让我们做我们的事，也许会有一场革命

伟大的发现、大胆的理论、科学的突破。 媒体上充斥着这样的表述，通常是夸大其词。 在“伟大的物理学”、大型强子对撞机、基本宇宙学问题和与标准模型的斗争的阴影下，辛勤工作的研究人员正在默默地工作，思考实际应用，并逐步扩展我们的知识领域。

“做我们自己的事”当然可以成为参与热核聚变发展的科学家的口号。 因为，尽管对重大问题有很好的答案，但与这一过程相关的实际、看似微不足道的问题的解决方案，却能够彻底改变世界。

例如，也许可以进行小规模核聚变——使用可以放在桌子上的设备。 华盛顿大学的科学家去年制造了这种设备 Z-夹点 (1)，它能够在 5 微秒内维持聚变反应，尽管主要令人印象深刻的信息是反应器的小型化，它只有 1,5 m 长。Z 夹通过在强大的磁场中捕获和压缩等离子体来工作。

不是很有效，但可能非常重要 努力 . 根据美国能源部 (DOE) 于 2018 年 XNUMX 月发表在《等离子体物理学》杂志上的研究，聚变反应堆具有控制等离子体振荡的能力。 这些波将高能粒子推出反应区，带走一些聚变反应所需的能量。 美国能源部的一项新研究描述了复杂的计算机模拟，可以跟踪和预测波浪的形成，使物理学家能够阻止这一过程并控制粒子。 科学家们希望他们的工作将有助于建设 ITER，也许是法国最著名的实验性聚变反应堆项目。

还有成就如 等离子温度100亿摄氏度去年年底，由中国等离子体物理研究所的一组科学家在实验先进超导托卡马克（EAST）中获得的，是逐步向高效聚变迈进的一个例子。 据评论该研究的专家称，它可能对上述 ITER 项目至关重要，中国与其他 35 个国家一起参与了该项目。

超导体和电子产品

另一个具有巨大潜力的领域是寻找高温超导体，该领域正在采取相当小的、艰苦的步骤而不是大的突破。 (2)。 不幸的是，有很多误报和过早的担忧。 通常，狂热的媒体报道被证明是夸大其词或根本不真实。 即使在更严肃的报道中，也总有一个“但是”。 在最近的一份报告中，芝加哥大学的科学家们发现了超导性，即在有记录以来的最高温度下无损耗地导电的能力。 使用阿贡国家实验室的尖端技术，当地科学家团队研究了一类材料，他们在 -23°C 左右的温度下观察到超导性。 这比之前确认的记录高出约 50 度。

2. 磁场中的超导体

然而，问题是你必须施加很大的压力。 被测试的材料是氢化物。 一段时间以来，过氢化镧一直备受关注。 在实验中，发现这种材料的极薄样品在 150 至 170 吉帕的压力作用下表现出超导性。 该结果于 XNUMX 月发表在由教授合着的《自然》杂志上。 维塔利·普罗科彭科和伊兰·格林伯格。

要考虑这些材料的实际应用，您将不得不降低压力和温度，因为即使降至 -23°C 也不是很实用。 研究它是典型的小步物理，在世界各地的实验室中进行了多年。

这同样适用于应用研究。 电子学中的磁现象. 最近，一个国际科学家团队使用高度敏感的磁性探针发现了令人惊讶的证据，表明在非磁性氧化物薄层界面处发生的磁性可以通过施加小的机械力轻松控制。 这一发现于去年 XNUMX 月在《自然物理学》杂志上宣布，它展示了一种新的、意想不到的控制磁性的方法，例如，理论上可以考虑更密集的磁记忆和自旋电子学。

这一发现为磁存储单元的小型化创造了新的机会，如今磁存储单元的尺寸已经达到几十纳米，但使用已知技术进一步小型化是困难的。 氧化物界面结合了许多有趣的物理现象，例如二维电导率和超导性。 通过磁力控制电流是电子学中一个非常有前途的领域。 寻找具有合适特性、价格实惠且便宜的材料，将使我们能够认真对待开发 自旋电子.

也很累 电子设备中的废热控制. 加州大学伯克利分校的工程师最近开发了一种薄膜材料（薄膜厚度为 50-100 纳米），可用于回收废热以产生这种技术前所未有的水平。 它使用一种称为热释电转换的过程，新的工程研究表明该过程非常适合用于低于 100°C 的热源。 这只是该领域研究的最新例子之一。 全世界有成百上千个与电子能源管理相关的研究项目。

“我不知道为什么，但它有效”

用新材料进行实验，它们的相变和拓扑现象是一个非常有前途的研究领域，效率不高，难度大，而且很少对媒体有吸引力。 这是物理学领域最常被引用的研究之一，尽管它在所谓的媒体上得到了很多宣传。 主流他们通常不会赢。

材料中的相变实验有时会带来意想不到的结果，例如 金属冶炼 具有高熔点 室内温度. 一个例子是最近使用电场和电子显微镜熔化金样品的成就，通常在室温下在 1064°C 熔化。 这种变化是可逆的，因为关闭电场可以使黄金再次凝固。 因此，除了温度和压力之外，电场还加入了影响相变的已知因素。

在激烈的过程中也观察到相变 激光脉冲. 这一现象的研究结果于 2019 年夏天发表在《自然物理学》杂志上。 实现这一目标的国际团队由 Nuh Gedik 领导（3)，麻省理工学院物理学教授。 科学家们发现，在光学诱导熔化过程中，相变是通过材料中奇点的形成而发生的，称为拓扑缺陷，这反过来会影响材料中产生的电子和晶格动力学。 正如 Gedik 在他的出版物中解释的那样，这些拓扑缺陷类似于发生在水等液体中的微小涡流。

在他们的研究中，科学家们使用了镧和碲 LaTe 的化合物。₃. 研究人员解释说，下一步将尝试确定他们如何“以受控方式产生这些缺陷”。 潜在地，这可以用于数据存储，其中光脉冲将用于写入或修复系统中的缺陷，这将对应于数据操作。

而且由于我们得到了超快激光脉冲，它们在许多有趣的实验中的使用以及在实践中潜在的有前途的应用是科学报告中经常出现的主题。 例如，罗彻斯特大学化学和物理学助理教授 Ignacio Franco 的小组最近展示了如何使用超快激光脉冲 扭曲物质的性质 欧拉兹 电流产生 速度比我们目前所知的任何技术都要快。 研究人员以百万分之一秒的时间处理细玻璃丝。 眨眼间，玻璃状物质变成了一种类似金属的东西，可以导电。 在没有施加电压的情况下，这比任何已知系统发生得更快。 流动的方向和电流的强度可以通过改变激光束的特性来控制。 而且由于可以控制，每个电子工程师都饶有兴趣地看着。

Franco 在 Nature Communications 的一篇文章中解释道。

这些现象的物理性质尚不完全清楚。 佛朗哥自己怀疑像这样的机制 明显的影响，即光量子的发射或吸收与电场的相关性。 如果有可能基于这些现象构建工作电子系统，我们将有另一集工程系列，名为“我们不知道为什么，但它有效”。

灵敏度和体积小

陀螺仪 是帮助车辆、无人机以及电子实用程序和便携式设备在三维空间中导航的设备。 现在它们被广泛用于我们每天使用的设备中。 最初，陀螺仪是一组嵌套的轮子，每个轮子都围绕自己的轴旋转。 今天，在移动电话中，我们发现了微机电传感器 (MEMS)，它可以测量作用在两个相同质量上的力的变化，这些质量在相反方向上振荡和移动。

MEMS 陀螺仪有很大的灵敏度限制。 所以它正在建设 光学陀螺仪，没有移动部件，用于使用称为现象的相同任务 萨尼亚克效应. 然而，到目前为止，它们还存在小型化的问题。 可用的最小的高性能光学陀螺仪比乒乓球还大，不适合许多便携式应用。 然而，由 Ali Hadjimiri 领导的加州理工大学工程师开发了一种新的光学陀螺仪， 少五百倍到目前为止已知的4)。 他通过使用一种名为“相互加强» 在典型的 Sagnac 干涉仪中使用的两束光束之间。 去年 XNUMX 月，在 Nature Photonics 上发表的一篇文章中描述了这种新设备。

4. Ali Hadjimiri 和他的同事开发的光学陀螺仪。 

精确光学陀螺仪的发展可以极大地改善智能手机的定位。 反过来，它是由哥伦比亚工程公司的科学家建造的。 第一个平面透镜 能够在同一点正确聚焦多种颜色而不需要额外的元素可能会影响移动设备的摄影能力。 革命性的微米级平面透镜比一张纸薄得多，其性能可与高级复合透镜相媲美。 该小组的研究结果由应用物理学助理教授 Nanfang Yu 领导，发表在《自然》杂志上的一项研究中。

科学家们从“元原子”。 每个元原子在大小上是光波长的一小部分，并以不同的量延迟光波。 通过在与人类头发一样厚的基底上构建一层非常薄的扁平纳米结构层，科学家们能够实现与更厚、更重的传统透镜系统相同的功能。 Metalens 可以取代笨重的镜头系统，就像平板电视取代阴极射线管电视一样。

当有其他方式时，为什么要使用大型对撞机

小步的物理学也可以有不同的含义和含义。 例如 - 与其像许多物理学家那样建造大得惊人的类型结构并要求更大的结构，人们可以尝试使用更简单的工具来找到重大问题的答案。

大多数加速器通过产生电场和磁场来加速粒子束。 然而，有一段时间他尝试了一种不同的技术—— 等离子加速器，使用电场与电子等离子体中产生的波相结合来加速电子、正电子和离子等带电粒子。 最近我一直在研究他们的新版本。 CERN 的 AWAKE 团队使用质子（而不是电子）来产生等离子体波。 切换到质子可以在一步加速中将粒子带到更高的能级。 其他形式的等离子体唤醒场加速需要几个步骤才能达到相同的能量水平。 科学家们相信，他们基于质子的技术可以让我们在未来建造更小、更便宜、更强大的加速器。

5. DESY的两级微型加速器——可视化

反过来，来自 DESY（Deutsches Elektronen-Synchrotron 的简称 - 德国电子同步加速器）的科学家在 XNUMX 月创下了粒子加速器小型化领域的新纪录。 太赫兹加速器使注入电子的能量增加了一倍以上（5）。 同时，与之前使用该技术的实验相比，该设置显着提高了电子束的质量。

DESY 超快光学和 X 射线组负责人 Franz Kärtner 在一份新闻稿中解释道。 -

相关设备产生了一个最大强度为每米 200 亿伏 (MV/m) 的加速场——类似于最强大的现代传统加速器。

反过来，一个新的、相对较小的探测器 阿尔法-g (6)，由加拿大公司 TRIUMF 建造并于今年早些时候运往 CERN，其任务是 测量反物质的重力加速度. 在地球表面存在重力场的情况下，反物质是否会加速 +9,8 m/s2（向下）、-9,8 m/s2（向上）、0 m/s2（根本没有重力加速度），还是有一些其他价值？ 后一种可能性将彻底改变物理学。 一个小型的 ALPHA-g 装置，除了证明“反重力”的存在外，还能带领我们走上通往宇宙最大奥秘的道路。

在更小的范围内，我们正在尝试研究更低层次的现象。 多于 每秒 60 亿转 它可以由普渡大学和中国大学的科学家设计。 据实验作者在几个月前发表在《物理评论快报》上的一篇文章中说，如此快速旋转的创作将使他们更好地理解 秘密 .

该物体处于同样的极端旋转状态，是一种大约 170 纳米宽和 320 纳米长的纳米粒子，科学家们用二氧化硅合成了这种纳米粒子。 研究小组使用激光将物体悬浮在真空中，然后以极快的速度对其进行脉冲处理。 下一步将是进行更高转速的实验，这将允许对基本物理理论进行准确研究，包括真空中奇异的摩擦形式。 如您所见，您无需建造数公里长的管道和巨型探测器即可面对基本谜团。

2009 年，科学家们设法在实验室中制造了一种特殊的黑洞，可以吸收声音。 从此这些 声音  被证明可用作吸光物体的实验室类似物。 在今年 XNUMX 月发表在《自然》杂志上的一篇论文中，以色列理工学院的研究人员描述了他们如何创造一个声波黑洞并测量其霍金辐射温度。 这些测量结果与霍金预测的温度一致。 因此，似乎没有必要为了探索黑洞而去探险。

谁知道隐藏在这些看似效率较低的科学项目中，在艰苦的实验室工作和反复实验中，以检验小的、零散的理论，是否是最大问题的答案。 科学史告诉我们这是可能发生的。