Hagamos lo nuestro y tal vez haya una revolución

Grandes descubrimientos, teorías audaces, avances científicos. Los medios de comunicación están llenos de este tipo de formulaciones, generalmente exageradas. En algún lugar a la sombra de la "gran física", el LHC, las cuestiones cosmológicas fundamentales y la lucha contra el modelo estándar, los investigadores hacen su trabajo en silencio, pensando en aplicaciones prácticas y ampliando el campo de nuestro conocimiento paso a paso.

"Hagamos lo nuestro" ciertamente puede ser el eslogan de los científicos involucrados en el desarrollo de la fusión termonuclear. Porque, a pesar de las grandes respuestas a las grandes preguntas, la solución de problemas prácticos, aparentemente insignificantes, asociados con este proceso, es capaz de revolucionar el mundo.

Tal vez, por ejemplo, sea posible realizar una fusión nuclear a pequeña escala, con equipos que caben en una mesa. Científicos de la Universidad de Washington construyeron el dispositivo el año pasado. pellizco en Z (1), que es capaz de mantener una reacción de fusión en 5 microsegundos, aunque la principal información impresionante fue la miniaturización del reactor, que tiene solo 1,5 m de largo. El Z-pinch funciona atrapando y comprimiendo el plasma en un poderoso campo magnético.

No muy efectivo, pero potencialmente extremadamente importante esfuerzos para . Según una investigación del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), publicada en octubre de 2018 en la revista Physics of Plasmas, los reactores de fusión tienen la capacidad de controlar la oscilación del plasma. Estas ondas empujan partículas de alta energía fuera de la zona de reacción, llevándose consigo parte de la energía necesaria para la reacción de fusión. Un nuevo estudio del DOE describe sofisticadas simulaciones por computadora que pueden rastrear y predecir la formación de ondas, brindando a los físicos la capacidad de prevenir este proceso y mantener las partículas bajo control. Los científicos esperan que su trabajo ayude en la construcción ITER, quizás el proyecto de reactor de fusión experimental más famoso de Francia.

También logros como temperatura del plasma 100 millones de grados Celsius, obtenido a finales del año pasado por un equipo de científicos del Instituto de Física de Plasma de China en el Tokamak Superconductor Avanzado Experimental (EAST), es un ejemplo de un avance paso a paso hacia una fusión eficiente. Según los expertos que comentan el estudio, puede ser clave en el mencionado proyecto ITER, en el que participa China junto a otros 35 países.

Superconductores y electrónica

Otra área con un gran potencial, en la que se están dando pequeños y minuciosos pasos en lugar de grandes avances, es la búsqueda de superconductores de alta temperatura. (2). Desafortunadamente, hay muchas falsas alarmas y preocupaciones prematuras. Por lo general, los informes entusiastas de los medios resultan ser exageraciones o simplemente falsos. Incluso en los informes más serios siempre hay un “pero”. Como en un informe reciente, los científicos de la Universidad de Chicago han descubierto la superconductividad, la capacidad de conducir electricidad sin pérdidas a las temperaturas más altas jamás registradas. Utilizando tecnología de punta en el Laboratorio Nacional de Argonne, un equipo de científicos locales estudió una clase de materiales en los que observaron superconductividad a temperaturas de alrededor de -23 °C. Este es un salto de unos 50 grados desde el récord anterior confirmado.

2. Superconductor en un campo magnético

El problema, sin embargo, es que tienes que aplicar mucha presión. Los materiales que se ensayaron fueron hidruros. Durante algún tiempo, el perhídrido de lantano ha sido de particular interés. En experimentos, se encontró que muestras extremadamente delgadas de este material exhiben superconductividad bajo la acción de presiones en el rango de 150 a 170 gigapascales. Los resultados se publicaron en mayo en la revista Nature, en coautoría con el Prof. Vitaly Prokopenko y Eran Greenberg.

Para pensar en la aplicación práctica de estos materiales, tendrás que bajar la presión y también la temperatura, porque incluso hasta -23 °C no es muy práctico. El trabajo en él es la típica física de pequeños pasos, que se lleva a cabo durante años en laboratorios de todo el mundo.

Lo mismo se aplica a la investigación aplicada. fenomenos magneticos en electronica. Más recientemente, utilizando sondas magnéticas de alta sensibilidad, un equipo internacional de científicos encontró pruebas sorprendentes de que el magnetismo que se produce en la interfaz de capas delgadas de óxido no magnético se puede controlar fácilmente mediante la aplicación de pequeñas fuerzas mecánicas. El descubrimiento, anunciado el pasado diciembre en Nature Physics, muestra una forma nueva e inesperada de controlar el magnetismo, permitiendo teóricamente pensar en la memoria magnética más densa y la espintrónica, por ejemplo.

Este descubrimiento crea una nueva oportunidad para la miniaturización de las células de memoria magnética, que hoy en día ya tienen un tamaño de varias decenas de nanómetros, pero su posterior miniaturización utilizando tecnologías conocidas es difícil. Las interfaces de óxido combinan una serie de fenómenos físicos interesantes, como la conductividad bidimensional y la superconductividad. El control de la corriente por medio del magnetismo es un campo muy prometedor en la electrónica. Encontrar materiales con las propiedades adecuadas, asequibles y baratos, nos permitiría tomarnos en serio el desarrollo espintrónica.

también es agotador control de calor residual en electrónica. Los ingenieros de UC Berkeley han desarrollado recientemente un material de película delgada (espesor de película de 50 a 100 nanómetros) que se puede usar para recuperar el calor residual para generar energía a niveles nunca antes vistos en este tipo de tecnología. Utiliza un proceso llamado conversión de energía piroeléctrica, que, según muestra una nueva investigación de ingeniería, es adecuado para su uso en fuentes de calor por debajo de los 100 °C. Este es solo uno de los últimos ejemplos de investigación en esta área. Hay cientos o incluso miles de programas de investigación en todo el mundo relacionados con la gestión de la energía en la electrónica.

"No sé por qué, pero funciona"

Experimentar con nuevos materiales, sus transiciones de fase y fenómenos topológicos es un área de investigación muy prometedora, poco eficiente, difícil y pocas veces atractiva para los medios. Esta es una de las investigaciones más citadas en el campo de la física, aunque recibió mucha publicidad en los medios de comunicación, los llamados. corriente principal que por lo general no ganan.

Los experimentos con transformaciones de fase en materiales a veces dan resultados inesperados, por ejemplo fundición de metales con puntos de fusión altos temperatura ambiente. Un ejemplo es el reciente logro de fundir muestras de oro, que normalmente se funden a 1064°C a temperatura ambiente, utilizando un campo eléctrico y un microscopio electrónico. Este cambio era reversible porque apagar el campo eléctrico podía solidificar el oro nuevamente. Así, el campo eléctrico se ha sumado a los conocidos factores que influyen en las transformaciones de fase, además de la temperatura y la presión.

También se observaron cambios de fase durante intensas pulsos de luz láser. Los resultados del estudio de este fenómeno se publicaron en verano de 2019 en la revista Nature Physics. El equipo internacional para lograrlo estuvo liderado por Nuh Gedik (3), profesor de física en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. Los científicos descubrieron que durante la fusión inducida ópticamente, la transición de fase ocurre a través de la formación de singularidades en el material, conocidas como defectos topológicos, que a su vez afectan la dinámica resultante de electrones y redes en el material. Estos defectos topológicos, como explicó Gedik en su publicación, son análogos a los pequeños vórtices que ocurren en líquidos como el agua.

Para su investigación, los científicos utilizaron un compuesto de lantano y telurio LaTe.₃. Los investigadores explican que el siguiente paso será tratar de determinar cómo pueden “generar estos defectos de forma controlada”. Potencialmente, esto podría usarse para el almacenamiento de datos, donde los pulsos de luz se usarían para escribir o reparar defectos en el sistema, lo que correspondería a operaciones de datos.

Y dado que llegamos a los pulsos de láser ultrarrápidos, su uso en muchos experimentos interesantes y aplicaciones prácticas potencialmente prometedoras es un tema que aparece a menudo en los informes científicos. Por ejemplo, el grupo de Ignacio Franco, profesor asistente de química y física en la Universidad de Rochester, mostró recientemente cómo se pueden usar pulsos de láser ultrarrápidos para propiedades distorsionantes de la materia Oraz generación de corriente eléctrica a una velocidad más rápida que cualquier técnica conocida hasta ahora. Los investigadores trataron finos filamentos de vidrio con una duración de una millonésima de una billonésima de segundo. En un abrir y cerrar de ojos, el material vítreo se convirtió en algo parecido a un metal que conduce la electricidad. Esto sucedió más rápido que en cualquier sistema conocido en ausencia de un voltaje aplicado. La dirección del flujo y la intensidad de la corriente se pueden controlar cambiando las propiedades del rayo láser. Y como se puede controlar, todo ingeniero electrónico mira con interés.

Franco explicó en una publicación en Nature Communications.

La naturaleza física de estos fenómenos no se entiende completamente. El mismo Franco sospecha que mecanismos como efecto marcado, es decir, la correlación de la emisión o absorción de cuantos de luz con un campo eléctrico. Si fuera posible construir sistemas electrónicos funcionales basados ​​en estos fenómenos, tendríamos otro episodio de la serie de ingeniería llamado No sabemos por qué, pero funciona.

Sensibilidad y tamaño pequeño

Giroscopios son dispositivos que ayudan a vehículos, drones, así como servicios electrónicos y dispositivos portátiles a navegar en un espacio tridimensional. Ahora son muy utilizados en dispositivos que usamos todos los días. Inicialmente, los giroscopios eran un conjunto de ruedas anidadas, cada una de las cuales giraba alrededor de su propio eje. Hoy en día, en los teléfonos móviles encontramos sensores microelectromecánicos (MEMS) que miden cambios en las fuerzas que actúan sobre dos masas idénticas, que oscilan y se mueven en dirección opuesta.

Los giroscopios MEMS tienen importantes limitaciones de sensibilidad. Así que está construyendo giroscopios ópticos, sin partes móviles, para las mismas tareas que utilizan un fenómeno llamado efecto sagnac. Sin embargo, hasta ahora existía el problema de su miniaturización. Los giroscopios ópticos de alto rendimiento más pequeños disponibles son más grandes que una pelota de ping pong y no son adecuados para muchas aplicaciones portátiles. Sin embargo, los ingenieros de la Universidad Tecnológica de Caltech, dirigidos por Ali Hadjimiri, han desarrollado un nuevo giroscopio óptico que quinientas veces menoslo que se sabe hasta ahora4). Mejora su sensibilidad mediante el uso de una nueva técnica llamada "refuerzo mutuo» Entre dos haces de luz que se utilizan en un interferómetro típico de Sagnac. El nuevo dispositivo se describió en un artículo publicado en Nature Photonics en noviembre pasado.

4. Giroscopio óptico desarrollado por Ali Hadjimiri y sus colegas. 

El desarrollo de un giroscopio óptico preciso puede mejorar en gran medida la orientación de los teléfonos inteligentes. A su vez, fue construido por científicos de Columbia Engineering. primera lente plana capaz de enfocar correctamente una amplia gama de colores en un mismo punto sin necesidad de elementos adicionales puede afectar a las capacidades fotográficas de los equipos móviles. El revolucionario lente plano micrométrico es significativamente más delgado que una hoja de papel y ofrece un rendimiento comparable al de los lentes compuestos premium. Los hallazgos del grupo, dirigido por Nanfang Yu, profesor asistente de física aplicada, se presentan en un estudio publicado en la revista Nature.

Los científicos han construido lentes planas a partir de "metaátomos". Cada metaátomo tiene un tamaño de fracción de longitud de onda de luz y retrasa las ondas de luz en una cantidad diferente. Al construir una capa plana muy delgada de nanoestructuras en un sustrato tan grueso como un cabello humano, los científicos pudieron lograr la misma funcionalidad que un sistema de lentes convencional mucho más grueso y pesado. Los metalenses pueden reemplazar los sistemas de lentes voluminosos de la misma manera que los televisores de pantalla plana han reemplazado a los televisores CRT.

¿Por qué un gran colisionador cuando hay otras formas?

La física de los pequeños pasos también puede tener diferentes sentidos y significados. Por ejemplo - en lugar de construir estructuras de tipos monstruosamente grandes y exigir otras aún más grandes, como hacen muchos físicos, uno puede tratar de encontrar respuestas a grandes preguntas con herramientas más modestas.

La mayoría de los aceleradores aceleran los haces de partículas generando campos eléctricos y magnéticos. Sin embargo, durante algún tiempo experimentó con una técnica diferente: aceleradores de plasma, aceleración de partículas cargadas como electrones, positrones e iones usando un campo eléctrico combinado con una onda generada en un plasma de electrones. Últimamente he estado trabajando en su nueva versión. El equipo AWAKE del CERN utiliza protones (no electrones) para crear una onda de plasma. Cambiar a protones puede llevar partículas a niveles de energía más altos en un solo paso de aceleración. Otras formas de aceleración del campo del despertar del plasma requieren varios pasos para alcanzar el mismo nivel de energía. Los científicos creen que su tecnología basada en protones podría permitirnos construir aceleradores más pequeños, más baratos y más potentes en el futuro.

5. Acelerador en miniatura de dos etapas de DESY - visualización

A su vez, los científicos de DESY (abreviatura de Deutsches Elektronen-Synchrotron - sincrotrón electrónico alemán) establecieron un nuevo récord en el campo de la miniaturización de los aceleradores de partículas en julio. El acelerador de terahercios más que duplicó la energía de los electrones inyectados (5). Al mismo tiempo, la configuración mejoró significativamente la calidad del haz de electrones en comparación con experimentos anteriores con esta técnica.

Franz Kärtner, jefe del grupo de rayos X y óptica ultrarrápida de DESY, explicó en un comunicado de prensa. -

El dispositivo asociado produjo un campo de aceleración con una intensidad máxima de 200 millones de voltios por metro (MV/m), similar al acelerador convencional moderno más poderoso.

A su vez, un nuevo detector relativamente pequeño ALFA-g (6), construido por la empresa canadiense TRIUMF y enviado al CERN a principios de este año, tiene la tarea de medir la aceleración gravitacional de la antimateria. ¿La antimateria se acelera en presencia de un campo gravitatorio en la superficie de la Tierra en +9,8 m/s2 (hacia abajo), en -9,8 m/s2 (arriba), en 0 m/s2 (sin aceleración gravitatoria en absoluto), o tiene alguna otro valor? Esta última posibilidad revolucionaría la física. Un pequeño aparato ALPHA-g puede, además de probar la existencia de la "antigravedad", conducirnos por un camino que conduce a los mayores misterios del universo.

En una escala aún más pequeña, estamos tratando de estudiar fenómenos de un nivel aún más bajo. Sobre 60 mil millones de revoluciones por segundo puede ser diseñado por científicos de la Universidad de Purdue y universidades chinas. Según los autores del experimento en un artículo publicado hace unos meses en Physical Review Letters, una creación que gira tan rápidamente les permitirá comprender mejor Misterios .

El objeto, que se encuentra en la misma rotación extrema, es una nanopartícula de unos 170 nanómetros de ancho y 320 nanómetros de largo, que los científicos sintetizaron a partir de sílice. El equipo de investigación hizo levitar un objeto en el vacío usando un láser, que luego lo pulsó a una velocidad tremenda. El siguiente paso será realizar experimentos con velocidades de rotación aún mayores, lo que permitirá una investigación precisa de teorías físicas básicas, incluidas formas exóticas de fricción en el vacío. Como puedes ver, no necesitas construir kilómetros de tuberías y detectores gigantes para enfrentarte a misterios fundamentales.

En 2009, los científicos lograron crear un tipo especial de agujero negro en el laboratorio que absorbe el sonido. Desde entonces estos звук  demostró ser útil como análogos de laboratorio de un objeto absorbente de luz. En un artículo publicado en la revista Nature este julio, los investigadores del Instituto de Tecnología Technion de Israel describen cómo crearon un agujero negro sónico y midieron su temperatura de radiación de Hawking. Estas medidas estaban en línea con la temperatura predicha por Hawking. Así, parece que no es necesario hacer una expedición a un agujero negro para explorarlo.

Quién sabe si ocultos en estos proyectos científicos aparentemente menos eficientes, en arduos esfuerzos de laboratorio y experimentos repetidos para probar teorías pequeñas y fragmentadas, se encuentran las respuestas a las preguntas más importantes. La historia de la ciencia enseña que esto puede suceder.