Много енергия с малко въглерод – колко близо сме до мечтата?

Пробиви във физиката ускоряват пътя към квантови компютри, щадящ рентген и ядрен часовник

Да бъдем честни – физиката не е любимият предмет на мнозина в училище. Тя често остава неразбираема, а новите постижения звучат сложно, дори необяснимо.

Тези постижения обаче имат потенциал да променят живота ни – от създаване на по-чувствителни сензори и по-добри лекарства, през по-щадящ рентген и атомен часовник, до квантови компютри и неограничени източници на енергия с ниско съдържание на въглерод.

Изследвания със скрита мощ – тъкмо такива са повечето, които станаха победители в категория “Физика” на глобалната среща за наука Falling Walls в Берлин тази година. Заедно с разработката за рентгеново изображение на атоми, която бе обявена за пробив на годината в този раздел, всички чертаят светло бъдеще - или поне в онези области, в които се намесва физика. А те не са никак малко.

Чували ли сте за метаматериали,

които имат предварително зададени свойства, включтелно и такива, каквито не се срещат или рядко се срещат в естествена среда. Обичайно материалите се управляват от атомни градивни елементи и връзките между тях и се придържат към фундаментални принципи като запазване на енергия, симетрия на обръщане на времето, линейност и т.н. Заради тази обективна реалност свойствата и технологичните им функционалности обаче са ограничени.

Eволд Верхаген от нидерландския научен институт AMOLF променя сегашната реалност, като предефинира границите на оптичните, акустичните и електронните свойства на естествените материали. Чрез динамичен контрол на светлината и звука той създава нови фотони и фонофази на материята с уникални свойства, които могат да превърнат един материал в метаматериал. “Изследваме как това фундаментално откритие може да бъде използвано за създаване на по-добри сензори, фотонни и квантови информационни устройства”, обяснява Верхаген пред Falling Walls.

Потенциал за усъвършенстването на сензорните технологии носят и изследванията на Нилс Йохан Енгелсен от шведския университет “Чалмърс” и Тобиас Кипенберг от швейцарския технологичен институт в Лозана. Те постигат

контрол на движението на обекти с наноразмери при стайна температура

“Работата при стайна температура елиминира необходимостта от скъпи криогенни апарати и е първата стъпка към извеждането на квантовата производителност извън лабораторията”, споделят иноваторите пред Faling Wallls.

На въпроса кой е най-вълнуващият момент, който са преживели по време на изследването, двамата са единодушни – когато видели намаляване на квантовия шум на светлината. Много пъти преди това се съмнявали, че някога ще проработи, но в този момент разбрали, че 5-те години работа не са били напразни.

Друг потенциал носи иновацията на Марк Левин от Университета в Чикаго, който също бе сред победителите в категория “Физика”. Разработката му, свързана с

редактиране на молекули,

е съизмерима с редактирането на гени.

“Когато започнахме, си зададохме въпроса можем ли да приложим логиката на редактирането на гени към която и да е молекула. Нали все пак гените са молекули”, разказва Левин. Така създават иновативни подходи, които позволяват модифицирането на съществуващи молекули с безпрецедентна прецизност и ефективност.

Трите неща, върху които се фокусират, са изтривания, вмъквания и замествания. “Направихме някои важни крачки в заместване на въглеродните атоми с азот, но остава много работа, за да стане методът широко приложим”, дава пример Левин.

Възможно ли е да се произвежда енергия почти неограничено, при това с ниско съдържание на въглерод? Изглежда, сме близо до тази мечта на милиони хора по света с иновацията на друг победител сред физиците - Ричард Таун от Националната лаборатория “Лорънс Ливърмор” (LLNL) в Калифорния. Той има ключова роля в постигането на първата контролирана реакция на термоядрен синтез, която генерира повече енергия, отколкото се влага.

“Търсенето на лабораторен термоядрен синтез и неговия потенциал на почти неограничен източник на енергия с ниско съдържание на въглерод и радиация продължава от десетилетия. През декември 2022 г. за първи път в историята Националната лаборатория “Лорънс Ливърмор” успя да генерира контролирана реакция на термоядрен синтез, която постигна запалване. Това означава, че генерира повече енергия от лазерната енергия, ползвана, за да инициира реакцията. Оттогава това постижение е повторено четири пъти. Това доказва, че лабораторният синтез, базиран на фундаментални физични принципи, е възможен”, обяснява Ричард Таун пред Falling Walls.

Изследванията включват голям екип от експерти в различни области - лазерни учени, които са създали нужното съоръжение, компютърни физици, разработили сложни модели за улавяне на физичните процеси, които прилагат при експерименти, инженери, които проектират, разработват и прилагат оптична, рентгенова и ядрена диагностика при изследване на екстремните състояния на материята, генерирани в преследването на термоядрения синтез.

Крайната цел е да се развие способност за ядрен синтез, при която в едно действие ще се създава повече от 200 MJ термоядрена енергия. Учените се убедени, че успешното осъществяване на термоядрен синтез може да осигури нисковъглероден начин за производство на енергия, от който светът се нуждае.

Една крачка по-близо в друга посока - към квантовите технологии, ни пращат изследванията на Саймън Щорц от Обществения университет (ETH) в Цюрих. Той е постигнал

квантова комуникация, базирана на микровълни, между квантови устройства на големи разстояния

“Квантовите процесори са основен претендент за изграждане на широкомащабни квантови изчислителни системи, които могат значително да надминат класическите компютри за специфични задачи в бъдеще”, обяснява Щорц пред Falling Walls. Квантовите устройства обаче разчитат на микровълнови сигнали, които са чувствителни към топлинен шум, затова трябва да бъдат охладени до почти абсолютна нула. Тъкмо това ограничение усложнява взаимното свързване на множество процесори на по-големи разстояния.

“Все още не е налично ефективно и нискошумно преобразуване на тези микровълнови сигнали в техни оптични аналози”, казва Щорц. Микровълновите канали изискват криогенни температури, които са значително инженерно предизвикателство. “Ние преодоляхме бариерата на комуникацията между квантови устройства, като заплетохме 2 квантови вериги през 30-метров криогенен квантов канал. Това формира основата на квантови връзки, базирани на микровълни, и се оказа полезно за справяне с фундаментални въпроси на физиката”, обяснява Щорц.

Екипът си поставя няколко цели - да установят възможностите за квантова комуникация между отдалечени вериги, разделени на десетки метри, и да изградят 30-метров криостат, който да работи при свръхниски температури в продължение на месеци. Това ще им помогне да отговорят на фундаментални въпроси от физиката, а именно дали природата е нелокална – обратно на това, което човечеството си мисли сега. Комбинацията от тези постижения ще позволи създаване на нелокална квантова комуникация - отлична основа за разработването на широкомащабни квантови изчислителни системи.

В областта на кантовите компютри работи и друг победител сред физиците - Мартин Звайерлай от Масачузетския технологичен институт. Той използва ултрастудени квантови газове, за да изследва сложни квантови системи, разкривайки нови състояния на материята. Работата му подобрява разбирането за явления като свръхфлуидност и високотемпературни свръхпроводници.

Ще има ли ядрен часовник

и с какво той ще е по-различен от атомния? Това вероятно се питат мнозина, когато чуят за научните занимания на Торстен Шум от Техническия университет във Виена и Екехард Пейк от Физико-техническия метрологичен институт (PTB) в Германия. Учените, изглежда, са напът да отбележат нова ера в нискоенергийната ядрена физика и да отворят нови изследователски възможности в т. нар. квантова нуклеоника.

“В мащаба на атомите и молекулите взаимодействието на светлината с материята беше ограничено до активрания в електронната обвивка”, разказват двамата учени. За тези изследвания се използват лазери. Така поставят основите на една от най-успешните разработки на миналия век - квантовата механика, както и нейните технологични приложения.

“Атомното ядро също е квантов обект. Но въпреки десетилетия опити лазерното възбуждане на ядро не бе успешно поради несъответствие между ядрените енергии и наличните лазерни енергии”, припомнят двамата учени пред Falling Walls.

Те успeли да постигнат първото резонансно лазерно възбуждане в торий-229. “Това бе страхотно експериментално предизвикателство, защото трябваше да работим с рядък и радиоактивен изотоп. Успехът отваря врата за много експерименти в нова област на нискоенергийната ядрена физика - квантовата нуклеоника”, обнадеждени са изследователите.

Най-непосредственото продължение на този пробив може да бъде конструирането на “ядрен часовник” по аналогия с атомните часовници, които се използват за навигация и отчитане на времето. Ядреният часовник може да служи за изследване на някои от най-фундаменталните въпроси на физиката, свързани с електромагнетизма, силите в ядрото, конкретни видове тъмна материя.

“Очакваме ядреният часовник да бъде поне също толкова производителен, но значително по-стабилен от атомните часовници. В момента сме на ниво фундаментално изследване, но то ще доведе до широк спектър от приложения в метрологията, които дават възможност за използване в сателитната навигация”, надяват се учените.

Ако си мислите, че рентген се използва само за диагностика на заболявания, със сигурност пропускате нещо. А то е, че рентгенови изображения могат да се използват и за изследване на Космоса, за откриване на радиация, за мониторинг на околната среда, за националната сигурност.

Настоящите рентгенови системи обаче са изправени пред значителни предизвикателства. Едно от тях е ниската чувствителност, която може да доведе до влошено качество на изображенията, а те са решаващи за точна диагноза. Нуждата от по-висока доза рентгенови лъчи, за да се получат ясни изображения, обаче е риск не само за безопасността на пациента при медицинска диагностика, но и за структурната цялост на изследваните материали. Друг проблем може да е недостатъчната издръжливост на радиация от страна на машината. Високите нива на радиация може да се отразят на производителността на апаратуата, а това я прави по-малко надеждна за дългосрочни приложения особено в предизвикателна среда като изследване на Космоса или системи за непрекъснат мониторинг.

“Рентгеновите лъчи са индустрия за милиарди долари, която играе жизненоважна роля в съвременното общество. С рентгеновата технология са свързани над 20 Нобелови награди по физика, химия и физиология/медицина. Технологията за рентгенови лъчи за комерсиална употреба обаче остава фундаментално непроменена от откриването им от Рьонтген преди повече от 125 г.”, казва друг победител в категория “Физика” - Лянг Джи Вонг от Технологичния университет “Нанянг” в Сингапур пред Falling Walls. Той намира това за парадоксално във време, когато квантовата революция драматично трансформира компютрите и други технологии. “Нашите изследвания имат за цел да предизвикат

революция в рентгеновите лъчи”,

казва Вонг и обещава по-компактни, по-безопасни и по-ефективни рентгенови технологии от конвенционалните, като разчита на квантовата наука. “Като оспорваме модела на класическата физика, се възползваме от квантовата природа на излъчването на светлина, от последните постижения в нанофотониката, от уникалните свойства на нововъзникващите квантови материали. Така разработихме нови механизми за активиране на многостранни рентгенови източници и детектори, което води до по-бързо и по-прецизно рентгеново изображение с по-ниска доза. Открихме неизследван досега режим, при който квантовата природа на светлината става значима. Това опровергава дългогодишното убеждение, че класическата физика е достатъчна за моделиране на светлинно излъчване от свободни електрони”, обяснява Вонг. В своята работа те експериментално демонстрират теорията за квантовия откат, предложена от нобеловия лауреат по физика Виталий Гинзбург през 1940 г. “Показахме, че това е уникален квантов феномен, който се проявява дори при стайна температура и в присъствието на шум. Това може да отвори врати за по-стабилни квантови измервания и квантови изчисления”, убеден е Вонг. “Осъзнаването, че квантовите ефекти играят критична роля в рентгеновото излъчване, отваря нови пътища за изследвания и иновации”, смята ученият. Иновацията може да доведе до разработването на по-напреднали рентгенови технологии, които са в състояние да преодолеят сегашните ограничения в разделителната способност и чувствителността. Това ще подпомогне науката за материалите, където разбирането на структурните свойства в атомни мащаби е от решаващо значение.

“Една от целите на нашето изследване е да направим усъвършенстваната рентгенова технология по-достъпна за по-широк набор от приложения и индустрии. Традиционните рентгенови системи често са големи, тромави и скъпи, което ограничава използването им. Като се възползваме от откритията в квантовата наука и нанофотониката, ние разработваме рентгенови източници и детектори, които са по-компактни и рентабилни”, казва Вонг. Това според него ще позволи използването им в отдалечени и ограничени откъм ресурси райони.

Друга цел, която си поставят, е подобряване на безопасността и ефективността на рентгена. “Прекомерното излагане на йонизиращо лъчение има вредно въздействие върху пациентите. Ние искаме да разработим рентгенови системи, които работят при по-ниски дози, без да компрометират качеството на изображението”, казва Вонг.

Амбицията на екипа е рентгеновите лъчи да не се използват само за изображения за идентифицирането на сложни вируси и болести, но и за квантови измервания във все по-сложни структури на чипове в полупроводниковата индустрия.

И Сиаоганг Лиу от Националния университет на Сингапур разработва нови оптични наноматериали, които преодоляват тези ключови ограничения и имат потенциал да допринесат за по-безопасни, по-ефективни и по-точни рентгенови изображения за по-добра медицинска диагностика, за подобрено изследване на Космоса и за различни индустриални приложения.

“Нашите новоразработени оптични наноматериали могат да произвеждат изключително

ясни рентгенови изображения при значително по-ниски дози радиация

Потигането на изображения с висока разделителна способност за първи път и осъзнаването на потенциалното въздействие върху медицинската диагностика и безопасността на пациентите беше невероятно възнаграждаващо и вдъхновяващо”, казва Лиу.