Extreme Wissenschaft: die größten, schnellsten und heißesten Durchbrüche des Jahres 2016

In diesem Jahr stoßen wir die Grenzen der Wissenschaft auf neue Extreme. Wir haben neue Leistungsniveaus für Supercomputer gesehen, Kunststoff vom größten Teleskop und der größten Solaranlage der Erde entfernt, die erste Antimateriespektroskopie durchgeführt und sogar flüssiges Licht erzeugt.

Zunächst setzen wir Spinnräder auf die Der leistungsstärkste Röntgenlaser der Welt. Das SLAC National Accelerator Laboratory ist ein linearer Elektronenbeschleuniger in Stanford. Der Röntgenlaser wird erzeugt, indem Elektronen gezwungen werden, durch einen Handschuh sorgfältig beabstandeter Magnete zu gelangen, wodurch ein Röntgenstrahl emittiert wird, der so stark ist, dass er sogar ein einzelnes Molekül abbilden kann, ohne dass zuvor ein Kristall erzeugt werden muss. Dies bedeutet, dass damit laufende chemische Reaktionen erfasst werden können.

Der derzeitige XFEL-Laser, der keineswegs zurückgeblieben ist, ist immer noch durch seine Linac-Kupferleitung begrenzt. Deshalb hat Stanford in Zusammenarbeit mit Cornell, Berkeley, Fermilab, Jefferson Lab und Argonne einen Niob-Supraleiter installiert, damit der Linac zehntausendmal schneller und heller als je zuvor läuft. LCLS-II, wie der neue Beschleuniger genannt wird, kann Elektronenstöße mit einer Geschwindigkeit von bis zu einer Million Impulsen pro Sekunde erzeugen.

ATLAS ist definitiv das visuell beeindruckendste der LHC-Experimente.

ATLAS ist definitiv das visuell beeindruckendste der LHC-Experimente.

Während das LCLS-II wie ein Mikroskop ist, mit dem bestimmte kleine Dinge abgebildet werden, befinden sich Protonenkollider wie der LHC näher an den Bündeln. Insbesondere in diesem Jahr ist das CERN kein Unbekannter. Im Jahr 2016 produzierte der LHC so viele Daten wie alle anderen Betriebsjahre einstellenund warf 300 TB mit einem dumpfen Schlag ins Internet. Warum jetzt so viele Informationen? Der LHC arbeitet mit der höchsten Energie (13 TeV) und der höchsten Leuchtkraft aller Teilchenbeschleuniger. Und von hier aus wird es nur noch größer und heller. Das geplante HL-HLC-Upgrade wird die Kollisionen voraussichtlich verzehnfachen.

Die Teilchenphysik ist nicht das einzige, das einen fokussierten Strahl verwendet. Die Dubai Water and Power Authority nimmt endgültige Angebote für Entwickler in ihrem massive konzentrierte Solaranlage. Das Projekt ist die weltweit größte konzentrierte Solarenergieanlage und soll bis 2020 unverschämte 1.000 MW und 5.000 MW (5 Gigawatt) erzeugen, sobald es 2030 mit voller Leistung betrieben wird. Konzentrierte Solaranlagen verwenden Spiegel, um Photonen von der Sonne abzudichten . in einem Strahl, der so dicht ist, dass er Salz schmelzen kann, um Energie zu speichern und Dampfturbinen zu betreiben, selbst wenn die Sonne nicht scheint.

Ivanpah konzentrierte Solarthermie-Kraftturm und Spiegel von oben gesehen

Ivanpah konzentrierte Solarthermie-Kraftturm und Spiegel von oben gesehen

Diese extreme Intensität kann auch Vögel auf dem Flügel rösten, wenn sie das Pech haben, in den Todesstrahl zwischen Konzentrationsspiegeln und Sonnenkollektoren zu fliegen. Das Ivanpah-Werk in Kalifornien gab den Armen tatsächlich einen Namen: “Luftschlangen”. Unterhaltsame mathematische Übung: Wenn Ivanpah 176.000 Heliostaten hat, die gleichmäßig auf drei Sammeltürme verteilt sind, bedeutet dies, dass jeder Sammelturm (ungefähr) 58.000 Heliostaten mit jeweils zwei Spiegeln hat. Angenommen, jeder Heliostat ist mit Staub und toten Insekten bedeckt und gibt somit nur 90% des von ihm eingefangenen Lichts zurück, wenn ein durchschnittlich großer Vogel nur einen Winkelgrad der Sonnenstrahlung abfängt, der an seinem Punkt mit der größten Intensität fokussiert ist, würde dies die Wirkung erfahren Ausgangseffekt von ungefähr einhundertfünfzig Sohlen. SolarReserve Er sagte CleanTechnica gab an, dass die Lösung darin bestand, die Ivanpah-Heliostaten leicht neu anzuordnen, um eine diffusere Fokussierung auf eine flache Scheibe zu erzielen. um die Sammeltürme. Selbst wenn ein Vogel durch die gefährlichste Zone fliegen würde, würde er auf diese Weise immer noch nicht “mehr als 4 Sonnen gleichzeitig” erleben.

Abgesehen von den großen heißen, intensiven und kraftvollen Dingen war dies jedoch auch ein Jahr der Entwicklungen in der Welt der sehr kleinen und sehr kalten. Die Forscher feuerten einen Laser einen Hang hinunter in einen Teil des Halbleiters, zwangen Photonen vom Laser, Exzitonen im Halbleiter zu stören, und bildeten ein kurzlebiges Ding namens Polaritonen. Bei den kryogenen Temperaturen, mit denen sie arbeiteten, waren die Polaritonen bereit, sich nahe genug zu verklumpen, um ein Bose-Einstein-Polaritonenkondensat zu bilden – flüssiges Licht.

Wie funktioniert das? Denken Sie daran, dass Photonen und Elektronen Eigenschaften sowohl in Form von Wellen als auch in Teilchen haben und beide die Eigenschaft eines Impulses in Bezug auf die Masse haben. Wenn sie gezwungen sind, miteinander zu interagieren, indem sie nahe genug gemischt werden, obwohl ihre Teilchen sich nicht berühren wollen, weil die Photonen ungeladen sind, bilden sich ihre Wellenformen Wille an Interferenzen durch die Mitte des alles durchdringenden Quantenfeldes teilnehmen. So können sie sich gegenseitig stören. Aber Elektronen tragen in dieser Beziehung Hosen. Polaritonen wirken in erster Linie wie Elektronen und befolgen die “Regel der rechten Hand”, indem sie die Art und Weise ändern, wie sie sich im dreidimensionalen Raum als Reaktion auf die elektrischen Felder drehen, denen sie ausgesetzt sind. Die Forscher konnten die Drehung der Polaritonen im Uhrzeigersinn gegen den Uhrzeigersinn und umgekehrt abwechseln und das elektrische Feld innerhalb des Halbleiters wie bei Wechselstrom abwechseln. Das Ergebnis: Spinnen polarisierter Photonen. Und das zu einem Preis von einem halben Femtojoule pro Wechsel.

Schalter-Licht-Flüssigkeit-1

Apropos Laser, Wissenschaftler machten auch die erste Laserspektroskopie an Antimaterie. Antiwasserstoff verhält sich genau wie Wasserstoff, wenn ein Photon abprallt, was die Nullhypothese bestätigt, dass Antimaterie und Materie genau invers zueinander sind. Wir wissen immer noch nicht, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt.

Der Nobelpreis für Physik 2016 ging an ein Trio, das die Mathematik des Phasenübergangs auf der Quantenskala löste. Donuts verwenden.

Phasenübergänge in einem Material beginnen als Wirbel auf der Quantenskala. Wenn es kalt genug ist, hängen sie höflich an Ort und Stelle oder kommen sogar zum Stillstand. Beim Erhitzen trennen sie sich durch das Material und verbreiten die durch den Phasenwechsel verursachte Störung. Das Forschertrio verwendete die Mathematik der Topologie, um diese Beobachtung mit Gleichungen zu beschreiben. Die Topologie ist eine eigene Dose Würmer, befasst sich jedoch mit ganzen Zahlen, ganzen Zahlen, nicht unbedingt Brüchen oder dem gesamten Satz rationaler Zahlen. Es kann einen Teil eines Ganzen haben, aber es kann keinen Teil eines Lochs haben. Es kann auch nicht Teil eines Wirbels oder 3,7x eines Wirbels sein. Entweder du hast einen oder du hast keinen. Die Beschreibung des Übergangs von Nonvortex zu Vortex hat diesen Jungs die Auszeichnung eingebracht.

2016 war auch ein Jahr der Geschwindigkeit. Zum siebten Mal in Folge hat China den schnellsten Supercomputer der Welt. Der Sunway TaihuLight ist jetzt mit 93 Petaflops das schnellste System der Welt – mehr als dreimal schneller als der bisher schnellste Supercomputer der Welt, der Tianhe-2, ebenfalls aus China. Was machen sie mit so viel Rechenleistung? Klima- und meteorologische Modellierung, Life-Science-Forschung, Herstellung und Datenanalyse. Fortschritte werden immer schwieriger zu erreichen, da wir Transistoren miniaturisieren können. Moores Gesetz ist kein Gesetz wie das, was wir Gesetze in den Gesetzen der Physik nennen. Im Moment kratzen wir den absoluten Boden des Canyons in Bezug auf die Komponentengröße. Um eine bestimmte Menge elektrischen Stroms ohne Schmelzen zu führen, muss ein Kupferdraht einen ausreichend großen Querschnitt haben und in der Lage sein, schnell genug Wärme abzugeben.

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Diese Themen sind immer noch wichtig und wir haben keine großen Fortschritte erzielt, aber 2016 hat sich dennoch ein bedeutender Fortschritt gezeigt. Eine Möglichkeit, die Chipdichte zu erhöhen, ohne auf kleinere Geometrien angewiesen zu sein, besteht darin, 3D-Chipstapel zu erstellen. Samsung ist in diesem Jahr von 32-Schicht-3D-NAND auf 48-Schicht-3D-NAND umgestiegen und hat Pläne skizziert, SSDs durch weitere Fortschritte in dieser Technologie auf Preise zu bringen, die Festplatten entsprechen. In der Zwischenzeit wurde HBM2-Speicher nicht an Consumer-Geräte ausgeliefert, aber SK Hynix hat angekündigt, dass der GPU-Speicher der nächsten Generation jetzt in Massenproduktion ist. Debüts auf Consumer-Karten sind für das erste Halbjahr 2017 geplant. Aber auch mit Stapeln von 3D-Chips muss es in der Lage sein, die ganze Hitze irgendwie rauszuholen.

Wohin gehen wir 2017? Was wird die nächste süße Überschrift sein? Lass es uns in den Kommentaren wissen.

In unserer ExtremeTech Explains-Reihe finden Sie detailliertere Informationen zu den aktuellsten Technologiethemen.

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