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L’étrange prédiction d’un physicien des particules de 67 ans a finalement été confirmée

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L’étrange prédiction d’un physicien des particules de 67 ans a finalement été confirmée

Les chercheurs ont découvert Devil Pines, une collection d’électrons dans un métal qui se comporte comme une onde sans masse. Crédit : Grainger College of Engineering, Université de l’Illinois à Urbana-Champaign

Soixante-sept ans après la prédiction théorique de David Baines, l’insaisissable particule du « diable », une entité sans masse et neutre dans les solides, a été découverte dans les ruthénates de strontium, soulignant la valeur des approches de recherche innovantes.

En 1956, le physicien théoricien David Baines prédit que les électrons présents dans la matière solide pourraient faire quelque chose d’étrange. Bien que les électrons aient généralement une masse et une charge électrique, Baines a affirmé qu’ils peuvent se combiner pour former une particule composée sans masse, neutre et n’interagissant pas avec la lumière. Il a appelé cette particule théorique le « Satan ». Depuis lors, on a émis l’hypothèse qu’il jouait un rôle important dans le comportement d’une grande variété de minéraux. Malheureusement, les mêmes caractéristiques qui le rendent si intéressant lui ont permis d’échapper à la détection alors qu’il s’y attendait.

Après 67 ans, une équipe de recherche dirigée par Peter Abamonte, professeur de physique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign (UIUC), a enfin découvert l’insaisissable Diable des Pins. Les chercheurs ont également rapporté dans la revue natureIls ont utilisé une technique expérimentale non standard qui excite directement les modèles électroniques de la matière, leur permettant de voir la signature du diable dans le ruthénate de strontium.

« Les diables ont fait l’objet de spéculations théoriques depuis longtemps, mais ils n’ont jamais été étudiés par les empiristes », a déclaré Abamonte. « En fait, nous ne le cherchions même pas. Mais il s’est avéré que nous faisions exactement la bonne chose et nous l’avons trouvé. »

Satan est insaisissable

L’une des découvertes les plus importantes de la physique de la matière condensée est que les électrons perdent leur individualité dans les solides. Les interactions électriques amènent les électrons à se combiner pour former des unités collectives. Avec suffisamment d’énergie, les électrons peuvent former des particules complexes appelées plasmons avec une nouvelle charge et une nouvelle masse déterminées par des interactions électriques fondamentales. Cependant, la masse est généralement trop importante pour que les plasmons puissent se former avec les énergies disponibles à température ambiante.

Baines a trouvé une exception. Si un solide contient des électrons dans plus d’une bande d’énergie, comme c’est le cas pour de nombreux métaux, il a fait valoir que leurs plasmons peuvent se combiner selon un motif déphasé pour former un nouveau plasmon neutre, sans masse : un démon. Puisque les démons n’ont pas de masse, ils peuvent se former avec n’importe quelle énergie et peuvent donc exister à toutes températures. Cela a conduit à spéculer sur leur effet important sur le comportement des minéraux multi-échelles.

La neutralité des démons signifie qu’ils ne laissent aucune signature dans les expériences standards sur la matière condensée. « La grande majorité des expériences sont réalisées en utilisant la lumière et en mesurant les propriétés optiques, mais étant électriquement neutre, les démons n’interagissent pas avec la lumière », a déclaré Abbamonte. « Un type d’expérience complètement différent était nécessaire. »

Une découverte inattendue

Abbamonte rappelle que lui et ses collaborateurs étudiaient la ruthénite de strontium pour une raison sans rapport : le métal est un supraconducteur à haute température sans pour autant être un supraconducteur. Dans l’espoir de trouver des indices sur la raison pour laquelle ce phénomène se produit dans d’autres systèmes, ils ont mené la première étude des propriétés électroniques du métal.

Le groupe de recherche dirigé par Yoshi Maeno, professeur de physique à l’Université de Kyoto, a collecté des échantillons de haute qualité du métal qu’Abamonte et l’ancien étudiant diplômé Ali Hussein ont examinés en utilisant la spectroscopie de perte d’énergie électronique résolue en impulsion. Il s’agit d’une technique non standard qui utilise l’énergie des électrons libérés dans le métal pour observer directement les propriétés du minéral, y compris les plasmons qui se forment. En examinant les données, les chercheurs ont découvert quelque chose d’inhabituel : un mode électronique sans masse.

« Au début, nous n’avions aucune idée de ce que c’était », se souvient Hussain, aujourd’hui chercheur scientifique à Quantinum. Les démons ne font pas partie du courant dominant. Cette possibilité est apparue très tôt et nous en avons fondamentalement ri. Cependant, à mesure que nous commencions à exclure cette hypothèse, nous avons commencé à soupçonner que nous avions réellement trouvé Satan.

Edwin Huang, chercheur postdoctoral à l’UIUC et théoricien de la matière condensée, a finalement été invité à calculer les caractéristiques de la structure électronique de la ruthénite de strontium. « La prédiction de Baines sur l’existence de démons implique des conditions assez spécifiques, et personne ne savait clairement si la ruthénite de strontium devait avoir un démon », a-t-il déclaré. « Nous avons dû effectuer un calcul microscopique pour montrer ce qui se passait. Lorsque nous l’avons fait, nous avons trouvé une particule constituée de deux bandes d’électrons qui oscillent déphasées à peu près de la même manière, comme l’a décrit Baines.

hasard de recherche

Selon Abbamont, ce n’est pas un hasard si son groupe a découvert Satan « par accident ». Il a affirmé que lui et son groupe utilisaient une technique peu utilisée sur un matériel qui n’avait pas été bien étudié. On pense que leur découverte de quelque chose d’inattendu et d’important est le résultat d’une tentative différente, et non seulement de la chance.

« Il parle de l’importance de simplement mesurer les choses », a-t-il déclaré. « La plupart des grandes découvertes ne sont pas planifiées. Allez trouver un nouvel endroit et voyez ce qu’il y a là-bas. »

Référence : « Notez les Demon Pines comme plasmon acoustique 3D dans Sr2RuO4Écrit par Ali A. Hussain, Edwin W. Huang, Matthew Mitrano, Melinda S. Rack, Samantha I. Rubik, Ziofi Gu, Hongbin Yang, Chanchal Su, Yoshiteru Maino, Bruno Ochoa, Tai Si Chiang, Philip E. Batson, Philip W. Phillips et Peter Abamonte, 9 août 2023, disponible ici. nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-023-06318-8

Abamonte est membre du Laboratoire de recherche sur les matériaux de l’UIUC. Huang est membre de l’Institut de théorie de la matière condensée de l’UIUC.

Les professeurs Philip Phillips de l’UIUC, Matteo Mitrano de l’Université Harvard, Bruno Ochoa de l’Université d’Oklahoma et Philip Paston de l’Université Rutgers ont contribué à ces travaux.

Le soutien a été fourni par le Département américain de l’énergie, l’Association japonaise pour l’avancement de la science, la National Science Foundation et la Fondation Gordon et Betty Moore.

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La formation par simulation basée sur l’IA améliore les performances humaines dans les exosquelettes robotiques

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Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont démontré une nouvelle méthode qui exploite l’intelligence artificielle (IA) et les simulations informatiques pour entraîner des exosquelettes robotiques afin d’aider de manière indépendante les utilisateurs à économiser de l’énergie lorsqu’ils marchent, courent et montent les escaliers.

« Ce travail propose et démontre un nouveau cadre d’apprentissage automatique qui comble le fossé entre la simulation et la réalité pour contrôler de manière autonome des robots portables afin d’améliorer la mobilité et la santé des humains », explique Hao Su, auteur correspondant d’un article sur les travaux qui seront publiés. Le 12 juin dans le magazine nature.

« Les exosquelettes ont un énorme potentiel pour améliorer les performances des locomotives humaines », déclare Su, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l’Université d’État de Caroline du Nord. « Cependant, leur développement et leur déploiement à grande échelle sont limités par de longues exigences en matière de tests humains et par des lois sur la surveillance manuelle.

« L’idée de base ici est que l’IA incorporée dans l’exosquelette portable apprend à aider les gens à marcher, courir ou grimper dans une simulation informatique, sans nécessiter aucune expérience », explique Su.

Plus précisément, les chercheurs se sont concentrés sur l’amélioration du contrôle autonome dans les systèmes d’IA incorporés, c’est-à-dire les systèmes dans lesquels le logiciel d’IA est intégré à la technologie des robots physiques. Ce travail visait à enseigner aux exosquelettes robotiques comment aider les personnes en bonne santé à effectuer divers mouvements. En règle générale, les utilisateurs doivent passer des heures à « entraîner » l’exosquelette afin que la technologie sache quelle force est nécessaire – et quand appliquer cette force – pour aider les utilisateurs à marcher, courir ou monter les escaliers. La nouvelle méthode permet aux utilisateurs de profiter immédiatement des exosquelettes.

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« Ce travail fait de la science-fiction une réalité, permettant aux gens de dépenser moins d’énergie tout en effectuant diverses tâches », explique Su.

« Nous avons développé une méthode pour former et contrôler des robots portables qui profitent directement aux humains », explique Xuzhen Lu, premier auteur de l’article et ancien chercheur postdoctoral à NC State. Luo est maintenant professeur adjoint à l’Université aéronautique Embry-Riddle.

Par exemple, lors de tests sur des humains, les chercheurs ont découvert que les participants à l’étude utilisaient 24,3 % d’énergie métabolique en moins lorsqu’ils marchaient avec un exosquelette robotique que lorsqu’ils marchaient sans exosquelette. Les participants ont utilisé 13,1 % d’énergie en moins lorsqu’ils couraient dans l’exosquelette et 15,4 % d’énergie en moins lorsqu’ils montaient les escaliers.

« Il est important de noter que ces réductions de puissance comparent les performances de l’exosquelette robotique à celles d’un utilisateur ne portant pas l’exosquelette », explique Su. « Cela signifie qu’il s’agit d’une mesure réelle de la quantité d’énergie économisée par l’exosquelette. »

Bien que cette étude se soit concentrée sur le travail des chercheurs auprès de personnes en bonne santé, la nouvelle méthode s’applique également aux applications d’exosquelettes robotiques visant à aider les personnes à mobilité réduite.

« Notre cadre peut offrir une stratégie généralisable et évolutive pour le développement rapide et l’adoption généralisée d’une variété de robots d’assistance pour les personnes en bonne santé et à mobilité réduite », explique Su.

« Nous en sommes aux premiers stades de tests des performances de la nouvelle méthode sur des exosquelettes robotiques utilisés par des personnes âgées et des personnes souffrant de troubles neurologiques, tels que la paralysie cérébrale. Nous souhaitons également explorer comment cette méthode peut améliorer les performances des dispositifs prothétiques robotiques. pour la population amputée.

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Cette recherche a été menée avec le soutien de la National Science Foundation sous les prix n° 1944655 et 2026622 ; Institut national de recherche sur le handicap, la vie indépendante et la réadaptation, dans le cadre de la bourse 90DPGE0019 et de la bourse de recherche suisse SFGE22000372 ; et les National Institutes of Health, sous le prix 1R01EB035404.

Shuzhen Luo et Hao Su sont co-inventeurs de la propriété intellectuelle liée au contrôleur évoquée dans ce travail. Su est également co-fondateur et détient un intérêt financier dans Picasso Intelligence, LLC, qui développe des exosquelettes.

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La NASA et Boeing évaluent les effets potentiels des fuites d’hélium sur le Starliner

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La NASA et Boeing évaluent les effets potentiels des fuites d’hélium sur le Starliner

La capsule Starliner de Boeing poursuit une inspection approfondie lors de sa toute première mission d’astronaute.

Starliner a été lancé le 5 juin, transportant les astronautes de la NASA Butch Wilmore et Sonny Williams vers la Station spatiale internationale (ISS) pour une croisière connue sous le nom de Crew Flight Test (CFT).

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La NASA partage une superbe image de la galaxie spirale poussiéreuse NGC 4414 ; Voici tout ce que vous devez savoir

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La NASA partage une superbe image de la galaxie spirale poussiéreuse NGC 4414 ;  Voici tout ce que vous devez savoir

L’agence spatiale américaine National Aeronautics and Space Administration (NASA) a publié une image époustouflante de la galaxie spirale poussiéreuse appelée NGC 4414. L’image a été prise par le télescope spatial Hubble de la NASA dans le cadre du projet majeur HST sur l’échelle de distance extragalactique en 1995.

Le télescope spatial Hubble, lancé en 1990, a modifié la compréhension fondamentale de l’univers, passant de la détermination de la composition atmosphérique des planètes en orbite autour d’autres étoiles à la découverte de l’énergie noire.

Revenant sur la galaxie spirale poussiéreuse, la NASA Hubble déclare : « Sur la base de mesures précises de la luminosité des étoiles variables (étoiles dont la luminosité fluctue) dans NGC 4414, les astronomes ont déterminé que la galaxie se trouve à 60 millions d’années-lumière. »

Elle a ajouté : « Ces informations ont aidé les scientifiques à mieux comprendre le taux d’expansion de notre univers, et nous en avons appris davantage sur la distance et la taille de nombreux objets cosmiques, et même sur l’âge de l’univers lui-même. »

En parlant de l’image partagée par la NSA Hubble, NGC 4414 est une galaxie spirale avec sa composition d’étoiles distincte dans ses différentes régions. Dans leurs régions centrales se trouvent une abondance d’étoiles jaunes et rouges, une caractéristique souvent associée aux amas d’étoiles plus anciens que l’on trouve généralement dans les galaxies spirales.

Dans les régions extérieures, NGC 4414 apparaît plus bleue. La NASA affirme que cette couleur bleuâtre indique la présence d’étoiles plus jeunes et plus chaudes, indiquant une formation d’étoiles en cours dans ces régions. L’image partagée par la NASA montre NGC 4414 comme une grande galaxie spirale avec un noyau jaune lumineux et des bras spiraux tentaculaires décorés de poussière brun foncé et d’amas d’étoiles.

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Selon la NASA Hubble, étant donné que la taille de la galaxie dépassait la capacité des détecteurs WFPC2, seule la moitié de NGC 4414 était visible dans les ensembles de données collectées par les astronomes dans le cadre du projet principal en 1995. Cependant, en 1999, l’équipe Hubble Legacy a revisité NGC. 4414 Et remplissez-le. Dans la partie manquante de son image en observant l’autre moitié en utilisant les mêmes filtres utilisés en 1995.

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Publié : 12 juin 2024, 07h16 IST

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