Mondo della fisica è lieta di annunciare le sue 10 migliori scoperte dell'anno per il 2023, che spaziano dalla ricerca in astronomia e fisica medica alla scienza quantistica, alla fisica atomica e altro ancora. Il generale Mondo della fisica La svolta dell'anno verrà rivelata giovedì 14 dicembre.
I 10 Breakthrough sono stati selezionati da una giuria di Mondo della fisica redattori, che hanno setacciato centinaia di aggiornamenti di ricerca pubblicati sul sito web quest'anno in tutti i campi della fisica. Oltre ad essere stato segnalato in Mondo della fisica nel 2023 le selezioni devono soddisfare i seguenti criteri:
- Significativo progresso nella conoscenza o nella comprensione
- Importanza del lavoro per il progresso scientifico e/o lo sviluppo di applicazioni nel mondo reale
- Di interesse generale a Mondo della fisica lettori
Le 10 principali innovazioni per il 2023 sono elencate di seguito in ordine cronologico di quando sono state riportate in Fisica World. Torna la prossima settimana per scoprire chi ha vinto la classifica generale Mondo della fisica Premio Svolta dell'anno.
A Senofonte Strakosas, Hanne Biesmans, Magnus Berggren e colleghi dell'Università di Linköping, dell'Università di Lund e dell'Università di Göteborg per aver sviluppato un modo per farlo creare circuiti elettronici direttamente all'interno dei tessuti viventi. L'interfacciamento del tessuto neurale con l'elettronica fornisce un modo per studiare la complessa segnalazione elettrica del sistema nervoso o modulare i circuiti neurali per curare le malattie. Tuttavia, la discrepanza tra l’elettronica rigida e i tessuti molli rischia di danneggiare i delicati sistemi viventi. Invece, il team ha utilizzato un gel iniettabile per creare elettrodi morbidi direttamente all’interno del corpo. Dopo l'iniezione nel tessuto vivente, gli enzimi nel gel scompongono i metaboliti endogeni nel corpo, che innescano la polimerizzazione enzimatica dei monomeri organici nel gel, convertendoli in elettrodi conduttori stabili e morbidi. I ricercatori hanno convalidato il processo iniettando gel nel pesce zebra e nelle sanguisughe medicinali, dove il gel si è polimerizzato e ha fatto crescere gli elettrodi all'interno del tessuto.
A Tejin Cai presso l'Università di Rochester negli Stati Uniti e colleghi che lavorano sul Fermilab MINERvA esperimento per mostrare come informazioni sulla struttura interna del protone possono essere raccolte dalla diffusione dei neutrini da un bersaglio di plastica. I neutrini sono particelle subatomiche famose per interagire raramente con la materia. Quindi, ci furono dei dubbi quando Cai, un ricercatore post-dottorato, suggerì che si potesse osservare la diffusione occasionale di neutrini da parte di protoni nella plastica. La grande sfida per il team è stata osservare il segnale dei neutrini sparsi da protoni solitari (nuclei di idrogeno) all’interno di uno sfondo molto più ampio di neutrini sparsi di protoni legati nei nuclei di carbonio. Per risolvere questo problema, hanno simulato il segnale diffuso dal carbonio e lo hanno accuratamente sottratto dai dati sperimentali. Oltre a fornire informazioni sulla struttura del protone, la tecnica potrebbe anche far luce su come i neutrini interagiscono con la materia.
A Celia Viermann e Markus Oberthaler dell'Università di Heidelberg, Germania, insieme a Stefan Floeringer dell'Università di Jena, Germania, e colleghi dell'Universidad Complutense de Madrid, Spagna, Ruhr-Universität Bochum, Germania e Université libre de Bruxelles, Belgio, per aver utilizzato un condensato di Bose-Einstein (BEC) per simulare un universo in espansione e i campi quantistici al suo interno. In questo sistema simulato, il condensato rappresentava l'universo, mentre i fononi che si muovevano al suo interno svolgevano il ruolo dei campi quantistici. Modificando la lunghezza di diffusione degli atomi nel BEC, il team ha fatto espandere l’“universo” a velocità diverse e ha studiato come i fononi generano fluttuazioni di densità al suo interno. Le teorie della cosmologia prevedono che effetti simili siano stati responsabili dell’inseminazione di strutture su larga scala nell’universo primordiale, quindi l’universo simulato potrebbe produrre preziose informazioni su come quello reale è diventato quello che è oggi.
A Tirolo Romano ed Riccardo Sapienza dell'Imperial College di Londra e colleghi per la dimostrazione dell'interferenza della doppia fenditura di Young nel tempo. L'osservazione nel XIX secolo dell'interferenza delle onde luminose Thomas Young è uno degli esperimenti più iconici della storia della fisica e ha fornito un supporto fondamentale alla teoria ondulatoria della luce. Mentre quell’esperimento e altri simili implicano la diffrazione della luce attraverso una coppia di strette fenditure nello spazio, ricercatori nel Regno Unito e altrove hanno dimostrato che è possibile ottenere l’effetto equivalente utilizzando doppie fenditure nel tempo. L’analogo temporale implica un momento fisso ma una frequenza variabile. Un materiale in cui due fenditure appaiono rapidamente e poi scompaiono, una dopo l'altra, dovrebbe far sì che le onde in arrivo mantengano il loro percorso nello spazio ma si diffondano in frequenza. I ricercatori hanno ottenuto questo risultato accendendo e spegnendo la riflettività di uno specchio a semiconduttore due volte in rapida successione e registrando le frange di interferenza lungo lo spettro di frequenza della luce rimbalzata sullo specchio. Hanno visto che l’interferenza avviene tra onde a frequenze diverse – piuttosto che tra posizioni spaziali diverse. Il lavoro potrebbe avere diverse applicazioni come interruttori ottici per l'elaborazione e la comunicazione dei segnali o nel calcolo ottico.
A Gregoire Courtine presso l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Jocelyn Bloch presso l’Ospedale universitario di Losanna e l’EPFL, Guillaume Charvet presso Clinatec di CEA-Leti e colleghi per sviluppando un “ponte digitale” tra il cervello e il midollo spinale che ha permesso a un individuo paralitico di stare in piedi e camminare in modo naturale. La lesione del midollo spinale può interrompere la comunicazione tra il cervello e la regione del midollo spinale che produce la deambulazione, il che può portare a paralisi permanente. Per ripristinare questa comunicazione, il team ha sviluppato un'interfaccia cervello-colonna vertebrale, comprendente due sistemi impiantabili: uno per registrare l'attività corticale e decodificare l'intenzione dell'utente di muovere gli arti inferiori; e l'altro per stimolare elettricamente la regione del midollo spinale che controlla il movimento delle gambe. Il team ha testato il sistema su un uomo di 38 anni con una lesione al midollo spinale a causa di un incidente in bicicletta avvenuto 10 anni prima. Dopo l'intervento chirurgico di impianto, il ponte ha consentito al partecipante di riacquistare il controllo intuitivo sui movimenti delle gambe, consentendogli di stare in piedi, camminare, salire le scale e attraversare terreni complessi.
A Ben Lanyon e colleghi dell'Università di Innsbruck, in Austria, e dell'Università di Paris-Saclay, in Francia, per aver costruito un ripetitore quantistico e averlo utilizzato per trasferire informazioni quantistiche su una distanza di 50 km tramite fibre di telecomunicazione standard, dimostrando così tutte le funzionalità chiave di una rete quantistica a lunga distanza in un unico sistema. Il team ha creato il suo ripetitore quantistico da una coppia di ioni calcio-40 intrappolati che emettono fotoni dopo essere stati illuminati con un impulso laser. Questi fotoni, ciascuno dei quali è intrecciato con il suo ione “genitore”, vengono quindi convertiti in lunghezze d’onda delle telecomunicazioni e inviati lungo fibre ottiche separate lunghe 25 km. Infine, il ripetitore scambia l’entanglement sui due ioni, lasciando due fotoni aggrovigliati a 50 km di distanza – all’incirca la distanza richiesta per creare reti su larga scala con più nodi.
Ho visto Wai Hla, Volker Rosa at Argonne National Laboratory negli Stati Uniti e colleghi per l'imaging di un singolo atomo con i raggi X di sincrotrone. Fino a poco tempo fa, la dimensione più piccola del campione che poteva essere analizzata utilizzando la microscopia a effetto tunnel a scansione di raggi X di sincrotrone era un attogramma, ovvero circa 10,000 atomi. Questo perché il segnale dei raggi X prodotto da un singolo atomo è estremamente debole e i rilevatori convenzionali non sono abbastanza sensibili per rilevarlo. Per aggirare questo problema, il team ha aggiunto una punta metallica affilata a un rilevatore di raggi X convenzionale, che viene posizionato appena 1 nm sopra il campione da studiare. Quando la punta affilata viene spostata sulla superficie di un campione, gli elettroni attraversano lo spazio tra la punta e il campione, creando una corrente che rileva essenzialmente "impronte digitali" uniche per ciascun elemento. Ciò ha consentito al team di combinare la risoluzione spaziale ultraelevata della microscopia a effetto tunnel con la sensibilità chimica fornita dall’intensa illuminazione a raggi X. La tecnica potrebbe portare ad applicazioni nella progettazione dei materiali e nelle scienze ambientali attraverso la capacità di rintracciare materiali tossici fino a livelli estremamente bassi.
Al Collaborazione EIGER per aver utilizzato il James Webb Space Telescope (JWST) per trovare prove convincenti che le prime galassie fossero responsabili della reionizzazione dell’universo primordiale. La reionizzazione è avvenuta circa 1 miliardo di anni dopo il Big Bang e ha comportato la ionizzazione dell'idrogeno gassoso. Ciò ha consentito alla luce che sarebbe stata assorbita dall’idrogeno di raggiungere i telescopi di oggi. Sembra che la reionizzazione sia iniziata con bolle locali che sono cresciute e si sono coalizzate. Queste bolle sarebbero state create da fonti di radiazioni e una possibilità è che provenissero da stelle nelle galassie. I ricercatori dell’EIGER hanno utilizzato la telecamera nel vicino infrarosso del JWST per osservare la luce proveniente da antichi quasar che erano passati attraverso le bolle ionizzate. Hanno trovato una correlazione tra la posizione delle galassie e delle bolle, suggerendo che la luce proveniente da queste galassie primordiali fosse effettivamente responsabile della reionizzazione.
A Meng Wang, Songlin Shi e Jay Fineberg dell'Università Ebraica di Gerusalemme, Israele, per aver scoperto che le crepe in alcuni materiali possono diffondersi più velocemente della velocità del suono. Il risultato contraddice sia i precedenti risultati sperimentali sia le previsioni basate sulla teoria classica, che affermano che la propagazione supersonica delle cricche non dovrebbe essere possibile perché la velocità del suono in un materiale riflette la velocità con cui l’energia meccanica può muoversi attraverso di esso. Le osservazioni del team potrebbero indicare la presenza della cosiddetta dinamica “supershear” governata da principi diversi rispetto a quelli che guidano le cricche classiche, come previsto da Michele Marder dell’Università del Texas ad Austin, negli Stati Uniti, quasi 20 anni prima.
Al Collaborazione ALFA per dimostrare che l’antimateria risponde alla gravità più o meno allo stesso modo della materia. I fisici hanno utilizzato l’esperimento ALPHA-g al CERN per effettuare la prima osservazione diretta di atomi di antimateria in caduta libera – antiidrogeno che comprende un antiprotone legato a un antielettrone. Ciò è stato fatto in un'alta camera cilindrica a vuoto in cui l'antiidrogeno è stato prima trattenuto in una trappola magnetica. L'antiidrogeno è stato rilasciato dalla trappola e lasciato annichilare sulle pareti della camera. Il team ha scoperto che si sono verificati più annientamenti al di sotto del punto di rilascio che al di sopra di esso. Dopo aver considerato il movimento termico dell’antiidrogeno, il team ha concluso che l’antimateria cade. Curiosamente, l’accelerazione dell’antiidrogeno dovuta alla gravità era circa il 75% di quella sperimentata dalla materia normale. Sebbene questa misurazione abbia una bassa significatività statistica, lascia la porta aperta a una nuova fisica oltre il Modello Standard.
Menzione d'onore
Una menzione d'onore nella nostra top 10 di quest'anno va ai fisici che lavorano per 3.5 miliardi di dollari Impianto di accensione nazionale (NIF) negli Stati Uniti per il lavoro svolto in laboratorio alla fine dell'anno scorso dopo aver scelto i vincitori del 2022 (e quindi perde anche la nostra scelta rivoluzionaria del 2023). Il 13 dicembre 2022 il lab ha annunciato la generazione di più energia da una reazione di fusione nucleare controllata di quella necessaria per alimentare la reazione. Il colpo laser, eseguito il 5 dicembre 2022, ha rilasciato 3.15 milioni di joule (MJ) di energia da una minuscola pallina contenente due isotopi di idrogeno, rispetto ai 2.05 MJ che quei laser hanno consegnato al bersaglio. Questa dimostrazione del guadagno netto di energia segna una pietra miliare importante nella fusione laser.
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