دعونا نفعل ما لدينا وربما تكون هناك ثورة
محتوى
اكتشافات عظيمة، ونظريات جريئة، وإنجازات علمية. وسائل الإعلام مليئة بمثل هذه الصيغ، وعادة ما يكون مبالغا فيها. في مكان ما في ظل "الفيزياء العظيمة"، ومصادم الهادرونات الكبير (LHC)، والأسئلة الكونية الأساسية والنضال ضد النموذج القياسي، يقوم الباحثون المجتهدون بعملهم بصمت، ويفكرون في التطبيقات العملية ويوسعون معرفتنا خطوة بخطوة.
"دعونا نفعل شيئًا خاصًا بنا" يمكن بالتأكيد أن يكون شعار العلماء المشاركين في تطوير الاندماج النووي الحراري. لأنه على الرغم من الإجابات الرائعة على الأسئلة الكبيرة، فإن حل المشكلات العملية التي تبدو غير ذات أهمية والمرتبطة بهذه العملية قادر على إحداث ثورة في العالم.
ربما، على سبيل المثال، سيكون من الممكن إجراء اندماج نووي على نطاق صغير - باستخدام معدات يمكن وضعها على الطاولة. قام العلماء في جامعة واشنطن ببناء الجهاز العام الماضي Z- قرصة (1) ، وهو قادر على الحفاظ على تفاعل الاندماج خلال 5 ميكروثانية، على الرغم من أن المعلومات الرئيسية المثيرة للإعجاب كانت تصغير المفاعل، الذي يبلغ طوله 1,5 متر فقط. تعمل القرصة Z عن طريق محاصرة وضغط البلازما في مجال مغناطيسي قوي.
ليست فعالة للغاية، ولكن من المحتمل أن تكون مهمة للغاية الجهود المبذولة ل . وفقًا لبحث أجرته وزارة الطاقة الأمريكية (DOE)، نُشر في أكتوبر 2018 في مجلة Physics of Plasmas، فإن مفاعلات الاندماج لديها القدرة على التحكم في تذبذبات البلازما. تدفع هذه الموجات الجسيمات عالية الطاقة إلى خارج منطقة التفاعل، آخذة معها بعض الطاقة اللازمة لتفاعل الاندماج. تصف دراسة جديدة لوزارة الطاقة عمليات محاكاة حاسوبية متطورة يمكنها تتبع تكوين الموجات والتنبؤ بها، مما يمنح الفيزيائيين القدرة على منع هذه العملية وإبقاء الجسيمات تحت السيطرة. ويأمل العلماء أن يساعد عملهم في البناء إيترولعله أشهر مشروع مفاعل اندماجي تجريبي في فرنسا.
أيضا الإنجازات مثل درجة حرارة البلازما 100 مليون درجة مئويةيعد هذا الاكتشاف، الذي حصل عليه في نهاية العام الماضي فريق من العلماء في المعهد الصيني لفيزياء البلازما في التوكاماك التجريبي المتقدم فائق التوصيل (EAST)، مثالاً على التقدم خطوة بخطوة نحو الاندماج الفعال. ووفقا للخبراء الذين علقوا على الدراسة، فقد تكون ذات أهمية رئيسية في مشروع ITER المذكور أعلاه، والذي تشارك فيه الصين إلى جانب 35 دولة أخرى.
الموصلات الفائقة والإلكترونيات
هناك مجال آخر ذو إمكانات كبيرة، حيث يتم اتخاذ خطوات صغيرة ومضنية بدلاً من تحقيق اختراقات كبيرة، وهو البحث عن الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. (2). ولسوء الحظ، هناك الكثير من الإنذارات الكاذبة والمخاوف المبكرة. عادة، يتبين أن التقارير الإعلامية المتحمسة هي مجرد مبالغات أو أنها ببساطة غير صحيحة. حتى في التقارير الأكثر جدية، هناك دائمًا كلمة "لكن". كما في تقرير حديث، اكتشف العلماء في جامعة شيكاغو الموصلية الفائقة، وهي القدرة على توصيل الكهرباء دون فقدان عند أعلى درجات الحرارة المسجلة على الإطلاق. باستخدام التكنولوجيا المتطورة في مختبر أرجون الوطني، قام فريق من العلماء المحليين بدراسة فئة من المواد التي لاحظوا فيها الموصلية الفائقة عند درجات حرارة حوالي -23 درجة مئوية. وهذه قفزة بنحو 50 درجة عن الرقم القياسي السابق المؤكد.
2. موصل فائق في المجال المغناطيسي
لكن المشكلة هي أنه يتعين عليك ممارسة الكثير من الضغط. المواد التي تم اختبارها هي الهيدريدات. كان بيرهيدريد اللانثانم ذا أهمية خاصة لبعض الوقت. وكشفت التجارب أن العينات الرقيقة للغاية من هذه المادة تظهر موصلية فائقة تحت ضغط يتراوح من 150 إلى 170 جيجاباسكال. نُشرت النتائج في شهر مايو في مجلة Nature، والتي شارك في تأليفها البروفيسور. فيتالي بروكوبينكو وعيران جرينبيرج.
للتفكير في التطبيق العملي لهذه المواد، سيتعين عليك خفض الضغط ودرجة الحرارة أيضًا، لأنه حتى الوصول إلى -23 درجة مئوية ليس أمرًا عمليًا للغاية. يمثل العمل عليها فيزياء نموذجية للخطوات الصغيرة، والتي تستمر لسنوات في المختبرات حول العالم.
وينطبق الشيء نفسه على البحوث التطبيقية. الظواهر المغناطيسية في الالكترونيات. وفي الآونة الأخيرة، وباستخدام مجسات مغناطيسية حساسة للغاية، اكتشف فريق دولي من العلماء أدلة مذهلة على أن المغناطيسية التي تحدث عند السطح البيني لطبقات رقيقة من الأكسيد غير المغناطيسي يمكن التحكم فيها بسهولة عن طريق تطبيق قوى ميكانيكية صغيرة. يُظهر هذا الاكتشاف، الذي تم الإعلان عنه في مجلة Nature Physics في ديسمبر الماضي، طريقة جديدة وغير متوقعة للتحكم في المغناطيسية، مما يسمح لنا نظريًا بالتفكير في الذاكرة المغناطيسية الأكثر كثافة والإلكترونيات السبينية، على سبيل المثال.
يخلق هذا الاكتشاف فرصة جديدة لتصغير خلايا الذاكرة المغناطيسية، التي يبلغ حجمها اليوم عدة عشرات من النانومترات، لكن تصغيرها بشكل أكبر باستخدام التقنيات المعروفة أمر صعب. تجمع واجهات الأكسيد بين عدد من الظواهر الفيزيائية المثيرة للاهتمام مثل الموصلية ثنائية الأبعاد والموصلية الفائقة. يعد التحكم في التيار عن طريق المغناطيسية مجالًا واعدًا جدًا في مجال الإلكترونيات. إن العثور على المواد ذات الخصائص المناسبة، ولكن بأسعار معقولة ورخيصة، من شأنه أن يسمح لنا بالبدء جديًا في التطوير com.pintronic.
إنه متعب أيضًا التحكم في حرارة النفايات في الالكترونيات. قام مهندسو جامعة كاليفورنيا في بيركلي مؤخرًا بتطوير مادة رقيقة (سمك الغشاء 50-100 نانومتر) يمكن استخدامها لاستعادة الحرارة المهدرة لتوليد الطاقة بمستويات لم يسبق لها مثيل من قبل في هذا النوع من التكنولوجيا. ويستخدم عملية تسمى تحويل الطاقة الكهربائية الحرارية، والتي أظهرت الأبحاث الهندسية الجديدة أنها مناسبة تمامًا للاستخدام في مصادر الحرارة أقل من 100 درجة مئوية. وهذا مجرد واحد من أحدث الأمثلة على الأبحاث في هذا المجال. هناك المئات أو حتى الآلاف من البرامج البحثية حول العالم المتعلقة بإدارة الطاقة في مجال الإلكترونيات.
"لا أعرف السبب، لكنه يعمل"
تعد تجربة المواد الجديدة وتحولاتها الطورية والظواهر الطوبولوجية مجالًا بحثيًا واعدًا للغاية، وليست فعالة جدًا وصعبة ونادرا ما تكون جذابة لوسائل الإعلام. يعد هذا من أكثر الأبحاث التي يتم الاستشهاد بها في مجال الفيزياء، على الرغم من أنه تلقى الكثير من الدعاية في وسائل الإعلام، ما يسمى ب. التيار الرئيسي عادة لا يفوزون.
تجارب التحولات الطورية في المواد تؤدي أحيانًا إلى نتائج غير متوقعة، على سبيل المثال. صهر المعادن مع نقاط انصهار عالية درجة حرارة الغرفة. ومن الأمثلة على ذلك الإنجاز الأخير المتمثل في ذوبان عينات الذهب، والتي تذوب عادة عند درجة حرارة 1064 درجة مئوية في درجة حرارة الغرفة، باستخدام مجال كهربائي ومجهر إلكتروني. كان هذا التغيير قابلاً للعكس لأن إيقاف تشغيل المجال الكهربائي قد يؤدي إلى تصلب الذهب مرة أخرى. وبذلك انضم المجال الكهربائي إلى العوامل المعروفة المؤثرة في تحولات الطور بالإضافة إلى درجة الحرارة والضغط.
ولوحظت أيضا تغيرات المرحلة خلال مكثفة نبضات ضوء الليزر. ونشرت نتائج دراسة هذه الظاهرة في صيف 2019 في مجلة Nature Physics. وكان الفريق الدولي لتحقيق ذلك بقيادة نوح جيديك (3)، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ووجد العلماء أنه أثناء الذوبان المستحث بصريًا، يحدث انتقال الطور من خلال تكوين تفردات في المادة، تُعرف باسم العيوب الطوبولوجية، والتي تؤثر بدورها على ديناميكيات الإلكترون والشبكة الناتجة في المادة. هذه العيوب الطوبولوجية، كما أوضح جيديك في منشوره، تشبه الدوامات الصغيرة التي تحدث في السوائل مثل الماء.
في أبحاثهم، استخدم العلماء مركب اللانثانم والتيلوريوم LaTe.3. ويوضح الباحثون أن الخطوة التالية هي محاولة تحديد كيفية "توليد هذه العيوب بطريقة خاضعة للرقابة". يمكن استخدام هذا لتخزين البيانات، حيث يمكن استخدام نبضات الضوء لتسجيل أو إصلاح العيوب في النظام، بما يتوافق مع العمليات على البيانات.
وبما أننا وصلنا إلى نبضات الليزر فائقة السرعة، فإن استخدامها في العديد من التجارب المثيرة للاهتمام والتطبيقات العملية الواعدة هو موضوع غالبًا ما يظهر في التقارير العلمية. على سبيل المثال، أظهرت مجموعة إجناسيو فرانكو، الأستاذ المساعد للكيمياء والفيزياء بجامعة روتشستر، مؤخرًا كيف يمكن استخدام نبضات الليزر فائقة السرعة تشويه خصائص المادة أوراز توليد التيار الكهربائي وبسرعة تفوق أي تقنية معروفة لدينا حتى الآن. عالج الباحثون خيوطًا زجاجية رفيعة مدتها جزء من مليون من مليار من الثانية. وفي غمضة عين تحولت المادة الزجاجية إلى ما يشبه المعدن الذي يوصل الكهرباء. حدث هذا بشكل أسرع من أي نظام معروف في غياب الجهد المطبق. يمكن التحكم في اتجاه التدفق وشدة التيار عن طريق تغيير خصائص شعاع الليزر. وبما أنه يمكن التحكم فيه، فإن كل مهندس إلكترونيات ينظر باهتمام.
أوضح فرانكو في منشور في Nature Communications.
الطبيعة الفيزيائية لهذه الظواهر ليست مفهومة تماما. فرانكو نفسه يشك في أن مثل هذه الآليات تأثير صارخ، أي العلاقة بين انبعاث أو امتصاص الكمات الضوئية مع المجال الكهربائي. لو كان من الممكن بناء أنظمة إلكترونية عاملة على أساس هذه الظواهر، لكان لدينا حلقة أخرى من سلسلة هندسية بعنوان "لا نعرف لماذا، لكنها تعمل".
حساسيته وصغر حجمه
الجيروسكوبات هي أجهزة تساعد المركبات والطائرات بدون طيار، بالإضافة إلى المرافق الإلكترونية والأجهزة المحمولة على التنقل في الفضاء ثلاثي الأبعاد. الآن يتم استخدامها على نطاق واسع في الأجهزة التي نستخدمها كل يوم. في البداية، كانت الجيروسكوبات عبارة عن مجموعة من العجلات المتداخلة، تدور كل منها حول محورها الخاص. واليوم، نجد في الهواتف المحمولة أجهزة استشعار كهروميكانيكية دقيقة (MEMS) تقيس التغيرات في القوى المؤثرة على كتلتين متطابقتين، تتأرجحان وتتحركان في الاتجاه المعاكس.
تحتوي جيروسكوبات MEMS على قيود حساسية كبيرة. لذلك هو بناء الجيروسكوبات الضوئية، بدون أجزاء متحركة، لنفس المهام التي تستخدم ظاهرة تسمى تأثير سانياك. ومع ذلك، حتى الآن كانت هناك مشكلة في التصغير. أصغر الجيروسكوبات الضوئية عالية الأداء المتاحة أكبر من كرة بينج بونج وغير مناسبة للعديد من التطبيقات المحمولة. ومع ذلك، قام المهندسون في جامعة كاليفورنيا للتكنولوجيا، بقيادة علي هادجيميري، بتطوير جيروسكوب بصري جديد يمكنه خمسمائة مرة أقلما هو معروف حتى الآن (4). يعزز حساسيته من خلال استخدام تقنية جديدة تسمى "التعزيز المتبادل» بين شعاعين من الضوء يستخدمان في مقياس تداخل سانياك النموذجي. تم وصف الجهاز الجديد في مقال نشر في مجلة Nature Photonics في نوفمبر الماضي.
4. الجيروسكوب البصري الذي طوره علي الحجميري وزملاؤه.
يمكن أن يؤدي تطوير جيروسكوب بصري دقيق إلى تحسين اتجاه الهواتف الذكية بشكل كبير. في المقابل، تم بناؤه من قبل علماء من جامعة كولومبيا للهندسة. أول عدسة مسطحة قادرة على التركيز بشكل صحيح على مجموعة واسعة من الألوان في نفس النقطة دون الحاجة إلى عناصر إضافية قد تؤثر على قدرات التصوير الفوتوغرافي للمعدات المحمولة. تعد العدسة المسطحة الثورية ذات السماكة الميكرونية أرق بكثير من قطعة من الورق وتوفر أداءً مشابهًا للعدسات المركبة المتميزة. وتم عرض النتائج التي توصل إليها الفريق، بقيادة نانفانغ يو، الأستاذ المساعد في الفيزياء التطبيقية، في دراسة نشرت في مجلة نيتشر.
قام العلماء ببناء عدسات مسطحة من "ميتاتومات". تمثل كل ذرة وصفية جزءًا من الطول الموجي للضوء في الحجم وتؤخر موجات الضوء بمقدار مختلف. من خلال بناء طبقة رقيقة جدًا ومسطحة من الهياكل النانوية على ركيزة رقيقة مثل شعرة الإنسان، تمكن العلماء من تحقيق نفس الوظيفة مثل نظام العدسات التقليدية الأكثر سمكًا وأثقل بكثير. يمكن للعدسات المعدنية أن تحل محل أنظمة العدسات الضخمة بنفس الطريقة التي حلت بها أجهزة التلفزيون ذات الشاشات المسطحة محل أجهزة تلفزيون أنبوب أشعة الكاثود.
لماذا مصادم كبير عندما تكون هناك طرق أخرى
يمكن أن يكون لفيزياء الخطوات الصغيرة أيضًا معاني ومعاني مختلفة. على سبيل المثال - فبدلاً من بناء هياكل كبيرة الحجم بشكل رهيب والمطالبة بهياكل أكبر، كما يفعل العديد من الفيزيائيين، يمكن للمرء أن يحاول العثور على إجابات لأسئلة كبيرة باستخدام أدوات أكثر تواضعًا.
تعمل معظم المسرعات على تسريع حزم الجسيمات عن طريق توليد مجالات كهربائية ومغناطيسية. ومع ذلك ، فقد جرب لبعض الوقت أسلوبًا مختلفًا - مسرعات البلازماتسريع الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات والبوزيترونات والأيونات باستخدام مجال كهربائي مدمج مع موجة متولدة في بلازما الإلكترون. لقد كنت أعمل مؤخرًا على نسختهم الجديدة. يستخدم فريق AWAKE في CERN البروتونات (وليس الإلكترونات) لإنشاء موجة البلازما. التحول إلى البروتونات يمكن أن يأخذ الجسيمات إلى مستويات طاقة أعلى في خطوة واحدة من التسارع. تتطلب الأشكال الأخرى من تسريع مجال صحوة البلازما عدة خطوات للوصول إلى نفس مستوى الطاقة. ويعتقد العلماء أن التكنولوجيا القائمة على البروتون يمكن أن تمكننا من بناء مسرعات أصغر حجما وأرخص وأكثر قوة في المستقبل.
5. المعجل المصغر ذو المرحلتين من DESY - التصور
بدورهم، سجل علماء من DESY (اختصار لـ Deutsches Elektronen-Synchrotron - السنكروترون الإلكتروني الألماني) رقما قياسيا جديدا في مجال تصغير مسرعات الجسيمات في يوليو. مسرع تيراهيرتز ضاعف طاقة الإلكترونات المحقونة بأكثر من الضعف (5). وفي الوقت نفسه، أدى التثبيت إلى تحسين جودة شعاع الإلكترون بشكل ملحوظ مقارنة بالتجارب السابقة مع هذه التقنية.
أوضح فرانز كارتنر ، رئيس مجموعة البصريات فائقة السرعة والأشعة السينية في DESY ، في بيان صحفي. -
قام الجهاز المرتبط بتوليد مجال متسارع بكثافة قصوى تصل إلى 200 مليون فولت لكل متر (MV/m)، وهو ما يشبه أحدث مسرع تقليدي عالي الطاقة.
بدوره، كاشف جديد صغير نسبيا ألفا-ز (6) ، التي بنتها الشركة الكندية TRUMF وتم شحنها إلى CERN في وقت سابق من هذا العام، لديها مهمة قياس تسارع الجاذبية للمادة المضادة. هل تتسارع المادة المضادة في وجود مجال جاذبية على سطح الأرض بمقدار +9,8 م/ث2 (أسفل)، بمقدار -9,8 م/ث2 (أعلى)، بمقدار 0 م/ث2 (لا يوجد تسارع جاذبية على الإطلاق)، أو لديها بعض قيمة أخرى؟ والاحتمال الأخير من شأنه أن يحدث ثورة في الفيزياء. يمكن لجهاز ALPHA-g الصغير، بالإضافة إلى إثبات وجود "الجاذبية المضادة"، أن يقودنا إلى الطريق المؤدي إلى أعظم أسرار الكون.
وعلى نطاق أصغر، نحاول دراسة الظواهر ذات المستوى الأدنى. فوق 60 مليار دورة في الثانية ويمكن تصميمه من قبل علماء من جامعة بوردو والجامعات الصينية. وفقًا لمؤلفي التجربة في مقال نشر قبل بضعة أشهر في Physical Review Letters، فإن مثل هذا الخلق الذي يدور بسرعة سيسمح لهم بفهم أفضل أسرار .
والجسم، الذي يدور بنفس الدوران الشديد، عبارة عن جسيم نانوي يبلغ عرضه حوالي 170 نانومترًا وطوله 320 نانومترًا، وقد قام العلماء بتركيبه من السيليكا. قام فريق البحث برفع جسم ما في الفراغ باستخدام الليزر، والذي نبضه بسرعة هائلة. وستكون الخطوة التالية هي إجراء تجارب بسرعات دوران أعلى، مما سيسمح بإجراء بحث دقيق للنظريات الفيزيائية الأساسية، بما في ذلك الأشكال الغريبة من الاحتكاك في الفراغ. كما ترون، لا تحتاج إلى بناء كيلومترات من الأنابيب وأجهزة الكشف العملاقة لمواجهة الألغاز الأساسية.
وفي عام 2009، تمكن العلماء من إنشاء ثقب أسود من نوع خاص في المختبر يمتص الصوت. منذ ذلك الحين هذه صوت ثبت أنه مفيد كنظيرات مختبرية للكائن الممتص للضوء. في ورقة بحثية نشرت في مجلة Nature في يوليو الماضي، وصف الباحثون في معهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا كيف قاموا بإنشاء ثقب أسود صوتي وقياس درجة حرارة إشعاع هوكينج. وكانت هذه القياسات متوافقة مع درجة الحرارة التي تنبأ بها هوكينج. وبالتالي، يبدو أنه ليس من الضروري القيام برحلة استكشافية إلى الثقب الأسود لاستكشافه.
من يدري ما إذا كانت هذه المشاريع العلمية التي تبدو أقل فعالية، والجهود المعملية المضنية، والتجارب المتكررة لاختبار نظريات صغيرة ومجزأة، قد لا تكون الإجابات على أكبر الأسئلة. يعلمنا تاريخ العلم أن هذا يمكن أن يحدث.
