Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Jak wygląda spin?
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Po raz pierwszy udało się zmierzyć spin elektronu w materiale. Osiągnięcie uczonych z Uniwersytetów w Bolonii, Wenecji, Mediolanie, Würzburgu oraz University of St. Andrews, Boston College i University of Santa Barbara może zrewolucjonizować sposób badania i wykorzystania kwantowych materiałów w takich dziedzinach jak biomedycyna, energia odnawialna czy komputery kwantowe. Pomiar spinu w kontekście topologii materiału, w którym był mierzony, był możliwy dzięki wykorzystaniu promieniowania synchrotronowego oraz nowoczesnym technikom modelowania zachowania materii.
Profesor Domenico di Sante z Uniwersytetu w Bolonii wyjaśnia: Na zachowanie elektronów w materiałach mają wpływ pewne właściwości kwantowe, determinujące ich spin w materiale, w którym się znajdują. Tak jak na tor ruchu światła we wszechświecie ma wpływ obecność gwiazd, ciemnej materii czy czarnych dziur, które zaginają czasoprzestrzeń.
Właściwości elektronu znamy od dawna, jednak dotychczas nikt nie bezpośrednio nie zmierzył „topologicznego spinu” elektronu. Uczeni z Włoch, Niemiec, Wielkiej Brytanii i USA wykorzystali efekt znany jako dichroizm kołowy. Zjawisko to polega na różnej absorpcji przez substancje światła spolaryzowanego kołowo prawo- i lewoskrętnie. W swoich badaniach skupili się na metalach kagome. To materiały, w których atomy tworzą – znany z tradycyjnego japońskiego koszykarstwa kagome – wzór składający się z sieci trójkątów o wspólnych wierzchołkach. Ta nietypowa geometria atomów powoduje, że elektrony zachowują się w takim materiale w sposób nietypowy, co pozwala badać niezwykłe zjawiska kwantowe. Metale kagome służą m.in. do badań nad nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym. Pierwsze eksperymenty z nimi przeprowadzono w USA w 2018 roku.
Teraz dwuwarstwowe metale kagome XV6Sn6 – gdzie X oznacza pierwiastek ziem rzadkich, tutaj były to terb, skand i holm – posłużyły do badania topologicznego spinu elektronu. Było to możliwe dzięki połączeniu eksperymentu z analizą teoretyczną. Teoretycy przeprowadzili najpierw złożone symulacje kwantowe na potężnych superkomputerach i poinstruowali eksperymentatorów, w którym miejscu materiału powinni mierzyć dichroizm kołowy, wyjaśnia Di Sante.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Po dziesięciu latach pracy naukowcom z Princeton University udało się skonstruować system, który pozwala na kontrolowanie spinu elektronów w krzemie nawet przez 10 sekund. Wydłużenie czasu, w którym można kontrolować spin elektronów jest niezbędne do skonstruowania praktycznego komputera kwantowego. Dotychczas udawało się utrzymać spin elektronów przez ułamki sekund. Stany kwantowe są bardzo nietrwałe i pod wpływem czynników zewnętrznych dochodzi do ich utraty, czyli dekoherencji. Kwantowy bit, na którym mają pracować kwantowe komputery, traci swoje właściwości i staje się „zwykłym“ bitem, przyjmującym w danym momencie tylko jedną wartość, zamiast wcześniejszych wszystkich możliwych wartości.
Profesor Stephen Lyon i Alexei Tyryshkin, który są autorami najnowszego osiągnięcia, mówią, że kluczem do sukcesu było użycie niezwykle czystej próbki krzemu-28. Częściowo zawdzięczamy to udoskonaleniu metody pomiaru, ale większość zależy od materiału. To najczystsza próbka, jakiej dotychczas używaliśmy - mówi Lyon.
Naukowcy zamknęli kawałek krzemu-28 w stalowym cylindrze wypełnionym helem. Wewnątrz panowała temperatura 2 kelwinów. Cylinder znajdował się pomiędzy dwoma pierścieniami, które miały za zadanie kontrolować pole magnetyczne wokół próbki. Po potraktowaniu krzemu mikrofalami doszło do skoordynowania spinów około 100 miliardów elektronów. Zaszła zatem koherencja i została ona utrzymana przez niewiarygodnie długie 10 sekund. Jej utrzymanie jest niezwykle ważne dla komputerów kwantowych, gdyż działające na nich oprogramowanie będzie potrzebowało czasu np. na korekcję błędów czy i operacje na danych. Muszą być one zatem dostępne na tyle długo, by program zakończył pracę z nimi.
Stan kwantowy może zostać zniszczony przez naturalne pole magnetyczne materiałów. Dlatego też zdecydowano się na wykorzystanie krzemu-28, który, w przeciwieństwie do tradycyjnie używanego krzemu-25 ma niezwykle słabe pole magnetyczne.
Projekt rozpoczął się 10 lat temu. Steve przyszedł do mnie i powiedział, żebyśmy wykorzystali próbkę wolną od innych izotopów - wspomina Tyryshkin. Po trzech latach badań uczeni byli wstanie utrzymać koherencję przez 600 mikrosekund. Przez kolejne lata wypróbowywali różne materiały.
W końcu dzięki Avogadro Project, którego celem jest opracowanie nowej definicji kilograma, udało się uzyskać próbkę niezwykle czystego krzemu-28. Międzynarodowa współpraca dała niezwykłe wyniki. Zwykle w krzemie-28 znajduje się nawet 50000 części na milion krzemu-29, do tego dochodzą inne zanieczyszczenia, które mają silne pole magnetyczne. W oczyszczonym krzemie-28 liczba atomów krzemu-29 nie przekracza 50 na milion. Taka próbka była... zbyt czysta. Dodano do niej nieco fosforu, by była ona na tyle aktywna elektrycznie, żeby reagować na mikrofale. To właśnie ta reakcja, którą Lyon i Tyryshkin nazywają „echem“, gdyż są to mikrofale emitowane przez próbkę, pozwala na odczytanie spinu elektronów.
Bardzo trudne było znalezienie odpowiedniej liczby atomów fosforu. Ich zbyt duża liczba oznaczałaby powstanie w próbce zbyt silnego pola magnetycznnego. Z kolei za mało fosforu dałoby zbyt słabe „echo“, którego nie można by odczytać. Istotne było też znaczne obniżenie temperatury próbki, gdyż w temperaturze pokojowej elektrony fosforu są zbyt aktywne. „Uspokajają się“ dopiero w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu.
Warto w tym miejscu przypomnieć, że już wcześniej innym zespołom naukowym udało się kontrolować spin elektronów przez równie długi czas. Wykonano nawet pewne operacje matematyczne. Jednak do eksperymentów używano jonów zamkniętych w komorach próżniowych. Lyon i Tyryshkin skupili się na krzemie, gdyż uważają, że jest on znacznie bardziej praktyczny. Współczesna elektronika już wiele dekad temu zrezygnowała przecież z lamp elektronowych na rzecz krzemu.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Aparatura medyczna podlega coraz większej miniaturyzacji, do jej konstruowania coraz częściej wykorzystuje się też materiały pochodzące z ludzkiego ciała. Bez wątpienia ciekawym pomysłem jest mikroskopijny, a w dodatku organiczny system do obrazowania z wbudowanymi nanoprzetwornikami z fosfolipidów występujących w błonach komórkowych.
Dr Melissa Mather z Uniwersytetu w Nottingham wyjaśnia, że urządzenie można zastosować do wczesnego wykrywania nowotworów, monitorowania aktywności elektrycznej mózgu oraz śledzenia pojedynczych komórek podczas podróży przez organizm. Brytyjczycy cieszą się z tego, że nanoaparat do obrazowania jest zupełnie nietoksyczny, powstaje przecież z tego, co i tak występuje w ciele.
Systemy do monitorowania komórek i tkanek są coraz bardziej potrzebne. Prężnie rozwijają się terapie komórkowe, ale by mieć pewność, że leczenie [parkinsonizmu, cukrzycy czy choroby serca] przebiega właściwie, należy monitorować miejsce, do którego trafiły komórki oraz ich zachowanie. To spory problem dla współczesnych technologii i staramy się temu jakoś zaradzić.
Przetworniki elektromechaniczne były do tej pory budowane przede wszystkim z pojedynczych kryształów lub ceramiki. Niedawno jednak naukowcy zorientowali się, że jeśli zminiaturyzuje się je do skali nano, można w nich wykorzystywać o wiele więcej różnych materiałów. Wykazano, że za pomocą błon biologicznych da się ujarzmić aktywność elektryczną komórek ludzkiego ciała i przekształcić ją w energię mechaniczną.
Mather pracuje nad formowaniem z fosfolipidów pęcherzyków (liposomów). Chodzi o wykorzystanie ich właściwości akustycznych, a więc o pozyskanie przetworników elektroakustycznych. W przyszłości jej zespół skoncentruje się na zwiększaniu mocy sygnału akustycznego poprzez modyfikacje składu, kształtu i rozmiarów liposomu.
Brytyjczykom nie chodzi tylko o skanowanie, bo jeśli połączy się liposomy ze specyficznymi cząsteczkami wykazującymi powinowactwo do pewnych typów komórek, będzie można je lokalizować i śledzić ich ruchy po organizmie. Końcowym etapem prac mają być testy na fantomach tkankowych. Pod warunkiem, że wszystko pójdzie po myśli naukowców, prototyp systemu powinien powstać do 2016 r.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z University of Bristol empirycznie dowiedli, że liczące sobie ponad 150 lat prawo Wiedmanna-Franza nie zawsze jest zachowane. Prawo to mówi, że w stosunek przewodnictwa cieplnego i elektrycznego w każdym metalu jest stały przy stałej temperaturze.
Przed piętnastu laty dwójka amerykańskich fizyków wysunęła teorię, że prawo Wiedmanna-Franza nie ma zastosowania w metalu tworzącym strukturę dwuwymiarową. Wówczas bowiem elektron rozpadnie się na dwa stany kwazicząsteczkowe - spinon (posiadający spin, ale nie posiadający ładunku) oraz holon (niosący ładunek, ale nie spin). Amerykanie twierdzili, że gdy holon napotka zanieczyszczenie w metalu, odbije się, a spinon będzie w stanie wędrować dalej. W takim przypadku zatem ciepło będzie się dalej rozprzestrzeniało, a ładunek już nie. Różnica w przewodnictwie cieplnym i elektrycznym będzie rosła wraz ze spadkiem temperatury.
Teraz obliczenia Amerykanów potwierdziła grupa pracująca pod kierunkiem profesora Nigela Husseya. Uczeni dowiedli, że dwuwymiarowy materiał może przewodzić ciepło 100 000 razy lepiej, niż inne metale, w których prawo Wiedemanna-Franza zachowuje ważność. To nie tylko szansa na wykorzystanie tego zjawiska w nowoczesnych technologiach, ale również dowód na bardzo silną separacje spinu i ładunku w dwuwymiarowym świecie.
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy z Georgia Tech i Emory University opracowali nową rodzinę kontrastów do obrazowania, które wnikają do komórek bakteryjnych, podszywając się pod glukozę. Czynniki te, nazywane bazującymi na maltodekstrynie sondami do obrazowania (ang. maltodextrin-based imaging probes), pozwalają odróżnić infekcje bakteryjne od innych chorób zapalnych.
Te kontrasty zaspokajają zapotrzebowanie na sondy zapewniające dokładny obraz niewielkiej liczby bakterii w warunkach in vivo, a także na produkty pozwalające odróżnić infekcje od innych patologii, np. nowotworu – podkreśla prof. Niren Murthy. Wyniki studium sfinansowanego m.in. przez Narodowe Instytuty Zdrowia ukazały się w piśmie Nature Materials.
Większość istniejących sond do obrazowania dociera do bakteryjnej ściany komórkowej i nie może wniknąć do środka, jednak kontrasty oparte na maltodekstrynie są traktowane przez mikroorganizmy jak pokarm, dzięki czemu mogą osiągać wysokie stężenia wewnątrz bakterii.
Kontrasty nowego typu uzyskuje się, łącząc barwnik z maltoheksaozą, która stanowi główne źródło glukozy dla bakterii. Czynnik kontrastowy trafia do bakterii za pośrednictwem transportera maltodekstryny (występuje on w komórkach bakteryjnych, lecz nie ssaczych). Zgodnie z naszą wiedzą, to pierwszy pokaz metody dostarczania milimolowych stężeń substancji obrazujących do bakterii. Podczas eksperymentów prowadzonych na szczurach naukowcy odkryli, że kontrast gromadził się w zakażonych bakteriami tkankach i był skutecznie usuwany z tkanek zdrowych. Pomiędzy zainfekowanymi i niezainfekowanymi tkankami zaobserwowano 42-krotną różnicę w intensywności fluorescencji. Co ważne, kontrast nie gromadził się w bakteriach tworzących prawidłową mikroflorę jelit. Nowy kontrast mógł wykryć milion żywych komórek bakteryjnych, podczas gdy obecnie wykorzystywane czynniki wymagają występowania przynajmniej 100 mln bakterii. W innym eksperymencie Murthy i inni stwierdzili, że sonda z dużą specyficznością odróżnia zakażenia bakteryjne od stanów zapalnych o innym podłożu. Okazało się bowiem, że tkanki zainfekowane E. coli świeciły 17-krotnie silniej od tkanek objętych stanem zapalnym, które nie zawierały bakterii. Amerykanie udowodnili również, że zarówno bakterie Gram-dodatnie, jak i Gram-ujemne pobierają kontrast oparty na maltodekstrynie o 3 rzędy wielkości szybciej od komórek ssaczych.
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.