10 Penemuan Ulung Bidang Fizik Tahun 2022

Physics World reveals its top 10 Breakthroughs of the Year for 2022

Note

Terjemahan ini asalnya diterbitkan dalam portal Fizik Kini dengan tajuk “10 Penemuan Ulung Bidang Fizik Tahun 2022” pada 30 Disember 2022 tetapi ditulis semula di sini bagi tujuan penyimpanan.

Physics World dengan sukacitanya mengumumkan 10 Penemuan Ulung pada tahun 2022 yang merangkumi pelbagai bidang dari fizik kuantum dan perubatan sehingga astronomi dan jirim terkondensasi. Pemenang keseluruan Penemuan Ulung 2022 anjuran Physics World akan didedahkan di hujung rencana.

10 penemuan ini dipilih oleh panel penyunting Physics World setelah menyaring hampir ratusan kajian yang merentasi semua jenis bidang fizik yang pernah dilaporkan dalam Physics World sepanjang tahun 2022. Selain itu, penemuan tersebut juga perlu memenuhi kelayakan berikut:

• Kemajuan yang bermakna dalam perkembangan pemahaman atau ilmu pengetahuan.
• Kepentingan hasil kajian dalam kemajuan saintifik dan/atau pembangunan untuk aplikasi dunia sebenar.
• Keupayaan menarik minat pembaca umum Physics World.

10 Penemuan Ulung 2022 yang disenaraikan di bawah tidak mengikut turutan.

1. Era baharu bidang kimia ultrasejuk

Tahniah kepada Bo Zhao, Jian-Wei Pan bersama rakan-rakan di University of Science and Technology of China (USTC) dan Chinese Academy of Sciences di Beijing, dan John Doyle bersama rakan-rakannya (secara berasingan) di Harvard University di AS atas penghasilan molekul poliatom ultrasejuk yang pertama.

Walaupun sudah lebih 30 tahun, fizikawan telah berjaya menyejukkan atom sehingga menghampiri sifar mutlak, dan molekul ultrasejuk berdwiatom pertama kali dihasilkan pada pertengahan 2000-an, penghasilan molekul ultrasejuk yang terdiri lebih daripada tiga atom ternyata masih jauh dari realiti ketika itu.

Dengan menggunakan pelbagai teknik berbeza yang saling melengkapi, kumpulan USTC dan Harvard masing-masing telah menghasilkan sampel molekul triatom natrium-kalium pada suhu 220 nK dan natrium hidroksida pada suhu 110 μK. Kejayaan mereka membuka laluan kajian baharu dalam bidang fizik dan kimia misalnya kajian tindak balas kimia ultrasejuk, simulasi kuantum berbentuk baharu dan pengujian sains asas dengan adanya sistem molekul ultrasejuk multiatom ini.

2. Cerapan Tetraneutron

Tahniah kepada Meytal Duer dari Institute for Nuclear Physics di Technical University of Darmstadt dan rakan-rakan kerjasama SAMURAI atas pemerhatian empat neutron yang diikat bersama, dinamakan tetraneutron, dan pembuktian kewujudan jirim nuklear yang tidak bercas, walaupun hanya untuk masa yang sangat singkat.

Tetraneutron yang hanya terdiri daripada empat neutron itu telah disaksikan di Radioactive Ion Beam Factory milik RIKEN Nishina Centre yang terletak di Jepun. Tetraneutron itu dihasilkan dengan menembak nukleus helium-8 ke arah sasaran cecair hidrogen. Hasil pelanggaran itu membelahkan nukleus helium-8 kepada zarah alfa (mengandungi 2 proton dan 2 neutron) dan Tetraneutron.

Dengan pengesanan zarah alfa dan nukleus hidrogen yang terlantun, kumpulan ini telah mendapati bahawa 4 neutron ini wujud dalam keadaan tetraneutron yang tak terikat selama 10-22 saat. Darjah kebermaknaan statistik cerapan ini yang melebih 5σ menjadikannya melebihi paras yang diterima sebagai penemuan baharu dalam fizik zarah. Kini, kumpulan ini merancang untuk mengkaji setiap neutron satu persatu di dalam tetraneutron dan juga mencari zarah baru yang mengandungi enam dan lapan neutron.

3. Penjanaan elektrik supercekap

Tahniah kepada Alina LaPotin, Asegun Henry dan rakan-rakan mereka di Massachusetts Institute of Technology dan National Renewable Energy Laboratory dari AS, atas pembinaan sel termofotovolta (TPV) dengan kecekapan melebihi 40%.

Sel TPV baharu ini ialah enjin haba keadaan pepejal yang pertama dalam jenisnya untuk menukar cahaya inframerah kepada tenaga elektrik dengan kecekapan lebih tinggi berbanding dengan penjana yang berasaskan turbin. Ia juga mampu beroperasi dengan pelbagai jenis sumber haba seperti sistem simpanan tenaga haba, sinaran suria (melalui penyerap sinaran perantaraan) dan haba terbuang serta tindak balas nuklear atau pembakaran. Justeru, alat ini boleh menjadi komponen penting di dalam grid kuasa yang lebih bersih, mesra alam dan juga sebagai pelengkap kepada sel fotovolta yang menggunakan cahaya tampak.

4. Suis optoelektronik terpantas

Tahniah kepada Marcus Ossiander, Martin Schultze dan rakan-rakan di Institut Max Planck untuk Optik Kuantum dan LMU Munich di Jerman; Universiti Teknologi Vienna dan Universiti Teknologi Graz di Austria; dan Institut Nanoteknologi CNR NANOTEC di Itali atas pentakrifan dan penerokaan “had laju” pensuisan optoelektronik di dalam peranti fizikal.

Pasukan tersebut menggunakan denyutan laser dengan tempoh hanya satu femtosaat (10‾¹⁵ s) untuk menukar sampel bahan dielektrik daripada penebat kepada keadaan konduktor pada kelajuan yang diperlukan untuk merealisasikan suis yang beroperasi 100 trillion kali sesaat (satu petahertz). Radas yang diperlukan untuk memacu suis yang sangat laju ini bersaiz satu pangsapuri. Oleh itu, suis sebegini tidak akan terzahir dalam peranti praktikal dalam masa terdekat. Walaupun begitu, hasil kajian ini memaklumkan had asas kelajuan pemprosesan isyarat klasik dan mencadangkan pada prinsipnya bahawa optoelektronik keadaan pepejal berfrekuensi petahertz boleh dicapai.

5. Menyingkap jendela baharu alam semesta

Tahniah kepada NASA, Agensi Angkasa Kanada dan Agensi Angkasa Eropah atas pelancaran Teleskop Angkasa James Webb (JWST) dan rakaman imej pertama daripada teleskop tersebut.

Berikutan penangguhan selama bertahun-tahun dan kenaikan kos, JWST yang bernilai 10 billion USD akhirnya dilancarkan pada 25 Disember 2021. Bagi kebanyakan kuar angkasa lepas, pelancaran adalah bahagian misi yang paling berbahaya. Namun, JWST juga terpaksa menempuhi siri gerakan nyahpadat yang melibatkan pembukaan cermin utama 6.5 m serta pengembangan pelindung matahari yang bersaiz gelanggang tenis di kawasan jauh angkasa lepas yang berbahaya.

Sebelum perlancaran, jurutera mengenal pasti 344 titik kegagalan yang boleh menghalang misi pencerap angkasa itu, atau lebih teruk, menjadikannya tidak boleh digunakan. Yang hebatnya, tiada isu yang dihadapi. Setelah radas-radas sains JWST dihidupkan, pencerap angkasa tersebut terus mula mengambil data dan merakam imej kosmos yang menakjubkan.

Gambar JWST pertama diumumkan oleh presiden AS, Joe Biden pada acara khas di Rumah Putih dan banyak imej yang mempesonakan telah dikeluarkan. Pencerap angkasa itu dijangka beroperasi dengan baik sehingga tahun 2030-an dan dijangka akan merevolusikan bidang astronomi.

6. Terapi proton FLASH yang pertama ke atas manusia

Tahniah kepada Emily Daugherty dari Universiti Cincinnati, AS dan rakan kerjasama mereka yang mengusahakan percubaan FAST-01 dengan melaksanakan percubaan klinikal pertama radioterapi FLASH dan penggunaan terapi proton FLASH pada manusia yang pertama.

Radioterapi FLASH ialah teknik rawatan yang baru muncul menggunakan sinaran pada kadar dos ultratinggi. Kaedah ini berkemungkinan tidak menjejaskan tisu yang sihat tetapi dapat membunuh sel-sel kanser dengan berkesan. Penggunaan proton untuk membawa sinaran kadar dos ultratinggi membolehkan rawatan tumor yang terletak jauh di dalam bahagian badan.

Percubaan itu melibatkan 10 pesakit dengan metastasis tulang yang menyakitkan di lengan dan kaki mereka. Pesakit-pesakit tersebut menerima satu rawatan proton yang dihantar pada 40 Gy/s atau lebih kira-kira 1000 kali ganda kadar dos radioterapi foton konvensional. Pasukan itu menunjukkan kebolehlaksanaan aliran kerja klinikal dan menunjukkan bahawa terapi proton FLASH adalah berkesan seperti radioterapi konvensional untuk melegakan kesakitan tanpa menyebabkan kesan sampingan yang tidak dijangka.

7. Penyempurnaan penghantaran dan penyerapan cahaya

Tahniah kepada pasukan yang diketuai oleh Stefan Rotter dari Technical University of Vienna, Austria dan Matthieu Davy dari University of Rennes, Perancis kerana mencipta struktur antipantulan yang membolehkan penghantaran sempurna melalui medium kompleks. Penemuan ini dilengkapi dengan hasil kerjasama yang diketuai Rotter dan Ori Katz dari Hebrew University of Jerusalem dalam pembangunan “antilaser” yang membolehkan sebarang bahan menyerap semua cahaya dari julat sudut yang luas.

Dalam penyelidikan pertama, pasukan penyelidik mereka cipta lapisan antipantulan dengan pengoptimuman bermatematik supaya sepadan dengan cara gelombang memantul daripada permukaan hadapan suatu objek. Dengan meletakkan struktur ini di hadapan medium bertatasusunan rawak, pantulan dapat dihilangkan sepenuhnya lalu menjadikan objek tersebut lut cahaya terhadap semua gelombang cahaya yang ditujukan padanya.

Dalam penyelidikan kedua pula, pasukan penyelidik tersebut membangunkan penyerap sempurna koheren yang memerangkap cahaya tuju ke dalam satu rongga menggunakan satu set gabungan cermin dan kanta. Dengan memanfaatkan kiraan tepat kesan interferens, alur cahaya tuju akan berinterferens dengan alur cahaya pantulan di antara cermin supaya alur pantulannya hampir keseluruhannya dimusnahkan.

8. Arsenida boron kubik jaguh semikonduktor

Tahniah kepada dua pasukan berasingan iaitu pasukan yang diketuai oleh Gang Chen dari Massachusetts Institute of Technology dan Zhifeng Ren dari University of Houston, AS dan pasukan yang diketuai oleh Xinfeng Liu dari National Center for Nanoscience and Technology, Beijing, China, dan Jiming Bao bersama Zhifeng Ren dari University of Houston atas arsenida boron kubik sebagai salah satu semikonduktor terbaik yang diketahui.

Kedua-dua pasukan tersebut telah menjalankan ujikaji yang mendapati bahawa rantau-rantau kecil bahan tulen tersebut menunjukkan kekonduksian haba dan kelincahan lohong lebih tinggi berbanding semikonduktor lain seperti silikon. Kedua-dua sifat penting ini adalah asas kepada elektronik moden. Kelincahan lohong dalam silikon yang rendah mengehadkan operasi peranti silikon manakala kekonduksian habanya yang rendah akan menyebabkan peranti elektronik mudah panas.

Arsenida boron kubik sudah lama diramalkan boleh mengatasi silikon dalam sifat yang dinyatakan. Namun, para penyelidik menghadapi kesukaran menghasilkan sampel hablur tunggal yang cukup besar untuk mengukur sifat-sifatnya. Dengan usaha kedua-dua pasukan yang berjaya mengatasi cabaran, penggunaan praktikal arsenida boron kubik ini akan dapat dimajukan selangkah ke hadapan.

9. Pengubahan orbit asteroid

Tahniah kepada NASA dan Makmal Fizik Gunaan Johns Hopkins di AS atas demonstrasi pertama “hentaman kinetik” yang berjaya mengubah orbit asteroid.

Dilancarkan pada November 2021, kuar angkasa Double Asteroid Redirection Test (DART) ialah misi pertama untuk menyiasat hentaman kinetik asteroid. Sasarannya ialah sistem asteroid dedua berdekatan Bumi. Sistem tersebut terdiri daripada jasad berdiameter 160 meter bernama Dimorphos yang mengorbit asteroid berdiameter 780 meter iaitu Didymos.

Setelah perjalanan sejauh 11 juta kilometer ke sistem asteroid tersebit, DART berjaya memberi hentaman pada Dimorphos dengan gerakan pada kira-kira 6 km/s pada bulan Oktober lepas. Beberapa hari kemudian, NASA mengesahkan bahawa DART telah berjaya mengubah orbit Dimorphos sebanyak 32 minit iaitu pemendekkan tempoh orbit daripada 11 jam 55 minit kepada 11 jam 23 minit.

Perubahan ini adalah kira-kira 25 kali lebih besar daripada 73 saat. 73 saat ialah perubahan minimum yang ditetapkan NASA sebagai perubahan tempoh orbit yang berjaya. Hasilnya juga akan digunakan untuk menilai cara terbaik untuk menggunakan teknik hentaman kinetik bagi melindungi planet kita.

10. Pengesanan kesan Aharonov–Bohm versi graviti

Tahniah kepada Chris Overstreet, Peter Asenbaum, Mark Kasevich dan rakan-rakannya dari Stanford University, AS bagi pengesanan kesan Aharonov-Bohm versi graviti.

Kesan Aharonov-Bohm yang diramalkan pada tahun 1949 ialah suatu fenomena kuantum yang berlaku apabila fungsi gelombang zarah bercas terkesan dengan keupayaan magnet atau elektrik walaupun zarah tersebut berada dalam rantau medan elektrik dan magnet sifar. Sejak 1960-an, kesan ini telah dicerap dengan memisahkan alur elektron menjadi dua lalu menghantar dua alur tersebut ke kedua-dua sisi rantau yang disifarkan pengaruh medan magnet. Apabila alur tersebut bertemu semula di pengesan, kesan Aharonov-Bohm dapat dicerap melalui interferens dua alur tersebut.

Kini, fizikawan Stanford telah mencerap versi graviti kesan serupa menggunakan atom ultrasejuk. Pasukan tersebut memisahkan atom-atom kepada dua kumpulan sejauh 25 cm. Salah satu dari dua kumpulan tersebut berinteraksi dengan graviti jisim besar. Apabila ditemukan semula, atom-atom tersebut menunjukkan adanya interferens yang serupa dengan kesan Aharonov-Bom versi graviti. Kesan ini boleh digunakan untuk menentukan pemalar kegravitian Newton dengan sangat tepat.

Pemenang Utama

Pasukan penterjemah ingin mengucapkan tahniah kepada pasukan NASA dan Makmal Fizik Gunaan Johns Hopkins di AS atas demonstrasi pertama “hentaman kinetik” yang berjaya mengubah orbit asteroid kerana dinobatkan sebagai pemenang keseluruhan Penemuan Ulung 2022 anjuran Physics World seperti yang diumumkan pada 14 Disember 2022 dalam rencana bertajuk “Deflection of a near-Earth asteroid by DART is the Physics World 2022 Breakthrough of the Year”.