Svetovo uznávaný vedecký periodický časopis “Physics World” s potešením oznámil svojich výber 10 najlepších objavov roka 2024, ktoré zahŕňajú výskum v oblasti jadrovej a lekárskej fyziky, kvantových výpočtov, laserov, antihmoty a ďalších.
Redakčný tím prehodnotil spätne všetky vedecké objavy, o ktorých časopis informoval v priebehu roku a vybral 10, ktoré považujú za najdôležitejšie.
Kritériami pre uznanie sú, že okrem toho, že objavy boli v roku 2024 hlásené vo Physics World, musia spĺňať aj nasledujúce 3 kritériá, a to – musia znamenať výrazný pokrok v znalostiach alebo porozumení, musia prinášať významný posun pre vedecký pokrok a/alebo vývoj v reálnych aplikáciách, a musia odrážať všeobecný záujem čitateľov Physics World.
Za rok 2024 sú to tieto:
1. Farbivo pohlcujúce svetlo mení živočíšnu pokožku na priehľadnú.
Dosiahnutie optickej priehľadnosti - Zihao Ou drží fľaštičku s bežným žltým potravinárskym farbivom tartrazínom v roztoku. Aplikáciou zmesi vody a tartrazínu Ou a kolegovia spriehľadnili kožu na lebkách a bruchu živých myší. (S láskavým dovolením: Texaská univerzita v Dallase)
Tím výskumníkov na Stanfordskej univerzite v USA vyvinul metódy na dočasné sprehľadnenie kože živých myší. Problém zobrazovania biologického tkaniva pomocou optických techník je, že tkanivo rozptyľuje svetlo, čo ho robí nepriehľadným.
Tím vedený Zihao Ou (teraz na Texaskej univerzite v Dallase), Markom Brongersmom a Guosongom Hongom zistil, že bežné žlté potravinárske farbivo tartrazín silne absorbuje takmer ultrafialové a modré svetlo a môže pomôcť spriehľadniť biologické tkanivo. Aplikácia tohto farbiva na brucho, pokožku hlavy a zadné končatiny živých myší umožnila vedcom uvidieť cez kožu bez potreby akéhokoľvek chirurgického zákroku vnútorné orgány, ako je pečeň, tenké črevo a močový mechúr. Mohli priamo pozorovať prietok krvi v mozgu hlodavcov a jemnú štruktúru svalových sarkomérových vlákien v ich zadných končatinách. A pritom samotný účinok spriehľadnutia (teda návrat do pôvodného stavu) možno zvrátiť jednoduchým opláchnutím farbiva. Túto techniku „optického čistenia“ doteraz robili iba na zvieratách. Ak by sa to však rozšírilo aj na ľudí, mohlo by to úžasne pomôcť, napríklad tak, že by sa niektoré typy invazívnych biopsií stali minulosťou. „Napríklad lekári môžu byť schopní diagnostikovať hlboko uložené nádory jednoduchým vyšetrením tkaniva človeka bez potreby invazívneho chirurgického odstránenia. Mohlo by to potenciálne spôsobiť, že odbery krvi budú menej bolestivé tým, že pomôže flebotomistom ľahko lokalizovať žily pod kožou a môže tiež zlepšiť postupy, ako je laserové odstránenie tetovania tým, že umožní presnejšie zacielenie na pigment pod kožou,“ vysvetľuje Hong. "Keby sme sa mohli len pozerať na to, čo sa deje pod kožou, namiesto toho, aby sme do nej rezali alebo používali žiarenie na získanie menej jasného pohľadu, mohli by sme zmeniť spôsob, akým vidíme ľudské telo." jeden z mojich postgraduálnych študentov, Nick Rommelfanger (tretí autor tohto článku), pracoval na aplikácii vzťahov „Kramers-Kronig“ na skúmanie interakcií medzi mikrovlnami a mozgom. Medzitým doktor Zihao Ou (prvý autor tohto článku) systematicky skúmal rôzne molekuly farbív, aby pochopil ich interakcie so svetlom. Tartrazín sa ukázal ako hlavný kandidát, pretože „Toto farbivo vykazovalo intenzívnu absorpciu v blízkom ultrafialovom/modrom spektre (a teda silné zvýšenie indexu lomu v červenom spektre), minimálnu absorpciu nad 600 nm, vysokú rozpustnosť vo vode a vynikajúcu biokompatibilitu, ako je to potravinárske farbivo schválené FD&C.“ "Uvedomili sme si, že Kramers-Kronigove vzťahy by sa dali použiť na rezonančnú absorpciu molekúl farbiva, čo ma viedlo k tomu, aby som sa Marka spýtal na uskutočniteľnosť zosúladenia indexu lomu v biologických tkanivách s cieľom znížiť rozptyl svetla," vysvetľuje Hong. „Za posledné tri roky mali obe naše laboratóriá množstvo produktívnych diskusií so vzrušujúcimi výsledkami ďaleko presahujúcimi naše pôvodné očakávania.“ Vedci tvrdia, že sa teraz zameriavajú na identifikáciu iných molekúl farbiva s vyššou účinnosťou pri dosahovaní transparentnosti tkaniva. "Okrem toho skúmame spôsoby, ako bunky endogénne exprimovať intenzívne absorbujúce molekuly, čo umožňuje geneticky kódovanú transparentnosť tkanív u živých zvierat,"
2. Laserové chladenie pozitrónium.
Kosuke Yoshioka v spolupráci s AEgIS v CERN a kolegovia z Tokijskej univerzity boli schopní demonštrovať laserové chladenie pozitrónia. “Pozitrónium”, je atómovo viazaný stav elektrónu a pozitrónu, a je ho možné vytvoriť v laboratóriu (napríklad aby fyzikom umožnil študovať antihmotu). V súčasnosti sa vytvára v tzv. „teplých“ oblakoch, v ktorých majú atómy veľké rozloženie rýchlostí, čo ale sťažuje presnú spektroskopiu.
Takže chladenie pozitrónia na nízke teploty by mohlo otvoriť nové spôsoby štúdia vlastností antihmoty. Umožňuje tiež výskumníkom produkovať o jeden až dva rády antivodíka viac – antiatóm obsahujúci pozitrón a antiprotón, o ktorý majú fyzici veľký záujem. Výskumníci pripravujú spôsoby pre použitie pozitrónia na testovanie súčasných aspektov štandardného modelu časticovej fyziky, ako je kvantová elektrodynamika, ktorá predpovedá špecifické spektrálne čiary, a tiež na skúmanie účinkov gravitácie na antihmotu.
3. Modelovanie pľúcnych buniek na personalizáciu rádioterapie.
Romanovi Bauerovi z University of Surrey vo Veľkej Británii, Marcovi Durantemu z GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research, Nemecko a Nicolò Cogno z GSI a Massachusetts General Hospital / Harvard Medical School, USA sa podarilo vytvoriť výpočtový modelu, ktorý by mohol zlepšiť rádioterapiu výsledky u pacientov s rakovinou pľúc. Rádioterapia je účinná liečba rakoviny pľúc, ale zároveň ako bočný nežiadúci efekt môže pri liečne poškodiť aj zdravé tkanivo.
Aby sa minimalizovalo poškodenie radiáciou a pomohlo personalizovať liečbu, tím skombinoval model pľúcneho tkaniva so simulátorom MonteCarlo, aby simuloval ožarovanie alveol (drobné vzduchové vaky v pľúcach) v mikroskopických a nanoskopických mierkach. Na základe radiačnej dávky dodanej do každej bunky a jej distribúcie je model schopný predpovedať, či každá bunka bude žiť alebo zomrie, a určuje závažnosť radiačného poškodenia v úrovniach hodín, dní, mesiacov alebo dokonca roky po liečbe. Dôležité je, že vedci zistili, že ich model priniesol také výsledky, ktoré sa veľmi, alebo skoro úplne zhodovali s experimentálnymi pozorovaniami z rôznych laboratórií a nemocníc, čo naznačuje, že by sa v zásade dal použiť v klinickom prostredí.
4. Polovodič a nový spínač vyrobený z grafénu.
Epigrafén na čipe: grafénové zariadenie tímu bolo pestované na substráte z karbidu kremíka. (S láskavým dovolením: Georgia Institute of Technology)
Walterovi de Heerovi, Lei Ma a kolegom z Tianjin University a Georgia Institute of Technology a nezávisle Marcelovi Lozadovi-Hidalgovi z University of Manchester a nadnárodnému tímu kolegov sa podarilo vytvoriť funkčný polovodič vyrobený z grafénu a tiež použiť grafén na vytvorenie takého prepínača, ktorý podporuje pamäťové aj logické funkcie. Úspech tímu pod vedením Manchestru bolo využiť schopnosť grafénu viesť protóny aj elektróny v zariadení, ktoré vykonáva logické operácie s protónovým prúdom a súčasne kóduje kúsok pamäte prúdom elektrónov. Tieto funkcie bežne vykonávajú samostatné prvky obvodu, čo zvyšuje časy prenosu dát a spotrebu energie.
Naopak, de Heer, Ma a kolegovia vytvorili formu grafénu, ktorá sa zase nevedie tak ľahko. Ich nový tzv. „epigrafén“ má bandgap, ktorý, podobne ako kremík, by z neho mohol urobiť tranzistor, ale s takými priaznivými vlastnosťami, ktoré naopak kremíku chýbajú, ako je vysoká tepelná vodivosť.
5. Zisťovanie rozpadu jednotlivých jadier.
David Moore, Jiaxiang Wang a ich kolegovia z Yale University v USA pozorovali a zistili jadrový rozpad jednotlivých jadier hélia vložením atómov rádioaktívneho olova-212 do guľôčky oxidu kremičitého s veľkosťou mikrónov a meraním spätného rázu gule, keď z nej jadrá unikajú. Ich technika sa spolieha na zachovanie hybnosti a môže merať také malé sily ako 10*-20 N a zrýchlenia tak malé ako 10*-7 g, kde g je lokálne zrýchlenie spôsobené gravitáciou Zeme.
Výskumníci dúfajú, že podobná technika môže byť jedného dňa použitá na detekciu neutrín, ktoré sú oveľa menej masívne ako jadrá hélia, ale sú tiež emitované ako produkty rozpadu pri určitých jadrových reakciách.
6. Prvýkrát sa zjednotili dva odlišné opisy jadier
Andrewovi Dennistonovi z Massachusetts Institute of Technology v USA, Tomášovi Ježovi z nemeckej univerzity v Münsteri a medzinárodnému tímu sa podarilo ako prvým zjednoti`t dva odlišné popisy atómových jadier. Skombinovali perspektívu časticovej fyziky – kde jadrá obsahujú kvarky a gluóny – s pohľadom tradičnej jadrovej fyziky, ktorý považuje jadrá za súbor interagujúcich nukleónov (protónov a neutrónov).
Tím poskytol čerstvé poznatky o korelovaných nukleónových pároch krátkeho dosahu – čo sú prchavé interakcie, pri ktorých sa dva nukleóny výnimočne priblížia a zapájajú sa do silných interakcií len na femto-sekundy.
Model bol testovaný a spresnený pomocou experimentálnych údajov z rozptylových experimentov zahŕňajúcich 19 rôznych jadier s veľmi rozdielnymi hmotnosťami (od hélia-3 po olovo-208). Práca predstavuje významný krok vpred v našom chápaní jadrovej štruktúry a silných interakcií.
7. Nový Titán:Zafírový laser (je malý, lacný a laditeľný)
Jelena Vučkovic, Joshua Yang, Kasper Van Gassem, Daniil Lukin a kolegom na Stanfordskej univerzite v USA vyvinuli kompaktný integrovay titánov:zafírový laser, ktorý potrebuje ako zdroj pumpy iba jednoduchú zelenú LED. Takto sa im podarilo znížiť náklady a pôdorys titánového:zafírového lasera až o tri rády a spotrebu energie o dva. Tradičné titán:zafírové lasery museli byť doteraz napumpované vysokovýkonnými lasermi – a preto stoja aj viac ako 100 000 dolárov.
Na rozdiel od toho vedecký tím dokázal urobiť svoje zariadenie plne funkčné pomocou zelenej laserovej diódy iba za 37 dolárov! Vedci tiež dosiahli ďalšie dve veci, ktoré predtým s titánovo-zafírovým laserom neboli možné. Dokázali upraviť vlnovú dĺžku laserového svetla a dokázali vytvoriť aj titán:zafírový laserový zosilňovač. Ich zariadenie predstavuje kľúčový krok k rozšíreniu využívania typu lasera, ktorý hrá dôležitú úlohu vo vedeckom výskume a priemysle.
8. Kvantová korekcia chýb so 48 logickými qubitmi; a nezávisle, pod prahom povrchového kódu.
Prelomové zariadenie Nový čip Willow od Google Quantum AI. (S láskavým dovolením: Google Quantum AI)
Michail Lukin, Dolev Bluvstein a kolegovia z Harvardskej univerzity, Massachusetts Institute of Technology a QuEra Computing a nezávisle Hartmut Neven a jeho kolegovia z Google Quantum AI a ich spolupracovníci demonštrovali kvantovú korekciu chýb na atómovom procesore so 48 logickými qubitmi, a to na implementácie kvantovej korekcie chýb pod prahom povrchového kódu v supravodivom čipe.
Chyby spôsobené interakciami s hlučným prostredím – sú Achillovou pätou každého kvantového počítača a ich oprava sa nazýva tzv. „definujúca výzva“ pre túto technológiu.
Tieto dva tímy pracujúce s veľmi odlišnými kvantovými systémami podnikli významné kroky smerom k prekonaniu tejto výzvy. Vďaka tomu bude asi oveľa pravdepodobnejšie, že sa kvantové počítače stanú praktickými strojmi na riešenie problémov, a nielen hlučnými nástrojmi stredného rozsahu pre vedecký výskum.
9. Zapletené fotóny skrývajú a vylepšujú obrázky
Dvom spriazneným tímom sa podarilo šikovne využiť zapletených fotónov pri zobrazovaní. Skupiny zahŕňajú Chloé Vernière a Huga Defienne z univerzity Sorbonne vo Francúzsku, ktorí ako duo použili kvantové zapletenie na zakódovanie obrazu do lúča svetla. Pôsobivé je, že obraz je viditeľný iba pre pozorovateľa pomocou jednofotónovej citlivej kamery – inak je obraz skrytý.
Technika by sa mohla použiť na vytvorenie optických systémov so zníženou citlivosťou na rozptyl. To by mohlo byť užitočné napríklad pre zobrazovanie biologických tkanív ale aj na diaľkovú optickú komunikáciu.
V samostatnej práci sa Vernière a Defienne spojili s Patrickom Cameronom na University of Glasgow vo Veľkej Británii a ďalšími, aby použili zapletené fotóny na zlepšenie adaptívneho optického zobrazovania. Tím(y) ukázali, že túto techniku možno použiť na vytváranie obrázkov s vyšším rozlíšením ako je bežná konvenčná mikroskopia v jasnom poli.
Pri pohľade do budúcnosti by táto technika adaptívnej optiky mohla dokonca zohrať hlavnú úlohu pri vývoji kvantových mikroskopov.
10. Prvé vzorky dovezené z odvrátenej strany Mesiaca.
Čínsky národný vesmírny úrad dokázal ako vôbec prvý získať materiál z odvrátenej strany Mesiaca, čím sa Čína potvrdila ako jeden z popredných svetových vesmírnych národov.
Pristátie na odvrátenej strane Mesiaca – ktorá je vždy otočená preč od Zeme – je náročné hlavne kvôli vzdialenosti a taktiež terénu obrovských kráterov s malým množstvom plochých plôch (vhodných na pristátie). Vedcov zároveň zaujíma neprebádaná odvrátená strana aj preto, že vyzerá tak odlišne od tej blízkej ktorú môžeme vidieť. Misia Chang’e-6 bola spustená 3. mája a pozostávala zo štyroch častí: ascender, lander, returner a orbiter. Ascender a lander úspešne 1. júna pristáli v panve Apollo, ktorá leží na severovýchodnej strane povodia South Pole-Aitken Basin.
Pristávací modul použil svoju robotickú naberačku a vŕtačku v priebehu cca 48 hodín na získanie približne 1,9 kg materiálu. Navijak sa potom zdvihol z vrchu pristávacieho modulu a zakotvil s návratovým orbiterom predtým, ako “returner-navrátilec” zamieril späť na Zem a 25. júna pristál vo Vnútornom Mongolsku. V novembri vedci zverejnili prvé výsledky zo zistenia misie, že úlomky čadiča – typu vulkanickej horniny – pochádzajú z obdobia cca pred 2,8 miliardami rokov, čo naznačuje, že odvrátená strana Mesiaca bola v tom čase zrejme vulkanicky aktívna.
Ďalšie vedecké objavy možno očakávať v nasledujúcich mesiacoch a rokoch, pretože vedci analyzujú ďalšie fragmenty.
