Vamos fazer o nosso e talvez haja uma revolução

Grandes descobertas, teorias ousadas, avanços científicos. A mídia está repleta dessas formulações, geralmente exageradas. Em algum lugar à sombra da "grande física", do LHC, das questões cosmológicas fundamentais e da luta contra o Modelo Padrão, pesquisadores diligentes estão fazendo seu trabalho silenciosamente, pensando em aplicações práticas e expandindo o campo de nosso conhecimento passo a passo.

"Vamos fazer a nossa parte" certamente pode ser o lema dos cientistas envolvidos no desenvolvimento da fusão termonuclear. Pois, apesar das grandes respostas às grandes questões, a solução de problemas práticos, aparentemente insignificantes, associados a esse processo, é capaz de revolucionar o mundo.

Talvez, por exemplo, seja possível fazer fusão nuclear em pequena escala - com equipamentos que cabem em uma mesa. Cientistas da Universidade de Washington construíram o dispositivo no ano passado Z-pinch (1), que é capaz de manter uma reação de fusão em 5 microssegundos, embora a principal informação impressionante tenha sido a miniaturização do reator, que tem apenas 1,5 m de comprimento.O Z-pinch funciona aprisionando e comprimindo o plasma em um poderoso campo magnético.

Não muito eficaz, mas potencialmente extremamente importante esforço para . Segundo pesquisa do Departamento de Energia dos EUA (DOE), publicada em outubro de 2018 na revista Physics of Plasmas, os reatores de fusão têm a capacidade de controlar a oscilação do plasma. Essas ondas empurram partículas de alta energia para fora da zona de reação, levando consigo parte da energia necessária para a reação de fusão. Um novo estudo do DOE descreve simulações de computador sofisticadas que podem rastrear e prever a formação de ondas, dando aos físicos a capacidade de impedir o processo e manter as partículas sob controle. Cientistas esperam que seu trabalho ajude na construção ITER, talvez o projeto de reator de fusão experimental mais famoso da França.

Também conquistas como temperatura do plasma 100 milhões de graus Celsius, obtido no final do ano passado por uma equipe de cientistas do Instituto de Física de Plasma da China no Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), é um exemplo de progresso passo a passo em direção à fusão eficiente. De acordo com especialistas que comentam o estudo, pode ser de fundamental importância no projeto ITER mencionado acima, no qual a China participa junto com outros 35 países.

Supercondutores e eletrônicos

Outra área com grande potencial, onde passos bastante pequenos e meticulosos estão sendo dados em vez de grandes avanços, é a busca por supercondutores de alta temperatura. (2). Infelizmente, há muitos alarmes falsos e preocupações prematuras. Normalmente, os relatos da mídia rave acabam sendo exageros ou simplesmente falsos. Mesmo em relatórios mais sérios há sempre um “mas”. Como em um relatório recente, cientistas da Universidade de Chicago descobriram a supercondutividade, a capacidade de conduzir eletricidade sem perdas nas temperaturas mais altas já registradas. Usando tecnologia de ponta no Laboratório Nacional de Argonne, uma equipe de cientistas locais estudou uma classe de materiais em que observaram supercondutividade em temperaturas em torno de -23°C. Este é um salto de cerca de 50 graus em relação ao recorde anterior confirmado.

2. Supercondutor em um campo magnético

O problema, no entanto, é que você tem que aplicar muita pressão. Os materiais testados foram hidretos. Por algum tempo, o perhidreto de lantânio tem sido de particular interesse. Em experimentos, verificou-se que amostras extremamente finas deste material apresentam supercondutividade sob a ação de pressões na faixa de 150 a 170 gigapascals. Os resultados foram publicados em maio na revista Nature, em coautoria do Prof. Vitaly Prokopenko e Eran Greenberg.

Para pensar na aplicação prática desses materiais, você terá que baixar a pressão e também a temperatura, pois mesmo abaixo de -23°C não é muito prático. O trabalho nele é típico da física de pequenos passos, que dura anos em laboratórios ao redor do mundo.

O mesmo se aplica à pesquisa aplicada. fenômenos magnéticos em eletrônica. Mais recentemente, usando sondas magnéticas altamente sensíveis, uma equipe internacional de cientistas encontrou evidências surpreendentes de que o magnetismo que ocorre na interface de finas camadas de óxido não magnético pode ser facilmente controlado pela aplicação de pequenas forças mecânicas. A descoberta, anunciada em dezembro passado na Nature Physics, mostra uma maneira nova e inesperada de controlar o magnetismo, permitindo teoricamente pensar em memória magnética mais densa e spintrônica, por exemplo.

Essa descoberta cria uma nova oportunidade para a miniaturização de células de memória magnética, que hoje já têm um tamanho de várias dezenas de nanômetros, mas sua miniaturização posterior usando tecnologias conhecidas é difícil. As interfaces de óxido combinam vários fenômenos físicos interessantes, como condutividade bidimensional e supercondutividade. O controle da corrente por meio do magnetismo é um campo muito promissor na eletrônica. Encontrar materiais com as propriedades certas, mas acessíveis e baratos, nos permitiria levar a sério o desenvolvimento spintrônico.

é cansativo também controle de calor residual em eletrônicos. Os engenheiros da UC Berkeley desenvolveram recentemente um material de filme fino (espessura de filme de 50 a 100 nanômetros) que pode ser usado para recuperar calor residual para gerar energia em níveis nunca vistos antes neste tipo de tecnologia. Ele usa um processo chamado conversão de energia piroelétrica, que novas pesquisas de engenharia mostram ser adequado para uso em fontes de calor abaixo de 100°C. Este é apenas um dos mais recentes exemplos de pesquisa nesta área. Existem centenas ou mesmo milhares de programas de pesquisa em todo o mundo relacionados ao gerenciamento de energia em eletrônica.

"Não sei porque, mas funciona"

Experimentar novos materiais, suas transições de fase e fenômenos topológicos é uma área de pesquisa muito promissora, pouco eficiente, difícil e raramente atrativa para a mídia. Esta é uma das pesquisas mais citadas na área da física, embora tenha recebido muita publicidade na mídia, a chamada. mainstream eles geralmente não ganham.

Experimentos com transformações de fase em materiais às vezes trazem resultados inesperados, por exemplo fundição de metais com altos pontos de fusão temperatura do quarto. Um exemplo é a recente conquista da fusão de amostras de ouro, que normalmente derretem a 1064°C à temperatura ambiente, usando um campo elétrico e um microscópio eletrônico. Essa mudança foi reversível porque desligar o campo elétrico poderia solidificar o ouro novamente. Assim, o campo elétrico juntou os fatores conhecidos que influenciam as transformações de fase, além da temperatura e pressão.

Mudanças de fase também foram observadas durante intensas pulsos de luz laser. Os resultados do estudo desse fenômeno foram publicados no verão de 2019 na revista Nature Physics. A equipe internacional para conseguir isso foi liderada por Nuh Gedik (3), professor de física do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Os cientistas descobriram que durante a fusão opticamente induzida, a transição de fase ocorre através da formação de singularidades no material, conhecidas como defeitos topológicos, que por sua vez afetam a dinâmica resultante do elétron e da rede no material. Esses defeitos topológicos, como Gedik explicou em sua publicação, são análogos a pequenos vórtices que ocorrem em líquidos como a água.

Para sua pesquisa, os cientistas usaram um composto de lantânio e telúrio LaTe.₃. Os pesquisadores explicam que o próximo passo será tentar determinar como eles podem “gerar esses defeitos de maneira controlada”. Potencialmente, isso poderia ser usado para armazenamento de dados, onde pulsos de luz seriam usados ​​para gravar ou reparar defeitos no sistema, o que corresponderia a operações de dados.

E desde que chegamos aos pulsos de laser ultrarrápidos, seu uso em muitos experimentos interessantes e aplicações potencialmente promissoras na prática é um tópico que aparece frequentemente em relatórios científicos. Por exemplo, o grupo de Ignacio Franco, professor assistente de química e física da Universidade de Rochester, mostrou recentemente como os pulsos de laser ultrarrápidos podem ser usados ​​para propriedades de distorção da matéria Oraz geração de corrente elétrica a uma velocidade mais rápida do que qualquer técnica conhecida por nós até agora. Os pesquisadores trataram filamentos finos de vidro com duração de um milionésimo de bilionésimo de segundo. Em um piscar de olhos, o material vítreo se transformou em algo como um metal que conduz eletricidade. Isso aconteceu mais rápido do que em qualquer sistema conhecido na ausência de uma tensão aplicada. A direção do fluxo e a intensidade da corrente podem ser controladas alterando as propriedades do feixe de laser. E como pode ser controlado, todo engenheiro eletrônico olha com interesse.

Franco explicou em uma publicação na Nature Communications.

A natureza física desses fenômenos não é totalmente compreendida. O próprio Franco suspeita que mecanismos como efeito gritante, ou seja, a correlação da emissão ou absorção de quanta de luz com um campo elétrico. Se fosse possível construir sistemas eletrônicos funcionais com base nesses fenômenos, teríamos outro episódio da série de engenharia chamado Não sabemos por que, mas funciona.

Sensibilidade e tamanho pequeno

Giroscópios são dispositivos que auxiliam veículos, drones, bem como utilitários eletrônicos e dispositivos portáteis a navegar no espaço tridimensional. Agora eles são amplamente utilizados em dispositivos que usamos todos os dias. Inicialmente, os giroscópios eram um conjunto de rodas aninhadas, cada uma girando em torno de seu próprio eixo. Hoje, em telefones celulares, encontramos sensores microeletromecânicos (MEMS) que medem mudanças nas forças que atuam sobre duas massas idênticas, oscilando e movendo-se na direção oposta.

Os giroscópios MEMS têm limitações significativas de sensibilidade. Então está construindo giroscópios ópticos, sem partes móveis, para as mesmas tarefas que utilizam um fenômeno chamado Efeito Sagnac. No entanto, até agora havia um problema de sua miniaturização. Os menores giroscópios ópticos de alto desempenho disponíveis são maiores que uma bola de pingue-pongue e não são adequados para muitas aplicações portáteis. No entanto, engenheiros da Caltech University of Technology, liderados por Ali Hadjimiri, desenvolveram um novo giroscópio óptico que quinhentas vezes menoso que se sabe até agora4). Ele aumenta sua sensibilidade através do uso de uma nova técnica chamada "reforço mútuo» Entre dois feixes de luz que são usados ​​em um interferômetro Sagnac típico. O novo dispositivo foi descrito em um artigo publicado na Nature Photonics em novembro passado.

4. Giroscópio óptico desenvolvido por Ali Hadjimiri e seus colegas. 

O desenvolvimento de um giroscópio óptico preciso pode melhorar muito a orientação dos smartphones. Por sua vez, foi construído por cientistas da Columbia Engineering. primeira lente plana capaz de focar corretamente uma ampla gama de cores no mesmo ponto sem a necessidade de elementos adicionais pode afetar as capacidades fotográficas de equipamentos móveis. A revolucionária lente plana microfina é significativamente mais fina que uma folha de papel e oferece desempenho comparável às lentes compostas premium. As descobertas do grupo, lideradas por Nanfang Yu, professora assistente de física aplicada, são apresentadas em um estudo publicado na revista Nature.

Os cientistas construíram lentes planas de "metaátomos". Cada metaátomo é uma fração de um comprimento de onda de luz em tamanho e atrasa as ondas de luz em uma quantidade diferente. Ao construir uma camada plana muito fina de nanoestruturas em um substrato tão espesso quanto um cabelo humano, os cientistas conseguiram alcançar a mesma funcionalidade de um sistema de lentes convencionais muito mais espesso e pesado. Os metalenses podem substituir os sistemas de lentes volumosas da mesma forma que as TVs de tela plana substituíram as TVs CRT.

Por que um grande colisor quando existem outras maneiras

A física dos pequenos passos também pode ter significados e significados diferentes. Por exemplo - em vez de construir estruturas de tipo monstruosamente grandes e exigir outras ainda maiores, como fazem muitos físicos, pode-se tentar encontrar respostas para grandes questões com ferramentas mais modestas.

A maioria dos aceleradores acelera feixes de partículas gerando campos elétricos e magnéticos. No entanto, por algum tempo ele experimentou uma técnica diferente - aceleradores de plasma, aceleração de partículas carregadas, como elétrons, pósitrons e íons, usando um campo elétrico combinado com uma onda gerada em um plasma de elétrons. Ultimamente tenho trabalhado em sua nova versão. A equipe AWAKE do CERN usa prótons (não elétrons) para criar uma onda de plasma. Mudar para prótons pode levar partículas a níveis de energia mais altos em uma única etapa de aceleração. Outras formas de aceleração do campo de despertar do plasma requerem várias etapas para atingir o mesmo nível de energia. Os cientistas acreditam que sua tecnologia baseada em prótons pode nos permitir construir aceleradores menores, mais baratos e mais poderosos no futuro.

5. Acelerador em miniatura de dois estágios da DESY - visualização

Por sua vez, os cientistas do DESY (abreviação de Deutsches Elektronen-Synchrotron - síncrotron eletrônico alemão) estabeleceram um novo recorde no campo da miniaturização de aceleradores de partículas em julho. O acelerador de terahertz mais que dobrou a energia dos elétrons injetados (5). Ao mesmo tempo, a configuração melhorou significativamente a qualidade do feixe de elétrons em comparação com experimentos anteriores com essa técnica.

Franz Kärtner, chefe do grupo de óptica ultrarrápida e raios-X da DESY, explicou em um comunicado à imprensa. -

O dispositivo associado produziu um campo de aceleração com uma intensidade máxima de 200 milhões de volts por metro (MV/m) - semelhante ao acelerador convencional moderno mais poderoso.

Por sua vez, um novo detector relativamente pequeno ALFA-g (6), construído pela empresa canadense TRIUMF e enviado ao CERN no início deste ano, tem a tarefa de medir a aceleração gravitacional da antimatéria. A antimatéria acelera na presença de um campo gravitacional na superfície da Terra em +9,8 m/s2 (para baixo), em -9,8 m/s2 (para cima), em 0 m/s2 (sem aceleração gravitacional) ou tem alguma outro valor? A última possibilidade revolucionaria a física. Um pequeno aparato ALPHA-g pode, além de provar a existência da "antigravidade", nos conduzir por um caminho que leva aos maiores mistérios do universo.

Em uma escala ainda menor, estamos tentando estudar fenômenos de nível ainda mais baixo. Acima de 60 bilhões de revoluções por segundo ele pode ser projetado por cientistas da Universidade de Purdue e universidades chinesas. De acordo com os autores do experimento em um artigo publicado há alguns meses na Physical Review Letters, uma criação de rotação tão rápida permitirá que eles entendam melhor segredos .

O objeto, que está na mesma rotação extrema, é uma nanopartícula com cerca de 170 nanômetros de largura e 320 nanômetros de comprimento, que os cientistas sintetizaram a partir de sílica. A equipe de pesquisa levitou um objeto no vácuo usando um laser, que então o pulsou a uma velocidade tremenda. O próximo passo será realizar experimentos com velocidades rotacionais ainda maiores, o que permitirá pesquisas precisas de teorias físicas básicas, incluindo formas exóticas de atrito no vácuo. Como você pode ver, você não precisa construir quilômetros de tubos e detectores gigantes para enfrentar mistérios fundamentais.

Em 2009, os cientistas conseguiram criar em laboratório um tipo especial de buraco negro que absorve o som. Desde então esses parecer  provou ser útil como análogos de laboratório do objeto de absorção de luz. Em um artigo publicado na revista Nature em julho deste ano, pesquisadores do Technion Israel Institute of Technology descrevem como eles criaram um buraco negro sônico e mediram sua temperatura de radiação Hawking. Essas medições estavam de acordo com a temperatura prevista por Hawking. Assim, parece não ser necessário fazer uma expedição a um buraco negro para explorá-lo.

Quem sabe se escondidos nesses projetos científicos aparentemente menos eficientes, em minuciosos esforços de laboratório e repetidos experimentos para testar teorias pequenas e fragmentadas, estejam as respostas para as maiores perguntas. A história da ciência ensina que isso pode acontecer.