Если связь между устройствами осуществляется с помощью электронов, то живые объекты посылают сигналы и обрабатывают их с помощью ионов или протонов.

Специалисты по материаловедению из Университета Вашингтона (UW) построили новый транзистор, который использует протоны, создав ключевой элемент для устройств, которые могут напрямую устанавливать связь с живыми объектами.

Устройства, которые устанавливают связь с процессами в человеческом организме, изучаются для биологических целей или для протезирования, но в типичном случае они для связи используют электроны. «Здесь всегда существует проблема интерфейса – как электронный сигнал транслировать в ионный сигнал или наоборот, - говорит Марко Роланди (Marco Rolandi), адъюнкт-профессор UW. – Мы нашли биоматериал, который хорошо проводит протоны, и может потенциально служить интерфейсом с живыми системами».

В организме протоны активируют переключатели "on" и "off" и являются основными игроками в процессах переносах энергии. Ионы открывают и закрывают каналы в клеточной мембране. Животные, включая людей, используют ионы для сокращения мышц и передачи сигналов мозга. Машина, которая была бы совместима с живыми системами таким способом, могла бы за короткое время выполнить мониторинг таких процессов. Когда-нибудь она сможет генерировать протонный ток, чтобы напрямую управлять определенными функциями.

Первым шагом к такому типу управления является транзистор, который может посылать импульсы протонного тока. Прототип, построенный в UW, является первым таким устройством, использующим протоны. Его ширина около 5 мкм, примерно 1/12 толщины человеческого волоса.

«В нашем устройстве большая молекула биологического типа может перемещать протоны, и протонный ток может включаться и выключаться аналогично электронному току в любом другом полевом транзисторе», - сказал Роланди.

Устройство использует модифицированную форму компаунда хитозана (аминосахарида), первоначально экстрагированного их хитинового перышка кальмара, остаточной структуры от отжившей раковины. Материал совместим с живыми организмами и легок в производстве.

Научный сотрудник Чао Чжун (Chao Zhong) и аспирант Инсин Ден (Yingxin Deng) обнаружили, что эта форма хитозана хорошо транспортирует протоны. Хитозан абсорбирует воду и образует много водородных связей, поэтому протоны способны переходить от одной водородной связи к другой. Компьютерная модель транспорта заряда, развитая совместно с проф. М. П. Анатрамом (M.P. Anantram) и Анитой Рудсари (Anita Fadavi Roudsari) из Университета Ватерлоо, Канада, продемонстрировала хорошее совпадение с экспериментом.

Существующий прототип имеет кремниевую основу и не может быть использован в теле человека. Со временем, однако, будет разработана биосовместимая версия, которая может прямо имплантироваться в живые организмы для мониторинга и даже прямого управления определенными биологическими процессами.

          
Слева – цветное фото устройства, наложенное на рисунок других компонент. Справа – увеличенное изображение хитозановых волокон.

Команда исследователей разработала средства для наблюдения скорости, с которой корреляции могут распространяться в оптической решетке. Эксперимент, выполненный в Институте квантовой оптики Макса Планка, был первой демонстрацией метода, который может быть использован для измерения скорости их распространения.

В релятивисткой квантовой теории поля распространение сигнала ограничивается скоростью света в вакууме. Такого предела не существует в нерелятивистском случае, хотя в реальных физических системах с близкодействием можно ожидать, что скорость распространение сигнала ограничена. Вопрос, как быстро корреляции могут распространяться в многочастичной квантовой системе, изучался давно. Существование максимальной скорости распространения сигнала, известной как граница Либа-Робинсона (Lieb–Robinson bound), показано теоретически для нескольких многочастичных систем с локальным взаимодействием – такие системы могут рассматриваться как имеющие эффективный световой конус, который ограничивает скорость распространения корреляций. Существование такой своеобразной «скорости света» имеет чрезвычайно важное значение в физике конденсированного состояния и квантовой информатике, но еще не наблюдалось экспериментально.

Для определения ее величины исследователи спланировали эксперимент, который имел минимальное число переменных. Они выбрали одномерный квантовый газ атомов, захваченных оптической решеткой.Для ее формирования использовались два встречных лазерных пучка, которые охладили атомы и локализовали их в потенциальных ямах.

Затем очень быстро перенастроив лазеры, они смогли создать так называемую замороженную неравновесную систему (quenched system), в которой существовали возбуждения (квазичастицы). Эти квазичастицы могли перемещаться в решетке. Далее, измеряя расстояние, которое прошли квазичастицы за определенный отрезок времени, они смогли вычислить скорость, с которой они перемещались в решетке. Таким образом, впервые была выполнена количественная оценка границы Либа-Робинсона в эксперименте.

Результат, конечно, не является универсальной константой, подобной скорости света. В других материалах эта скорость может быть иной. Достижение может оказать сильное влияние на разработку эффективных квантовых каналов и способствовать созданию квантовых компьютеров.

Оптическая решетка (не одномерная) (Википедия)

Ученые из Института Фраунгофера оптимизируют технологии, которые позволят смотреть 3D ТВ без вспомогательных средств, таких как очки. Новая четырехкамерная система будет способна осуществлять передачу даже в режиме онлайн.

«3D-телевидение завоюет зрителей только тогда, когда не будет необходимости в использовании очков. Они создают дискомфорт и утомляют», - сказал Фредерик Цилли (Frederik Zilly) из Фраунгоферовского института телекоммуникаций в Берлине. Поэтому исследователи сотрудничают с двенадцатью партнерами в проекте MUSCADE над технологиями, которые позволили бы смотреть 3D-телевизор без очков.

Чтобы этого добиться, необходимы автостереоскопичесие дисплеи, которые покрываются специальной оптической пленкой. Они создают два различных изображения для левого и правого глаза, что является основным принципом объемного зрения. Чтобы обеспечить зрение с разных позиций, например, когда зритель двигает головой, эти дисплеи используют от пяти до десяти различных планов изображения. В будущем это число будет значительно больше. Как и в обычном стерео, используются только две позиции для создания изображения, однако захваченные изображения должны быть преобразованы перед их передачей для извлечения информации о глубине сцены. Для того чтобы получить более достоверную информацию о глубине, рекомендуется использовать более чем две камеры. В проекте MUSCADE используется четыре камеры, но это делает и без того сложное стереоизображения крайне запутанным и дорогим. «Калибровка четырех камер может занять несколько дней», - говорит Цилли.

Поэтому исследователи разрабатывают вспомогательную систему, которая сократит этот процесс до 30—60 мин. «Разработка базируется на нашей вспомогательной системе STAN, которая уже подтвердила свою эффективность для обычной стереопродукции. Но с четырьмя камерами калибровка намного сложнее», - объясняет Цилли. Это потому, что все позиции и все углы камер должны быть установлены в точности одинаково, так чтобы оптические оси были параллельны, все линзы имели одинаковое фокусное расстояние и все фокальные точки имели общую стереобазу. Чтобы достичь этого, ученые разработали сложный детектор, который распознает идентичные объекты в изображениях от всех камер. Учитывая их позиции, вспомогательная система калибрует каждую из камер.

Но даже после калибровки остаются небольшие неточности. Это является следствием того, что используются линзы с фиксированным фокусным расстоянием, которое в большинстве случаев имеет небольшие флуктуации. Такие остаточные ошибки могут быть откорректированы только электронным способом, например, с помощью цифрового трансфокатора. Эта последняя стадия корректировки выполняется новой вспомогательной системой в режиме реального времени.

Первый прототип новой системы был представлен на осеннем IBC trade show в Амстердаме.

Один из исследователей калибрует четырехкамерную вспомогательную систему

Терагерцевые технологии весьма перспективны для множества применений в медицине, военном деле, обеспечении безопасности и исследованиях, от диагностики рака до систем безопасности в аэропортах, проверки грузов и спектроскопии. Однако относительно мало известно о влиянии излучения таких частот на биологические системы. Поэтому команда исследователей из Лос-Аламосской национальной лаборатории оценила реакцию стволовых клеток мышей на облучение в этом диапазоне частот.

Они использовали низкоэнергетическое излучение как в форме импульса (10 ТГц), так и в непрерывной форме (2,52 ТГц). При этом применялись моделирование и эмпирические методы для минимизации влияния индуцированного излучением нагрева.

Исследователи обнаружили, что увеличение температуры было минимальным, и экспрессия протеинов не нарушалась, в то время как на экспрессию определенных генов излучение оказало слабое влияние. Так, стволовые клетки мезенхимы мышей выразили специфические изменения в клеточных функциях, близко связанных с экспрессией генов.

Они отметили, что необходимы прямые экспериментальные исследования способности терагерцевого излучения влиять на специфическое размыкание двойной спирали ДНК, чтобы полностью определить, как оно может через динамику ДНК влиять на клеточные функции.

Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) рекомендовал новые имена для элементов 114 и 116, самых последних тяжелых элементов, добавленных в периодическую таблицу.

Ученые из альянса Лоуренсовская национальная лаборатория в Ливерморе (LLNL) – Дубна предложили имя Flerovium для элемента 114 и Livermorium – для 116.

В июне 2001 г. IUPAC официально принял элементы 114 и 116 как самые тяжелые, более чем через 10 лет после того, как ученые из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне и Лоуренсовской лаборатории в Ливерморе их открыли.

Flerovium (атомный символ Fl) назван в честь Лаборатории ядерных реакций им. Флерова, где были синтезированы сверхтяжелые элементы.

Георгий Флеров (1913—1990) – знаменитый физик, который открыл спонтанное деление урана и был пионером в области физики тяжелых ионов. Он является основателем ОИЯИ. В 1991 г. в его честь была названа Лаборатория ядерных реакций.

Livermorium (атомный символ Lv) назван в честь LLNL и города Ливермор, штат Калифорния. Группа ученых из LLNL наряду с коллегами из Флеровской лаборатории принимала участие в работах по синтезу сверхтяжелых элементов, выполнявшихся в Дубне, включая 116.

Создание элементов 114 и 116 включало столкновения ионов кальция (с 20 протонами каждый) с мишенью из кюрия (96 протонов). При этом создавался элемент 116, который почти мгновенно распадался на 114-й. Ученые также синтезировали элемент 114 отдельно, заменив кюрий плутонием (94 протона).

Исследователи из Бирмингемского университете и Университета Ланкастер, анализируя данные экспериментов на ATLAS, сыграли основную роль в, как полагают, первом очевидном наблюдении новой частицы.

Бозон χ_b(3P) (chi_b(3P)) – новый способ объединения b-кварка и его антикварка. Новизна состоит в том, что кварк и антикварк объединяются с помощью сильного взаимодействия, такого же, что связывает нуклоны в атомном ядре.

Энди Чизхолм (Andy Chisholm), аспирант из Бирмингемского университета, который принимал участие в анализе экспериментальных данных, сказал: «Анализ миллиардов столкновений частиц на Большом адронном коллайдере (БАК) завораживает. В данных скрыты множество интересных вещей, и нам посчастливилось посмотреть в нужное место в нужное время».

«χ_b(3P) является частицей, которая предсказывалась многими теоретиками, но не наблюдалась в предыдущих экспериментах, таких как эксперимент D-Zero в Чикаго», - отметил д-р Джеймс Уолдер (James Walder) из Ланкастера, который также работал над анализом данных.

Как прокомментировала открытие д-р Мириам Уотсон (Miriam Watson) из Бирмингемской группы, более легкие партнеры χ_b(3P) наблюдались еще 25 лет назад. Новые измерения открывают дорогу для проверки теоретических вычислений сил, которые действуют между фундаментальными частицами, и продвинут нас на шаг вперед к пониманию того, как материя удерживается вместе, отметила она.

Вид на детектор ATLAS

Примерно пять лет назад в Университете Райса была разработана теория для объяснения электрических свойств нескольких классов материалов, включая нетрадиционные сверхпроводники, которая долго была спорной. Недавно были получены экспериментальные данные, находящиеся с ней в согласии.

Впервые теория была предложена в 2006 г. Цимяо Сы (Qimiao Si), профессором физики и астрономии из Университета Райса. Полученные данные являются важным шагом на пути к конечной цели – созданию единого теоретического описания квантового поведения высокотемпературных сверхпроводников и родственных материалов.

«Мы теперь имеем глобальную фазовую диаграмму для систем, содержащих тяжелые фермионы, своего рода путеводитель, который помогает объяснить предсказанное поведение нескольких различных классов материалов, - сказал проф. Сы. – Это важный шаг по дороге к единой теории».

Высокотемпературная сверхпроводимость – одна из наибольших нерешенных загадок современной физики. В середине 1980-х экспериментаторы открыли несколько компаундов, которые проводили ток с нулевым сопротивлением. Эффект наблюдался при очень низких температурах, но все же намного более высоких, чем для традиционных сверхпроводников.

В поисках путей для объяснения высокотемпературной сверхпроводимости физики открыли, что явление принадлежит к большому семейству так называемых эффектов коррелированных электронов.

В таких процессах электроны в сверхпроводнике ведут себя согласованно, как если бы они представляли собой единую сущность, а не большое собрание индивидуумов. Такие процессы имеют критические точки, называемые квантовые критические точки, в которых происходят фазовые превращения. Эти фазовые превращения подобны термодинамическим, однако имеют квантовую природу.

Материалы на границе магнетизма и сверхпроводимости, включая металлы с тяжелыми фермионами и высокотемпературные сверхпроводники, являются образцами систем с критическими квантовыми точками.

В 2001 г. Сы с коллегами предложил теорию для объяснения эффекта коррелированных электронов в системах с тяжелыми фермионами, которая теперь стала доминантной. Их теория «локального квантового критического состояния» предполагала, что и магнетизм, и электронные возбуждения играют роль в появлении квантовых критических точек.

Эксперименты в последнее десятилетие подтвердили роль обоих эффектов. Вдобавок, они показали, что квантовые критические точки разделяются по классам для разных типов материалов, включая несколько несверхпроводников.

«В свете экспериментальных данных возник важный вопрос, могут ли существовать единые принципы для объяснения поведения всех классов квантовых критических точек, которые наблюдались в материалах с тяжелыми фермионами», - сказал проф. Сы.

В 2006 г. он выдвинул новую теорию, преследующую эту цель. Эксперименты, проведенные два года назад, подтвердили, что теоретическая глобальная фазовая диаграмма может объяснить квантовое критическое поведение композитов YRS (ytterbium, rhodium and silicon), являющихся наиболее изученными материалами.

Группа, возглавляемая Силке Пашеном (Silke Paschen) из Венского технологического университета, исследовала новый материал – композит CPS (cerium, palladium and silicon). Оба, YRS и CPS, являются компаундами с тяжелыми фермионами. Однако YRS является композитом уложенных друг на друга двумерных слоев, а CPS имеет трехмерную кристаллическую структуру.

«В YRS коллапс электронных возбуждений встречается при наступлении магнитной упорядоченности, - пояснил Пашен. – В CPS также обнаружился подобный коллапс электронных возбуждений, но внутри упорядоченной фазы».

Чтобы объяснить разницу в наблюдениях, проф. Сы и соавтор, научный сотрудник Рон Ю (Rong Yu), привлекли эффект размерности.

«В системах, подобных YRS, уменьшение размерности усиливает квантовые флуктуации электронов, и это способствует их коллективному поведению, - говорит Ю. – В трехмерных материалах мы обнаружили, что квантовые флуктуации уменьшаются, и это оказывает влияние на квантовую критическую точку и коррелированное поведение в соответствие с теоретическими предсказаниями».

Проф. Сы сказал, что связь между квантовыми критическими точками CPS и YRS является важной для основного вопроса, как классифицировать и объединить квантовые критичности.

Аспиранты Венского технологического университета Ханнес Винклер (Hannes Winkler, слева) и Андрей Сидоренко являются соавторами новой статьи, которая проливает свет на эффект коррелированных электронов в материалах с тяжелыми фермионами

В последние несколько лет органические светодиоды (OLED) стали популярными источниками света благодаря своим преимуществам, позволяющим получать яркие дисплеи с широкими углами обзора, и возможностью печатать их (OLED) на гибких подложках. Менее известна альтернатива OLED, которая имеет те же преимущества плюс еще кое-что, к примеру, низкое пусковое напряжение, - электрохимические светоизлучающие ячейки (LEC).

В недавней разработке ученые объединили LEC с транзисторами, создав светоизлучающие транзисторы (LECTs), и впервые продемонстрировали, что зонами излучения этих устройств можно управлять.

Как объяснили ученые в своей статье, OLED ранее комбинировали с органическими полевыми транзисторами для получения светоизлучающих транзисторов. Была также продемонстрирована возможность управления зонами излучения. LEC также комбинировали с органическими транзисторами, но управлять пространственными зонами излучения до недавнего времени не удавалось. В то же время пространственное управление зонами излучения наделяет LEC рядом преимуществ, позволяя легко реализовать матрично-адресуемые дисплеи, а так же, потенциально, настраивать цвет.

Ключ к пространственному управлению излучением LEC лежит в управлении положением p-n перехода, где и излучается свет. В данном случае, ученые разработали устройство с тремя электродами, в котором p-n переход располагается между катодом и анодом. Третий электрод, затвор, изготовленный из ион-активного полимера, управлял положением p-n перехода посредством распределения ионов. Например, в нормальном режиме испускания напряжение прикладывается между катодом и анодом, так что p- и n-зоны симметричны и сбалансированы и переход происходит в середине.

В n-режиме (n-doping mode) положительное напряжение прикладывается между затвором и катодом, что сдвигает зону перехода к аноду. И наоборот, при приложении отрицательного напряжения между затвором и анодом, зона перехода сдвигается с катоду.

В итоге, p-n переход может перемещаться в пределах 500 мкм между катодом и анодом. Эта способность может предоставить возможность модуляции выходных характеристик источников света и дисплеев.

По мнению одного из авторов разработки, Магнуса Бергрена (Magnus Berggren) из Linkoping University, Швеция, LEC более перспективны для изготовления источников света, в то время как OLED более подходят для дисплеев.

Положение зоны испускания света изменяется соответственно переключению между разными режимами работы

Такое предположение высказала международная команда исследователей для объяснения присутствия межгалактического и межзвездного намагниченного газа.

Это проливает свет на свойства самых ранних звезд и галактик во Вселенной. Команду исследователей возглавляли Кристоф Федерат (Christoph Federrath) и Жиль Шабрье (Gilles Chabrier) из Лионского центра астрофизических исследований (CRAL).

Астрофизики предложили первое правдоподобное объяснение присутствию намагниченного газа между галактиками и между звездами в одной галактике: первоначально слабое магнитное поле могло быть усилено вследствие турбулентного движения, подобного тому, которое присутствует внутри Земли и Солнца, и которое должно было существовать на ранних стадиях формирования Вселенной.

«Согласно нашим наблюдениям, эта турбулентность привела к экспоненциальному росту магнитного поля, - объяснили Федерат и Шабрье. – Наши вычисления показывают, что это явление возможно даже в экстремальных физических условиях, которые создались во время Большого взрыва».

Их трехмерное цифровое моделирование воспроизвело, как магнитные силовые линии могли вытягиваться, закручиваться и складываться турбулентными «потоками». Взаимодействие между магнитным полем и турбулентной энергией плазмы может усилить первоначально слабое магнитное поле.

Сверхточный анализ некоторых старейших скальных образцов, проведенный исследователями из Бристольского университета, дал очевидные доказательства, что планетные доступные резервы ценных металлов являются результатом бомбардировки метеоритов более 200 млн лет после формирования Земли.

В процессе формирования Земли расплавленное железо оседало в ее центре, образовав ядро. Оно захватило с собой основную массу драгоценных металлов, таких как золото и платина. Фактически, в ядре имеется достаточно драгоценных металлов, чтобы покрыть всю поверхность Земли четырехметровым слоем.

Однако драгоценных металлов в силикатной мантии Земли в десятки и тысячи раз больше, чем ожидалось. Ранее это объяснялось мощным метеоритным дождем, который выпал на Землю после формирования ядра. Таким образом метеоритное золото осталось в мантии и не опустилось вниз.

Чтобы проверить эту теорию, д-р Матиас Уиллболд (Matthias Willbold) и проф. Тим Элиот (Tim Elliott) из Бристольской группы изотопов проанализировали горные породы Гренландии, возраст которых почти четыре миллиарда лет. Эти древние породы предоставили уникальную информацию о составе нашей планеты вскоре после формирования ядра, но перед предполагаемым метеоритным дождем.

Исследователи определили изотопический состав вольфрама в этих образцах. Подобно золоту и другим драгоценным металлам, он должен был войти в состав ядра при его формировании. Подобно большинству элементов, вольфрам состоит из нескольких изотопов. Изотопы обеспечивают надежные данные о происхождении материала и упавших на Землю метеоритах, оставляя диагностические метки в виде своего состава.

Д-р Уиллболд наблюдал относительное уменьшение на 15∙10^-6 изотопа W182 между гренландскими и современными скальными породами. Это изменение находится в отличном согласии с требуемым, чтобы объяснить излишек доступного золота на Земле как результат бомбардировки метеоритов. По словам д-ра Уиллболда, столь точный анализ изотопного состава вольфрама, имеющегося в таких малых количествах, выполнен впервые.

«Наша работа показала, что большинство драгоценных металлов, на которых базируется наша экономика и много ключевых индустриальных процессов, появились на нашей планете благодаря счастливой случайности, когда на Землю обрушилось 20∙10¹⁸ тонн астероидного материала», - сказал д-р Уиллболд.