Společný tým výzkumníků z Rakouska, Kanady a Německa (Ferenc Krausz, Technologický institut ve Vídni, 011-43-1-58801-38711, [M1]) oznámil, že vytvořil a detekoval jednotlivé roentgenové pulsy o délce jen několik stovek attosekund (10^-18 s). Pulsy, které trvaly průměrně 650 attosekund s vlnovou délkou ve spektru měkkého roentgenového záření, umožňují provádět měření různých fyzikálních jevů v attosekundové škále (jako například vyražení elektronu z atomu fotonem roentgenova záření).

Attosekundové pulsy jsou nyní nejkratšími pozorovanými jevy ve fyzice. Dosud byly pozorovány femtosekundové pulsy (10^-15 sekundy) v tzv. femtochemii. Zatímco pomocí záblesku stroboskopu lze zachytit padající kapku vody, femtosekundové pulsy umožňují studovat průběh chemických reakcí mezi atomy nebo molekulami. Attosekundové pulsy by mohly umožnit studovat dokonce pohyb elektronů v atomech.

Pokud si světlo představíme jako vlnu s vrcholy a údolími, pak puls viditelného světla o délce jedné sekundy obsahuje asi 6.10¹⁴ takových vrcholů. Attosekundové pulsy mají délku jen 200 nanometrů a obsahují jen desítky vrcholů. Trvání světelného pulsu si lze představit také podle vzdálenosti, kterou světlo za dobu trvání pulsu urazí. Puls o délce 1,28 sekundy dorazí z pozemské laboratoře až na Měsíc. Puls o délce 650 attosekund urazí vzdálenost odpovídající délce dvou typických virů.

Předchozí experimenty umožnily sledovat dlouhou posloupnost attosekundových pulsů, které po sobě následovaly zhruba po době jedné femtosekundy (Papadogiannis et al, Phys. Rev. Lett., 22. listopadu 1999; Paul et al., Science, 1. června 2001; Bartels et al., Nature, 13. července 2000). Současné experimenty představují první detekci a měření jednotlivých attosekundových pulsů. Tyto jednotlivé pulsy podle Krausze mají význam například pro snímky pohybu elektronů v atomu s attosekundovým rozlišením.

Pro výrobu attosekundových pulsů výzkumníci použili silný femtosekundový puls, který nechaly procházet neonovým plynem. Při interakci femtosekundového pulsu s atomy plynu vznikly pulsy v měkkém roentgenovém spektru o délce stovek attosekund. Podle jedné teoretické představy (Corkum, Physical Review Letters, 27. září 1993) femtosekundový puls vyrazí elektrony z atomů neonu. Následné oscilace elektronů vedou k roentgenovým pulsům o délce jen stovek attosekund.

Tvorba attosekundových pulsů světla je jen první částí úspěchu. Výzkumníci pak měřili trvání těchto pulsů. Nastavením prodlevy mezi časy, v nichž roentgenové pulsy a femtosekundové pulsy viditelného světla dopadaly na plyn atomů kryptonu, výzkumníci ovlivnili spektrum energií elektronů uvolněných z atomů. Tato modulace pozorovaného rozdělení energií je důkazem, že roentgenové pulsy měly délku 650 attosekund.

Člen konkurenčního týmu Henry Kapteyn z JILA/University of Colorado (303-492-819, [M2]) tvrdí, že zmíněný důkaz není zcela jednoznačný, protože nelze rozhodnout, zda byly detekovány jen jednotlivé attosekundové pulsy nebo posloupnost těchto pulsů. Jak Kapteyn tak Krausz se opírají o odborné názory svých kolegů.

Ať už tato debata dopadne jakkoliv, vznikla attosekundová metrologie, která nepochybně povede ke zcela novým fyzikálním experimentům, které dosud nebylo možné provést. (Hentschel et al., Nature, 29. listopadu 2001; další články na [X1]).

Výzkumníci v novém experimentu poprvé podrobně studovali, jak krystal fázově přechází ze stavu izolantu do stavu kovu během několika femtosekund. Andrea Cavalleri (LBL, 510-495-2536, [M3]) a jeho spolupracovníci z Kalifornské university v San Diego a z University v Quebecu použili vzorek 200 nm tenkého filmu oxidu vanadu. Laserovým pulsem o délce 50 femtosekund způsobili ve vzorku hned dva fázové přechody. První fázový přechod vedl ke změně struktury, kdy se velikost buněk o něco zvětšila. Tento přechod byl zjištěn prostřednictvím krátkých roentgenových pulsů. Druhý fázový přechod vedl ke změně stavu z izolantu v kov. Tento přechod byl zjištěn prostřednictvím krátkých pulsů viditelného světla. Výzkumníci zjistili, že tyto fázové přechody proběhly nikoliv po částech, ale téměř najednou. Takový jev nikdy předtím nebyl pozorován.

Kromě nezvyklé rychlosti experiment znovu otevřel jednu starou otázku fyziky pevných látek: zda změna struktury předchází změnu elektrického stavu nebo naopak. Díky tomu, že změna krystalické struktury je tak rychlá (jen několik femtosekund) a vratná a protože se roentgenovo záření rozptyluje od těchto různých krystalických struktur odlišně, lze tento proces použít pro ultrarychlé přepínání pikosekundových částí delších vlnových balíků roentgenového záření. Fázový přechod z izolačního stavu do stavu kovu je důležitým příkladem fázového přechodu mezi různými pevnými fázemi, které obvykle vznikají se změnou tlaku nebo teploty. Jedním z velmi tragických příkladů bylo námrazou způsobené selhání těsnícího kroužku palivové nádrže amerického raketoplánu Challenger. (Cavalleri et al., Physical Review Letters, 3. prosince 2001; text na [X1]).

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 567. November 29, 2001 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Výzkumníci na zasedání Akustické společnosti Ameriky ve Fort Launderdale na Floridě počátkem prosince 2001 oznámili, že embryo vnímá snímkování ultrazvukem.

Ultrazvuk je podle definice zvuk, jehož kmitočet je vyšší, než je schopno vnímat lidské ucho. Jak tedy může embryo slyšet snímkování ultrazvukem? Výzkumníci (Mostafa Fatemi, Mayo Foundation, Minnesota, [M1]) vysvětlují, že tradiční zobrazovací systémy vytvářejí posloupnosti krátkých ultrazvukových pulsů.

Když tyto pulsy pronikají organismem, zasahují vnitřní orgány v určitém pravidelném rytmu. Když ultrazvuk prochází hlavou embrya, jeho citlivý zvukový orgán se rozkmitá kmitočtem několika pulsů za sekundu. Obvykle je během sekundy vysláno několik tisíc krátkých pulsů odpovídajících kmitočtu několika tisíc Hertzů.

Embryo reaguje na tyto vibrace jako na tóny odpovídající vysokým tónům klavíru. Intenzita těchto zvukových pulsů odpovídá asi intenzitě 100 až 120 decibelům zvuku ve vzduchu, což je asi intenzita přijíždějícího vlaku podzemní dráhy.

Embryo zvuky z vnějšího světa vnímá podobně jako vnímáme pohyb svých prstů po hlavě. Zvuk ultrazvukového snímače je soustředěn do oblasti o velikosti asi milimetru čtverečného. Proto se zvuk z tak malé oblasti rychle rozptyluje.

Fatemi zdůrazňuje, že její objev neprokázal nějaké nebezpečí ultrazvukového snímání pro embryo. Její studium umožňuje spíše vysvětlit, proč lékaři pozorují prudké pohyby embrya, když se ultrazvuková sonda soustředí na jeho hlavu. Její objev dokazuje, že ultrazvukové snímkování není pasivní pozorovací metodou, ale může vést k rozvoji testování normálních funkcí embrya pomocí ultrazvuku.

Vědci se nemohou spokojit se zprůměrovánými výsledky, které získávají studiem malých objektů roentgenovým záření. Například při roentgenové difrakci krystalický vzorek s miliardami atomů a molekul rozptyluje roentgenové paprsky do charakteristických obrazců skvrn na detektoru, pomocí nichž lze zjistit informace o krystalové mřížce.

Tým japonských vědců vyvinul metodu označovanou difrakční roentgenové sledování (DXT, diffracted x-ray tracking), která umožňuje sledovat Brownův pohyb jednotlivých nanokrystalů ve vodě pomocí rozptylu roentgenových paprsků. Tato metoda umožňuje získat nejen informaci po poloze, ale také o rotačním pohybu jednotlivých nanočástic. (Sasaki et al., Physical Review E, září 2000).

Nyní se podařilo tuto metodu použít na jednotlivé molekuly desoxyribonukleové kyseliny pro sledování jejího Brownova pohybu s přesností až 10^-15 metru. Výzkumníci v blízké budoucnosti rozšíří svá měření na další důležité biomolekuly. Například doufají, že se mim podaří pozorovat změny struktury během aktivace iontových kanálů v živých buňkách. (Sasaki et al., Physical Review Letters, 10. prosince 2001; kontakt: Yuji Sasaki, Japan Synchrotron Radiation Research Institute, [M2])

Neustále se vracející téma v umění a ve vědě od doby starověkého Řecka - koncept symetrie - se stal mocným vědeckým nástrojem pro analýzu fyzikálních systémů. Za určitých zvláštních podmínek dochází ke "kvantové anomálii": zákony kvantové fyziky naruší skrytou symetrii systému.

Po období dlouhého hledání výzkumný tým (Horacio Camblong, University of San Francisco, [M3], a kolegové z Universidad Nacional de La Plata, Argentina) objevili relativně jednoduchý příklad kvantové anomálie v podobě interakce polární molekuly s elektronem. Polární molekula, na rozdíl od neutrální, obsahuje trvale oddělené elektrické náboje a tvoří dipól. Tento dipól vytváří elektrické pole, které při dostatečné intenzitě může zachytávat elektrony.

Může takové uspořádání existovat jako stabilní iont, který obsahuje takový "externí" elektron? Výzkumníci odpověď na tuto otázku zformulovali pomocí jazyka symetrie. Ve fyzice symetrie představuje systém, jako je uspořádání molekuly a elektronu, který se chová stejně při určitých změnách, jako je změna jistých parametrů systémů.

Elektron-molekulová interakce vykazuje důležitou škálovou invarianci: systém "vypadá" stále stejně, pokud se na něj díváme z různých měřítek prostoru a času, přinejmenším v klasickém popisu, kdy molekulu chápeme jako elektrický dipól a elektron jako bodový náboj.

Avšak tento hrubý obraz přestává za určitých podmínek platit, jak popisuje kvantová teorie pole. Kvantová teorie pole vyžaduje proces renormalizace, který odstraňuje z kvantového popisu matematická nekonečna a nekonzistence. Energie molekuly se pak jeví jako diskrétní a kvantovaná a nikoliv spojitá.

Pokud výše popsaný systém zkoumáme tímto způsobem, škálová invariance je narušena. Řada experimentálních a numerických důkazů tento závěr podporuje. Zatímco ostatní kvantové anomálie se objevují při vysokých energiích (jako je chirální symetrie v jaderné fyzice), toto narušení kvantové symetrie se objevuje již při nízkých energiích, které odpovídají interakcím elektronů a molekul. (Camblong et al., Physical Review Letters, 26. listopadu 2001; diskuse o narušení symetrie ve fyzice s příklady jsou uvedeny např. v článku Barryho Holsteina z University of Massachusetts v Amherstu.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 568. December 7, 2001 by Phillip F. Schewe, James Riordon and Ben Stein.

Podle autorů článků Physics News Updates Amerického institutu pro fyziku (the American Institute of Physics) [X1] nejvýznamnějšími událostmi v roce 2001 v kosmologii byly pozorování druhých a třetích maxim ve spektru kosmického mikrovlnného záření, detekce "re-ionizačního" období v počátečním období vývoje vesmíru, určitý důkaz, že konstanta jemné struktury se v čase mění. V atomové fyzice nejvýznamnějšími událostmi bylo efektivní zastavení a udržování světla v plynu. V částicové fyzice nejvýznamnější událostí bylo pozorování porušení symetrie CP při rozpadu mesonů B. Ve fyzice pevných látek nejvýznamnější událostí bylo pozorování supravodivosti při teplotě 117 Kelvinů v krystalu uhlíku C-60. Ve fyzice Boseových-Einsteinových kondenzátů byly nejvýznamnějšími událostmi Boseův-Einsteinův kondenzát na čipu a v héliu a udělení Nobelovy ceny za fyziku. V jaderné fyzice bylo nejvýznamnější událostí experimentální formulace jaderného fázového diagramu kapalina-plyn. Dalšími významnými událostmi bylo odvolání objevu chemického prvku 118, další důkaz oscilace neutrin, nový Sudburyho detektor, dvojitě podivné atomové jádro, pokrok ve výzkumu chaotického chování počasí, krystalizace s použitím zvukových vln, spintronika při pokojové teplotě, kvantová provázanost makroskopických oblaků plynu, kvantová holografie a attosekundové pulsy.

Oceány mohou mít ve sluneční soustavě a v jiných hvězdných soustavách určité společné a rozdílné vlastnosti. David Stevenson z Caltechu tvrdí, že dřívější představa "obyvatelné zóny", kdy Venuše je příliš horká a Mars příliš chladný pro vznik kapalných vodních oceánů, není správná. Stevenson o této otázce hovořil na zasedání Americké geofyzikální unie [X1] v prosinci 2001, které bylo věnováno porovnání výsledků dvou vědeckých skupin, které se zabývají podmínkami na Zemi a podmínkami na planetách. Pozorování ze dna pozemských oceánů ukazují, že mikroorganismy přežívají jak ve vodě s teplotou jen několik stupňů nad bodem mrazu, tak ve vodě s teplotou jen několik stupňů pod bodem varu. Takové podmínky mohou panovat v prostředí řady planet. Například sonda Galileo podala důkaz existence vodních oceánů na třech měsících planety Jupiter - na měsících Callisto, Ganymed a Europa. Voda pod povrchem těchto oceánů může být kapalná díky mocným slapovým silám nebo díky radioaktivitě. Torrance Johnson z JPL (Jet Propulsion Laboratory) tvrdí, že oceán na měsíci Europa může mít hloubku 75 až 150 kilometrů a proto může obsahovat až dvakrát více vody než pozemské oceány. Stevenson tvrdí, že pozorování naznačují existenci oceánů na měsících Titan a Triton a na planetě Pluto. V případě měsíce Titan, který v roce 2004 bude zkoumat sonda Cassini, oceán může být směsí vody a amoniaku, který může zabránit jeho zamrznutí. Za určitých podmínek by voda mohla existovat také uvnitř planety Uran a planety Neptun.

Nanoelektronvoltový prstenec pro udržování neutrálních atomů sestavili a otestovali fyzikové v Georgia Tech. Toto zařízení může pomoci rozvoji atomové vláknové optiky. Obecně ukládací prstence nejen udržují částice, ale také umožňují určit jejich energii a trajektorii, neboť částice se pohybují po předepsaných drahách jako v určitém druhu magnetického systému. Částice, které mají nesprávnou energii, prstenec samovolně opustí. Magnety k sobě přitahují pouze částice s elektrickým nábojem. Neutrální atomy nemají celkový elektrický náboj, ale mohou mít dipólový moment. Pokud se atomy pohybují dostatečně pomalu, lze tento dipólový magnetický moment využít pro ovládání jejich dráhy (viz obr. na [X2]). Stejná skupina výzkumníků plně opticky vytvořila Boseův-Einsteinův kondenzát. Výzkumníci doufají, že atomy z takto vytvořeného kondenzátu bude možno uchovávat v jejich zařízení, které pojmenovali "Nevatron". Nevatron by bylo možno využít ve velmi citlivých gyroskopech a v atomových laserech. (Sauer et al., Physical Review Letters, 31. prosince 2001; WWW: [X3])

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 569. December 14, 2001 by Phillip F. Schewe, James Riordon and Ben Stein.

Baktérie Escherichia coli se dělí zhruba jednou za hodinu, kdy vytvoří kopii své desoxyribonukleové kyseliny a rozdělí se na dvě baktérie, z nichž každá nese úplnou genetickou informaci. Je známo, že dělení této tyčinkovité baktérie probíhá téměř přesně uprostřed. Donedávna bylo naprostou záhadou, jak se tento střed určí. Výzkumníci z Simon Fraser University v Britské Kolumbii a z Dalhousie University v Novém Skotsku jsou přesvědčeni, že tuto záhadu vyřešili studiem interakcí tří proteinů, které uvnitř buňky baktérie putují z jednoho konce na druhý. (Martin Howard, 31-71-527-5515, [M1]; Andrew Rutenberg, 902-494-2952, [M2])

Biologové před několika lety zjistili, že pro buněčné dělení jsou důležité proteiny MinC, MinD a MinE. Jejich nedostatek nebo nesprávné rozdělení jednoho nebo více těchto proteinů v buňce vede k poruchám buněčného dělení nebo dokonce k zamezení celého procesu. Experimenty prokázaly, že proteiny Min oscilují mezi konci baktérie s intervalem asi jedné minuty. Důsledkem těchto oscilací je skutečnost, že nejvyšší koncentrace proteinů MinC a MinD je na koncích baktérie. Protože protein MinC zamezuje buněčnému dělení, baktérie se dělí uprostřed, kde je nejnižší koncentrace tohoto proteinu.

Otázkou zůstávalo, čím jsou oscilace těchto proteinů řízeny. Srážející se molekuly v plynech nebo kapalinách mají tendenci difúzním procesem se rovnoměrně rozptýlit v celém objemu. Proces difúze je také základním transportním mechanismem uvnitř buněk baktérií, kde zajišťuje distribuci chemických sloučenin. Nyní výzkumníci vytvořili nový model, v němž působí difúze proteinů společně s vázáním a uvolňováním proteinům z buněčné membrány. Celý jev lze popsat nelineárními diferenciálními rovnicemi, které se používají v Turingově modelu reakcí a difúze. Pomocí tohoto modelu se často vysvětlují složité obrazce v přírodě, jako jsou pruhy na kůži tygra nebo zebry. V případě baktérie E. coli proces samoorganizace vede k oscilacím proteinů Min a důsledkem je pak dělení tyčinkovitých buněk téměř přesně uprostřed. (M. Howard, A.D. Rutenberg, and S. de Vet, Physical Review Letters, 31. prosince 2001)

Dendrimerové lasery jako aktivní médium obsahují molekuly fluorescentního barviva umístěné v polymerech stromovitého tvaru (viz obrázek [X1]). Ve většině barvivových laserů koncentrace barviva nesmí překročit milimol na litr, aby nedošlo k omezení procesu fluorescence. Výzkumníci z japonské Výzkumné laboratoře komunikací a z japonské společnosti Japan Science and Technology Corporation zvýšili koncentraci barviva na 9 milimolů na litr a přitom nedošlo ke snížení ale naopak ke zvýšení výkonu laseru. Rozptyl vlnových délek je přitom velmi malý, jen 0,1 nm. Výkon laseru je tak vysoký, že není nutné používat koncových zrcadel. Lze očekávat, že v kombinaci s dalšími vlastnostmi organických laserů, jako je pružnost a laditelnost, bude možno vyrobit lasery o velikosti jen 100 nm. Výzkumníci (Shiyoshi Yokoyama, 81-789- 692-254, [M3]) nyní pracují na dalším vývoji dendrimerových struktur s cílem vyrobit vlnovody pevné fáze, vlákna a fotonické krystaly. (Yokoyama et al., Applied Physics Letters, 7. ledna 2002)

Výzkumníci (Ronald Miles, Binghamton University, 607-777- 4038, [M4]) vyvinuli tenkou mikrofonní membránu, která umožňuje snímání zvuku pouze před mikrofonem bez rušivých vlivů okolí. Mikrofonní membrána je součástí mikrofonu, která vibruje vlivem přicházejících zvukových vln. Další součásti mikrofonu převádějí vibrace mikrofonní membrány na elektrické signály, které jsou zesilovány nebo zaznamenávány. Výzkumníci mikrofonní membránu vyvinuli na základě výzkumu malého parazitického hmyzu Ormia orchracea, který používá zvukové vlny pro nalezení hostitele dokonce v úplné tmě. Tento hmyz je schopen detekovat změny směru přicházejícího zvuku menší než dva stupně. Tato schopnost je velmi zajímavá, protože uši tohoto hmyzu jsou vzdáleny od sebe jen několik desetin milimetru. Savci mají své uši od sebe dostatečně vzdáleny a díky tomu jsou schopni určit směr přicházejícího zvuku, pokud je jeho intenzita z různých směrů různá. Ještě zajímavější vlastností sluchových orgánů studovaného hmyzu je jejich tvar. Sluchové orgány tohoto hmyzu jsou tvořeny pravoúhelnými membránami, které jsou navzájem spojeny, "torzně vázány" tak, že zvuk dopadající na jednu membránu se může odrážet na druhou membránu. Spojení mezi membránami jim umožňuje kmitat různými způsoby a tím zaznamenávat jak průměrný tlak vzduchu tak tlakový gradient. Na základě těchto informací lze určit směr přicházejícího zvuku. Výzkumníci sestavili prototyp mikrofonové membrány z nitridu křemíku, který přesně reprodukuje vlastnosti sluchových orgánů zmíněného hmyzu. Výzkumníci zatím stojí před problémem průmyslové výroby své membrány. Již dnes ale doufají, že jejich nekonvenční zařízení pro lokalizaci zvuku umožní celou řadu nových aplikací. (článek 2aEA1 na zasedání Acoustical Society of America meeting v Ft. Lauderdale, 3-7. prosince 2001.)

Faktorizace (rozklad na prvočinitele) kvantovým počítačem může znít triviálně, ale dnes patří k významným úspěchům kvantové fyziky. Faktorizace dosud představuje nejsložitější výpočet provedený kvantovým počítačem, který nabízí naprosto odlišný způsob zpracování informace pomocí pravidel kvantové mechaniky. Faktorizace kvantovým počítačem je prvním experimentálním předvedením Shorova algoritmu, programu pro kvantový počítač, jímž lze provést faktorizaci velkých čísel na prvočinitele za dobu srovnatelnou s nejvýkonnějšími superpočítači. Taková velká čísla jsou základem šifrovacích kódů. Kódy je možno rozluštit nalezením prvočísel, jejichž součin dává tato velká čísla.

Výzkumníci z IBM-Almaden a ze Stanfordské univerzity (Isaac Chuang, nyní v MIT, [M5]) sestavili kvantový počítač, jehož pracovní látkou je kapalina obsahující miliardu miliard molekul. Tyto molekuly jsou zvláštním způsobem připraveny tak, že obsahují 7 jaderných "spinů", 5 z jádra atomu fluoru a 2 z jádra atomu uhlíku C-13. Podobně jako lze magnet orientovat buď severním nebo jižním pólem, každý jaderný spin představuje jednu z binárních číslic "0" nebo "1". Podle kvantové mechaniky lze tyto stavy kombinovat do kvantově vázaného stavu a jaderné spiny lze ovládat vnějším magnetickým polem a radiovými vlnami (stejně jako v technologii jaderné magnetické resonance). Manipulací se všemi 7 kvantovými bity (quibity) lze dosáhnout paralelního zpracování informace. Provedený výpočet vypadá velmi triviálně. Číslo 15 bylo rozloženo na prvočísla 3 a 5. Brzy se očekává, že kvantové počítače budou v dohledné budoucnosti schopny na součin prvočísel rozkládat velmi velká čísla . (Vandersypen et al., Nature, 20, 27. prosince 2001; viz také tisková zpráva IBM-Almaden na [X2])

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 570. December 21, 2001 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.