Які досягнення та відкриття у фізиці були найвизначнішими за минулий рік? Журнал “Physics World” обрав свою десятку найкращих. Серед них тетранейтрон, надхолодні молекули та верхня межа оптоелектронних схем, телескоп Джеймса Вебба та місія НАСА DART, рекорд безпосереднього виробництва електроенергії за допомогою тепла та нова протонна терапія проти раку.
Перше місце у топ-10 належить тетранейтрону – частинці, що складається з чотирьох нейтронів, котру впродовж тривалого часу вважали неможливою. Така частинка суперечить загальноприйнятим моделям сильної ядерної взаємодії і принципу виключення Паулі. Згідно з цим принципом, такі елементарні частинки не можуть перебувати в одному стані в одному місці. Водночас фізики вже 60 років підозрювали, що структура, котра складається з чотирьох слабко зв’язаних або принаймні резонансних нейтронів, все ж може існувати. У червні 2022 року вченим, здається, вдалося створити поєднання з чотирьох нейтронів, вибивши ядро гелію з ізотопу гелію-8. За словами команди, виміряна енергія цих частинок дає змогу припустити: частинка, котра виникла, може бути тетранейтроном. Однак необхідно продовжити теоретичні дослідження й експерименти.
Інша визначна подія року пов’язана з наднизькими температурами: кілька команд фізиків незалежно одна від одної розробили метод охолодження навіть багатоатомних молекул, при цьому температуру вдалося знизити до декількох мікро- і нанокельвінів вище абсолютного нуля. Одна команда використовувала випарне охолодження в поєднанні з обертовим мікрохвильовим полем, щоби знизити температуру полярних молекул натрію-калію до 21 нанокельвіна. Інша команда використовувала магнітні поля для створення холодного газу з температурою 100 нанокельвінів триатомних молекул натрію-калію.
Фізики з Массачусетського технологічного інституту встановити новий рекорд безпосереднього виробництва електроенергії: вони розробили термофотоелектричну комірку, яка досягає ефективності 40% у виробництві енергії з тепла. Вона поєднує два напівпровідники арсеніду галію та арсеніду індію і може виробляти електроенергію, наприклад, з сонячного теплового випромінювання, а також з відпрацьованого тепла електростанцій або промислових процесів.
Також до десятки найкращих у галузі фізики ввійшло дослідження, в якому науковці вперше визначили максимальну швидкість оптоелектронних схем. Згідно з дослідженням, фізично зумовлена верхня межа становить близько одного петагерца – одного мільйона гігагерц – тож приблизно у сто тисяч разів вища, ніж у найшвидших сучасних транзисторів. Навіть оптимізувавши технологію в майбутньому, навряд чи вдасться перевершити межу петагерц.
Ще один запис у першій десятці – про можливий високотехнологічний матеріал майбутнього: 2022 року дві команди фізиків незалежно виявили, що кубічний арсенід бору є одним із найкращих відомих напівпровідників. Теоретично вже давно припускали, що цей матеріал повинен мати кращу теплопровідність і рухливість позитивно заряджених електронних дірок, ніж кремній. Однак лише 2022 року вчені успішно створили кристалічну структуру арсеніду бору.
Дві інші фізичні події стосуються дослідження космосу – обидва досягнення журнал “Science” вже назвав проривами 2022 року. Перший – космічний телескоп імені Джеймса Вебба, гостра інфрачервона оптика якого вже в перші місяці роботи надала унікальні дані про космос, зокрема зображення і спектри галактик, найстаріших серед відомих, перші спектральні розвідки атмосфер на екзопланетах і детальні зображення зоряних колисок, планет і галактик.
Другою космічною родзинкою є місія НАСА DART, у якій космічний зонд розміром із холодильник врізався у 160-метровий астероїдний супутник Діморфос, збивши його з орбіти. В результаті орбіта Місяця навколо материнського астероїда скоротилася на 32 хвилини. Отриманий результат свідчить: випробуваний метод – результативний для збивання з траєкторії астероїда, котрий мчить на Землю, тобто це дасть змогу запобігати катастрофічним зіткненням.
До першої десятки фізичних досягнень увійшов також новий вид променевої терапії проти раку: у США перше клінічне випробування так званої протонної терапії FLASH засвідчило перспективні результати. Кісткові метастази десяти онкохворих були опромінені надзвичайно високою дозою високоенергетичних протонів. Доза коротких імпульсів була в 300 разів вищою, ніж при звичайній радіотерапії, але при цьому було менше побічних ефектів і менше тканин зазнали ушкоджень. “Променева терапія FLASH дає змогу лікувати стійкі пухлини дозами опромінення вищими, ніж раніше”, – пояснює керівник дослідження Джон Бренеман (John Breneman) з Університету Цинциннаті. Лікуванню піддаються резистентні до терапії ракові пухлини головного мозку, легенів і травного тракту. Однак з огляду на те, що тканини там особливо чутливі, перше клінічне випробування здійснили на кісткових пухлинах.
2022 року фізики розробили покриття, яке здатне зробити навіть сильно відбивні матеріали прозорими і проникними для електромагнітного випромінювання. Це може знадобитися, наприклад, для поліпшення мобільного зв'язку або діапазону дії WLAN у будівлях.
Інша команда дослідників сконструювала майже досконалу світлову пастку. Розумна комбінація дзеркал і лінз поглинає кожен промінь світла, який потрапляє в пастку через цілеспрямовані перешкоди.
Десятку лідерів у галузі фізики замикає експеримент, що вперше продемонстрував гравітаційний ефект Агаронова-Бома. Цей ефект ґрунтується на квантових фізичних взаємодіях, за допомогою яких електричні та магнітні поля можуть впливати на хвильову фазу зарядженої частинки. Завдяки атомній інтерферометрії американські дослідники також помітили, що гравітаційний вплив великої маси неподалік також може викликати цей ефект.
Nadja Podbregar
Physics World, 23.12.2022
Зображення: sakkmesterke/ iStock
03.01.2023