Не в таком уж далеком будущем ученые смогут использовать ДНК для выращивания специализированных материалов благодаря концепции направленной эволюции. Ученые из Калифорнийского университета Санта-Барбары (UCSB) впервые использовали генную инженерию и молекулярную эволюцию для разработки ферментативного синтеза полупроводников.

«В мире технологий, созданных человеком, это будет новым методом, но это очень старый метод для природы», - сказал Лукмаан Бавазер (Lukmaan Bawazer), первый автор публикации «Эволюционный отбор ферментативносинтезированнных полупроводников из имитированных человеком минерализованных везикул».

Используя силикатеины, – протеины, ответственные за формирование скелетов из двуокиси кремния (кремнезема) в морских губках, – исследователям удалось сгенерировать новые минеральные архитектуры, направляя развитие этих энзимов. Силикатеины, которые генетически кодированы, служат в качестве шаблонов для кремнеземных скелетов и управляют их минерализацией, участвуя таким образом в процессах, подобных тем, посредством которых формируются скелеты у животных и человека. Двуокись кремния, известная также как кремний, является основным материалом в большинстве производимых полупроводников.

В данном исследовании полистироловые микробусинки, покрытые специфическими силикатеинами, подвергались реакции минерализации посредством выдерживания их в водно-масляной эмульсии, которая содержала химические предшественники для минерализации: силициды либо титан, растворенные в масляной или в водяной фазе эмульсии. По мере того как силикатеины вступали в реакцию с растворенными металлами, они осаждали их, объединяя металлы в результирующую структуру и формируя наночастицы из двуокиси кремния или двуокиси титана.

Создав пул генов силикатеина – комбинации и рекомбинации различных силикатеиновых генетических материалов – ученые смогли создать множество силикатеинов и затем выбрать материал с желательными свойствами.

Процесс привел к формам силикатеинов, не доступным в природе. Например, некоторые силикатеины самособирались в листы и образовывали рассеянные минеральные наночастицы, в противоположность агломерированным частицам, образуемых естественными силикатеинами в типичных случаях. В некоторых случаях образовывались также кристаллические материалы, демонстрируя способность к кристаллообразованию, которая приобреталась посредством направленной эволюции.

Поскольку силикатеины являются энзимами с относительно длинными аминокислотными цепочками, которые могут укладываться в точные формы, имеются возможности для большей функциональности, чем при использовании более коротких биополимеров или при более традиционных подходах синтезирования. В добавок, процесс потенциально мог бы работать с различными металлами, что позволило бы получать разные типы материалов. Изменяя лабораторную среду, в которой происходит направленная эволюция, возможно будет получать материалы со специфическими свойствами, к примеру, высокопроизводительные солнечные элементы.

Изображение показывает процесс синтеза двуокиси кремния с помощью направленной эволюции силикатеиновых протеинов

Не исключено, что наступит день, когда станет возможна передача электроэнергии от ветряной турбины, находящейся в открытом море, на сушу без потерь. Материалы, известные как высокотемпературные сверхпроводники (даже если эффект проявляется при температуре -140°C), могут превратить эту мечту в реальность.

Однако в последние 25 лет ученые не достигли сколь-нибудь значительного прогресса в этой области. Исследования, которые проводятся в Лаборатории квантового магнетизма (LQM) Швейцарского федерального технологического института (EPFL), могут изменить ситуацию. Изучение магнетизма в сверхмалых масштабах может дать физикам инструмент для исследования новых сверхпроводящих материалов.

Существует ряд керамических материалов, которые являются прекрасными изоляторами при комнатных температурах, но становятся совершенными проводниками при погружении в жидкий азот. Однако это явление, известное как высокотемпературная сверхпроводимость, не до конца понятно физикам. Они предполагают, что при этих температурах начинают играть роль коллективные квантовые магнитные свойства атомов. Но изучение магнитных свойств этих материалов на атомной шкале требует огромных усилий.

Марк Дин (Mark Dean), Джон Хилл (John Hill) и Айвэн Бозович (Ivan Bozovic) из Брукхэвенской национальной лаборатории, Тростен Шмитт (Thorsten Schmitt) из Института Поля Шеррера (PSI) и Бастиен Далла Пьяцца (Bastien Dalla Piazza) и Хенрик Роннов (Henrik Ronnow) из EPFL приоткрыли завесу над этим явлением. Используя уникальное устройство, команда из Брукхэвена создала слой толщиной в один атом. Затем ученые из PSI смогли применить сверхчувствительный прибор для измерения магнитной динамики атомов. А исследователи из EPFL уложили последний элемент мозаики с помощью математических моделей, описывающих результаты измерений.

«Теперь у нас есть своего рода маяк, который будет указывать нам направление наших дальнейших исследований», - объяснил Роннов. Без понимания того, как эти сверхпроводящие свойства возникают при данных температурах, исследователи пробирались к решению проблемы наощупь, используя метод проб и ошибок. Объединяя эти результаты с другими недавними работами, выполненными в LQM Николаем Цирулиным (Nikolai Tsyrulin), команда из EPFL разработала новый метод, который поможет физикам в их исследовании новых сверхпроводников. Это давно ожидаемый шаг в этой области, ведь Нобелевская премия за открытие высокотемпературной сверхпроводимости была вручена 25 лет тому назад.

Явление, впервые наблюдаемое античным греческим философом более 2300 лет назад, стало основой нового устройства, разработанного для сбора огромного количества теряемой в форме тепла энергии, для производства электричества.

Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang) с коллегами из Технологического университета Джорджии объяснил, что более 50% энергии, генерируемой в США каждый год, теряется в виде тепла, - от компьютеров и автомобилей и до линий электропередач. Тепло может быть преобразовано в электричество с помощью так называемого пироэлектрического эффекта, впервые описанного древнегреческим философом Теофрастом в 314 г. до н.э., когда он заметил, что турмалин производит статическое электричество и притягивает соломинки при нагревании. Нагревание и охлаждение перестраивают молекулярную структуру некоторых материалов, включая турмалин, и создают дисбаланс электронов, что приводит к появлению электрического тока. Группа д-ра Вана решила применить это явление для изготовления наногенератора, который будет использовать тепловые изменения в современном мире, к примеру, связанные с суточными колебаниями температуры, для производства электричества.

Чтобы сделать это, исследователи поместили нанопроволоку из окиси цинка в сложную конструкцию, составленную из краски, пластика и электроники. Используя массив коротких нанопроволок, поставленных вертикально, они продемонстрировали устройство, которое генерировало ток при нагревании или охлаждении. Ученые предполагают, что наногенератор может производить ток за счет флуктуаций дневной и ночной температур.

Новый тип наногенератора может быть основой для нанотехнологий с автономным питанием, которые используют термальную энергию температурных флуктуаций в окружающей среде для таких приложений, как беспроводные датчики, медицинская диагностика и персональная электроника.

Теории первичной Вселенной предсказывают существование узлов в структуре пространства, известной как текстура космоса, которые могут быть идентифицированы с помощью анализа реликтового излучения.

Используя данные спутника NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), исследователи из Лондонского университетского колледжа (UCL), Имперского колледжа Лондона и Perimeter Institute for Theoretical Physics (Канада) выполнили первый поиск текстуры на полном небосводе, и не обнаружили данных, подтверждающих наличие узлов в пространстве.

По мере того как Вселенная охлаждалась, она испытывала серию фазовых переходов, аналогичных тем, которые испытывает вода, превращаясь в лед. Много переходов не могли происходить согласованно во всем пространстве, приводя в ряде теорий к неоднородностям в структуре остывающего вещества, известным как космические текстуры.

Если бы в ранней Вселенной существовали текстуры, то они взаимодействовали бы с реликтовым излучением и оставили набор характерных горячих и холодных участков. Будучи обнаруженными, такие сигнатуры предоставили бы бесценную информацию о фазовых переходах, происходивших во Вселенной в возрасте долей секунды, и оказали бы глубокое влияние на физику элементарных частиц.

Предыдущее изучение, опубликованное в 2007 г. в Science, содержало привлекательный намек, что особенность реликтового излучения, известная как «холодная область», могла образоваться благодаря космической текстуре. Однако холодная область охватывает только около 3% небесной сферы, и анализ, использующий полную микроволновую карту неба, не выполнялся.

Новое изучение, опубликованное в Physical Review Letters, приняло в расчет самые лучшие пределы теорий о текстурах, исключив теории с 95% достоверностью, которые порождают более чем шесть детектируемых текстур на нашем небе.

Стивен Фини (Stephen Feeney) из департамента физики и астрономии UCL сказал: «Если бы текстуры наблюдались, они бы предоставили бесценную информацию о том, как работает природа при колоссальных энергиях, пролив свет на теорию объединения сил в физике».

В то же время, соавтор статьи Мэтт Джонсон (Matt Johnson) из Perimeter Institute отметил, что хотя экспериментальные данные о наличии таких объектов не обнаружены, это не последнее слово: через несколько месяцев они будут иметь доступ к более точным данным, полученным со спутника Планка. «Или мы обнаружим текстуры, или введем новые ограничения на теории, которые их предсказывают. Только время даст ответ», - добавил он.

Симуляция на суперкомпьютере случайного набора текстур в высоком разрешении. Красный цвет указывает положительное искривление плотности топологического заряда, голубой – на отрицательное

Хотя несколько строительных блоков для квантового компьютера уже успешно тестируются в лабораториях, сеть требует один дополнительный компонент – надежный интерфейс между компьютерами и информационными каналами. Физики из Инсбрукского университета сообщили о такой разработке.

Квантовые сети будущего обещают быть во много раз более производительными, чем современные. Эти сети требуют интерфейс, который сможет передавать данные от квантового процессора с помощью фотонов. Такой интерфейс позволит использовать оптоволокно в качестве канала связи между удаленными регистрами данных, которые, скорее всего, будут строиться на квантовых точках или ионах.

Физики ищут способы передачи квантовой информации между материей и светом на основе эффекта зацепления, при котором состояние одной из зацепленных частиц зависит от состояния другой. Теперь команда исследователей, руководимая Райнером Блаттом (Rainer Blatt), Трейси Нортап (Tracy Northup) и Андреасом Штуте (Andreas Stute), продемонстрировала первый настраиваемый интерфейс между одиночным ионом и одиночным фотоном.

Физики из Инсбрука захватили одиночный ион кальция в так называемую ловушку Поля и поместили его между двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения. Они возбудили ион с помощью лазера, что вызвало излучение зацепленного с ионом фотона, который поочередно отражался от зеркал. Настройка зацепления иона и фотона регулировалась с помощью частоты и амплитуды лазерного луча.

Эта техника имеет два существенных преимущества по сравнению с предыдущими подходами, зацеплявшими атом и свет. «Эффективность, с которой мы генерируем зацепленные фотоны, достаточно высока, и, в принципе, мы можем увеличить ее до 99%, - объяснила д-р Нортап. – Но важнее всего то, что наша установка позволяет генерировать любое возможное зацепленное состояние».

Основой экспериментальной установки является оптический резонатор из двух зеркал. Фотоны, отражаясь от них примерно 25 тыс. раз, взаимодействуют с ионом перед тем, как покинуть резонатор через одно из зеркал и попасть в оптическое волокно.

Эксперимент дает важную информацию о взаимодействии между светом и материей и может оказаться полезным для разработки квантовых компьютеров или будущих квантовых сетей.

   Основой установки является оптический резонатор из двух зеркал

Мобильные спонтанные сети (Mobile ad hoc networks – MANETs) позволяют людям, находящимся в многочисленных движущихся транспортных средствах, устанавливать связь друг с другом. Исследователи из государственного университета Северной Каролины (NCSU) разработали метод, повышающий качество и эффективность передачи данных в таких сетях.

«Наша цель – получить наивысшую возможную скорость передачи без ухудшения точности сигнала», - сказала проф. Александра Дуэл-Халлен (Alexandra Duel-Hallen).

Передача данных в мобильных спонтанных сетях является проблематичной, потому что каждый узел, который передает и принимает сигнал, находится в движении. И чем быстрее они движутся, тем труднее для сети определить эффективную последовательность ретрансляторов для передачи данных. Это происходит вследствие того, что мощность в канале передачи данных флуктуирует очень быстро при высоких скоростях.

Другими словами, передатчик может пытаться послать сообщение через ретранслятор А, потому что от него идет сильный сигнал. Однако поскольку и ретранслятор и передатчик движутся очень быстро, сигнал от А может ослабнуть за время, требуемое для передачи сообщения.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали метод, улучшающий способность каждого узла в сети выбирать наилучший путь для ретрансляции и передачи данных, что повышает надежность приема.

Когда узлу необходимо передать сообщение, он сначала измеряет уровень сигналов передачи, которые он получает от потенциальных ретрансляторов. Затем эти данные подставляются в алгоритм, который предсказывает, какой ретранслятор будет самым мощным, когда сообщение передается. Используя предсказания уровня сигнала ретранслятора, алгоритм также сообщает узлу скорость, на которой он будет передавать данные. Если он попытается послать слишком много данных слишком быстро, качество передачи снизится. Если скорость передачи будет слишком низкой, сеть будет малоэффективной.

Первый чип резистивной памяти (ReRAM) из чистой окиси кремния, работающий в условиях окружающей среды и открывающий возможности создания сверхбыстрой памяти, разработан исследователями из Лондонского университетского колледжа (UCL).

Наиболее часто ReRAM изготовляется из окислов металлов, чье электрическое сопротивление изменяется при приложении напряжения, и они «помнят» эти изменения даже при отключении питания. Чипы ReRAM обещают значительно лучшие устройства хранения, чем существующие технологии, такие как флэш-память, и требуют значительно меньше энергии и места.

Команда из UCL разработала новую структуру, составленную из окиси кремния, которая выполняет переключение состояний намного эффективнее, чем предыдущие устройства. В их материале расположение атомов кремния изменяется, образуя внутри твердого окисла кремния нити кремния, которые имеют меньшее сопротивление. Наличие или отсутствие этих нитей и представляет переключение состояния из одного в другое.

В отличие от других чипов на окиси кремния, которые сегодня разрабатываются, чип UCL не требует вакуума для работы, и поэтому потенциально дешевле и долговечнее. Разработка также увеличивает шансы получения прозрачных чипов памяти для использования в сенсорных экранах и мобильных устройствах.

Д-р Тони Кеньон (Tony Kenyon) говорит, что их ReRAM нуждаются только в тысячной доле энергии и примерно в сто раз быстрее, чем стандартные чипы флэш-памяти.

Подобные устройства известны как мемристоры. Первые практические чипы базировались на двуокиси титана и были продемонстрированы в 2008 г. Разработка мемристоров из окиси кремния является огромным шагом вперед, поскольку они потенциально могут инкорпорироваться в кремниевые чипы.

Новая технология ReRAM была открыта случайно в процессе разработок по получению кремниевых LED на основе окиси кремния. В процессе проекта исследователи заметили, что их устройства проявляют свойства нестабильности. Более детальное изучение этого явления было поручено аспиранту Аднану Мехонику (Adnan Mehonic). Он обнаружил, что материал не был нестабилен в общем, а переключался из проводящего состояния в непроводящее предсказуемым образом.

Новые устройства могут найти применение не только в качестве чипов памяти. Команда изучает возможности использования такого материала в процессорах.

                      Фотография устройства ReRAM UCL

Мощный лазерный луч может выбить электрон из атома. Этот процесс происходит практически мгновенно. Однако в Венском технологическом университете это явление могут теперь наблюдать с разрешением по времени менее чем 10 аттосекунд (10 ^-18 с). Ученые смогли наблюдать ионизацию атома и появление свободного электрона. Эти измерения дают ценную информацию об электронах в атоме, которые до недавнего времени не были экспериментально доступны с точки зрения эволюции электронной квантовой фазы.

В эксперименте короткие лазерные импульсы направлялись на атом. Лазерный импульс выбивал электрон из атома, но точный момент, в который это происходило, не мог быть определен. «Электрон не удалялся из атома в какой-то временной точке в процессе взаимодействия с лазерным импульсом. Присутствовала суперпозиция нескольких процессов, как это часто бывает в квантовой механике», - сказал д-р Маркус Китцлер (Markus Kitzler) из Института фотоники при Венском ТУ. Одиночный электрон покидает атом в различные моменты времени, и эти процессы интерферируют, давая в результате сложную волновую картину. «Эта квантовомеханическая интерференция дает нам информацию о начальном квантовом состоянии электрона в течение процесса ионизации», - пояснил проф. Иоаким Бургдерфер (Joachim Burgdörfer) из Института теоретической физики, чья исследовательская группа тесно сотрудничала с экспериментаторами из Института фотоники.

Квантовые частицы могут интерферировать подобно волнам. Длина волны электронов крайне коротка, квантовая фаза быстро изменяется. «Обычно измерить квантовую фазу очень трудно», - сказал д-р Китцлер. Теперь с помощью высокоточных экспериментов и скрупулезных теоретических вычислений данные о квантовой фазе электрона могут быть получены.

Важным инструментом в этих измерениях был специальный лазерный пучок, состоящий из двух лучей разной длины волны. Лазерный импульс, взаимодействующий с атомом, мог быть настроен очень точно. Используя такие импульсы, ученые могли измерить квантовую фазу электрона, находящегося внутри атома, перед тем, как он выбивался лазером. «Эта квантовая фаза, которую мы можем теперь измерить, также говорит нам об энергетических состояниях электрона внутри атома и о положении, при котором произошла ионизация», - сказал д-р Китцлер. Чтобы сделать это, ученые должны измерить квантовую фазу за менее чем 10 аттосекунд

           .

Туннельная ионизация атомов (синий) в поле лазерного луча (красный) «рождает» электронную пару

Новое исследование, выполняемое в Университете Гетеборга (Швеция), показывает, что графен и углеродные нанотрубки могут улучшить электронику, используемую в компьютерах и мобильных телефонах.

В основе обоих материалов, имеющих уникальные свойства, лежит углерод. «Если растянуть графеновый лист от одного конца к другому, он может колебаться с частотой 1 ГГц, - сказал д-р Андерс Норденфелт (Anders Nordenfelt). – Это частота того же диапазона, который используют мобильные телефоны и компьютеры». Высокие резонансные механические частоты значат, что углеродные нанотрубки и графен могут принимать радиосигналы. «Вопрос в том, могут ли они также эффективно генерировать такой тип сигнала управляемым способом», - заметил Андерс Норденфелт.

В своем исследовании д-р Норденфелт провел математический анализ, чтобы продемонстрировать, что возможно соединить нанопроволоку с довольно простой электронной цепью и с помощью прикладываемого магнитного поля вызвать механические колебания. «В то же время мы преобразовываем постоянный ток в переменный с частотой механических колебаний», - сказал д-р Норденфелт.

Один из неожиданных и очень интересных результатов, по мнению д-ра Норденфелта, заключается в том, что предложенный им метод позволяет получить колебания нанопроволоки на одной из ее гармоник. При этом гармоники можно менять с помощью изменения размеров одного или более электронных компонентов. В дальнейшем исследователи планируют получить сигналы в терагерцевом диапазоне.

Эта область исследований является весьма интересной, поскольку лежит на границе микроволнового и инфракрасного диапазонов, которая включает частоты слишком высокие для электронных цепей и слишком низкие для оптических.

«Мы не можем получить такие высокие частоты при данном положении вещей, но, может быть, это удастся сделать в будущем», - сказал в заключение д-р Норденфелт.

Ученые из Лоуренсовской национальной лаборатории и Калифорнийского университета (все в Беркли), используя уникальную оптическую ловушку, в которой создается ансамбль сверхохлажденных атомов, впервые прямо наблюдали отчетливые квантовые оптические эффекты – усиления и сжатия света – в оптомеханической системе.

Их открытие указывает путь к квантовым оптическим устройствам с низким потреблением энергии и улучшенным детекторам гравитационных волн. «Мы впервые показали, что квантовые флуктуации в световом поле являются ответственными за движение объектов много больших, чем электрон, и могут, в принципе, привести в движение действительно макроскопические объекты», - сказал Дэниэл Брукс (Daniel Brooks), ученый из отдела материаловедения Berkley Lab’s, член исследовательской группы Дэна Стампер-Керна (Dan Stamper-Kurn).

В оптическом резонаторе свет определенных частот усиливается, а перемещение механического резонатора внутри оптического изменяет резонансную частоту света, который проходит через оптический резонатор. В то время, когда свет проходит через оптический резонатор, он действует подобно «световому буксиру», толкая взад и вперед механический резонатор.

Если оптический резонатор очень высокого качества и механический резонаторный элемент внутри полости оптического резонатора – атомарного размера и охлажден почти до абсолютного нуля, то полученный оптомеханический резонатор может быть использован для определения самых малых механических движений. И обратно, даже наименьшая флуктуация света может вызвать раскачивание атомов. Изменяя характеристики света можно управлять движением атомов. Это не только открывает дверь для фундаментального изучения квантовой механики, которая может больше сказать нам о «классическом» мире, в котором мы живем, но и дает выход в такие области, как квантовая обработка информации, создание сверхчувствительных датчиков силы и другие, которые сегодня могут казаться фантастическими.

Исследователи из Berkeley Lab впервые наблюдали квантовые оптические эффекты – усиление и пондеромоторное сжатие – в оптомеханической системе. Здесь желто-красная область показывает усиление, синяя область - сжатие. Слева – данные эксперимента, справа – теоретическое предсказание в отсутствие шума

Исследователи из Беркли сначала применили классическую модуляцию света к низкоэнергетическому лучу накачки (36 пВт), входящему в их оптический резонатор, чтобы продемонстрировать, что их система ведет себя как оптомеханический параметрический усилитель. Затем они погасили классическое движение и измерили ответ на флуктуации вакуума. Это позволило им наблюдать сжатие света вследствие его взаимодействия с колеблющимся ансамблем и движение атомов, вызванное квантовыми флуктуациями света. Усиление и это сжимающее взаимодействие были давно искомой целью оптомеханических исследований.

«Параметрическое усиление в типичном случае требует высокоэнергетического луча накачки, но малая масса нашего ансамбля требует очень мало фотонов, чтобы включать и выключать взаимодействие, - сказал Брукс. – Пондеромоторное сжатие, которое мы наблюдали, правда, в узкой полосе частот, было естественным следствием имеющегося дробового эффекта в нашей системе, вызванного давлением света». Так как сжатый свет улучшает чувствительность детекторов гравитационных волн, эффект пондеромоторного сжатия может сыграть существенную роль в будущих детекторах.

Исследовательская группа Стампер-Керна разработала микроскопическую атомную систему на чипе, которая является магнитной ловушкой для захвата газа из тысяч сверхохлажденных атомов