Thế giới vật lý rất vui mừng được công bố 10 đột phá hàng đầu của năm cho năm 2022, trải rộng trên mọi lĩnh vực, từ vật lý lượng tử và y học đến thiên văn học và vật chất ngưng tụ. Tổng thể Thế giới vật lý Bước đột phá của năm sẽ được tiết lộ vào Thứ Tư, ngày 14 tháng XNUMX.
10 đột phá đã được lựa chọn bởi một hội đồng bao gồm Thế giới vật lý các biên tập viên, những người đã sàng lọc hàng trăm bản cập nhật nghiên cứu được xuất bản trên trang web trong năm nay trên tất cả các lĩnh vực vật lý. Ngoài việc đã được báo cáo trong Thế giới vật lý vào năm 2022, các lựa chọn phải đáp ứng các tiêu chí sau:
- Tiến bộ đáng kể về kiến thức hoặc hiểu biết
- Tầm quan trọng của công việc đối với tiến bộ khoa học và/hoặc phát triển các ứng dụng trong thế giới thực
- Lợi ích chung cho Thế giới vật lý độc giả
10 bước đột phá hàng đầu cho năm 2022 được liệt kê dưới đây không theo thứ tự cụ thể. Hãy quay lại vào tuần tới để tìm ra cái nào đã đóng gói tổng thể Thế giới vật lý Giải đột phá của năm.
Mở ra một kỷ nguyên mới cho hóa học cực lạnh
Đến Bạc Chiêu, Jian Wei Pan và các đồng nghiệp tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) và Viện Khoa học Trung Quốc tại Bắc Kinh; và độc lập để John doyle và các đồng nghiệp tại Đại học Harvard ở Mỹ, vì đã tạo ra các phân tử đa nguyên tử cực lạnh đầu tiên.
Mặc dù các nhà vật lý đã làm lạnh các nguyên tử xuống một phần nhỏ trên độ không tuyệt đối trong hơn 30 năm và các phân tử hai nguyên tử cực lạnh đầu tiên xuất hiện vào giữa những năm 2000, nhưng mục tiêu tạo ra các phân tử cực lạnh chứa ba nguyên tử trở lên đã tỏ ra khó nắm bắt.
Sử dụng các kỹ thuật khác nhau và bổ sung cho nhau, nhóm USTC và Harvard đã tạo ra các mẫu phân tử natri-kali triatomic ở 220 nK và Natri Hidroxit tương ứng là 110 µK. Thành tựu của họ mở đường cho nghiên cứu mới trong cả vật lý và hóa học, với các nghiên cứu về phản ứng hóa học cực lạnh, các dạng mô phỏng lượng tử mới và các thử nghiệm về khoa học cơ bản, tất cả đều sắp được hiện thực hóa nhờ các nền tảng phân tử đa nguyên tử này.
Quan sát tetraneutron
Đến Meytal Duer tại Viện Vật lý Hạt nhân tại Đại học Kỹ thuật Darmstadt của Đức và phần còn lại của Hợp tác SAMURAI cho quan sát tetraneutron và cho thấy rằng vật chất hạt nhân không tích điện tồn tại, nếu chỉ trong một thời gian rất ngắn.
Bao gồm bốn neutron, tetraneutron được phát hiện tại Nhà máy Chùm Ion Phóng xạ của Trung tâm RIKEN Nishina ở Nhật Bản. Các tetraneutron được tạo ra bằng cách bắn hạt nhân helium-8 vào bia hydro lỏng. Các vụ va chạm có thể phân tách một hạt nhân helium-8 thành một hạt alpha (hai proton và hai neutron) và một tetraneutron.
Bằng cách phát hiện các hạt alpha và hạt nhân hydro đang quay trở lại, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng bốn neutron tồn tại ở trạng thái tetraneutron không liên kết chỉ trong 10-22 S. Ý nghĩa thống kê của quan sát lớn hơn 5σ, đặt nó vượt ngưỡng cho một khám phá trong vật lý hạt cơ bản. Nhóm nghiên cứu hiện có kế hoạch nghiên cứu các neutron riêng lẻ trong các tetraneutron và tìm kiếm các hạt mới chứa sáu và tám neutron.
Phát điện siêu hiệu quả
Đến Alina LaPotin, Asegun Henry và các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ Massachusetts và Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia, Hoa Kỳ, cho xây dựng pin quang điện nhiệt (TPV) với hiệu suất hơn 40%.
Tế bào TPV mới là động cơ nhiệt trạng thái rắn đầu tiên thuộc bất kỳ loại nào chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại thành năng lượng điện hiệu quả hơn so với máy phát điện chạy bằng tua-bin và nó có thể hoạt động với nhiều nguồn nhiệt có thể. Chúng bao gồm các hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt, bức xạ mặt trời (thông qua một bộ hấp thụ bức xạ trung gian) và nhiệt thải cũng như các phản ứng hạt nhân hoặc quá trình đốt cháy. Do đó, thiết bị này có thể trở thành một thành phần quan trọng của lưới điện sạch hơn, xanh hơn và là sự bổ sung cho các tế bào quang điện mặt trời ánh sáng khả kiến.
Công tắc quang điện tử nhanh nhất có thể
Đến Marcus Ossiander, Martin Schultze và các đồng nghiệp tại Viện Quang học lượng tử Max Planck và LMU Munich ở Đức; Đại học Công nghệ Viên và Đại học Công nghệ Graz ở Áo; và Viện Công nghệ nano CNR NANOTEC ở Ý, cho xác định và khám phá “giới hạn tốc độ” của chuyển mạch quang điện tử trong một thiết bị vật lý.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các xung laser kéo dài chỉ một femto giây (10-15 s) để chuyển một mẫu vật liệu điện môi từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện với tốc độ cần thiết để nhận ra một công tắc hoạt động 1000 nghìn tỷ lần một giây (một petahertz). Mặc dù thiết bị có kích thước căn hộ cần thiết để điều khiển công tắc siêu nhanh này có nghĩa là nó sẽ không sớm xuất hiện trong các thiết bị thực tế, nhưng kết quả cho thấy giới hạn cơ bản đối với quá trình xử lý tín hiệu cổ điển và đề xuất rằng về nguyên tắc, quang điện tử trạng thái rắn petahertz là khả thi. .
Mở một cửa sổ mới về vũ trụ
Gửi NASA, Cơ quan Vũ trụ Canada và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu cho việc triển khai và những hình ảnh đầu tiên từ Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST).
Sau nhiều năm trì hoãn và tăng chi phí, JWST trị giá 10 tỷ đô la cuối cùng đã ra mắt vào ngày 25 tháng 2021 năm 6.5. Đối với nhiều tàu thăm dò không gian, phóng là phần nguy hiểm nhất của nhiệm vụ, nhưng JWST cũng phải sống sót sau một loạt các thao tác giải nén trong không gian sâu nguy hiểm, bao gồm việc mở tấm gương chính XNUMX m cũng như mở tấm gương của nó. tấm chắn nắng cỡ sân tennis.
Trước khi ra mắt, các kỹ sư đã xác định được 344 lỗi “một điểm” có thể cản trở sứ mệnh của đài quan sát hoặc tệ hơn là khiến nó không sử dụng được. Đáng chú ý, không có vấn đề nào gặp phải và theo dõi vận hành của các công cụ khoa học của JWST, đài quan sát đã sớm bắt đầu thu thập dữ liệu và chụp những bức ảnh ngoạn mục về vũ trụ.
Bức ảnh JWST đầu tiên được tổng thống Hoa Kỳ Joe Biden công bố tại một sự kiện đặc biệt ở Nhà Trắng và nhiều bức ảnh rực rỡ đã được công bố kể từ đó. Đài quan sát dự kiến sẽ hoạt động tốt vào những năm 2030 và đang trong quá trình cách mạng hóa ngành thiên văn học.
Liệu pháp proton FLASH đầu tiên ở người
Đến Emily Daugherty từ Đại học Cincinnati ở Hoa Kỳ và các cộng tác viên làm việc trên Dùng thử FAST-01 để thực hiện thử nghiệm lâm sàng đầu tiên của xạ trị FLASH và lần đầu tiên sử dụng liệu pháp proton FLASH ở người.
Liệu pháp xạ trị FLASH là một kỹ thuật điều trị mới nổi, trong đó bức xạ được phân phối với tốc độ liều cực cao, một phương pháp được cho là bảo tồn các mô khỏe mạnh trong khi vẫn tiêu diệt tế bào ung thư một cách hiệu quả. Sử dụng proton để cung cấp bức xạ tốc độ liều cực cao sẽ cho phép điều trị các khối u nằm sâu bên trong cơ thể.
Thử nghiệm bao gồm 10 bệnh nhân bị di căn xương gây đau đớn ở cánh tay và chân, những người này được điều trị bằng một proton duy nhất ở mức 40 Gy/giây hoặc cao hơn – gấp khoảng 1000 lần liều lượng của liệu pháp xạ trị bằng photon thông thường. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của quy trình lâm sàng và cho thấy rằng liệu pháp proton FLASH có hiệu quả như liệu pháp xạ trị thông thường để giảm đau mà không gây ra tác dụng phụ không mong muốn.
Hoàn thiện khả năng truyền và hấp thụ ánh sáng
Đến một đội được dẫn dắt bởi Stefan Rotter của Đại học Kỹ thuật Vienna của Áo và Matthieu Davy của Đại học Rennes ở Pháp để tạo ra một cấu trúc chống phản xạ cho phép truyền tải hoàn hảo thông qua phương tiện truyền thông phức tạp; cùng với sự hợp tác do Rotter đứng đầu và Ori Katz từ Đại học Hebrew của Jerusalem ở Israel, vì đã phát triển một “chống laze” cho phép bất kỳ vật liệu nào hấp thụ tất cả ánh sáng từ nhiều góc độ.
Trong cuộc điều tra đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một lớp chống phản xạ được tối ưu hóa về mặt toán học để phù hợp với cách sóng sẽ phản xạ từ bề mặt phía trước của một vật thể. Đặt cấu trúc này trước một môi trường mất trật tự ngẫu nhiên sẽ loại bỏ hoàn toàn sự phản xạ và làm cho vật thể trong mờ đối với tất cả các sóng ánh sáng tới.
Trong nghiên cứu thứ hai, nhóm nghiên cứu đã phát triển một chất hấp thụ hoàn hảo nhất quán, dựa trên một bộ gương và thấu kính, bẫy ánh sáng tới bên trong một hốc. Do các hiệu ứng giao thoa được tính toán chính xác, chùm tia tới giao thoa với chùm tia phản xạ trở lại giữa các gương, do đó chùm tia phản xạ gần như bị dập tắt hoàn toàn.
Arsenua boron khối là một chất bán dẫn vô địch
Đối với các đội độc lập được lãnh đạo bởi Cương Trần tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Mỹ và Lưu Tân Phong của Trung tâm Khoa học và Công nghệ Nano Quốc gia ở Bắc Kinh, Trung Quốc vì đã chỉ ra rằng arsenua boron là một trong những chất bán dẫn tốt nhất được khoa học biết đến.
Hai nhóm đã thực hiện các thí nghiệm tiết lộ rằng các vùng nhỏ, tinh khiết của vật liệu có độ dẫn nhiệt và độ linh động của lỗ trống cao hơn nhiều so với các chất bán dẫn như silicon, chất tạo thành nền tảng của thiết bị điện tử hiện đại. Độ linh động lỗ thấp của silicon hạn chế tốc độ hoạt động của các thiết bị silicon, trong khi độ dẫn nhiệt thấp của nó khiến các thiết bị điện tử quá nóng.
Ngược lại, arsenua khối boron từ lâu đã được dự đoán là vượt trội hơn silicon trong các phép đo này, nhưng các nhà nghiên cứu đã phải vật lộn để tạo ra các mẫu vật liệu đơn tinh thể đủ lớn để đo các đặc tính của nó. Tuy nhiên, giờ đây, cả hai đội hiện đã vượt qua thử thách này, đưa việc sử dụng thực tế của arsenua boron tiến một bước gần hơn.
Thay đổi quỹ đạo của một tiểu hành tinh
Đến NASA và Johns Hopkins Phòng Thí nghiệm Vật lý Ứng dụng tại Mỹ cho cuộc biểu tình đầu tiên về “tác động động học” bằng cách thay đổi thành công quỹ đạo của một tiểu hành tinh.
Ra mắt vào tháng 2021 năm XNUMX, Các Kiểm tra chuyển hướng tiểu hành tinh kép (DART) là sứ mệnh đầu tiên nghiên cứu tác động động học của một tiểu hành tinh. Mục tiêu của nó là một hệ thống tiểu hành tinh gần Trái đất bao gồm một vật thể có đường kính 160 mét có tên là Dimorphos quay quanh một tiểu hành tinh lớn hơn có đường kính 780 mét có tên là Didymos.
Sau hành trình dài 11 triệu km đến hệ tiểu hành tinh, vào tháng 6, DART đã tác động thành công đến Dimorphos khi đang di chuyển với tốc độ khoảng XNUMX km/s. Vài ngày sau, NASA xác nhận rằng DART đã thay đổi thành công quỹ đạo của Dimorphos trong 32 phút - rút ngắn quỹ đạo từ quỹ đạo 11 giờ 55 phút xuống còn 11 giờ 23 phút.
Sự thay đổi này lớn hơn khoảng 25 lần so với 73 giây mà NASA đã xác định là sự thay đổi chu kỳ quỹ đạo thành công tối thiểu. Kết quả cũng sẽ được sử dụng để đánh giá cách tốt nhất để áp dụng kỹ thuật tác động động học nhằm bảo vệ hành tinh của chúng ta.
Phát hiện hiệu ứng Aharonov–Bohm đối với lực hấp dẫn
Đến Chris Overstreet, Peter Asenbaum, Mark Kasevich và các đồng nghiệp tại Đại học Stanford ở Hoa Kỳ vì đã phát hiện ra hiệu ứng Aharonov–Bohm đối với lực hấp dẫn.
Được dự đoán lần đầu tiên vào năm 1949, hiệu ứng Aharonov–Bohm ban đầu là một hiện tượng lượng tử theo đó hàm sóng của một hạt tích điện bị ảnh hưởng bởi một điện thế hoặc từ trường ngay cả khi hạt đó ở trong vùng có điện trường và từ trường bằng không. Kể từ những năm 1960, người ta đã quan sát thấy hiệu ứng này bằng cách tách một chùm electron và gửi hai chùm này về hai phía của vùng chứa từ trường được che chắn hoàn toàn. Khi các chùm được kết hợp lại tại một máy dò, hiệu ứng Aharonov–Bohm được tiết lộ là sự giao thoa giữa các chùm.
Bây giờ, các nhà vật lý Stanford đã quan sát thấy một phiên bản hấp dẫn của hiệu ứng sử dụng các nguyên tử cực lạnh. Nhóm nghiên cứu đã chia các nguyên tử thành hai nhóm cách nhau khoảng 25 cm, trong đó một nhóm tương tác hấp dẫn với một khối lượng lớn. Khi được kết hợp lại, các nguyên tử thể hiện sự giao thoa phù hợp với hiệu ứng Aharonov–Bohm đối với lực hấp dẫn. Hiệu ứng này có thể được sử dụng để xác định hằng số hấp dẫn của Newton với độ chính xác rất cao.
- Xin chúc mừng tất cả các đội đã được vinh danh – và hãy theo dõi đội chiến thắng chung cuộc, sẽ được công bố vào Thứ Tư, ngày 14 tháng 2022 năm XNUMX.
