Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Podwójny kondensat fermionów i ekscytonów jest możliwy. Zrewolucjonizuje obrazowanie medyczne
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Na Uniwersytecie Stanforda powstała rewolucyjna technika obrazowania struktur wewnątrz organizmu. Polega ona na uczynieniu skóry i innych tkanek... przezroczystymi. Można tego dokonać nakładając na skórę jeden z barwników spożywczych. Testy na zwierzętach wykazały, że proces jest odwracalny. Technika taka taka, jeśli sprawdzi się na ludziach, może mieć bardzo szerokie zastosowanie – od lokalizowania ran, poprzez monitorowanie chorób układu trawienia, po diagnostykę nowotworową.
Technologia ta może uczynić żyły lepiej widocznymi podczas pobierania krwi, ułatwić laserowe usuwanie tatuaży i pomagać we wczesnym wykrywaniu i leczeniu nowotworów, mówi Guosong Hong. Na przykład niektóre terapie wykorzystują lasery do usuwania komórek nowotworowych i przednowotworowych, ale ich działanie ograniczone jest do obszaru znajdującego się blisko powierzchni skóry. Ta technika może poprawić penetrację światła laserowego, dodaje.
Przyczyną, dla której nie możemy zajrzeć do wnętrza organizmu, jest rozpraszanie światła. Tłuszcze, płyny, białka, z których zbudowane są organizmy żywe, rozpraszają światło w różny sposób, powodując, że nie jest ono w stanie penetrować ich wnętrza, więc są dla nas nieprzezroczyste. Naukowcy ze Stanforda stwierdzili, że jeśli chcemy, by materiał biologiczny stał się przezroczysty, musimy spowodować, żeby wszystkie budujące go elementy rozpraszały światło w ten sam sposób. Innymi słowy, by miały taki sam współczynnik załamania. A opierając się na wiedzy z optyki stwierdzili, że barwniki najlepiej absorbują światło i mogą być najlepszym ośrodkiem, który spowoduje ujednolicenie współczynników załamania.
Szczególną uwagę zwrócili na tartrazynę czyli żółcień spożywczą 5, oznaczoną symbolem E102. Okazało się, że mieli rację. Po rozpuszczeniu w wodzie i zaabsorbowaniu przez tkanki, tartrazyna zapobiegała rozpraszaniu światła. Najpierw barwnik przetestowano na cienkich plastrach kurzej piersi. W miarę, jak stężenie tartrazyny rosło, zwiększał się współczynnik załamania światła w płynie znajdującym się w mięśniach. W końcu zwiększył się do tego stopnia, że był taki, jak w białkach budujących mięśnie. Plaster stał się przezroczysty.
Później zaczęto eksperymenty na myszach. Najpierw wtarli roztwór tartrazyny w skórę głowy, co pozwoliło im na obserwowanie naczyń krwionośnych. Później nałożyli go na brzuch, dzięki czemu mogli obserwować kurczenie się jelit i ruchy wywoływane oddychaniem oraz biciem serca. Technika pozwalała na obserwacje struktur wielkości mikrometrów, a nawet polepszyła obserwacje mikroskopowe. Po zmyciu tartrazyny ze skóry tkanki szybko wróciły do standardowego wyglądu. Nie zaobserwowano żadnych długoterminowych skutków nałożenia tartrazyny, a jej nadmiar został wydalony z organizmu w ciągu 48 godzin. Naukowcy podejrzewają, że wstrzyknięcie barwnika do tkanki pozwoli na obserwowanie jeszcze głębiej położonych struktur organizmu.
Badania, w ramach których dokonano tego potencjalnie przełomowego odkrycia, rozpoczęły się jako projekt, którego celem jest sprawdzenie, jak promieniowanie mikrofalowe wpływa na tkanki. Naukowcy przeanalizowali prace z dziedziny optyki z lat 70. i 80. ubiegłego wieku i znaleźli w nich dwa podstawowe narzędzia, które uznali za przydatne w swoich badaniach: matematyczne relacje Kramersa-Kroniga oraz model Lorentza. Te matematyczne narzędzia rozwijane są od dziesięcioleci, jednak nie używano ich w medycynie w taki sposób, jak podczas opisywanych badań.
Jeden z członków grupy badawczej zdał sobie sprawę, że te same zmiany, które czynią badane materiały przezroczystymi dla mikrofal, można zastosować dla światła widzialnego, co mogłyby być użyteczne w medycynie. Uczeni zamówili więc sięc silne barwniki i zaczęli dokładnie je analizować, szukając tego o idealnych właściwościach optycznych.
Nowatorskie podejście do problemu pozwoliło na dokonanie potencjalnie przełomowego odkrycia. O relacjach Kramersa-Kroniga uczy się każdy student optyki, w tym przypadku naukowcy wykorzystali tę wiedzę, do zbadania, jak silne barwniki mogą uczynić skórę przezroczystą. Podążyli więc w zupełnie nowym kierunku i wykorzystali znane od dziesięcioleci podstawy do stworzenia nowatorskiej technologii.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Podstawą nadprzewodnictwa jest łączenie się elektronów w pary. Rodzi się jednak pytanie, czy mogą wobec tego łączyć się też w czwórki. Profesor Egor Babaev przez niemal 20 lat szukał sposobu ma tworzenie nowego stanu materii, elektronowych czworaczków. Teraz w końcu mu się udało. Pracujący pod jego kierunkiem fizycy ze szwedzkiego Królewskiego Instytutu Technologii (KTH – Kungliga Tekniska högskolan) donieśli na łamach Nature Physics, że udało im się uzyskać stan przewidziany przez Babaeva przed 17 laty.
Uczony w 2004 roku opublikował artykuł, w którym teoretycznie opisał elektronowe czworaczki, a w roku 2012 opisał, w jaki sposób je uzyskać je w bazującym na żelazie materiale Ba1−xKxFe2As2.
Łączenie się elektronów w pary pozwala na pojawienie się nadprzewodnictwa, stanu, w którym ładunek elektryczny nie napotyka na przeszkody. O tym, że elektrony mogą się łączyć, a nie odpychać, dowiedzieliśmy się z teorii opracowanej przez Coopera, Bardeena i Schrieffera, którzy zostali za nią uhonorowani Nagrodą Nobla w 1972 roku.
To właśnie te tzw. pary Coopera są nośnikami ładunku w nadprzewodnikach. W normalnych warunkach dwa elektrony, które mają przecież te same ładunki, silnie się odpychają. Jednak w niskich temperaturach w kryształach łączą się w luźne pary. O parach takich wiedzieliśmy od dawna. Jednak idea łączenia się fermionów (a elektrony są fermionami) w czwórki została przez naukowców zaakceptowana dopiero niedawno. Profesor Babaev wyjaśnia, że aby doszło do zaistnienia związku czterech fermionów musi pojawić się coś, co zapobiegnie tworzeniu się par oraz ich przepływie bez oporu, a jednocześnie umożliwi tworzenie czterofermionowego kondensatu.
Problem w tym, że teoria BCS, mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa zwana też teorią Bardeena-Coopera-Shrieffera, nie pozwala na tworzenie fermionowych czworaczków. Gdy więc współpracujący z Babaevem eksperymentator Vadim Grinenko z Technische Universtät Dresden trafił przed 3 laty na ślady wskazujące na istnienie takiego stanu materii, naukowcy musieli zmierzyć się z powszechnie akceptowaną teorią.
Przez kolejne trzy lata uczeni prowadzili liczne eksperymenty i badania, mające potwierdzić odkrycie. Babaev mówi, że kluczową obserwacją jest spostrzeżenie, że czterofermionowe kondensaty spontanicznie łamią parzystość operacji odwrócenia czasu. Jest to matematyczna operacja, która pozwala zmienić znak współrzędnej czasowej na ujemny, dzięki czemu można opisać zjawisko tak, jakby czas biegł do tyłu lub cały ruch biegł w przeciwnym kierunku. Gdy użyjemy takiego zabiegu matematycznego, to wszystkie podstawowe prawa fizyki nadal działają. Działają też nadprzewodniki. Innymi słowy, jeśli obliczamy teoretycznie właściwości typowego nadprzewodnika i odwrócimy strzałkę czasu, nadal jest on takim samym nadprzewodnikiem.
Jednak w przypadku czterofermionowego kondensatu po odwróceniu strzałki czasu pojawia się inny stan. Prawdopodobnie minie wiele lat, zanim go w pełni zrozumiemy. Nasze eksperymenty prowadzą do postawienia wielu nowych pytań, ujawniają istnienie wielu niezwykłych właściwości powiązanych z reakcją na temperaturę, pole magnetyczne i ultradźwięki, dodaje Babaev.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Terahercowe lasery to niezwykle obiecujące urządzenia, które mogą znaleźć zastosowanie m.in. w obrazowaniu medycznym. Niestety, wymagają olbrzymich systemów chłodzenia, przez co dotychczas można je było znaleźć jedynie w laboratoriach naukowych. Teraz może się to zmienić, a wszystko dzięki pracy zespołu naukowego kierowanego przez Zbiga Wasilewskiego z kanadyjskiego University of Waterloo oraz Qing Hu z MIT.
Amerykańsko-kanadyjski zespół naukowy stworzył właśnie kaskadowy laser kwantowy o dużej mocy, który działa bez wielkich systemów chłodzenia. Pracuje on już w temperaturze 250 kelwinów (-23,15 stopnia Celsjusza). Dotychczas tego typu systemy wymagały schłodzenia do co najmniej 210 kelwinów (-63,15 stopnia Celsjusza). Nowemu laserowi wystarczy więc niewielki system chłodzący. A naukowcy przekonują, że nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa.
Promieniowanie terahercowe mieści się pomiędzy podczerwienią a mikrofalami. Długość jego fali wynosi od 3 mm do 30 mm. Wiele molekuł absorbuje promieniowanie w tych zakresach, co pozwala np. na identyfikowanie takich molekuł. Olbrzymią zaletą promieniowania THz jest fakt, że przenika ono przez wiele materiałów, takich jak papier, ubrania czy plastik. To oznacza, że promieniowanie takie – podobnie jak promieniowanie rentgenowskie – można wykorzystać do obrazowania wnętrz obiektów.
Jednak w przeciwieństwie do promieniowania rentgenowskiego fotony w zakresie teraherców mają stosunkowo niską energię, jest to więc promieniowanie niejonizujące, zatem bezpieczne do użycia w medycynie czy naukach biologicznych. Kolejną jego zaletą jest fakt, że długość jego fali jest mniejsza niż w przypadku promieniowania mikrofalowego, co pozwala na uzyskanie obrazów o wyższej rozdzielczości.
Wszystko to wygląda dobrze w teorii, jednak gorzej z praktycznym wykorzystaniem. Promieniowanie w zakresie 0,1–10 THz jest rzadko wykorzystywane ze względu na ograniczenia technologiczne. Wyzwaniem jest bowiem wygenerowanie promieniowania THz o odpowiedniej mocy.
Jednym z jego źródeł mogą być kwantowe lasery kaskadowe (QCL), gdyż łatwo można je dostrajać do potrzeb. Problem jednak w tym, że lasery takie wymagają bardzo niskich temperatur do pracy. W 2019 roku naukowcy z EHT Zurich stworzyli QCL generujący światło w zakresie THz, który pracował w temperaturze 210 kelwinów. System taki wciąż wymagał dużych systemów chłodzących. Teraz zaś grupa Wasilewskiego i Hu pochwaliła się tego typu laserem pracującym przy 250 kelwinach. A taki laser można już chłodzić za pomocą niewielkiego systemu.
Wrażliwość kwantowych laserów kaskadowych na temperaturę wynika z ich budowy. QCL korzystają z kwantowych studni i barier składających się z tysięcy cienkich warstw półprzewodnika. Przechodząc przez kolejne warstwy elektron emituje fotony o których częstotliwości decyduje struktura warstw. W zbyt wysokiej temperaturze elektrony mają tendencję do „wyciekania” ze studni kwantowych, co niekorzystnie odbija się na wydajności lasera.
Autorzy najnowszego osiągnięcia udoskonalili laser tworząc nową strukturę półprzewodnikową. Składa się ona z niemal 15 000 interfejsów pomiędzy studniami kwantowymi a barierami, wyjaśnia Wasilewski. Połowa z tych barier ma grubość mniej niż 7 atomów. Jakość wykonania tych interfejsów jest kluczowa dla wydajności lasera.
Hu informuje, że jednym z pierwszych zastosowań, w jakich zostanie przetestowany udoskonalony laser terahercowy będzie obrazowanie w czasie rzeczywistym komórek nowotworu skóry. Komórki nowotworowe są niezwykle wyraźnie widoczne w promieniowaniu terahercowym, gdyż zawierają więcej wody i krwi niż zdrowe komórki, a woda bardzo silnie absorbuje promieniowanie w zakresie THz. Technologię tę można również wykorzystać do wykrywania np. metaamfataminy, heroiny czy materiałów wybuchowych takich jak TNT, gdyż również są one dobrze widoczne w promieniowaniu THz.
To jednak nie wszystko. Na łamach Nature Photonics naukowcy mówią, że powinno być możliwe stworzenie kwantowego lasera kaskadowego pracującego w zakresie THz, który w ogóle nie będzie wymagał chłodzenia. Już teraz planują dalsze prace nad zwiększaniem temperatury, w której może działać taki laser.
Grupa Hu pracuje też nad czujnikami promieniowania w zakresie teraherców. Większość sygnałów w paśmie THz jest dość słabych. Niezależnie od tego, czy pochodzą ze źródeł pozaziemskich (aż 90% fotonów we wszechświecie znajduje się w paśmie THz) czy źródeł ziemskich, zwiększenie możliwości ich wykrycia znakomicie ułatwi badania i przetwarzanie takich sygnałów, dodaje Hu.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Na brazylijskim Uniwersytecie w Campinas (UNICAMP) powstał światłowód wykonany wyłącznie z agaru. Urządzenie jest nieszkodliwe dla człowieka (jadalne), biokompatybilne i całkowicie biodegradowalne. Nowy światłowód może być wykorzystany przede wszystkim w obrazowaniu medycznym, fototerapii, optogenetyce oraz do precyzyjnego dostarczania leków. Można go też zastosować do wykrywania mikroorganizmów w konkretnych organach, gdzie ulegnie całkowitemu wchłonięciu po spełnieniu zadania.
Agar to naturalna żelatyna występująca w glonach morskich. Składa się z dwóch polisacharydów: agarozy i agaropektyny. Światłowód jest dziełem grupy badawczej, na czele której stali profesorowie Eric Fujiwara i Cristiano Cordeiro.
Nasz światłowód to cylinder agarowy o średnicy 2,5 milimetra. Jest zbudowany z sześciu otworów o średnicy 0,5 mm każdy, rozmieszczonych regularnie wzdłuż rdzenia. Światło jest uwięzione dzięki różnicy współczynnika refrakcji pomiędzy otworami a rdzeniem, mówi profesor Fujiwara.
Uczony wyjaśnia, że światłowód wyprodukowano wlewając agar do formy. Po zastygnięciu był gotowy. Uczony zapewnia, że możliwe jest indywidualne dobieranie współczynnika refrakcji oraz kształtu światłowodu. Wystarczy zmienić skład roztworu agaru oraz kształt formy.
Dodatkową zaletą agarowego światłowodu jest fakt, że on sam może zostać wykorzystany zarówno jako podłoże do hodowli mikroorganizmów, jak i urządzenie do ich próbkowania. W otworach, którymi wędruje światło, można umieścić pożywkę i hodować tam bakterie. A po badaniach całości można łatwo i tanio się pozbyć, nie szkodząc przy tym środowisku naturalnemu.
Nowatorski światłowód opisano na łamach Nature w artykule pt. Agarose-based structured optical fibre.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Fizyka zna różne typy cząstek. Mamy więc cząstki elementarne, które stanową podstawowy budulec tego, co nas otacza. Są też takie cząstki jak np. atomy, składające się w wielu mniejszych elementów. Są wreszcie i kwazicząstki, czyli wzbudzenia systemów składających się z wielu elementów, które zachowują się jak cząstki. Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu odkryli właśnie π-ton, kwazicząstkę składającą się z dwóch elektronów, dwóch dziur i światła.
Najprostszą kwazicząstką jest dziura. Wyobraźmy sobie, że wiele atomów jest ułożonych w regularny wzór w krysztale i w każdym atomie jest poruszający się elektron. Tylko w jednym atomie brakuje elektronu. To właśnie jest dziura, wyjaśnia profesor Karsten Held z Instytutu Fizyki Ciała Stałego. W miejsce brakującego elektronu może przejść elektron z sąsiadującego atomu. Wówczas dziura zostanie zamknięta, ale pojawi się inne, w atomie, z którego przywędrował elektron.
Naukowcom łatwiej jest w takich przypadkach badać nie ruch elektronów, a dziur. Jeśli elektrony poruszają się w prawo, dziura porusza się w lewo. Jej ruch podlega prawom fizyki, podobnie jak ruch cząstek. Jednak, w przeciwieństwie do elektronu, który można obserwować również poza naszym kryształem, dziura istnieje jedynie w odniesieniu do innych cząstek. Dlatego też mówimy tutaj o kwazicząstce.
Jednak, jak dodaje Karsten Held, granica pomiędzy cząstkami a kwazicząstkami nie jest ostra. Zwykłe cząstki też mogą być rozumiane jedynie w kontekście ich otoczenia. Nawet w próżni bez przerwy dochodzi, na bardzo krótki czas, do wzbudzeń par cząstka-dziura. Bez tego masa elektronu byłaby zupełnie inne. Innymi słowy, nawet gdy eksperymentujemy ze zwykłymi elektronami, tak naprawdę obserwujemy elektron będący kwazicząstką.
Jeszcze inną kwazicząstką jest ekscyton, który odgrywa ważną rolę w fizyce półprzewodników. Składa się ona z elektronu, który ma ładunek ujemny, oraz z dziury, będącej nieobecnością ładunku ujemnego, ma ona zatem ładunek dodatni. Badaliśmy takie właśnie ekscytony. Stworzyliśmy model komputerowy do obliczeń kwantowych efektów fizycznych, jakie wywierają one w ciałach stałych, mówią główne autorki badań doktor Anna Kauch i doktor Petra Pudleiner. Ich obliczenia wskazały na istnienie nowej kwazicząstki, która składa się z dwóch elektronów i dwóch dziur połączonych za pomocą fotonów.
Odkrywcy nazwali nową cząstkę π-tonem. Nazwa π-ton wzięła się stąd, że dwa elektrony i dwie dziury są utrzymywane razem przez fluktuacje spinu, które zawsze zmieniają się o 180 stopni pomiędzy jednym punkcie w sieci krystalicznej, a drugim. Zatem zmieniają się o π radianów. Tę ciągłą zmianę możemy wyobrazić sobie jak przechodzenie na szachownicy z pól ciemnych na jasne, mówią odkrywczynie π-tonu.
Na razie π-ton został potwierdzony i zweryfikowany za pomocą komputera. Zbadaliśmy π-ton za pomocą różnych modeli komputerowych. Pojawiał się on w każdym z nich. Powinno być zatem możliwe jego wykrycie w różnych materiałach. Niektóre eksperymenty przeprowadzone z tytanianem samaru wydają się wskazywać na istnienie π-tonu. Dodatkowe badania z wykorzystaniem fotonów i neutronów powinny dać nam jaśniejszy obraz sytuacji, dodaje Karsten Held.
O nowej kwazicząstce możemy przeczytać na łamach Physical Review Letters.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.