Sciencemag.cz
Doporučujeme
Bilance fyzikálních objevů za rok 2023 může mít jen těžko jednoznačného vítěze. Časopis Physics World však v pravidelném přehledu upozorňuje na deset potenciálně průlomových výzkumů. Rozhodně jde o zajímavou přehlídku trendů napříč obory současné fyziky.
Deset fyzikálních hitů roku 2023 zahrnuje výzkum od astronomie a lékařské fyziky až po kvantové jevy nebo jadernou fyziku. Redaktoři webového časopisu prošli stovky publikovaných textů a posuzovali je z mnoha hledisek. Kromě toho, že byly uveřejněny ve Physics World v roce 2023, musely splňovat i následující kritéria:
– přinášet významný pokrok ve znalostech nebo porozumění,
– mít podstatný význam pro vědecký pokrok a/nebo pro vývoj aplikací v reálném světě,
– být v obecném zájmu čtenářů Physics World.
Pořadí prezentovaných objevů je letos chronologické. O „prvním“ místu si proto může rozhodnout každý čtenář sám.
Physics World je členským časopisem fyzikální společnosti Institute of Physics. Tradice této učené společnosti Velké Británie a Irska sahá až do roku 1874. V současné době má více než 20 000 dalších členů.
Elektrody rostoucí uvnitř živé tkáně
Xenofon Strakosas, Hanne Biesmans, Magnus Berggren a kolegové z Linköpings Universitet, Lunds Universitet a Göteborgs Universitet získali nominaci za vývoj cesty umožňující vytvářet elektronické obvody přímo uvnitř živé tkáně. Propojení nervové tkáně s elektronikou poskytuje způsob, jak studovat komplexní elektrickou signalizaci nervového systému nebo modulovat nervové obvody k léčbě onemocnění.
Nesoulad mezi běžnou elektronikou a měkkými tkáněmi vytváří riziko poškození citlivých živých systémů. Proto tým použil injekční gel k vytvoření měkkých elektrod přímo v těle. Po injekci do živé tkáně enzymy v gelu rozkládají endogenní metabolity v těle, které spouštějí enzymatickou polymeraci organických monomerů v gelu a přeměňují je na stabilní, měkké vodivé elektrody. Výzkumníci tento proces ověřili injekcí gelů do akvarijních rybek dánií pruhovaných (zebrafish) a do pijavice lékařské, kde gel polymeroval a elektrody v tkáni rostly.
Neutrina zkoumají protonovou strukturu
Tejin Cai (University of Rochester, USA, York University, Kanada) a jeho kolegové pracující na experimentu MINERvA ve Fermilabu ukázali, jak lze získat informace o vnitřní struktuře protonu pomocí rozptylu neutrin z plastového terče. Neutrina jsou subatomární částice známé tím, že zřídka interagují s hmotou. Caiův návrh vzbudil značné pochybnosti, nehledě na fakt, že jde o postdoktoranda.
Velkou výzvou pro tým bylo pozorování signálu z neutrin rozptýlených z osamělých protonů (vodíkových jader) v mnohem větším pozadí neutrin rozptýlených z protonů vázaných v uhlíkových jádrech. Aby tento problém vyřešili, simulovali signál rozptýlený uhlíkem a obezřetně jej odečetli od experimentálních dat. Kromě poskytnutí vhledu do struktury protonu by tato technika mohla také lépe osvětlit, jak neutrina interagují s hmotou.
Simulace rozpínajícího se vesmíru v BEC
Celia Viermann a Markus Oberthaler z Universität Heidelberg spolu se Stefanem Floerchingerem z Universität Jena a ve spolupráci s kolegy z Universidad Complutense de Madrid, Ruhr-Universität Bochum a Université libre de Bruxelles použili Bose-Einsteinův kondenzát (BEC) k simulaci rozpínajícího se vesmíru a kvantových polí v něm.
V tomto simulovaném systému představoval kondenzát vesmír, zatímco fonony pohybující se skrz něj hrály roli kvantových polí. Změnou délky rozptylu atomů v BEC se týmu podařilo, že se tento „vesmír“ rozpínal různými rychlostmi. Zároveň studovali, jak v něm fonony vytvářejí fluktuace hustoty. Kosmologické teorie předpovídají, že podobné jevy byly zodpovědné za vznik zárodků rozsáhlých struktur v raném vesmíru. Simulovaný vesmír může tedy poskytnout cenné poznatky o tom, jak se ten skutečný vyvinul do stavu známého dnes.
Dvojitá štěrbina v čase
Dalšími členy fyzikálních Top 10 za rok 2023 jsou Romain Tirole a Riccardo Sapienz z Imperial College v Londýně, kteří spolu s kolegy demonstrovali Youngovu interferenci na dvojité štěrbině v čase. Pozorování interference světelných vln Thomasem Youngem v 19. století je jedním z nejvýznamnějších experimentů v historii fyziky, které poskytlo základní podporu pro vlnovou povahu světla. Zatímco tento experiment a další podobné zahrnují difrakci světla párem úzkých štěrbin v prostoru, vědecký tým ukázal, že je možné dosáhnout ekvivalentního efektu pomocí dvojitých štěrbin v čase.
Časový analog se vyznačuje fixovanou hybností, ale měnící se frekvencí. Materiál, ve kterém se rychle objevují dvě štěrbiny, a pak jedna po druhé mizí, by měl způsobit, že příchozí vlny si udrží svou dráhu v prostoru, ale rozšíří se ve frekvenci. Vědci toho dosáhli tak, že dvakrát rychle za sebou zapnuli a vypnuli odrazivost polovodičového zrcadla a zaznamenali interferenční proužky podél frekvenčního spektra světla odraženého od zrcadla. Viděli, že k interferenci dochází mezi vlnami o různých frekvencích, spíše než na různých prostorových pozicích. Práce by mohla mít několik aplikací, jako jsou optické přepínače pro zpracování signálu a komunikaci nebo v další optoelektronice.
Digitální přemostění umožňuje přirozenou chůzi po poranění míchy
Grégoire Courtine z Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Jocelyne Bloch z Lausanne University Hospital v Lausanne a EPFL, Guillaume Charvet ze společnosti CEA-Leti’s Clinatec a jejich kolegové jsou dalšími kandidáty za vytvoření „digitálního mostu“ mezi mozkem a míchou, který umožnil ochrnutému jedinci stát a přirozeně chodit. Poranění míchy může přerušit komunikaci mezi mozkem a příslušnou míšní oblastí ovládající chůzi. To může vést k trvalé paralýze pacienta. K obnovení přenosu signálů tým vyvinul rozhraní mozek-páteř obsahující dva implantovatelné systémy. Jeden slouží pro záznam kortikální aktivity a dekódování záměru uživatele pohybovat dolními končetinami, druhý k elektrické stimulaci příslušné oblasti míchy řídící pohyb nohou. Tým testoval systém na 38letém muži s poraněním míchy, které utrpěl při nehodě na kole před 10 lety. Po implantaci mu přemostění umožnilo znovu získat intuitivní kontrolu nad pohyby nohou. Po letech tedy znovu vstal, chodil, vyšel po schodech a byl dokonce schopen procházky složitým terénem.
Stavební bloky pro rozsáhlou kvantovou síť
Dalšími vybranými jsou Ben Lanyon s kolegy z Universität Innsbruck (Rakousko) a Université Paris-Saclay (Francie) za konstrukci kvantového opakovače a jeho použití k přenosu kvantové informace na vzdálenost 50 km přes standardní telekomunikační vlákna. Tím demonstrovali všechny klíčové funkce rozsáhlé kvantové sítě v jediném systému. Tým vytvořil svůj kvantový opakovač z dvojice zachycených iontů vápníku 40, které po osvícení laserovým pulzem emitují fotony. Tyto fotony, z nichž každý je provázán se svým „rodičovským“ iontem, jsou poté převedeny na telekomunikační vlnové délky a vyslány samostatnými 25 km dlouhými optickými vlákny. Nakonec opakovač vymění provázání na zmíněných dvou iontech a zanechá dva provázané fotony vzdálené od sebe 50 km. To je zhruba vzdálenost potřebná k vytvoření rozsáhlých sítí s více uzly.
První rentgenový snímek jediného atomu
Saw Wai Hla a Volker Rose z Argonne National Laboratory v USA jsou spolu s dalšími kolegy kandidáty za zobrazení jediného atomu synchrotronovým rentgenovým zářením. Až donedávna byla nejmenší velikost vzorku, která mohla být analyzována pomocí synchrotronové rentgenové skenovací tunelové mikroskopie, jeden attogram, což je asi 10 000 atomů. Je to proto, že rentgenový signál produkovaný jedním atomem je extrémně slabý a konvenční detektory nejsou dostatečně citlivé, aby jej detekovaly.
Tuto okolnost se podařilo týmu překonat tím, že přidal ostrý kovový hrot do konvenčního rentgenového detektoru umístěného jen 1 nm nad studovaným vzorkem. Jak se ostrá špička pohybuje nad povrchem vzorku, elektrony mezi ní a vzorkem tunelují prostorem. Vzniká elektrický proud v podstatě detekující „otisky prstů“, charakteristické pro každý prvek. To umožňuje kombinovat ultravysoké prostorové rozlišení rastrovací tunelové mikroskopie s chemickou citlivostí poskytovanou intenzivním rentgenovým zářením. Technika by mohla vést k aplikacím pro vývoj nových materiálů a uplatní se zřejmě i v environmentální vědě, protože dokáže vysledovat toxické materiály až do extrémně nízkých koncentrací.
„Smoking gun“ důkaz o raných galaxiích, které transformovaly vesmír
Dalším kandidátem je EIGER Collaboration za použití vesmírného teleskopu Jamese Webba (JWST) k nalezení přesvědčivých důkazů, že rané galaxie byly zodpovědné za reionizaci raného vesmíru. Reionizace nastala asi 1 miliardu let po velkém třesku a zahrnovala ionizaci plynného vodíku. To umožnilo světlu, které by bylo jinak absorbováno vodíkem, aby doputovalo k dnešním dalekohledům. Zdá se, že reionizace začala jako místní bubliny, které rostly a splývaly. Tyto bubliny by byly vytvořeny zdroji radiace a jednou z možností je, že pocházely z hvězd v galaxiích. Výzkumníci z EIGER Collaboration použili infračervenou kameru JWST k pozorování světla z dávných kvasarů, které prošlo ionizovanými bublinami. Našli korelaci mezi umístěním galaxií a bublin, což naznačuje, že světlo z těchto raných galaxií bylo skutečně zodpovědné za reionizaci.
Nadzvukové trhliny v materiálech
Meng Wang, Songlin Shi a Jay Fineberg z Hebrew University of Jerusalem jsou do přehledu vybrání za své zjištění, že trhliny v určitých materiálech se mohou šířit rychleji než rychlost zvuku. Pozorování je v rozporu jak s předchozími experimentálními výsledky, tak s předpověďmi založenými na klasické teorii. Ta tvrdí, že šíření nadzvukové trhliny by nemělo být možné, protože rychlost zvuku v materiálu odráží, jak rychle se jím může šířit mechanická energie.
Pozorování týmu mohou naznačovat přítomnost takzvané „supersmykové“ dynamiky. Ta se podřizuje jiným principům, než kterými se šíří klasické trhliny. Už před téměř 20 lety ji předpověděl Michael Marder z University of Texas v USA.
Antihmota nepadá vzhůru
ALPHA Collaboration je vybrána za důkaz, že antihmota reaguje na gravitaci v podstatě stejným způsobem jako hmota. Fyzici použili experiment ALPHA-g v CERN k prvnímu přímému pozorování volně padajících atomů antihmoty, konkrétně antivodíku složeného z antiprotonu navázaného na antielektron.
Experiment proběhl ve vysoké válcové vakuové komoře, ve které byl antivodík nejprve držen v magnetické pasti. Po uvolnění z lapače antivodík anihiloval na stěnách komory. Tým zjistil, že pod bodem uvolnění došlo k většímu počtu anihilací než nad ním. Po zvážení tepelného pohybu antivodíku dospěli výzkumníci k závěru, že antihmota klesá dolů. Je vzrušující, že zrychlení antivodíku způsobené gravitací odpovídalo asi 75 % zrychlení běžné hmoty. Ačkoli toto měření má nízkou statistickou významnost, ponechává otevřené dveře nové fyzice nad rámec standardního modelu.
Čestné uznání:
Průlom fúzní energie
Čestné uznání v top 10 pro rok 2023 patří fyzikům pracujícím v National Ignition Facility v USA (vybudované nákladem 3,5 miliardy dolarů) za experiment provedený koncem předloňského roku. Dne 13. prosince 2022 laboratoř oznámila generování více energie z řízené jaderné fúzní reakce, než bylo potřeba k jejímu spuštění. Laserový výstřel, provedený 5. prosince 2022, uvolnil 3,15 MJ energie z malé pelety obsahující dva izotopy vodíku, proti tomu lasery dodaly na terčík 2,05 MJ. Tato demonstrace čistého energetického zisku představuje podstatný milník v laserové fúzi. Experiment nebyl zařazen do výběru pro rok 2022, protože byl uskutečněn až po nominacích.
Zdroj:
Physics World reveals its top 10 Breakthroughs of the Year for 2023. Physics World. Dostupné z: https://physicsworld.com/a/physics-world-reveals-its-top-10-breakthroughs-of-the-year-for-2023/
Autor: Ivana Stulíková, Luboš Veverka
Převzato z Matfyz.cz.
Pozvánka
30. 1. 2024 vysílá Matfyz od 15:00 živý stream Jednoho dne s informatikou a matematikou. Online přenos s možností klást dotazy k prezentovaným tématům i studiu poběží na stránce mff.cuni.cz/jdim, kde zájemci najdou také program streamu. Dotazy je možné pokládat prostřednictvím aplikace předem už teď.
