Sciencemag.cz
Doporučujeme
Nový titan-safírový laser je malý, levný a laditelný. Opravy kvantových chyb dvakrát jinak.
Přelom roku je vždy dobrou příležitostí k bilancování. Objevují se zábavné i závažné statistiky, byť je někdy těžké jedny od druhých odlišit. Ke koloritu období patří také nejrůznější žebříčky a přehledy. Na fyziku se touto optikou každoročně dívá časopis Physics World.
Physics World je členský časopis Institute of Physics (IOP), jedné z největších oborových společností na světě, určený fyzikům ve výzkumu, průmyslu, výuce a vzdělávání po celém světě. Magazín uděluje od roku 2009 dvě ocenění ročně, a to Breakthrough of the Year a Book of the Year.
S potěšením také každoročně vyhlašuje deset nejlepších prací roku, které vybírá z publikovaných článků. Ty za rok 2024 tematicky zahrnují výzkum jaderné a lékařské fyziky, kvantové výpočty, lasery, antihmotu a další.
Kritéria výběru, krom faktu, že článek byl publikován ve Physics World, jsou v zásadě tři. Práce musí přinášet významný pokrok ve znalostech nebo porozumění, musí mít význam pro vědecký pokrok či vývoj aplikací v reálném světě a konečně musí obecně zajímat čtenáře časopisu.
Soubor takto vybraných deseti publikací uvádíme níže v náhodném pořadí. Zkuste si sami rozhodnout, který z příspěvků by byl právě vaším vítězem. Skutečné výsledky se dočtete na konci článku.
Barvivo pohlcující světlo zprůhlední kůži živé myši
Tým výzkumníků ze Stanford University byl mezi nejlepší nominován za vývoj metody, která dočasně zprůhledňuje kůži živých myší. Jednou z výzev v zobrazování biologických tkání optickými technikami je fakt, že tkáně rozptylují světlo, což je činí neprůhlednými.
Výzkumníci v čele s Zihao Ou (nyní University of Texas, Dallas) spolu s Markem Brongersmou a Guosongem Hongem zjistili, že běžné žluté potravinářské barvivo tartrazin silně absorbuje modrou a viditelné složce blízkou část ultrafialového spektra. Díky tomu může do značné míry zprůhlednit biologickou tkáň. Po aplikaci barviva na břicho, pokožku hlavy a zadní končetiny živých myší výzkumníci viděli jejich vnitřní orgány jako játra, tenké střevo nebo močový měchýř rovnou přes kůži, aniž by to vyžadovalo jakýkoli chirurgický zákrok. Stejnou metodou vizualizovali průtok krve v mozku hlodavců a jemnou strukturu svalových vláken v zadních končetinách. Po skončení pozorování barvivo jednoduše opláchli.
Technika „optického zprůhledňování“ se zatím zkoušela pouze na zvířatech. V případě jejího zavedení do medicínské praxe by však mohla pomoci nahradit některé typy invazivních biopsií.
Laserové chlazení pozitronia
Mezinárodnímu týmu AEgIS v CERN a Kosuke Yoshiokemu s jeho kolegy z Tokijské univerzity patří jedna z příček žebříčku za nezávislou demonstraci laserového chlazení pozitronia. Pozitronium, atomově vázaný stav elektronu a pozitronu, vzniká jen v laboratorních podmínkách a fyzikům pomáhá se studiem antihmoty.
V současnosti se připravuje v „teplých“ oblacích charakteristických velkými rozdíly v rychlostech jednotlivých atomů. To ztěžuje přesnou spektroskopii. Ochlazení pozitronia na nízké teploty proto umožňuje nové způsoby studia vlastností antihmoty a navíc o jeden až dva řády vyšší produkci antivodíku (antiatomu obsahujícího pozitron a antiproton), který je pro fyziky velmi zajímavý.
Výzkum také připravuje cestu pro použití pozitronia k testování sledovaných aspektů Standardního modelu částicové fyziky, jako je kvantová elektrodynamika, která předpovídá specifické spektrální čáry, a ke zkoumání účinků gravitace na antihmotu.
Modelování plicních buněk pro personalizovanou radioterapii
Roman Bauer z University of Surrey (Velká Británie), Marco Durante z GSI Helmholtzova centra pro výzkum těžkých iontů a Nicolò Cogno z GSI a Massachusetts General Hospital/Harvard Medical School jsou nominováni za vytvoření výpočtového modelu, který by mohl zlepšit výsledky radioterapie u pacientů s rakovinou plic.
Radioterapie je účinná léčba rakoviny plic, jejímž nežádoucím vedlejším účinkem však může být poškození zdravé tkáně. Aby se minimalizovalo poškození tkáně zářením a léčba vyhovovala konkrétním pacientům co nejvíce, zkombinoval citovaný tým model plicní tkáně s Monte Carlo simulátorem. V počítači tak lze předpovědět míru ozáření plicních sklípků v mikroskopických a nanoskopických měřítcích. Na základě velikosti a distribuce radiační dávky model předpovídá pro každou buňku, zda bude žít nebo zemře. Dále dokáže určit závažnost poškození zářením, a to hodiny, dny, měsíce nebo dokonce roky po léčbě.
Podstatné je, že model přináší výsledky v souladu s experimentálními pozorováními z mnoha různých nemocnic i laboratoří. To naznačuje, že by jeho nasazení v klinické praxi nemuselo být příliš vzdálené.
Polovodič a novátorský spínač vyrobený z grafenu
Dalšími kandidáty jsou Walter de Heer, Lei Ma a jejich kolegové z Tianjin University a Georgia Institute of Technology a nezávisle na nich také Marcelo Lozada-Hidalgo (University of Manchester) s mezinárodním týmem za vytvoření funkčního polovodiče vyrobeného z grafenu a též za použití grafenu k vytvoření přepínače, který zvládá paměťové i logické funkce.
Manchesterský tým uspěl ve využití schopnosti grafenu vést současně jak protonový, tak elektronový proud. Jejich zařízení tak provádí logické operace s protonovým proudem a současně zapisuje do paměti elektronovým proudem. Tyto funkce standardně provádějí samostatné obvodové prvky, což zvyšuje dobu přenosu dat a spotřebu energie.
Naproti tomu de Heer, Ma a kolegové vytvořili formu grafenu, která nevede proud snadno. Jejich nový „epigrafen“ vykazuje zakázaný pás, který by měl analogicky polovodičům umožnit výrobu tranzistoru se zajímavými vlastnostmi, jako je vysoká tepelná vodivost. Právě tu například křemíkové polovodiče postrádají.
Detekce rozpadu jednotlivých jader
David Moore, Jiaxiang Wang a jejich kolegové z Yale University se do Top 10 dostali za detekci jaderného rozpadu jednotlivých jader helia. Autoři zabudovali atomy radioaktivního olova 212 do koule oxidu křemičitého mikrometrické velikosti a měřili její zpětný ráz, když z ní jádra unikají.
Jejich technika vychází ze zachování hybnosti a dokáže měřit síly o velikosti 10−20 N a velmi malá zrychlení v řádu 10−7 g, kde g je místní tíhové zrychlení. Vědci doufají, že podobná technika může být jednoho dne použita k detekci neutrin, která jsou mnohem méně hmotná než jádra helia, ale jsou rovněž emitována jako produkty rozpadu při určitých jaderných reakcích.
První sjednocení odlišných popisů atomových jader
Do přehledu toho nejzajímavějšího z fyziky v uplynulém roce se dostali také Andrew Denniston z Massachusetts Institute of Technology a Tomáš Ježo z univerzity v Münsteru s mezinárodním týmem za sjednocení dvou odlišných popisů atomových jader.
Zkombinovali perspektivu částicové fyziky, kde jádra obsahují kvarky a gluony, s tradičním pohledem jaderné fyziky, který zachází s jádry jako se souborem interagujících nukleonů (protonů a neutronů). Tým poskytl nové poznatky o korelovaných nukleonových párech krátkého dosahu, což jsou prchavé interakce, kdy se dva nukleony extrémně přiblíží a zapojí se do silných interakcí na pouhé femtosekundy.
Model byl testován a zjemněn pomocí experimentálních dat z rozptylových experimentů zahrnujících 19 různých jader s velmi rozdílnými hmotnostmi (od helia 3 po olovo 208). Práce představuje významný krok vpřed v našem chápání jaderné struktury a silných interakcí.
Nový titan-safírový laser je malý, levný a laditelný
Dalšími nominanty jsou Jelena Vučkovič, Joshua Yang, Kasper Van Gasse a Daniil Lukin s kolegy ze Stanford University za vývoj kompaktního integrovaného titan-safírového laseru, který potřebuje pouze jednoduchou zelenou LED jako zdroj buzení. Autoři snížili náklady titan-safírového laseru o tři řády a spotřebu energie o dva. Dosavadní titan-safírové lasery musí být buzeny vysoce výkonnými lasery, a proto stojí více než 100 000 dolarů.
Naproti tomu výzkumný tým byl schopen budit své zařízení pomocí zelené diody za 37 dolarů. Vědci také dosáhli dvou vlastností, které dřívější titan-safírové lasery nevykazovaly. Dokázali měnit vlnovou délku a vytvořit titan-safírový laserový zesilovač. Jejich zařízení představuje klíčový krok k širokému zpřístupnění tohoto typu laseru, tak důležitého pro další výzkum i průmyslovou praxi.
Opravy kvantových chyb dvakrát jinak
V nominacích se objevily také dva nezávislé týmy. První představují Michail Lukin, Dolev Bluvstein a jejich kolegové z Harvardovy univerzity, Massachusettského technologického institutu a QuEra Computing. Ti jsou nominováni za demonstraci korekce kvantových chyb v atomovém procesoru s 48 logickými qubity.
Druhý tým, reprezentovaný Hartmutem Nevenem a jeho kolegy z Google Quantum AI, do problematiky kvantového počítání přispěl implementací korekce kvantových chyb na nejhlubších vrstvách kódu prováděného supravodivým čipem.
Chyby způsobené interakcemi s prostředím, tzv. šum, jsou Achillovou patou každého kvantového počítače a jejich korekce se někdy označují za „definující výzvu“ této technologie. Oba týmy pracující s velmi odlišnými kvantovými systémy podnikly významné kroky k jejímu překonání. Tím autoři opět zvýšili pravděpodobnost, že se kvantové počítače stanou prakticky použitelnými stroji a nezůstanou jen sice často diskutovaným, ale v podstatě velmi limitovaným nástrojem vědeckého výzkumu.
Provázané fotony skrývají a vylepšují obrazy
Fyzikální Top 10 2024 obohacují také dva spřízněné týmy, nominované za dovedné využití provázaných fotonů při zobrazování. Obě skupiny spojují Chloé Vernière a Hugo Defienne z francouzské Sorbonny. Tato „dvojka“ používá kvantové provázání ke kódování obrazu do paprsku světla. Působivý je fakt, že obraz vidí pouze pozorovatel vybavený jednofotonovou citlivou kamerou. Jinak zůstává skrytý.
Technika by mohla být použita k vytvoření optických systémů se sníženou citlivostí na rozptyl. To by mohlo být užitečné pro zobrazování biologických tkání a pro optické dálkové komunikace. V další samostatné práci se Vernière a Defienne spojili s Patrickem Cameronem z britské University of Glasgow a dalšími, aby použili provázané fotony ke zlepšení adaptivního optického zobrazování. Tým ukázal, že tato technika může být použita k vytváření obrazů s vyšším rozlišením než konvenční mikroskopie ve světlém poli. Při pohledu do budoucnosti by tato forma adaptivní optiky mohla hrát hlavní roli ve vývoji kvantových mikroskopů.
První vzorky z odvrácené strany Měsíce
Čínská národní vesmírná agentura se do nominací dostala za pořízení historicky prvních vzorků materiálu z odvrácené strany Měsíce. Čína tím potvrdila své místo mezi předními kosmickými mocnostmi světa.
Přistání na odvrácené straně Měsíce je obtížné kvůli vzdálenosti a terénu zvrásněnému obřími krátery, v němž najdeme jen málo plošin. Vědce přitom zajímá právě tato neprobádaná odvrácená strana a důvody, proč se tak liší od známější přivrácené strany.
Chang’e-6 byla vypuštěna 3. května a skládala se ze čtyř částí. Část určená k odběru a vynesení vzorků úspěšně přistála 1. června v pánvi Apollo, která leží na severovýchodní straně pánve SouthPole-Aitken. Odběrový modul s využitím robotické lopatky a vrtačky získal během 48 hodin asi 1,9 kg materiálu. Vzorky odstartovaly zpět z horní části přistávacího modulu a zakotvily u návratové části sondy na oběžné dráze Měsíce. Odtud putovaly zpět k Zemi a 25. června přistály ve vnitřním Mongolsku.
V listopadu vědci uveřejnili první výsledky, ze kterých vyplývá, že úlomky čediče (vulkanické horniny) se datují do doby před 2,8 miliardami let, což naznačuje, že odvrácená strana Měsíce byla v té době vulkanicky aktivní. Další vědecké objevy lze očekávat v nadcházejících měsících a letech, protože analýzy budou pokračovat.
Máte tedy svého osobního favorita? Všechny uvedené objevy či inovace rozhodně stojí za pozornost. Vítězem oficiálního hlasování se však stal příspěvek uvedený na osmém místě tohoto článku, tedy Opravy kvantových chyb dvakrát jinak.
Zdroje:
Top 10 Breakthroughs of the Year in physics for 2024 revealed
Picking winners: the 10 most popular physics stories of 2024
Autoři: Ivana Stulíková, Luboš Veverka
původně publikováno na Matfyz.cz
Pozvánka
Matfyz připravuje na odpoledne 14.1. živě vysílaný Jeden stream s matematikou. K zajímavostem ze světa geometrie nebo finančnictví můžete pokládat dotazy už teď prostřednictvím webové aplikace na stránkách mff.cuni.cz/jdim, kde najdete také předběžný program.
28.1. se pak opět v živém streamu zaměří na současnou informatiku. Sledujte podrobnosti na uvedených stránkách a nezapomeňte se připojit!
