Από την κβαντική και ιατρική φυσική μέχρι την αστρονομία και τη συμπυκνωμένη ύλη, οι συντάκτες του “Physics World” διάλεξαν 10 από τα κορυφαία επιτεύγματα της χρονιάς.
Συγκεκριμένα, ξεχώρισαν:
Ξεκινώντας μια νέα εποχή για την υπερψυχρή χημεία
Τους Bo Zhao, Jian-Wei Pan και τους συνεργάτες τους στο “University of Science and Technology of China” (USTC) και στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών στο Πεκίνο· και ανεξάρτητα τον John Doyle και τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο του Harvard στις ΗΠΑ, για τη δημιουργία των πρώτων υπερψυχρών πολυατομικών μορίων.
Παρά το ότι οι φυσικοί ψύχουν άτομα σε θερμοκρασίες ενός κλάσματος του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν εδώ και περισσότερα από 30 χρόνια, και το ότι τα πρώτα υπερψυχρά διατομικά μόρια παρουσιάστηκαν στα μέσα της δεκαετίας του 2000, ο στόχος της δημιουργίας υπερψυχρών μορίων που να περιέχουν τρία ή περισσότερα άτομα είχε αποδειχτεί άπιαστος.
Χρησιμοποιώντας διαφορετικές -και συμπληρωματικές μεταξύ τους- τεχνικές, οι ομάδες του USTC και του Harvard παρήγαγαν δείγματα τριατομικών μορίων νατρίου-καλίου στους 220 nK και μονοϋδροξειδίου του ασβεστίου στους 110 μK, αντίστοιχα.
Το επίτευγμά τους ανοίγει δρόμο για νέα έρευνα τόσο στη φυσική όσο και στη χημεία· μελέτες υπερψυχρών χημικών αντιδράσεων, καινοτόμες μορφές κβαντικής προσομοίωσης και έλεγχοι θεμελιωδών αρχών της επιστήμης, είναι πλεόν πιο κοντά στο να πραγματοποιηθούν χάρη σε αυτά τα πολλαπλών ατόμων μοριακά εργαλεία.
Παρατηρώντας το τετρανετρόνιο
Την Meytal Duer από το Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής του “Technische Universität Darmstadt” και την Συνεργασία “SAMURAI Collaboration” για την παρατήρηση του τετρανετρονίου και την απόδειξη πως μπορεί να υπάρξει μη φορτισμένη πυρηνική ύλη, έστω και για πολύ μικρό χρονικό διάστημα.
Αποτελούμενο από τέσσερα νετρόνια, το τετρανετρόνιο εντοπίστηκε στο “Radioactive Ion Beam Factory” του “RIKEN Nishina Centre” στην Ιαπωνία. Τα τετρανετρόνια δημιουργήθηκαν βάλλοντας πυρήνες ηλίου-8 σε έναν στόχο υγρού υδρογόνου. Οι συγκρούσεις διασπούν τον πυρήνα ηλίου-8 σε ένα σωματίδιο άλφα (δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια) και σε ένα τετρανετρόνιο.
Ανιχνεύοντας τα σωματίδια άλφα και τους πυρήνες υδρογόνου που προέκυψαν, η ομάδα ανακάλυψε ότι τα τέσσερα νετρόνια υπήρξαν σε μία μη δεσμευμένη κατάσταση τετρανετρονίου για μόλις 10 − 22 δευτερόλεπτα. Η στατιστική σημαντικότητα της παρατήρησης είναι μεγαλύτερη από 5σ, που την τοποθετεί πάνω από το όριο για μια ανακάλυψη στη σωματιδιακή φυσική. Η ομάδα σχεδιάζει τώρα να μελετήσει τα μεμονωμένα νετρόνια μέσα στα τετρανετρόνια και να αναζητήσει νέα σωματίδια που περιέχουν έξι και οκτώ νετρόνια.
Υπερ-αποδοτική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας
Τους Alina LaPotin, Asegun Henry και τους συνεργάτες από το “Massachusetts Institute of Technology” και “National Renewable Energy Laboratory”, για την κατασκευή θερμοφωτοβολταϊκού στοιχείου (TPV) με απόδοση μεγαλύτερη από 40%.
Το νέο TPV στοιχείο αποτελεί την πρώτη θερμική μηχανή στερεάς κατάστασης που μετατρέπει το υπέρυθρο φως σε ηλεκτρική ενέργεια πιο αποτελεσματικά από μια γεννήτρια που βασίζεται σε στρόβιλο, και μπορεί να λειτουργήσει σε ένα ευρύ φάσμα πιθανών πηγών θερμότητας: Συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας, ηλιακή ακτινοβολία (μέσω ενδιάμεσου απορροφητή ακτινοβολίας) και απορριπτόμενη θερμότητα καθώς και πυρηνικές αντιδράσεις ή καύση. Η συσκευή μπορεί επομένως να χρησιμοποιηθεί ως στοιχείο ενός καθαρότερου, πιο πράσινου δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας και ως συμπλήρωμα των ηλιακών φωτοβολταϊκών στοιχείων.
Ο ταχύτερος δυνατός οπτοηλεκτρονικός διακόπτης
Τους Marcus Ossiander, Martin Schultze και τους συναδέλφους τους από τα “Max Planck Institute for Quantum Optics” και “LMU Munich” στην Γερμανία, τα “Vienna University of Technology” και “Graz University of Technology” στην Αυστρία και το “CNR NANOTEC Institute of Nanotechnology” στην Ιταλία, για τον καθορισμό και τη διερεύνηση των «ορίων ταχύτητας» της οπτοηλεκτρονικής μεταγωγής σε μια φυσική συσκευή.
Η ομάδα χρησιμοποίησε παλμούς λέιζερ διάρκειας μόλις ενός femtosecond (10 − 15 s) για να μεταβάλλει από μονωτική σε αγώγιμη στην κατάσταση ενός δείγματος διηλεκτρικού υλικού, με τέτοια ταχύτητα ώστε να δημιουργηθεί ένας διακόπτης ο οποίος λειτουργεί 1000 τρισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο (ένα petahertz). Αν και η συσκευή μεγέθους διαμερίσματος που απαιτείται για την οδήγηση αυτού του εξαιρετικά γρήγορου διακόπτη σημαίνει ότι δεν θα εμφανιστεί σύντομα σε πρακτικές συσκευές, τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ένα θεμελιώδες όριο για την κλασική επεξεργασία σήματος και υποδηλώνουν ότι η οπτοηλεκτρονική στερεάς κατάστασης petahertz είναι, καταρχήν, εφικτή.
Ανοίγοντας ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν
Τις NASA, “Canadian Space Agency” και “European Space Agency” για την ανάπτυξη των κατόπτρων του, και τις πρώτες εικόνες από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST).
Μετά από χρόνια καθυστερήσεων και αυξήσεων κόστους, το 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων JWST εκτοξεύτηκε τελικά στις 25 Δεκεμβρίου του 2021. Για αρκετές διαστημοσυσκευές, η εκτόξευση είναι το πιο επικίνδυνο μέρος της αποστολής, το JWST όμως έπρεπε επίσης να επιβιώσει από μια σειρά επικίνδυνων ελιγμών αποσυσκευασίας στο βαθύ διάστημα, οι οποίοι περιελάμβαναν την εκδίπλωση του μήκους 6,5 μέτρων κύριου κατόπτρου, καθώς και την εκδίπλωση της -μεγέθους γηπέδου τένις- ηλιοασπίδας του.
Πριν από την εκτόξευση, οι μηχανικοί εντόπισαν 344 αστοχίες που θα μπορούσαν να παρεμποδίσουν την αποστολή του παρατηρητηρίου ή ακόμα χειρότερα να το καταστήσουν άχρηστο. Όμως η αποστολή εξελίχτηκε χωρίς προβλήματα και το τηλεσκόπιο άρχισε σύντομα -αμέσως μετά την έναρξη λειτουργίας των επιστημονικών οργάνων του- να λαμβάνει δεδομένα και να καταγράφει θεαματικές εικόνες του σύμπαντος .
Το τηλεσκόπιο αναμένεται να φέρει επανάσταση στην αστρονομία.
Πρώτη κλινική δοκιμή της Ακτινοθεραπείας Πρωτονίων FLASH
Την Emily Daugherty από το “University of Cincinnati” και τους συνεργάτες της που εργάζονται στο “FAST-01” για την πραγματοποίηση της πρώτης κλινικής δοκιμής της ακτινοθεραπείας FLASH.
Η ακτινοθεραπεία FLASH είναι μια αναδυόμενη θεραπευτική τεχνική στην οποία η ακτινοβολία χορηγείται σε εξαιρετικά υψηλούς ρυθμούς δόσης (Dose rate, είναι η ποσότητα της ακτινοβολίας που χορηγείται στη μονάδα του χρόνου)· μια προσέγγιση που πιστεύεται ότι προστατεύει τον υγιή ιστό ενώ εξακολουθεί να εξοντώνει αποτελεσματικά τα καρκινικά κύτταρα. Η χρήση πρωτονίων για την παροχή ακτινοβολίας εξαιρετικά υψηλού ρυθμού δόσης θα επιτρέψει τη θεραπεία όγκων που βρίσκονται βαθιά μέσα στο σώμα.
Η δοκιμή περιελάμβανε 10 ασθενείς με επώδυνες οστικές μεταστάσεις στα χέρια και τα πόδια, οι οποίοι έλαβαν θεραπεία πρωτονίων που χορηγήθηκε με ρυθμό 40 Gy/s ή μεγαλύτερο – περίπου 1000 φορές τον ρυθμό δόσης της συμβατικής ακτινοθεραπείας με φωτόνια. Η ομάδα έδειξε ότι η θεραπεία με πρωτόνια FLASH είναι εξίσου αποτελεσματική με τη συμβατική ακτινοθεραπεία για την ανακούφιση από τον πόνο, χωρίς να προκαλεί απροσδόκητες παρενέργειες.
Τελοιοποιώντας την μετάδοση και απορρόφηση φωτός
Τους Stefan Rotter από το “Technical University of Vienna” και Matthieu Davy από το “University of Rennes” για τη δημιουργία μίας αντιανακλαστικής δομής που επιτρέπει την τέλεια διάδοση σε σύνθετα μέσα· τους Stefan Rotter και Ori Katz από το “Hebrew University of Jerusalem” για την ανάπτυξη ενός «αντι-λέιζερ» που επιτρέπει σε οποιοδήποτε υλικό να απορροφά το σύνολο του φωτός από ένα ευρύ φάσμα γωνιών.
Στην πρώτη μελέτη, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα αντιανακλαστικό στρώμα που είναι βελτιστοποιημένο ώστε να ταιριάζει με τον τρόπο με τον οποίο τα κύματα θα αντανακλώνται από την μπροστινή επιφάνεια ενός αντικειμένου. Η τοποθέτηση αυτής της δομής μπροστά από ένα μέσο εξαλείφει εντελώς τις αντανακλάσεις και κάνει το αντικείμενο ημιδιαφανές σε όλα τα εισερχόμενα κύματα φωτός.
Στη δεύτερη μελέτη, η ομάδα ανέπτυξε έναν τέλειο απορροφητή, που βασίζεται σε ένα σύνολο καθρεφτών και φακών, ο οποίος παγιδεύει το εισερχόμενο φως μέσα σε μια κοιλότητα. Λόγω των επακριβώς υπολογισμένων επιδράσεων παρεμβολής, η προσπίπτουσα δέσμη παρεμβαίνει στη δέσμη που ανακλάται πίσω μεταξύ των κατόπτρων, έτσι ώστε η ανακλώμενη δέσμη να σβήνει σχεδόν εντελώς.
Το κυβικό αρσενίδιο του βορίου είναι ο πρωταθλητής των ημιαγωγών
Δύο ανεξάρτητες ομάδες, που έδειξαν ότι το κυβικό αρσενίδιο του βορίου είναι ένας από τους καλύτερους, από τους γνωστούς στην επιστήμη, ημιαγωγούς. Μία ομάδα με επικεφαλής τους Gang Chen από το “Massachusetts Institute of Technology” και τον Zhifeng Ren από το “University of Houston” και μία με επικεφαλής τον Xinfeng Liu του “National Center for Nanoscience and Technology” στο Πεκίνο.
Οι δύο ομάδες διεξήγαγαν πειράματα που αποκάλυψαν ότι μικρές, καθαρές περιοχές του υλικού εμφανίζουν αρκετά υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα και κινητικότητα οπών από ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο, που αποτελεί τη βάση των σύγχρονων ηλεκτρονικών. Η χαμηλή κινητικότητα οπών του πυριτίου, περιορίζει την ταχύτητα με την οποία λειτουργούν οι συσκευές πυριτίου, ενώ η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα προκαλεί υπερθέρμανση των ηλεκτρονικών συσκευών.
Το ότι το κυβικό αρσενίδιο του βορίου θα υπερτερούσε του πυριτίου είχε προβλεφθεί εδώ και καιρό, οι ερευνητές όμως δυσκολεύονταν να δημιουργήσουν αρκούντως μεγάλα μονοκρυσταλλικά δείγματα του υλικού, ώστε να μετρήσουν τις ιδιότητές του. Πλεόν, και οι δύο ομάδες έχουν ξεπεράσει αυτήν την πρόκληση, φέρνοντας την πρακτική χρήση του κυβικού αρσενιδίου του βορίου ένα βήμα πιο κοντά.
Αλλαγή της τροχιάς ενός αστεροειδούς
Τη NASA και το “Johns Hopkins Applied Physics Laboratory” για την πρώτη επίδειξη του «kinetic impact» αλλάζοντας με επιτυχία την τροχιά ενός αστεροειδούς.
Tο σκάφος “Double Asteroid Redirection Test” (DART), που εκτοξεύτηκε τον Νοέμβριο του 2021, ήταν η πρώτη αποστολή για τη διερεύνηση των συνεπειών μίας πρόσκρουσης σε έναν αστεροειδή. Στόχος του ένα δυαδικό σύστημα αστεροειδών, αποτελούμενο από ένα σώμα με διάμετρο 160 μέτρα που ονομάζεται Δίμορφος το οποίο περιφέρεται γύρω από έναν μεγαλύτερο αστεροειδή με διάμετρο 780 μέτρα που ονομάζεται Δίδυμος.
Ύστερα από ένα ταξίδι 11 εκατομμυρίων χιλιομέτρων, το DART προσέκρουσε με επιτυχία τον Οκτώβριο στον Δίμορφο, ενώ κινείτο με ταχύτητα 6 km/s περίπου. Μερικές μέρες αργότερα, η NASA επιβεβαίωσε ότι το DART μετέβαλε επιτυχώς την τροχιά του Δίμορφου γύρω από τον Δίδυμο κατά 32 λεπτά – συντομεύοντας την από 11 ώρες και 55 λεπτά σε 11 ώρες και 23 λεπτά.
Η αλλαγή αυτή ήταν περίπου 25 φορές μεγαλύτερη από τα 73 δευτερόλεπτα που είχε ορίσει η NASA ως ελάχιστη επιτυχή αλλαγή περιόδου τροχιάς. Τα αποτελέσματα θα χρησιμοποιηθούν για να αξιολογηθεί ο καλύτερος τρόπος εφαρμογής της τεχνικής της κινητικής πρόσκρουσης για την άμυνα του πλανήτη μας.
Ανίχνευση φαινομένου Aharonov-Bohm για τη βαρύτητα
Τους Chris Overstreet, Peter Asenbaum, Mark Kasevich και τους συνεργάτες τους στο Πανεπιστήμιο του Stanford, για την ανίχνευση ενός φαινομένου Aharonov-Bohm για τη βαρύτητα.
Έχοντας προβλεφθεί για πρώτη φορά το 1949, το φαινόμενο Aharonov-Bohm είναι ένα κβαντικό φαινόμενο όπου η κυματοσυνάρτηση ενός φορτισμένου σωματιδίου επηρεάζεται από ένα ηλεκτρομαγνητικό δυναμικό ακόμη και όταν το σωματίδιο βρίσκεται μέσα σε μια περιοχή με μηδενικό ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο. Από τη δεκαετία του 1960, οι παρατηρήσεις του φαινομένου γίνονται διασπώντας μια δέσμη ηλεκτρονίων και στέλνοντας τις δύο δέσμες εκατέρωθεν μιας περιοχής που περιέχει ένα πλήρως θωρακισμένο μαγνητικό πεδίο. Όταν οι δέσμες ανασυνδυάζονται σε έναν ανιχνευτή, το φαινόμενο Aharonov-Bohm αποκαλύπτεται ως παρεμβολή μεταξύ των ακτίνων.
Τώρα, οι φυσικοί του Stanford κατάφεραν να παρατηρήσουν μια βαρυτική εκδοχή του φαινομένου, χρησιμοποιώντας υπερψυχρά άτομα. Η ομάδα χώρισε τα άτομα σε δύο ομάδες που απείχαν κατά 25 cm περίπου, με τη μία ομάδα να αλληλεπιδρά βαρυτικά με μια μεγάλη μάζα. Όταν τα άτομα ανασυνδυάστηκαν, εμφάνισαν μια παρεμβολή που είναι σύμφωνη με το φαινόμενο Aharonov-Bohm για τη βαρύτητα. Το φαινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της σταθεράς της βαρύτητας του Νεύτωνα με πολύ υψηλή ακρίβεια.
Πηγή: https://physicsworld.com/
