані незв’язаного тетранейтрона лише 10-22 с. Статистична значущість спостереження перевищує 5σ, що робить його вищим за поріг для відкриття у фізиці елементарних частинок. Зараз команда планує вивчити окремі нейтрони всередині тетранейтронів і шукати нові частинки, що містять шість і вісім нейтронів.
Суперефективне виробництво електроенергії
До Аліна Лапотін, Асегун Генрі та колеги з Массачусетського технологічного інституту та Національної лабораторії відновлюваної енергії, США, для побудова термофотоелектричної (TPV) комірки з ККД більше 40%.
Нова комірка TPV є першим твердотільним тепловим двигуном будь-якого типу, який перетворює інфрачервоне світло в електричну енергію ефективніше, ніж генератор на основі турбіни, і може працювати з широким діапазоном можливих джерел тепла. До них належать системи накопичення теплової енергії, сонячне випромінювання (через проміжний поглинач випромінювання) і відпрацьоване тепло, а також ядерні реакції або спалювання. Таким чином, пристрій може стати важливим компонентом чистішої, екологічнішої електромережі та доповненням до сонячних фотоелементів видимого світла.
Найшвидший оптико-електронний перемикач
До Маркус Оссіандер, Мартін Шульц та колеги з Інституту квантової оптики Макса Планка та LMU Munich у Німеччині; Віденський технологічний університет і Технологічний університет Граца в Австрії; та Інститут нанотехнологій CNR NANOTEC в Італії визначення та дослідження «обмеження швидкості» оптоелектронного перемикання у фізичному пристрої.
Команда використовувала лазерні імпульси тривалістю лише одну фемтосекунду (10-15 s), щоб перевести зразок діелектричного матеріалу з ізоляційного стану в провідний зі швидкістю, необхідною для реалізації перемикання, яке спрацьовує 1000 трильйонів разів на секунду (один петагерц). Хоча апарат розміром з квартиру, необхідний для керування цим надшвидким комутатором, означає, що він не з’явиться в практичних пристроях найближчим часом, результати означають фундаментальне обмеження для класичної обробки сигналів і свідчать про те, що твердотільна оптоелектроніка петагерцового діапазону в принципі можлива. .
Відкриття нового вікна у Всесвіті
До НАСА, Канадського космічного агентства та Європейського космічного агентства для розгортання і перші зображення з Джеймс Вебб космічний телескоп (JWST).
Після років затримок і зростання витрат JWST на 10 млрд дол нарешті запущений 25 грудня 2021 р. Для багатьох космічних зондів запуск є найнебезпечнішою частиною місії, але JWST також довелося пережити серію небезпечних маневрів розпакування в глибокому космосі, які включали розгортання його 6.5-метрового основного дзеркала, а також його розгортання сонцезахисний екран розміром з тенісний корт.
Перед запуском інженери виявили 344 «одноточкові» збої, які могли перешкодити місії обсерваторії або, що ще гірше, зробити її непридатною для використання. Примітно, що жодних проблем не було введення в експлуатацію наукових інструментів JWST обсерваторія незабаром почала збирати дані та зйомка вражаючих зображень космосу.
Перше фото JWST було оголошено президентом США Джо Байденом на спеціальному заході в Білому домі, і з того часу було опубліковано багато яскравих знімків. Очікується, що обсерваторія працюватиме до 2030-х років і вже на шляху до революції в астрономії.
Перша у людини протонна терапія FLASH
До Емілі Догерті з Університету Цинциннаті в США та співробітників, які працюють над Випробування FAST-01 для виконання перше клінічне випробування променевої терапії FLASH і перше застосування протонної терапії FLASH на людях.
Променева терапія FLASH — це новий метод лікування, при якому випромінювання подається з надвисокими потужностями дози, підхід, який, як вважають, зберігає здорові тканини, водночас ефективно вбиваючи ракові клітини. Використання протонів для доставки випромінювання надвисокої потужності дозволить лікувати пухлини, розташовані глибоко всередині тіла.
Дослідження включало 10 пацієнтів із болісними кістковими метастазами в руках і ногах, які отримували однопротонну терапію з дози 40 Гр/с або більше, що приблизно в 1000 разів перевищує потужність дози звичайної фотонної терапії. Команда продемонструвала здійсненність клінічного робочого процесу та показала, що протонна терапія FLASH була такою ж ефективною, як і звичайна променева терапія для полегшення болю, не викликаючи неочікуваних побічних ефектів.
Удосконалення пропускання та поглинання світла
До команди під керівництвом Стефан Роттер Австрійського технічного університету Відня та Метью Деві Університету Ренна у Франції за створення антивідблискуючої структури, яка дозволяє ідеальна передача через складні носії; разом із співробітництвом на чолі з Роттером і Орі Кац з Єврейського університету в Єрусалимі в Ізраїлі за розробку “антилазерний», який дозволяє будь-якому матеріалу поглинати все світло під різними кутами.
У першому дослідженні дослідники розробили антибліковий шар, математично оптимізований відповідно до того, як хвилі відбиваються від передньої поверхні об’єкта. Розміщення цієї структури перед випадково невпорядкованим середовищем повністю усуває відображення та робить об’єкт напівпрозорим для всіх вхідних світлових хвиль.
У другому дослідженні команда розробила когерентний ідеальний поглинач, заснований на наборі дзеркал і лінз, який затримує вхідне світло всередину порожнини. Завдяки точно розрахованим ефектам інтерференції, падаючий промінь інтерферує з променем, відбитим назад між дзеркалами, так що відбитий промінь майже повністю гаситься.
Кубічний арсенід бору є напівпровідником-чемпіоном
До незалежних команд на чолі з Ганг Чен в Массачусетському технологічному інституті в США та Сіньфен Лю Національного центру нанонауки та технологій у Пекіні, Китай, за показ того, що кубічний арсенід бору є один з найкращих напівпровідників, відомих науці.
Дві групи провели експерименти, які показали, що невеликі чисті ділянки матеріалу мають набагато вищу теплопровідність і рухливість дірок, ніж напівпровідники, такі як кремній, який є основою сучасної електроніки. Низька рухливість дірок у кремнії обмежує швидкість, з якою працюють кремнієві пристрої, а його низька теплопровідність спричиняє перегрів електронних пристроїв.
Навпаки, кубічний арсенід бору давно передбачав перевершити кремній за цими параметрами, але дослідникам було важко створити достатньо великі монокристалічні зразки матеріалу, щоб виміряти його властивості. Однак тепер обидві команди подолали цю проблему, наблизивши практичне використання кубічного арсеніду бору на крок ближче.
Зміна орбіти астероїда
До НАСА і Джонс Хопкінс Лабораторія прикладної фізики в США та цінності перша демонстрація «кінетичного удару» шляхом успішної зміни орбіти астероїда.
Запущено в листопаді 2021 року, Подвійний тест на перенаправлення астероїдів (DART) була першою в історії місією для дослідження кінетичного удару астероїда. Його метою була подвійна навколоземна система астероїдів, що складається з тіла Діморфос діаметром 160 метрів, яке обертається навколо більшого астероїда Дідімос діаметром 780 метрів.
Після подорожі довжиною 11 мільйонів кілометрів до астероїдної системи в жовтні DART успішно вплинув на Dimorphos, рухаючись зі швидкістю приблизно 6 км/с. Через кілька днів NASA підтверджений що DART успішно змінив орбіту Dimorphos на 32 хвилини – скоротивши орбіту з 11 годин 55 хвилин до 11 годин 23 хвилин.
Ця зміна приблизно в 25 разів перевищує 73 секунди, які NASA визначило як мінімальну успішну зміну періоду орбіти. Результати також будуть використані для оцінки того, як найкраще застосувати техніку кінетичного удару для захисту нашої планети.
Виявлення ефекту Ааронова–Бома для гравітації
До Кріс Оверстріт, Пітер Асенбаум, Марк Касевич і колеги зі Стенфордського університету в США за виявлення ефекту Ааронова–Бома для гравітації.
Вперше передбачений у 1949 році оригінальний ефект Ааронова–Бома — це квантове явище, за якого на хвильову функцію зарядженої частинки впливає електричний або магнітний потенціал, навіть коли частинка знаходиться в області нульового електричного та магнітного полів. З 1960-х років цей ефект спостерігався шляхом розщеплення пучка електронів і направлення двох променів по обидві сторони області, що містить повністю екрановане магнітне поле. Коли пучки рекомбінуються на детекторі, ефект Ааронова–Бома виявляється як інтерференція між променями.
Тепер фізики Стенфордського університету спостерігали a гравітаційний варіант ефекту за допомогою ультрахолодних атомів. Команда розділила атоми на дві групи, які були розділені приблизно на 25 см, причому одна група гравітаційно взаємодіяла з великою масою. При рекомбінації атоми показали інтерференцію, яка узгоджується з ефектом Ааронова–Бома для гравітації. Цей ефект можна використати для визначення гравітаційної постійної Ньютона з дуже високою точністю.
- Вітаємо всі команди, які були нагороджені, і чекайте на оновлення загального переможця, якого буде оголошено в середу, 14 грудня 2022 року.
