От макроскопических до микроскопических физических свойств окружающего нас мира исследования конденсированного состояния и материаловедения оказывают огромное влияние на повседневную жизнь. И все же, как Джеймс Какалиос Основные моменты: эта область остается на периферии популяризации физики, особенно по сравнению с астрономией и большой наукой.
В 2022 году мы отметили 75-летие разработки первого транзистора, и сегодня, по оценкам, во всем мире используется более трех миллиардов триллионов таких устройств. Без полупроводникового транзистора не было бы ни мобильных телефонов (умных, ни других), а также персональных компьютеров. Действительно, большинство устройств, которые вы найдете в кабинете врача или больнице (просто подумайте об обработке данных, необходимой для создания изображения МРТ), не существовало бы, и вам было бы трудно заставить свой автомобиль завестись каждый раз. утро.
Справедливо сказать, что физика твердого тела и полупроводников изменила мир, в котором мы живем. Многообещающие исследования в области квантовых вычислений и устройств на основе графена позволяют предположить, что физика твердого тела будет продолжать оказывать большое влияние на нашу повседневную жизнь. Вот почему удивительно, по крайней мере для меня, что физика конденсированного состояния так мало привлекает общественности и пропагандирует ее.
Посетите научный раздел, посвященный физике, в любом книжном магазине, и вы обнаружите, что полки стонут под тяжестью книг по самым разным темам астрономии и космологии – от теории струн и темной материи до черных дыр и гравитационных волн – а также книги по физике элементарных частиц и квантовой механике. Но научно-популярных книг, описывающих исследования твердого тела и материаловедения, значительно меньше.
Позвольте мне внести ясность: я не говорю, что не должно быть научно-популярных книг, новостных статей и телевизионных программ, посвященных астрономии или физике элементарных частиц. Достижения Большого адронного коллайдера (LHC), Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) и Космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), и это лишь некоторые из них, действительно вдохновляют и должны быть широко распространены среди широкой общественности. Эти и подобные им проекты заслуживают всего внимания прессы и Нобелевского комитета, которое они получили.
Однако я предполагаю, что может существовать риск для этих областей и физики в целом, если это единственные обновления и результаты физических исследований, с которыми сталкивается общественность.
Публичное видео от первого лица
Чуть менее десяти лет назад по заказу организации был проведен ряд фокус-групп и исследований отношения общественности к науке. НаукаСчеты, некоммерческой организацией, поддерживаемой Американским физическим обществом (APS), Американской ассоциацией содействия развитию науки (AAAS) и многими другими научными организациями. Хорошая новость: люди высоко ценили науку в целом и ученых в частности. Плохая новость: только 25% опрошенных считают, что государственное финансирование научных исследований необходимо.
Тревожным аспектом этого исследования является то, что многие люди не могут с готовностью указать на какую-либо личную выгоду от научных исследований, финансируемых государством. Если общественность и ее избранные представители не видят, как научные исследования приносят пользу их повседневной жизни, тогда мы рискуем, что общественность решит, что соответствующий уровень финансирования науки должен быть сопоставим с финансированием общественного искусства.
Между бозоном Хиггса и Большим взрывом, между субатомным и астрофизическим масштабами, лежит другой режим – человеческий масштаб – в котором живем все мы, и в особенности налогоплательщики, которые помогают финансировать наши исследования.
Выяснение и понимание законов природы, которые управляют Вселенной и объясняют, как она возникла и продолжает развиваться, поистине являются одним из величайших достижений человечества. Точно так же идентификация кванта возбуждения поля Хиггса, а также разработка и подтверждение Стандартной модели физики элементарных частиц являются колоссальным достижением в нашем понимании мира. Но между бозоном Хиггса и Большим взрывом, между субатомным и астрофизическим масштабами, лежит другой режим – человеческий масштаб – в котором живем все мы, и в особенности налогоплательщики, которые помогают финансировать наши исследования.
Конечно, исследования в области физики элементарных частиц и астрофизики привели к существенным технологическим применениям – от развития Всемирной паутины и медицинских изображений до GPS-навигации и спутниковой связи. Они оказали большое влияние на общество, но их применение не было целью данного исследования. С другой стороны, основная цель исследования конденсированного состояния — понять фундаментальные принципы, лежащие в основе свойств и поведения материалов, чтобы этими свойствами можно было управлять и манипулировать для достижения желаемых целей.
Например, основной мотивацией изучения термоэлектрических материалов – твердотельных полупроводников, которые преобразуют тепло в электроэнергию или производят холод от приложенного напряжения – является возможность изготавливать устройства с повышенной эффективностью и практическим использованием. Аналогичным образом, существует большой интерес к редкоземельным магнитам, которые могут повысить эффективность ветряных турбин (используемых в качестве систем-генераторов с постоянными магнитами) и реактивных двигателей. Многие лаборатории, используя разные подходы, работают над созданием квантового компьютера, но все они используют твердотельные устройства в качестве основы своих кубитов.
Успех физики конденсированного состояния учит нас, что для понимания окружающего нас мира мы не можем полагаться исключительно на методы физики элементарных частиц или астрофизики. Как объяснил лауреат Нобелевской премии физик Филип Андерсон в своем превосходном эссе 1972 года: «Больше – это другое» (Наука 177 393), простого знания свойств и взаимодействий фундаментальных частиц (и даже, я бы добавил, механизмов формирования и развития звезд, планет и галактик) недостаточно для понимания физики в человеческом масштабе. Как выразился Андерсон, «между этологией человека (наукой о поведении и социальной организации) и ДНК существует больше уровней организации, чем между ДНК и квантовой электродинамикой, и каждый уровень может потребовать совершенно новой концептуальной структуры».
Привлекающая внимание наука
В начале 20-го века развитие квантовой механики означало, что мы смогли лучше понять электронные свойства твердых тел – будь то металлы, изоляторы или полупроводники. Макроскопические свойства твердотельных систем можно понять через поведение отдельных электронов, что приведет к созданию преобразовательных устройств, таких как транзистор и светоизлучающий диод.
Ко второй половине прошлого века такие явления, как магнетизм и сверхпроводимость, были признаны проявлениями возникающего коллективного поведения, возникающего в результате взаимодействия между электронами. Роль взаимодействий занимает центральное место в понимании этих так называемых «квантовых материалов», что прекрасно иллюстрирует тезис Андерсона. Ничто в Стандартной модели не может объяснить сверхпроводимость или магнетизм, а также то, как эти два явления могут сосуществовать в материалах из пниктидов железа.
Точно так же взаимодействия между отдельными частицами могут привести к удивительным явлениям в системах мягкой конденсированной материи, таких как песчаные кучи (Я Дж. Физ. 73 8). Здесь единственными значимыми силами являются гравитация и трение, однако сыпучие среды могут проявлять свойства, которые кажутся противоречащими здравому смыслу. Например, хотя большинство материалов под давлением становятся более плотными, песок может стать менее плотным, поэтому ваши следы на мокром песке будут выглядеть сухими.
Еще одно интересное явление заключается в том, что когда смесь крупных и мелких частиц песка вращается вокруг длинной оси горизонтального цилиндра, смесь будет разделяться на чередующиеся полосы крупных и мелких частиц песка, как кольца на пальце – явление, называемое «осевой сегрегацией». ». Ширина каждой полосы намного больше диаметра каждой песчинки и является яркой иллюстрацией того, как локальные взаимодействия могут привести к макроскопическому упорядочению.
Я чувствую, что моему отцу (который был водителем такси) было бы интересно узнать, что та же физика, которая управляет осевой сегрегацией, также объясняет спонтанное образование пробок как фундаментальную нестабильность потока на шоссе. Исследования гранулированных сред носят не просто академический характер, поскольку хранение и транспортировка порошков и зерен имеет основополагающее значение для фармацевтической, строительной и сельскохозяйственной промышленности.
Я признаю, что, привлекая внимание общественности, астрофизика и физика элементарных частиц имеют важное конкурентное преимущество – инструменты и плоды их исследований создают поразительные визуальные образы, которые легко вызывают интерес. Лично я никогда не устаю просматривать фотографии с «Хаббла», «Джеймса Уэбба» или других космических телескопов. Изображения детекторов на БАКе не менее примечательны – в частности, потому, что они демонстрируют, что человечество способно создавать машины такого масштаба и сложности, и более того, что эти машины работают.
Еще в начале июля кто-то в Твиттере опубликовал изображение собора Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции, Италия, и спросил, «сможет ли человечество когда-нибудь снова создать что-то подобное?» Я предположил, что под «чем-то» плакат имел в виду «такой же масштаб и величие». В результате я ответил: «Хорошие новости – у нас есть!» и встроил изображение детектора ATLAS на БАК. Но когда дело доходит до физики конденсированного состояния, образ микрокомпьютера – который в значительной степени обеспечивает исследовательские достижения в астрофизике и физике высоких энергий – будет изображением буквально черного ящика.
Материалы имеют значение
Итак, какой совет я бы дал своим коллегам, занимающимся исследованиями конденсированных сред и материаловедением, которые хотят привлечь общественность к нашей области? Одним из наших преимуществ является то, что результаты наших исследований легко доступны общественности. С момента нашего пробуждения и до конца дня люди во всем мире окружены материалами и продуктами наших исследований.
Эту точку зрения умело использует Марк Миодауник, профессор кафедры материалов и общества Университетского колледжа Лондона, в своей научно-популярной книге 2014 года. Вещи имеют значение: исследование чудесных материалов, которые формируют наш рукотворный мир. Книга, получившая премию, является одной из немногих научно-популярных книг, посвященных исследованиям материалов. Мир физикиКнига года 2014 года. В нем Миоданик использует в кадре свою фотографию, на которой он сидит за столом на крыше и пьет чашку чая. Затем в каждой главе обсуждается история и наука, лежащая в основе материалов, представленных на этой фотографии: стали, стекла, фарфора, бумаги и пластика.
В своей последующей научно-популярной книге 2019 года Жидкость: восхитительные и опасные вещества, которые протекают через нашу жизньМиоданик описывает увлекательную науку о жидкостях. На этот раз каждая глава посвящена жидкости, с которой он сталкивается во время трансатлантического перелета из Великобритании в США – от содержимого тележки с напитками до реактивного топлива, от жидкого мыла в туалетах до чернил в шариковых ручках.
Другие книги, в том числе по физике Книга Сидни Перковица Универсальная пенка: от капучино до космоса и Диандра Лесли-Пелеки Физика NASCAR: как сделать сталь + газ + резину = скорость; а также такие веб-сайты, как Nanoscale Views и FunSize Physics, также доносят до сознания неявное сообщение о том, что нас окружает физика материалов. Независимо от того, являются ли взаимодействующие элементы электронами, макроскопическими песчинками или мезоскопическими структурами – молекулы CH4 и CF4 структурно и электронно схожи, но при соединении в длинноцепочечные полимеры первый дает нефть, а второй - тефлон (Бюллетень MRS 37 1079) – Аргумент Андерсона о том, что «больше значит другое», верен.
Универсальный и родной
Концепции физики конденсированного состояния были применены к ситуациям, с которыми может столкнуться практически каждый. Недавняя статья Пабло Готтейля из Лейпцигского университета и его коллег связывает физику заклинивания гранулярных систем с условиями, при которых раковые клетки могут метастазировать и перемещаться от опухоли, в которой они возникли, в другие части тела (Phys. Версия X 13 031003). Хотя, конечно, следует избегать чрезмерных обещаний, можно с полным основанием утверждать, что фундаментальные исследования неупорядоченных материалов могут быть как вдохновляющими, так и практическими.
Сама природа крупных научных проектов, таких как LHC, LIGO и JWST, требует совместной работы многих ученых и инженеров для решения конкретных исследовательских целей – будь то наблюдение бозона Хиггса или определение существования гравитационных волн. Напротив, достижения в физике конденсированного состояния обычно происходят благодаря тому, что многие ученые работают в основном независимо над широким кругом исследовательских проблем. Некоторые из этих исследований требуют крупных объектов, таких как лаборатории с сильными магнитными полями или источники рассеяния нейтронов, но коллаборации в физике конденсированного состояния на порядки меньше, чем в физике элементарных частиц. Это обеспечивает маневренность и гибкость, которые наша отрасль использовала с большой пользой.
В конечном счете, как ученые, мы изучаем предметы, которыми занимаемся, потому что они нас интересуют – мы должны делиться этим интересом с другими. Научная коммуникация не обязательно должна включать в себя самые последние достижения исследований. Например, всякий раз, когда я читаю публичную лекцию, я пытаюсь найти повод показать сканирующие туннельные микрофотографии (СТМ), поскольку большая часть аудитории не знает, что мы можем регулярно отображать поверхности с разрешением атомного уровня. Затем я отмечаю, что та же физика, лежащая в основе СТМ, также действует в туннельных диодах и других устройствах, используемых в смартфонах и компьютерах.
Как говорили телеканалы, рекламируя серию повторов: если вы не видели это раньше, значит, это для вас ново. Моим коллегам, занимающимся конденсированными средами и материаловедением, я призываю каждого из вас делиться своими исследованиями повсюду и как можно чаще взаимодействовать с общественностью. Как показывает транзистор, мелочи могут иметь большое влияние на всю нашу жизнь.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
- Источник: https://physicsworld.com/a/whats-the-matter-with-condensed-matter-getting-past-solid-state-physics-relative-obscurity-in-the-public-eye/
