Róbmy swoje, a może wyjdzie rewolucja
"Róbmy swoje" na pewno może być hasłem uczonych pracujących nad opanowaniem syntezy termojądrowej. Niezależnie bowiem od wielkich odpowiedzi na wielkie pytania, rozwiązanie praktycznych, pozornie drobnych problemów związanych z tym procesem, jest w stanie zrewolucjonizować świat.
Może uda się np. opanowanie fuzji jądrowej w małej skali - za pomocą sprzętu, który zmieści się na stole. Naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego zbudowali w ubiegłym roku urządzenie Z-pinch (1), które jest w stanie utrzymać reakcję syntezy jądrowej przez 5 mikrosekund, choć główną informacją robiącą wrażenie okazała się miniaturyzacja reaktora, który ma zaledwie 1,5 m długości. Z-pinch działa poprzez wychwytywanie i tłoczenie plazmy w potężnym polu magnetycznym.
Mało efektowne, ale potencjalnie niesłychanie ważne są wysiłki na rzecz okiełznania plazmy. Zgodnie z wynikami badań amerykańskiego Departamentu Energii (DOE), opublikowanymi w październiku 2018 r. w czasopiśmie "Physics of Plasmas", pojawia się szansa na kontrolę falowania plazmy w rektorach syntezy termojądrowej. Fale te wypychają wysokoenergetyczne cząstki poza strefę reakcji, zabierając ze sobą część energii potrzebnej do reakcji syntezy jądrowej. Nowe badania DOE opisują złożone symulacje komputerowe, będące w stanie śledzić i przewidywać powstawanie fal, dając fizykom możliwość zapobiegania temu procesowi i utrzymania cząstek w ryzach. Naukowcy mają nadzieję, że ich prace pomogą w budowie ITER, chyba najbardziej znanego projektu eksperymentalnego reaktora termojądrowego we Francji.
Również osiągnięcia takie jak temperatura plazmy 100 milionów stopni Celsjusza, uzyskana pod koniec ubiegłego roku przez zespół naukowców z chińskiego Instytutu Fizyki Plazmy w eksperymentalnym, zaawansowanym tokamaku nadprzewodnikowym (EAST), to przykład postępu dokonującego się krok po kroku na drodze do wydajnej fuzji. Zdaniem specjalistów komentujących te badania, mogą one mieć kluczowe znaczenie we wspomnianym projekcie ITER, w którym Chiny uczestniczą wraz z 35 innymi krajami.
Nadprzewodniki i elektronika
Inna dziedzina z ogromnym potencjałem, w której zamiast wielkich przełomów są raczej drobne, żmudnie czynione kroki, to poszukiwanie wysokotemperaturowych nadprzewodników (2). Sporo tu niestety fałszywych alarmów i przedwczesnych ekscytacji. Zwykle entuzjastyczne doniesienia medialne okazują się przesadą lub wprost nieprawdą. Nawet w poważniejszych raportach zawsze jest pewne "ale". Tak jak w niedawnej informacji o tym, że naukowcy z Uniwersytetu w Chicago odkryli nadprzewodnictwo, zdolność przewodzenia energii elektrycznej bez strat, w najwyższych temperaturach, jakie kiedykolwiek zanotowano. Wykorzystując zaawansowaną technologię w Narodowym Laboratorium Argonne, zespół tamtejszych specjalistów badał klasę materiałów, w których obserwował nadprzewodnictwo w temperaturach ok. -23°C. To skok o ok. 50 stopni w porównaniu z poprzednim potwierdzonym rekordem.
Haczyk polega jednak na konieczności zastosowania potężnego ciśnienia. Materiały, które badano, to wodorki. Szczególne zainteresowanie od pewnego czasu wzbudzał nadwodorek lantanowy. W eksperymentach okazało się, że pod działaniem ciśnień rzędu od 150 do 170 gigapaskali niezwykle cienkie próbki tego materiału wykazują nadprzewodnictwo. Wyniki opublikowano w maju w czasopiśmie "Nature", a współautorami badań są prof. Vitali Prakapenka i Eran Greenberg.
Aby myśleć o praktycznych zastosowaniach tych materiałów, trzeba obniżać ciśnienie i nadal też temperaturę, bo nawet tak wysoka jak -23°C nie jest zbyt praktyczna. Praca nad tym to typowa fizyka małych kroków, od lat kontynuowana w laboratoriach świata.
Podobnie jest z badaniami nad zastosowaniem zjawisk magnetycznych w elektronice. Niedawno, wykorzystując bardzo czułe sondy magnetyczne, międzynarodowy zespół naukowców znalazł zaskakujące dowody na to, że magnetyzm, który wyłania się na styku cienkich warstw tlenku niemagnetycznego, można łatwo dostroić, wywołując niewielkie siły mechaniczne. Odkrycie to, ogłoszone w publikacji "Nature Physics" w grudniu ub. roku, ukazuje nowy i nieoczekiwany sposób kontroli magnetyzmu, teoretycznie pozwalając myśleć np. o gęstszej pamięci magnetycznej i spintronice.
Odkrycie to stwarza nową szansę na miniaturyzację magnetycznych komórek pamięci, które dziś schodzą już do rozmiarów kilkudziesięciu nanometrów, ale trudno o dalszą miniaturyzację w znanych technikach. Interfejsy tlenkowe łączą w sobie szereg interesujących zjawisk fizycznych, takich jak przewodnictwo 2D i nadprzewodnictwo. Kontrolowanie przepływów prądu za pomocą magnetyzmu jest bardzo obiecującym polem w elektronice. Znalezienie materiałów o odpowiednich właściwościach, a zarazem dostępnych i tanich, pozwoliłoby zacząć poważnie rozwijać spintronikę.
Żmudnym trudem jest też walka z odpadowym ciepłem w elektronice. Inżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley opracowali niedawno materiał cienkowarstwowy (folię o grubości 50-100 nanometrów), który może być stosowany do odzysku ciepła odpadowego w celu wytwarzania energii na poziomie niespotykanym dotąd dla tego rodzaju technologii. Wykorzystuje się do tego proces zwany piroelektryczną konwersją energii, który, jak pokazują nowe badania inżynierów, jest dobrze przystosowany do wykorzystania w źródłach energii cieplnej poniżej 100°C. To tylko jeden z nowszych przykładów poszukiwań w tej dziedzinie. Na całym świecie są setki, a nawet tysiące, programów badawczych związanych z zarządzaniem energią w elektronice.
"Nie wiadomo dlaczego, ale działa"
Niezbyt efektownym, trudnym i rzadko atrakcyjnym dla mediów, ale bardzo obiecującym polem badawczym jest eksperymentowanie z nowymi materiałami, ich przemianami fazowymi i zjawiskami topologicznymi. To jedne z najliczniej cytowanych obecnie w pracach naukowych z dziedziny fizyki badań, choć wielkiego rozgłosu w mediach tzw. głównego nurtu zazwyczaj nie zdobywają.
Eksperymenty z przemianami fazowymi w materiałach czasami przynosi zaskakujące efekty, jak np. topienie metali o wysokich temperaturach topnienia w temperaturze pokojowej. Przykładem jest niedawne osiągnięcie polegające na stopieniu próbek złota, które normalnie topi się w temperaturze 1064° C w temperaturze pokojowej przy użyciu pola elektrycznego i mikroskopu elektronowego. Zmiana była odwracalna, ponieważ wyłączenie pola elektrycznego może ponownie zestalić złoto. Tym samym pole elektryczne dołączyło do znanych czynników wpływających na przemiany fazowe, obok temperatury i ciśnienia.
Zaobserwowano też zmiany fazy za pomocą intensywnych impulsów światła laserowego. Wyniki badań nad tym zjawiskiem zostały opublikowane latem 2019 r. w czasopiśmie "Nature Physics". Międzynarodowym zespołem, który to osiągnął, kierował Nuh Gedik (3), profesor fizyki w MIT. Naukowcy odkryli, że podczas topnienia indukowanego optycznie zmiana fazy przebiega przez generowanie osobliwości w materiale, znanych jako defekty topologiczne, a te z kolei wpływają na wynikającą z tego dynamikę elektronów i atomów sieci krystalicznej w materiale. Te topologiczne defekty, jak wyjaśniał w publikacji Gedik, są analogiczne do maleńkich wirów, które powstają w cieczach takich jak woda.
Do badań uczeni wykorzystali związek lantanu i telluru, LaTe3. Naukowcy wyjaśniają, że kolejnym krokiem będzie próba określenia, w jaki sposób są w stanie "generować te wady w kontrolowany sposób". Potencjalnie mogłoby to być wykorzystane do przechowywania danych, gdzie impulsów świetlnych używano by do zapisywania lub usuwania defektów w systemie, co odpowiadałoby operacjom na danych.
A skoro dotarliśmy do ultraszybkich impulsów laserowych, to ich stosowanie w wielu ciekawych eksperymentach i potencjalnie obiecujące wykorzystanie w praktyce to wątek często przewijający się w raportach naukowych. Przykładowo, grupa Ignacio Franco, asystent profesora chemii i fizyki z Uniwersytetu w Rochester, wykazała niedawno, w jaki sposób ultraszybkie impulsy lasera mogą służyć do zniekształcania właściwości materii oraz generowania prądów elektrycznych z szybkością wyższą niż w jakiejkolwiek znanej nam dotychczas technice. Badacze traktowali cienkie szklane nici trwającymi milionowe części miliardowej części sekundy impulsami laserowymi. Szklany materiał na mgnienie oka przeobrażał się w coś podobnego do metalu, przewodząc prąd elektryczny. Działo się to szybciej niż w jakimkolwiek znanym układzie, przy braku przyłożonego napięcia. Kierunkiem przepływu i natężeniem prądu można sterować przez zmiany właściwości wiązki laserowej. A skoro można sterować, to każdy elektronik podnosi z zainteresowaniem głowę.
- Technika ta potencjalnie pozwala tworzyć w nanoskali układy elektroniczne, które przełączają się w femtosekundowych odcinkach czasowych - tłumaczył Franco w publikacji na łamach "Nature Communications".
Fizyczna natura tych zjawisk nie jest do końca wyjaśniona. Sam Franco podejrzewa, że mogą tu działać mechanizmy podobne do efektu Starka, czyli korelacja emisji lub absorpcji kwantów światła z polem elektrycznym. Gdyby udało się zbudować działające układy elektroniczne oparte na tych zjawiskach, mielibyśmy kolejny odcinek inżynierskiego serialu pt. "nie wiemy dlaczego, ale działa".
Czułość i niewielki rozmiar
Żyroskopy to urządzenia, które pomagają pojazdom, dronom oraz elektronicznym urządzeniom użytkowym i ręcznym orientować się w przestrzeni trójwymiarowej. Są one obecnie powszechnie stosowane w używanych przez nas codziennie urządzeniach. Pierwotnie żyroskopy były układami zagnieżdżonych kół, z których każde obraca się na innej osi. Dziś w telefonach komórkowych znajdujemy czujniki mikroelektromechaniczne (MEMS), które mierzą zmiany sił działających na dwie identyczne masy, oscylujące i poruszające się w przeciwnym kierunku.
Żyroskopy MEMS mają istotne ograniczenia co do czułości. Buduje się więc optyczne żyroskopy, bez ruchomych części, do tych samych zadań, które wykorzystują zjawisko zwane efektem Sagnaca. Dotychczas był jednak problem z ich miniaturyzacją. Najmniejsze dostępne żyroskopy optyczne o wysokiej wydajności są większe niż piłka pingpongowa i nie nadają się do wielu przenośnych zastosowań. Inżynierowie z Politechniki Caltech, pod kierownictwem Alego Hajimiriego, opracowali jednak nowy żyroskop optyczny, który jest pięćset razy mniejszy, niż znane dotychczas (4). Wzmacnia swą czułość dzięki zastosowaniu nowej techniki zwanej "wzajemnym wzmocnieniem" pomiędzy dwiema wiązkami światła, które wykorzystywane są w typowym interferometrze Sagnaca. Nowe urządzenie zostało opisane w artykule opublikowanym w "Nature Photonics" w listopadzie ubiegłego roku.
Opracowanie precyzyjnego żyroskopu optycznego może znacząco poprawić orientację smartfonów. Z kolei skonstruowany przez naukowców z Columbia Engineering pierwszy płaski obiektyw zdolny do poprawnego ogniskowania szerokiego wachlarza barw w tym samym punkcie bez potrzeby stosowania dodatkowych elementów, może wpłynąć na fotograficzne możliwości mobilnego sprzętu. Rewolucyjna płaska soczewka o grubości mikronowej jest znacznie cieńsza niż kartka papieru i oferuje wydajność porównywalną z najwyższej klasy złożonymi systemami soczewek. Ustalenia zespołu, kierowanego przez Nanfang Yu, profesora nadzwyczajnego fizyki stosowanej, zostały przedstawione w opracowaniu opublikowanym w "Nature".
Naukowcy zbudowali płaskie soczewki z "meta-atomów". Każdy meta-atom ma rozmiar stanowiący ułamek długości fali światła i opóźnia fale światła o inną wartość. Konstruując bardzo cienką, płaską warstwę nanostruktur na podłożu o grubości ludzkiego włosa, naukowcy byli w stanie osiągnąć te same funkcje, które oferuje znacznie grubszy i cięższy konwencjonalny system soczewek. Metaobiektywy mogą zastąpić nieporęczne systemy soczewek, tak jak telewizory z płaskim ekranem zastąpiły telewizory kineskopowe.
Po co wielki Zderzacz, skoro są inne sposoby
Fizyka małych kroków może mieć też inną wymowę i sens. Przykładowo - zamiast budować monstrualnie wielkie konstrukcje w rodzaju LHC i domagać się jeszcze większych, co robi wielu fizyków, można próbować docierać do odpowiedzi na wielkie pytania za pomocą skromniejszych narzędzi.
Większość akceleratorów przyspiesza wiązki cząstek przez wytwarzanie pól elektrycznych i magnetycznych. Od pewnego czasu eksperymentuje się jednak z inną techniką - akceleratorów plazmowych, przyspieszających naładowane cząstki, takie jak elektrony, pozytony i jony, przy wykorzystaniu pola elektrycznego w powiązaniu z falą wytworzoną w plazmie elektronowej. Od niedawna pracuje się nad ich nową wersją. Zespół AWAKE z CERN wykorzystuje protony (a nie elektrony) do stworzenia fali plazmowej. Przejście na protony może doprowadzić cząstki do wyższych poziomów energii w jednym etapie przyspieszenia. Inne formy plazmowego przyspieszenia pola budzącego wymagają wielu etapów, aby osiągnąć ten sam poziom energii. Naukowcy wierzą, że ich technika oparta na protonach może pozwolić nam w przyszłości na tworzenie akceleratorów, które są zarówno mniejsze, jak i tańsze, a zarazem potężniejsze.
Z kolei naukowcy z DESY (skrót od Deutsches Elektronen-Synchrotron - Niemiecki Synchrotron Elektronowy) osiągnęli w lipcu nowy rekord w dziedzinie miniaturyzacji akceleratora cząstek. Zasilany falami terahercowymi akcelerator ponaddwukrotnie zwiększył energię wstrzykiwanych elektronów (5). Jednocześnie konfiguracja znacznie poprawiła jakość wiązki elektronów, w porównaniu z wcześniejszymi eksperymentami z tą techniką.
- Długość fali promieniowania terahercowego jest około stukrotnie mniejsza niż w przypadku fal radiowych wykorzystywanych obecnie do przyspieszania cząsteczek - wyjaśniał w komunikacie Franz Kärtner, który stoi na czele grupy ultraszybkiej optyki i promieniowania rentgenowskiego w DESY. - Oznacza to, że komponenty akceleratora można również zbudować tak, aby były około stukrotnie mniejsze.
Sprzężone urządzenie wytworzyło pole przyspieszające o maksymalnym natężeniu 200 mln woltów na metr (MV/m) - zbliżone do najnowocześniejszych, najsilniejszych konwencjonalnych akceleratorów.
Z kolei nowy, relatywnie niewielki detektor ALPHA-g (6), zbudowany w kanadyjskim zakładzie TRIUMF i wysłany do CERN na początku tego roku, ma za zadanie zmierzyć przyspieszenie grawitacyjnego antymaterii. Czy antymateria przyspiesza w obecności pola grawitacyjnego na powierzchni Ziemi przy +9,8 m/s2 (w dół), przy -9,8 m/s2 (w górę), przy 0 m/s2 (brak przyspieszenia grawitacyjnego w ogóle), czy ma jakąś inną wartość? Ta ostatnia ewentualność zrewolucjonizowałoby fizykę. Niewielkie urządzenie ALPHA-g może, oprócz udowodnienia istnienia "antygrawitacji", wprowadzić nas na ścieżkę wiodącą do największych tajemnic Wszechświata.
W jeszcze mniejszej skali próbujemy badać zjawiska jeszcze niższego poziomu. Ponad 60 miliardów obrotów na sekundę wykonać może obiekt stworzony przez naukowców z Uniwersytetu Purdue i chińskich uczelni. Jak twierdzą autorzy eksperymentu w artykule oblikowanym kilkanaście miesięcy temu na łamach "Physical Review Letters", tak niezwykle szybko obracający się twór pozwoli im poznać lepiej tajemnice mechaniki kwantowej.
Obiekt wprawiony w równie ekstremalne obroty to nanodrobina materii o rozmiarach ok. 170 nanometrów szerokości i 320 nanometrów długości, którą naukowcy zsyntetyzowali z krzemionki. Zespół badawczy wprowadził obiekt w próżni w stan lewitacji za pomocą lasera, który następnie nadawał mu poprzez impulsy ogromną prędkość obrotową. Kolejnym krokiem będzie prowadzenie eksperymentów z zastosowaniem jeszcze większych prędkości wirowania, co miałoby umożliwić precyzyjne badania podstawowych teorii fizyki, w tym egzotycznych form tarcia w próżni. Jak widać, nie trzeba budować wielokilometrowych rur i gigantycznych detektorów, aby zmierzyć się z fundamentalnymi tajemnicami.
W 2009 r. naukowcom udało się stworzyć w laboratorium pewien szczególny rodzaj czarnej dziury, która pochłania dźwięk. Od tego czasu te dźwiękowe czarne dziury okazały się przydatne jako laboratoryjne analogi dla obiektu pochłaniającego światło. W pracy opublikowanej w czasopiśmie "Nature" w lipcu tego roku, badacze z Izraelskiego Instytutu Technicznego Technion opisują, w jaki sposób stworzyli czarną dziurę dźwiękową i zmierzyli temperaturę jej promieniowania Hawkinga. Pomiary te były zgodne z temperaturą przewidywaną przez Hawkinga. Zatem wydaje się, że nie trzeba wcale podejmować wyprawy do czarnej dziury, by ją badać.
Kto wie, czy w tych pozornie mniej efektownych projektach naukowych, w żmudnych wysiłkach laboratoryjnych i wielokrotnie powtarzanych eksperymentach sprawdzających drobne, cząstkowe teorie, nie ukrywają się odpowiedzi na największe pytania. Historia nauki uczy, że tak może się zdarzyć.
Mirosław Usidus
