Znajdź zawartość

Naukowcy pracujący w należącym do NASA Langley Research Center, rozwijają technologię, która wygląda jak z powieści science-fiction. W komorze próżniowej dzięki strumieniowi elektronów na podstawie szczegółowego rysunku powstają trójwymiarowe przedmioty. Technika Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3) tworzy je warstwa po warstwie, a wszystko, czego potrzebuje to rysunek oraz źródło surowca kompatybilnego ze strumieniem elektronów. Karen Taminger, która szefuje projektowi EBF3 mówi, że chociaż obecnie tworzone są stosunkowo proste przedmioty, możliwości technologii na nich się nie kończą. W przyszłości dzięki niej będzie można tworzyć części potrzebne w przemyśle lotniczym, kosmicznym czy medycynie. Praca nad przedmiotem rozpoczyna się od stworzenia szczegółowego trójwymiarowego rysunku tego, co chcemy uzyskać. Komputer dzieli go na poszczególne warstwy i przekazuje dane do EBF3. Tam strumień elektronów, padający na wirującą podstawę tworzy warstwa po warstwie, dzięki dostarczaniu odpowiedniego materiału, potrzebny przedmiot. Materiał, z którego tworzony jest przedmiot, musi być kompatybilny z urządzeniem, a więc musi łatwo się rozgrzewać i przechodzić do formy płynnej pod wpływem elektronów. Do tego celu idealnie nadaje się aluminium. Co więcej, może być ono używane w połączeniu z jeszcze innym metalem. EBF3 potrafi korzystać z dwóch źródeł materiału, tworząc na poczekaniu odpowiedni stop. Jedną z olbrzymich zalet nowej technologii jest możliwość umieszczenia w aluminiowym przedmiocie światłowodu, czego nie udało się osiągnąć innymi metodami. Dzięki temu podczas produkcji np. części do samolotu będzie można od razu umieścić w nich czujniki na bieżąco monitorujące pracę danego elementu. Na razie EBF3 pracuje na Ziemi, jednak NASA już wyprodukowała mniejszą i lżejszą wersję urządzenia, które pomyślnie przeszło testy nieważkości. EBF3 trafi na Międzynarodową Stację Kosmiczną. W przyszłości załogi stałych księżycowych baz zostaną wyposażone w tego typu urządzenia, dzięki czemu będą mogły produkować części zamienne na miejscu, z materiałów pozyskanych z księżycowego gruntu i nie będą musiały czekać na dostawy z Ziemi.

Uczeni z niemieckiego uniwersytetu w Regensburgu poinformowali o przeprowadzeniu przełomowego eksperymentu na drodze do wykorzystania spintroniki w komputerach. Udało im się w temperaturze pokojowej wprowadzić elektrony do krzemu i ustawić spin większości z nich w tym samym kierunku. Spin elektronów jest łatwo ustawić w magnetykach. Jednak w półprzewodnikach stanowi to poważne wyzwanie. By tego dokonać należy odpowiednio ustawić spin elektronów w materialne magnetycznym, a następnie przetransportować elektrony do półprzewodnika uważając, by zachować spin. Dotychczas udawało się to tylko w niezwykle niskich temperaturach albo też przy wykorzystaniu drogich materiałów, takich jak arsenek galu. Tymczasem Jaroslav Fabian i jego koledzy przetransportowali elektrony do krzemu w temperaturze pokojowej. Prace zaczęli od stopu niklu i żelaza, używanego np. do budowy głowic w dyskach twardych. To był ich materiał magnetyczny. Ułożyli go na krzemie, a pomiędzy oboma materiałami umieścili jednonanometrową warstwę tlenku aluminium. Działa on jak izolator, jednak po przyłożeniu doń napięcia część elektronów została przetransportowana do krzemu. Tlenek aluminium ma tę właściwość, że tunelowanie przez ten materiał jest łatwiejsze dla elektronów o określonym spinie, a więc większość z tych, które trafiły do krzemu, miały ten sam spin. Eksperyment jest przełomowy, gdyż pokazuje prostą i skuteczną technikę transportowania w temperaturze pokojowej elektronów o tym samym spinie z magnetyka do półprzewodnika. Jego przeprowadzenie nie oznacza jednak, że wkrótce rozpocznie się epoka spintronicznych komputerów. Do rozwiązania pozostały bowiem bardzo poważne problemy. Naukowcy muszą się nauczyć przede wszystkim, w jaki sposób zmieniać spin elektronów, które już znalazły się w półprzewodniku.

Łączna długość nici DNA w komórkach człowieka wynosi niemal dwa metry, a mimo to komórkowa maszyneria enzymatyczna doskonale radzi sobie z wykrywaniem i naprawą uszkodzeń genomu. Jak to możliwe? Badacze z University of North Texas twierdzą, że poznali możliwe wyjaśnienie tego fenomenu. Zdaniem zespołu dr. Arkady'ego Krokhina, swoją niezwykłą zdolność do kontroli własnego stanu DNA zawdzięcza... właściwościom elektrycznym. Mówiąc ściślej, z przedstawionych przez nich danych wynika, że odcinki DNA zwane intronami, które należą do genów, lecz nie przenoszą informacji wykorzystanej np. podczas syntezy białka, wykazują stosunkowo niski poziom przewodnictwa elektrycznego. Dla porównania, eksony, czyli sekwencje kodujące, są stosunkowo dobrymi przewodnikami. Swoją zdolność do przewodzenia ładunków elektrycznych eksony zawdzięczają budowie chemicznej, umożliwiającej powstanie puli tzw. elektronów zdelokalizowanych. Oznacza to, że nie są one ściśle związane z żadnym atomem i posiadają znaczny zakres ruchliwości. Z fizycznego punktu widzenia ich ruch wzdłuż nici DNA nie różni się praktycznie od przepływu elektronów w typowym przewodzie elektrycznym. Badacze z Teksasu spekulują, że odkryte zjawisko może być wykorzystywane przez wewnątrzkomórkowe systemy wykrywania uszkodzeń DNA. Jeżeli bowiem charakterystyka przepływu ładunków w cząsteczce ulega zaburzeniu, może to oznaczać, że doszło w nim do uszkodzenia materiału genetycznego. Po wstępnym "namierzeniu" wady na miejsce mogłyby być przywoływane enzymy naprawcze, które zajęłyby się odbudową nici DNA. Dokonane odkrycie może także wyjaśniać, dlaczego jedne miejsca w genomie są bardziej podane na mutacje (czyli utrwalone uszkodzenia DNA przekazywane komórkom potomnym) od innych. Zdaniem dr. Krokhina może się tak dziać, ponieważ "pomiar" przewodnictwa elektrycznego niektórych odcinków nici DNA może być utrudniony. Trzeba przyznać, że hipoteza zaproponowana przez naukowców z Teksasu jest dość odważna. Nietrudno jednak zauważyć, że jest ona także bardzo spójna, zaś powtarzalność różnic pomiędzy eksonami i intronami rzeczywiście dają do myślenia. Ewentualne potwierdzenie lub odrzucenie teorii o "elektrycznym" wykrywaniu uszkodzeń DNA będzie jednak wymagało dalszych badań.

Jak twierdzi doktor Hector J. De Los Santos z kalifornijskiego NanoMEMS Research, komputery przyszłości mogą pracować nie dzięki przepływowi elektronów, a fal poruszających się w "cieczy elektronowej". To rozwiązałoby problem z dochowaniem wierności Prawu Moore'a. Obowiązujące od ponad 40 lat prawo przewiduje, że co 18 miesięcy liczba tranzystorów w układzie zwiększa się dwukrotnie. Obecnie już wiadomo, że wykorzystując współczesną technologię CMOS za kilka lat będziemy mieli poważne problemy z zachowaniem Prawa Moore'a. Dlatego też De Los Santos opracował koncepcję nazwaną nano-electron-fluidic logic (NFL), która zakłada wykorzystanie przepływu plazmonów w podobnym cieczy gazie elektronów. Uczony przewiduje, że takie rozwiązanie pozwoli na przełączanie bramek w ciągu femtosekund przy rozpraszaniu energii mniejszym niż femtodżul. Naukowiec wyjaśnia, że jego teoria korzysta z właściwości fali plazmonów powierzchniowych (SPW). Poruszają się one wzdłuż powierzchni styku dwóch materiałów, których stałe dielektryczne mają przeciwne znaki. Mogą więc poruszać się w układzie scalonym zbudowanym z materiałów o różnych właściwościach. Koncepcja De Los Santosa zakłada uruchomienie jednak SPW, a zaraz później innej SPW, która znajdzie się na kolizyjnym kursie do pierwszej fali. Po kolizji fale rozproszą się w jednym z dwóch możliwych kierunków. Ich obecność będzie interpretowana jako "1", ich brak jako "0". Proces obliczeniowy rozpoczyna się zatem od SPW1 poruszającej się w elektronowym gazie wzdłuż kanału, który na końcu się rozdwaja. Obie jego odnogi są wyposażone w odpowiednie czujniki. Z obu boków do kanału, jeszcze przed miejscem, w którym się on rozdwaja, dochodzą dwa dodatkowe kanały. Każdym z nich możemy puścić dodatkową SPW2, która zderzy się z SPW1. Gdy np. puścimy ją z prawej strony to SPW1 trafi do lewego rozgałęzienia, gdzie jej obecność zostanie uznana za "1". Koncepcja De Los Santosa nie wykorzystuje zatem, jak ma to miejsce w technologii CMOS, przepływu cząstek, ale przepływ fali. Cząstki, podobnie jak wtedy, gdy wrzucimy kamień do wody, pozostają w tym samym miejscu, poruszając się tylko w górę i w dół. Tym samym rozprzestrzenianie się fali zakłócenia nie wymaga przenoszenia masy. Dzięki temu przesuwają się szybciej niż elektrony - mówi De Los Santos. W technologii CMOS poruszające się elektrony wchodzą w interakcje z zanieczyszczeniami w materiale, z którego zbudowany jest układ scalony i z samym materiałem, co ogranicza ich prędkość oraz zwiększa wydzielanie ciepła. NFL jest pozbawiona tych wad. Kluczem do sukcesu NFL jest zoptymalizowanie odpowiedniej "gęstości" układu scalonego. SPW z czasem zanikają, a więc odległość, którą mają przebyć musi być tak dobrana, by fala dotarła do wyznaczonego celu. W przeciwnym razie zaniknie i nie dojdzie do wykonania żadnej operacji logicznej. Odległość nie może być też zbyt mała, gdyż fala dotrze do celu, odbije się, powróci do punktu wyjścia i ponownie się odbije wywołując rezonans w wykrywających ją czujnikach. Należy więc dobrać taki rozmiar kanałów, którymi będą poruszały się SPW, by fala nie zaniknęła przed ich końcem i by po odbiciu się nie dotarła do punktu wyjścia. De Los Santos przewiduje, że największa gęstość urządzenia będzie równa wielkości najmniejszego możliwego plazmonu, którym jest układ dwóch różnoimiennych ładunków (dipol). Jako że najmniejszym dipolem jest atom, oznacza to, że NFL może teoretycznie wykonywać działania logiczne na powierzchni czterokrotnie mniejszej niż CMOS. Kolejną zaletą wykorzystania fali plazmonów powierzchniowych jest ich olbrzymia prędkość wynosząca miliard centymetrów na sekundę. To oznacza, że układy scalone wykorzystujące SPW mogłyby pracować w temperaturze pokojowej z prędkością nawet 6 THz. Co więcej, operacje odbywałyby się przy zużyciu minimalnej ilości energii. Do wzbudzenia SPW wystarczy bowiem prąd stały o natężeniu większym od zera. Podtrzymanie istnienia elektronowego gazu wymaga użycia tak małych ilości energii, że są to wartości pomijalne. Innymi słowy, do pracy układu wykorzystującego NFL wystarczy minimalna wykrywalna ilość energii. Jakby tego jeszcze było mało, koncepcja NFL jest kompatybilna z obecnie używanymi procesami litograficznymi. Do produkcji nowego typu układów można wykorzystać zatem już istniejące urządzenia i można łączyć NFL z CMOS.

W najbliższych tygodniach w Nature ukaże się artykuł Evy Andrei i jej kolegów z Rugers University, w którym opisują odkryte przez siebie nowe właściwości grafenu. W przyszłości ich odkrycie może doprowadzić do powstania wyjątkowo wydajnych urządzeń elektronicznych. Naukowcy zaobserwowali, że elektrony w grafenie mogą silnie ze sobą oddziaływać. Wcześniej jedynie teoretyzowano, iż jest to możliwe. Teraz zjawisko, podobne do nadprzewodnictwa, zaobserwowano w laboratorium. W grafenie zachodzi ono dzięki nowemu stanowi materii, w skład którego wchodzą częściowo naładowane kwazicząsteczki i dochodzi do transportowania ładunku bez jego rozpraszania się. W większości materiałów elektrony mają masę, jednak w grafenie jej nie mają, co kazało wielu naukowcom wątpić, czy w takiej sytuacji uda się zaobserwować silne oddziaływania pomiędzy elektronami. Nasza praca wykazała, że wcześniejsze nieudane próby zaobserwowania skorelowanego zachowania nie były powodowane naturą grafenu - mówi Eva Andrei. Przyczyną były interferencje ze strony materiału, na którym umieszczano grafen oraz próbników wykorzystywanych podczas badań. Do obserwacji zachowania relatywistycznych kwazicząsteczek w grafenie wykorzystano ułamkowy kwantowy efekt Halla. Ma on miejsce, gdy nośniki ładunku poruszają się w dwuwymiarowej przestrzeni i są poddane działaniu pola magnetycznego. Gdy interakcje pomiędzy takimi nośnikami są wystarczająco mocne, dochodzi do powstania nowych kwazicząsteczek o ładunku stanowiącym ułamek ładunku elektronu. Występowanie ułamkowego kwantowego efektu Halla to dowód na silne skorelowane zachowanie naładowanych cząstek. Dotychczas nie było jednak pewne, czy pozbawione masy elektrony będą zachowywały się w ten sam sposób. Odkrycie naukowców z Rutgers University powinno zachęcić innych specjalistów do badań nad grafenem, dowodzą one bowiem, że materiał ten może w przyszłości zastąpić krzem.

W Nature Photonics grupa naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (UCSD) i Santa Barbara (UCSB) informuje o stworzeniu hybrydowego elektroniczno-fotonowego układu scalonego, który pracuje w temperaturze około 100 kelwinów. To wciąż bardzo niska temperatura (ok. -173 stopnie Celsjusza), jednak dotychczas podobne kości pracowały w temperaturach około 1,5 kelwinów. Naszym celem jest stworzenie wydajnego urządzenia wykorzystującego ekscytony, które będzie pracowało w temperaturze pokojowej i zastąpi urządzenia elektroniczne tam, gdzie ważne jest szybkie przesyłanie danych - stwierdził Leonid Butov, fizyk z UCSD. Nasze badania wciąż znajdują się na bardzo wczesnym etapie. Niedawno nasz zespół przeprowadził dowód na możliwość skonstruowania tranzystora bazującego na ekscytonach. Prowadzimy dalsze badania - dodał. Ekscytony to pary składające się z negatywnie naładowanych elektronów i pozytywnie naładowanych "dziur". Mogą być one tworzone przez światło w półprzewodnikach (np. w arsenku galu). Gdy dochodzi do połączenia dziury i elektronu, następuje rozpad ekscytonu i uwalniana jest energia w postaci błysku światła. To z kolei oznacza, że urządzenia bazujące na ekscytonach mogą być znacznie bardziej wydajne, niż urządzenia elektroniczne. W tych ostatnich konieczna jest konwersja sygnału elektrycznego do światła przed wysłaniem danych. Nasz tranzystor przetwarza sygnały używając do tego celu ekscytonów, które, podobnie jak elektrony, mogą być kontrolowane za pomocą napięcia elektrycznego, jednak w przeciwieństwie do elektronów, po opuszczeniu obwodu samoistnie zmieniają się w fotony. Takie sprzężenie pomiędzy ekscytonem a fotonem wypełnia lukę pomiędzy komunikacją a obliczaniem.

Naukowcom z University of Cambridge udało się przeprowadzić separację spinowo-ładunkową w wąskim przewodzie. Uzyskano w ten sposób dwie kwazicząsteczki - spinony i holony. Zjawisko takie zostało teoretycznie przewidziane przed ponad 40 laty. Separacja spinowo-ładunkowa polega na rozpadzie elektronu na dwie kwazicząsteczki. Jedna z nich, spinon, niesie spin elektronu, a druga, holon, jego ładunek. Po raz pierwszy separację zaobserwowano w 2006 roku w Lawrence Berkeley National Laboratory. W zwykłych warunkach elektron jest niepodzielny. Jednocześnie niesie ładunek elektryczny i magnetyczny. Jednak gdy mamy do czynienia z licznymi elektronami ściśniętymi w małej przestrzeni, muszą one tak zmodyfikować swój sposób poruszania się, by nie zbliżyć się zbytnio do siebie. W 1981 roku Duncan Haldane przewidział, że w bardzo wąskim przewodzie elektrony zawsze zmodyfikują sposób poruszania się i zajdzie "oddzielenie" magnetyzmu od ładunku, a więc uzyskamy spinony i holony. Najpoważniejszym wyzwaniem było zaprojektowanie takiego "kwantowego przewodu", w którym elektrony się rozpadną. Yodchaj Jompol i Chris Ford z University of Cambridge, korzystając z wcześniejszych badań nad magnetyzmem, stworzyli całą grupę nanokabli ułożonych 30 nanometrów nad elektronami pochodzącymi z metalu. Następnie całość potraktowali prądem elektrycznym. Badania prowadzono w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu. Jak twierdzą specjaliści, tego typu badania przybliżają nas do kolejnej rewolucji w dziedzinie elektroniki. Możliwość powtarzania takich eksperymentów, obserwacja zachowania spinonów i holonów dają nadzieję, że w przyszłości nauczymy się kontrolować tego typu cząstki. To z kolei będzie niezwykle przydatne w badaniach nadprzewodnictwa czy w pracach nad komputerami kwantowymi.

Moda na żywność organiczną, tzn. powstającą bez stosowania sztucznych dodatków, opanowała już wiele krajów. Idea ta ma wiele zalet, lecz istotną wadą jest podwyższone ryzyko skażenia mikrobiologicznego. Aby uniknąć dodawania środków bójczych, naukowcy proponują bombardowanie pożywienia elektronami. Jeszcze kilka lat temu produkty organiczne były sprzedawane wyłącznie w małych sklepikach, a dostawcy tego typu pożywienia byli często uważani za ekscentryków. Z biegiem czasu okazało się jednak, że popyt na te produkty zaczął znacząco się rozrastać. Wraz z nadejściem mody na żywność bez dodatku syntetycznych środków ochrony roślin okazało się jednak, że zarówno na powierzchni pędów, jak i w głębi nasion przeżywa ogromna ilość mikroorganizmów. Część z nich jest potencjalnie szkodliwa dla człowieka, przez co poszukiwanie rozwiązania tego problemu było niemal konieczne. Z odpowiedzią na zapotrzebowanie przyszli naukowcy z Instytutu Wiązek Elektronowych i Technologii Plazmowej należącego do Instytutu Fraunhofera. Jak tłumaczy jeden z naukowców biorących udział w badaniach, dr Olaf Röder, jeśli plony zbóż poddają się chorobie, dzieje się tak zwykle z powodu mikroskopijnych grzybów i zarodników obecnych na zewnętrznej powierzchni oraz w łupinach nasion. Zamiast używać środków chemicznych w celu usunięcia tych zarodników, zastosowaliśmy przyśpieszone elektrony. Zasada opracowanej technologii jest prosta: wysyłane przez odpowiedni aparat cząstki mają wysoką energię kinetyczną, dzięki czemu potrafią niszczyć wiązania chemiczne wchodzące w skład cząsteczek należących do ciała grzyba. Co jest jednak ważne, dzieje się to bez podnoszenia temperatury dezynfekowanego materiału, dzięki czemu wpływ na smak produktu jest znacznie mniejszy, niż w przypadku dezynfekcji przez gotowanie. Naukowcy z Instytutu Fraunhofera wybudowali już prototypową stację oczyszczania żywności organicznej. Jest ona zdolna przyjąć trzydzieści ton nasion w ciągu godziny. Bardzo istotną zaletą stosowanego w niej procesu technologicznego jest precyzja. Dawka energii przenoszonej przez elektrony jest dobrana tak, by docierały one wyłącznie do zewnętrznych warstw nasion. Dzięki temu materiał siewny zachowuje pełną zdolność do kiełkowania, pozwalając nie tylko na jego spożywanie, ale także na wykorzystanie podczas kolejnego sezonu wegetacyjnego.

Naukowcom z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley udało się przepuścić światło przez niezwykle małą szczelinę. To, co może wyglądać na czysto akademickie badania, będzie miało olbrzymie znaczenie przy miniaturyzacji urządzeń optycznych wykorzystywanych w telekomunikacji czy komputerach optycznych. Dotychczas rekordowo mała szczelina, przez którą przechodziło światło, miała 200 nanometrów średnicy. Teraz zespół profesora Xiang Zhanga udowodnił, że światło może przejść przez otwór o średnicy zaledwie 10 nanometrów. To aż 100 mniej, niż wynosi średnica obecnie używanych kabli optycznych. Ta technologia daje nam olbrzymią kontrolę nad światłem i pozwoli na stworzenie w przyszłości zadziwiających urządzeń - mówi Rupert Oulton, jeden z autorów badań. W miarę postępującej miniaturyzacji układów scalonych inżynierowie pracujący nad zastosowaniem w nich przewodów optycznych w miejsce miedzianych, szukają sposobów na miniaturyzację tych przewodów. Tak więc badania z Berkeley pozwolą na postępy w budowie maszyn optycznych. Miniaturyzacja ma jednak swoją granicę, na którą natknęli się także naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego. Otóż jeśli skompresujemy światło poniżej długości jego fali, światło nie pozostanie w tak małej przestrzeni zbyt długo. Akademicy wykorzystali zjawisko plazmoniki, gdy światło przy powierzchni metalu wiąże się z elektronami. Jednak taka fala świetlna może przebyć bardzo krótki odcinek, a później wygasa. Oulton zastanawiał się jednak nad połączeniem plazmoniki i półprzewodników. Wpadł na pomysł zbudowania światłowodu z bardzo cienkiej warstwy półprzewodnika połączonego z gładką srebrną powierzchnią, co powinno zwiększyć drogę przebywaną przez światło. To bardzo proste rozwiązanie i dziwię się, że nikt wcześniej na to nie wpadł - mówi uczony. Naukowcy przeprowadzili symulacje i okazało się, że światło w takim przewodzie nie tylko mogłoby przejść przez otwór o średnicy 10 nanometrów, ale jego droga wydłużyłaby się 100-krotnie w porównaniu z przeprowadzonym wcześniej doświadczeniem. Oulton wyjaśnia, że taka technika zadziała, ponieważ w tym przypadku półprzewodnikowo-srebrny system działa jak kondensator, przechowując energię pomiędzy okablowaniem a warstwą metalu. Gdy światło przepływa przez otwór, pojawiają się ładunki elektryczne na okablowaniu i metalu, które wydłużają drogą światła. To z kolei obala dotychczasową "prawdę" naukową mówiącą, że im bardziej skompresowane światło, tym krótszą drogę jest ono w stanie przebyć. Okazuje się zatem, że można kompresować światło i jednocześnie wydłużyć przebytą przez nie drogę. Na razie jednak, jak przyznaje Oulton, są to czysto teoretyczne rozważania. Jednak skonstruowanie półprzewodnikowo-srebrnej hybrydy nie powinno nastręczać większych kłopotów. Problem leży w czym innym. Otóż obecnie nie dysponujemy urządzeniami wykrywającymi światło na tak małej przestrzeni jaką jest 10 nanometrów. Zespół Zhanga pracuje jednak nad stworzeniem odpowiednich technik. Kolejne badania będą prowadzone, gdyż dają one nadzieję na dokonanie olbrzymiego postępu. Optyka sięga skali elektronów. A to oznacza, że potencjalnie możemy zrobić coś, co nigdy wcześniej nie było zrobione - mówi Oulton.

Naukowcy ponownie przybliżyli nas do dnia, w którym powstaną kwantowe komputery. Sven Rogge i jego zespół z Delft University, wraz z kolegami z tak znanych instytucji jak Purdue University, University of Melbourne i belgijski IMEC, pokazali, że można kontrolować stan kwantowy pojedynczego elektronu. I to za pomocą obecnie dostępnych narzędzi. Uczeni wykorzystali tranzystory, używane do badań nad nanotechnologiami. Każdy z tranzystorów składał się z dwóch skrzyżowanych krzemowych nanowłókien. Jedno z nanowłókien, to leżące pod spodem drugiego, było podłączone do elektrod zawierających arsen. Czasami, po przyłożeniu napięcia, do tranzystora przedostawał się atom arsenu. Gdy naukowcy włączyli napięcie w 100 tranzystorach, okazało się, że w sześciu z nich pojawiły się atomy arsenu. Dalsze badania wykazały, że dzięki zmianom napięcia można kontrolować stan kwantowy jednego z elektronów w atomie. Dzięki skaningowej spektroskopii tunelowej udało się zidentyfikować w sześciu tranzystorach trzy różne stany elektronów. Jeden z nich odpowiadał stanowi, w którym elektron znajdował się jednocześnie w dwóch miejscach - a właśnie taki stan jest potrzebny do przeprowadzania obliczeń kwantowych. Naukowcy wiedzieli jednak, że by zrozumieć zachowanie pojedynczego atomu, muszą przeprowadzić badania na dużej grupie. Wykorzystali komercyjnie dostępne oprogramowanie NEMO 3D do opisania dużego systemu składającego się z 1,4 miliona atomów. Okazało się, że wyniki pomiarów za pomocą oprogramowania zgadzają się z wynikami obserwacji za pomocą spektroskopu. To bardzo dobra wiadomość, gdyż pokazuje, że komputerowa symulacja jest przeprowadzana prawidłowo. Stan elektronu można kontrolować za pomocą siły pola magnetycznego krzemowego nanowółkna znajdującego się na wierzchu. Przy słabym polu magnetycznym elektron pozostaje przy atomie arsenu. Przy silnym, oddala się od niego. Odpowiednio dobrane pole magnetyczne powoduje zaś, że elektron znajduje się w obu miejscach jednocześnie. Warto pamiętać, że do działania komputera kwantowego konieczne jest, by qubity (kwantowe bity) były ze sobą splątane. Oddalenie elektronu od atomu może być dobrą metodą na splątanie qubitów. Naukowcy zauważają, że muszą się jeszcze nauczyć w jaki sposób umieszczać atomy arsenu w krzemowych nanowłóknach. Obecnie potrafią umieścić je przez przypadek, stąd wynik 6 atomów w 100 wykorzystanych tranzystorach. Akademicy chcą też sprawdzić, co się stanie, jeśli w tym samym nanowłóknie znajdą się 2 atomy.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego jako pierwsi wybudowali tranzystor wykorzystujący kwazicząsteczki zwane ekscytonami. Tego typu tranzysory mogą przyspieszyć pracę urządzeń komunikacyjnych. Do komunikacji wykorzystujemy światło, jednak w pewnym momencie niesiona przez foton informacja musi być zmieniona w dane elektryczne. Konwertowanie sygnału z fotonów do elektronów i odwrotnie, ogranicza prędkość systemów komunikacyjnych. Profesor Leonid Butov, który wraz z kolegami stworzył nowy tranzystor, wyjaśnia: Nasz tranzystor przetwarza sygnały używając do tego celu ekscytonów, które, podobnie jak elektrony, mogą być kontrolowane za pomocą napięcia elektrycznego, jednak w przeciwieństwie do elektronów, po opuszczeniu obwodu samoistnie zmienia się w foton. Takie sprzężenie pomiędzy ekscytonem a fotonem wypełnia lukę pomiędzy komunikacją a obliczaniem. Ekscytony to pary elektron-dziura. Są one tworzone przez światło w półprzewodnikach. Butov i jego współpracownicy użyli "studni kwantowych", które pozwoliły na utrzymanie pomiędzy elektronem a dziurą odległości kilku nanometrów. Taka konfiguracja pozwalała na kontrolowanie za pomocą napięcia elektrycznego powstających ekscytonów. Dzięki niemu można ekscyton zatrzymać lub go uwolnić i zezwolić na opuszczenie półprzewodnika. Opuszczając go ekscyton zanika emitując swoją energię w postaci rozbłysku światła. Naukowcy stworzyli już prosty układ scalony z bramkami i byli w stanie precyzyjnie kontrolować przepływ ekscytonów. Poruszają się one bardzo szybko. Przełączanie stanu bramki trwa około 200 pikosekund. Ekscytony nadają się zatem do przeprowadzania obliczeń, chociaż tutaj nie mają przewagi nad elektronami. Poruszają się z podobną prędkością, a ich wadą jest fakt, że wymagają nowych materiałów. Obecnie wykorzystywane półprzewodniki z arsenku galu wymagają np. schłodzenia do bardzo niskich temperatur, w przeciwnym razie ekscytony nie powstaną.

Naukowcy z izraelskiego Instytutu Weizmanna udowodnili istnienie użytecznych quasi-cząsteczek. Te zadziwiające cząstki mogą w przyszłości przydać się m.in. do budowy komputerów kwantowych. Istnienie quasi-cząsteczek zostało przewidziane teoretycznie 20 lat temu. Miały one towarzyszyć kwantowemu efektowi Halla. Izraelczycy po raz pierwszy natknęli się na quasi-cząsteczki już przed 10 laty. Quasi-cząsteczki to cząstki, które posiadają jedynie część ładunku elektronu. I to właśnie czyni je niezwykłymi, gdyż elektron jest niepodzielną cząstką. Okazuje się jednak, że jeśli ułożymy elektrony w dwuwymiarową strukturę wewnątrz półprzewodnika, schłodzimy do temperatury bliskiej zeru absolutnemu i poddamy działaniu pola magnetycznego prostopadłego do warstwy elektronów, to zaczną się one zachowywać jak quasi-cząsteczki o ładunkach mniejszych, niż ładunek elektronu. Dotychczas jednak udawało się uzyskać quasi-cząsteczki o ładunku, który miał nieparzysty mianownik. Ich ładunek był więc 1/3 czy 1/5 ładunku elektronu. Merav Dolev, student profesora Moty Heibluma, wraz z doktorami Vladimirem Umanskym i Dianą Mahalu oraz profesorem Adym Sternem, znaleźli sposób na stworzenie quasi-cząsteczki o precyzyjnie ustalonym przez nich ładunku. Stanowi on 1/4 ładunku elektronu. Naukowcy wykorzystali do produkcji półprzewodnika niezwykle czysty arsenek galu. Utworzyli następnie dwuwymiarową strukturę elektronów, umieszczając około 3 miliardów tych cząstek na powierzchni milimetra kwadratowego w taki sposób, by na każdą fluktuację pola magnetycznego przypadało po pięć elektronów. Stworzona przez nich struktura ma kształt spłaszczonego szkiełka od zegarka, z lekkim zgrubieniem pośrodku, które umożliwia ruch ograniczonej liczby naładowanych cząstek. Fluktuacje spowodowane ruchem cząstek w tym zgrubieniu umożliwiły naukowcom precyzyjne zmierzenie ładunku cząstek. Uczeni szukali quasi-cząstek o ładunku z parzystym mianownikiem, potrzebnym do stworzenia teoretycznego "topograficznego komputera kwantowego". Quasi-cząstki z mianownikiem nieparzystym, w przeciwieństwie do tych z parzystym, nie są bowiem dobrymi nośnikami informacji.

Zwykle podczas tłumaczenia, dlaczego nie da się zobaczyć obiektów świata atomowego, słuchaczom przedstawiana jest zasada nieoznaczoności Heisenberga oraz porównywane są rozmiary niewielkich przedmiotów (włos, ziarno piasku), z długością fali światła, a następnie atomami i elektronami. I wszystko byłoby pięknie objaśnione, gdyby nie powstał film, na którym widać poruszający się elektron. Udostępnione niedawno nagranie pokazuje wspomnianą cząstkę w chwili uderzania w atom. Długość zapisu odpowiada przejściu pojedynczej fali światła. W kadrze widać rozkład energii elektronu. Dotychczas podejmowane próby wykonania takiego filmu dawały zbyt rozmyty obraz – ogromna prędkość "głównego bohatera" uniemożliwiała uzyskanie nieporuszonych zdjęć. Naukowcy ze szwedzkiego Lund University poszli zatem w ślady fotografów i użyli "lampy błyskowej". Za pomocą jednego lasera wyrwali elektron z orbity, aby wywołać filmowane zdarzenie. W roli flesza wykorzystali natomiast laser wytwarzający attosekundowe impulsy światła. Do niedawna fizycy i chemicy mogli o podobnym urządzeniu jedynie pomarzyć. Ponieważ dotychczas uzyskiwane impulsy attosekudowe były zbyt słabe, aby mogły dać wyraźny obraz, szczytem możliwości były eksperymenty z udziałem tysiąckrotnie wolniejszych laserów femtosekudowych (1 fs = 10-15 s, 1 as = 10-18 s, okrążenie jądra atomu przez elektron to około 150 as). Rozwiązaniem problemu okazało się wielokrotne oświetlanie tego samego momentu cyklicznie powtarzanej "sceny", niemal identycznie jak w zdjęciach stroboskopowych. Fizycy mają zamiar wykorzystać stworzoną przez siebie technikę w kolejnych eksperymentach. Uzyskane dzięki niej obrazy pozwolą potwierdzić teorie naukowe przez niemal bezpośrednią obserwację. Ponadto zdjęcia ukażą zachowanie reszty atomu w chwili pozbawiania go elektronu, np. sposobu wypełniania powstałej luki przez inne elektrony. Aby lepiej zrozumieć osiągnięcie Szwedów, warto powtórzyć za jednym z szefów zespołu badawczego, Johanem Mauritssonem: jedna attosekunda tak ma się tak do sekundy, jak sekunda do wieku Wszechświata.

Do powstania pierwszego prawdziwego komputera kwantowego jeszcze długa droga, ale naukowcy czynią na niej kolejne postępy. Akademicy z uniwersytetu w Buffalo opracowali urządzenie, które potrafi schwytać elektron i wykryć jego spin. Wcześniej naukowcom z różnych ośrodków udało dokonać się podobnych rzeczy, jednak wykorzystywali do tego celu kwantowe kropki, a cała operacja odbywała się w temperaturze niższej niż 1 stopień Kelvina (poniżej -272,15 stopnia Celsjusza). Uczeni z Buffalo są natomiast w stanie manipulować spinem w temperaturze około 20 stopni Kelvina. To wciąż bardzo niska temperatura (-253,15), jednak łatwiejsza do uzyskania. Tym samym badania z Buffalo stanowią krok naprzód w kierunku powstania komputerów kwantowych. Opracowany w Buffalo system reguluje przepływ elektronów w półprzewodniku dzięki dostarczaniu napięcia elektrycznego do metalicznych bramek znajdujących się na powierzchni półprzewodnika. Gdy zwiększamy napięcie, stopniowo zamyka się szczelina w bramkach. Dzięki temu przepływa przez nią coraz mniej i mniej elektronów, aż ich ruch zostaje całkowicie zatrzymany. Kiedy szczelina jest bliska zamknięcia, możemy ‘przytrzasnąć’ w niej ostatni z elektronów i wykryć jego spin – mówi profesor Jonathan P. Bird. Niedawno teoretycznie przewidziano, że możliwe jest skonstruowanie takiego urządzenia, które złapie pojedynczy elektron i wykryje jego spin. Naukowcy z Buffalo udowodnili tę teorię.

Międzynarodowy zespół naukowców po raz pierwszy wykrył niskoenergetyczne neutrino i zbadał z jaką częstotliwością cząstki te docierają na Ziemię. Odkrycie, dokonane za pomocą detektora Borexino, potwierdza teorie dotyczące budowy Słońca i innych gwiazd. Przy okazji potwierdzono teorię, że neutrino oscyluje pomiędzy trzema formami: elektronową, mionową i taonową. W środku naszej gwiazdy zachodzi nieprzerwana zamiana wodoru w hel. Przy okazji produkowane są olbrzymie ilości energii. W wyniku reakcji zachodzących w Słońcu powstają też neutrina, które po około ośmiu minutach od powstania docierają do Ziemi. Tymczasem energia cieplna powstała w tym samym momencie dociera do nas dopiero po 50 000 lat, gdy wydostanie się na powierzchnię Słońca. Badania wnętrza gwiazdy są możliwe m.in. dzięki badaniom neutrino. Naukowców szczególnie interesują neutrino powstające w fazie 7Be, krytycznej dla tworzenia się słonecznej energii. W ciągu ostatnich 10 lat uczeni obserwowali neutrino podczas licznych eksperymentów. Były to jednak cząstki odznaczające się wysoką energią, które są dość rzadkie (występują w stosunku 1:10000 w porównaniu do neutrino niskoenergetycznych). Niewiele więc mówiły o budowie Słońca i tym, co dzieje się w jego wnętrzu. Naukowców interesują jednak bardziej neutrino niskoenergetyczne. Tych nie udało się dotychczas zaobserwować. Umożliwił to dopiero Borexino, wyjątkowy detektor umieszczony ponad kilometr pod Ziemią. Borexino znajduje się pod górą Gran Sasso w Apeninach. Detektor jest kulą o średnicy 18 metrów, którą zbudowano z ułożonych koncentrycznie paneli, mających zatrzymywać wszelkie promieniowanie. Naukowcy chcą za jego pomocą badać neutrino, które bardzo słabo reagują z wszelką materią. Dlatego też konieczne stało się odfiltrowanie wszelkich innych cząstek docierających z kosmosu. Celowi temu służy zarówno głębokość, na jakiej umieszczono Borexino, jak i wyjątkowo czyste materiały (miliony razy bardziej czyste niż wykorzystywane przy produkcji układów scalonych), z których zostało stworzone. Ponadto otoczono je 2400 tonami wody, która stanowi dodatkowy filtr. Wewnątrz wspomnianej kuli znajdują się dwie mniejsze zbudowane z nylonu umieszczone jedna w drugiej. Obie zawierają specjalny organiczny płyn, z tym, że płyn w środkowej kuli jest czystszy. Borexino wypełnione jest siecią 2200 czujników, które rejestrują rozbłyski światła (fotony) powstające, gdy neutrino zderzy się z elektronem w płynie organicznym. Zbudowanie tak skomplikowanego urządzenia badawczego okazało się konieczne. Obserwacje wysokoenergetycznych neutrino wydawały się potwierdzać obowiązujące teorie, jednak nie dawały ostatecznego dowodu. Do jego uzyskanie konieczne było schwytanie niskoenergetycznego neutrino. O tym, jak trudnej sztuki dokonano może świadczyć chociażby fakt, że w każdej sekundzie przez ciało każdego mieszkańca Ziemi przenika około 100 bilionów neutrino nie czyniąc nam żadnej szkody.

Dokonano kolejnego przełomu na drodze do stworzenia urządzeń elektronicznych przyszłości. Tym razem postęp dotyczy spintroniki. Ian Appelbaum i Biqin Huang z University of Delaware oraz Douwe Monsma z Cambridge NanoTech stworzyli działające urządzenie, które korzysta z krzemu i osiągnięć spintroniki. Dotychczas tych dwóch rzeczy nie udawało się skutecznie połączyć. We współczesnej elektronice informacje przechowywane i przesyłane są za pomocą ładunku elektrycznego elektronów. Spintronika chce je przechowywać korzystając ze spinu elektronów. Spin to własny moment pędu cząsteczki. Jest on wielkością kwantową, niezmienną. Upraszczając jest to ruch obrotowy elektronu wokół własnej osi. Taki wirujący elektron wytwarza własne pole magnetyczne. W materiałach ferromagnetycznych elektrony o takim samym spinie grupują się i tworzą uporządkowane magnetyczne obszary zwane domenami. Te domeny można wykorzystać do przetwarzania i przechowywania informacji. To właśnie jest dziedziną spintroniki. Dotychczas główną przeszkodą na drodze do rozwoju tej technologii był fakt, że działała ona tylko w ferromagnetykach. Użycie taniego i dobrze znanego krzemu było niemożliwe. Próbowano łączyć materiały ferromagnetyczne z krzemem, ale powodowało to poważne problemy z kontrolowaniem elektronów. Amerykańscy uczeni znaleźli rozwiązanie. Umieścili na krzemie wyjątkowo cienką warstwę materiału ferromagnetycznego. Jej grubość wynosi zaledwie 5 nanometrów. Użyli ponadto elektronów o wysokiej energii. Dzięki temu udało im się kontrolować elektrony i przełączać ich spin za pomocą pola magnetycznego. Rozwój spintroniki pozwoli na zbudowanie m.in. komputerów kwantowych.

Zebrani w Pekinie fizycy poinformowali o zamiarach zbudowania urządzenia, które wyznaczy kolejny przełom w historii fizyki. Mowa tutaj o długim na 32 kilometry akceleratorze cząstek, w którym będzie dochodziło do zderzeń elektronów z pozytronami. W ich wyniku będzie można odtworzyć warunki, jakie panowały w momencie Wielkiego Wybuchu. Koszt budowy urządzenia oceniono na 6,7 miliarda dolarów. W prace projektowe zaangażowanych jest 60 naukowców z całego świata. Koncepcja akceleratora jest już opracowana, a uczeni zastanawiają się, w jaki sposób obniżyć koszty jego budowy. Warto zwrócić uwagę na miejsce ogłoszenia zamiarów wybudowania akceleratora – Instytut Fizyki Wysokich Energii w Pekinie. Oznacza to, że po dziesiątkach lat dominacji na tym polu USA i Europy, na scenę wkracza Azja. Badaniami takimi zainteresowane są przede wszystkim Chiny i Japonia. Początkowo Międzynarodowy Zderzacz Liniowy będzie miał długość 32 kilometrów, a przyspieszane elektrony nabywałyby energię rzędu 500 miliardów elektronowoltów. Później może zostać wydłużony do 50 kilometrów, a energia elektronów zwiększyłaby się do biliona elektronowoltów. Międzynarodowy Zderzacz Liniowy (ILC) stanowiłby uzupełnienie Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), który powstanie pod Genewą. LHC, gdy pod koniec bieżącego roku rozpocznie pracę, będzie najpotężniejszym tego typu urządzeniem na świecie. Wykorzystywane w nim wiązki protonów będą miały energię rzędu 7 bilionów elektronowoltów, a fizycy mają nadzieję, że LHC pozwoli im udowodnić istnienie tzw. bozonów Higgsa. Wydawałoby się, że powstanie LHC uczyni zbędnym budowanie Międzynarodowego Zderzacza Liniowego. Nic bardziej błędnego. LHC wykorzystuje protony, które składają się z mniejszych elementów: kwarków i gluonów. Informacje uzyskane ze zderzeń protonów są mocno zakłócone przez te liczne i różniące się od siebie cząstki. ILC posłużyłby do dokładniejszego sprawdzania danych i teorii powstałych dzięki pracy LHC. Wykorzystywane w nim elektrony i pozytrony są bowiem "czystymi” cząstkami, więc informacje nie będą zakłócane. Głównym problemem pozostaje finansowanie budowy Międzynarodowego Zderzacza Liniowego. Z tego też powodu najprawdopodobniej do rozpoczęcia jego budowy dzielą nas całe lata. Uczeni określili już trzy miejsca, w których mógłby zostać zbudowany. Są to okolice instytutu CERN pod Genewą, laboratorium im. Fermiego w Batavii w stanie Illinois oraz góry Japonii.