Nové experimenty prokázaly, že šíření světla v dutině lze nyní řídit pomocí interakcí světla se shlukem méně než několik desítek atomů.

Obecně lze rychlost světla snížit pod její hodnotu ve vakuu průchodem světelného paprsku hustým prostředím. Rychlost světla lze také změnit, pokud světelný puls obsahuje superpozici světelných vln různých vlnových délek a pokud je prostředí disperzní (index lomu závisí na frekvenci světla, které tímto prostředím prochází). Použitím disperzního prostředí Boseova-Einsteinova kondenzátu, který obsahuje několik miliónů atomů, lze světlo zpomalit nebo dokonce zastavit.

Výzkumníkům z Univerzity v Tokiu v Japonsku a z amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST, National Institute of Standards and Technology) [X1] se podařilo změnit rychlost světelného pulsu v mikrodutině v prostředí, jehož hustota se nepatrně odlišuje od vakua, konkrétně v řídkém plynu atomů rubidia.

70 mikronů dlouhá dutina má tak vysoký index lomu, že světelný puls se v dutině mnohokrát odráží. Díky tomu světlo opakovaně interaguje s atomy v dutině.

Podle výzkumníků (Yukiko Shimizu, [M1]) tento výrazný úspěch může přispět k rozvoji kvantových počítačů. Světelné pulsy použité v experimentu byly často velmi slabé a obsahovaly v daný okamžik průměrně jen čtyřicet fotonů. Dalším cílem je kvantově vázat jediný foton s jediným atomem. (Shimizu et al., Physical Review Letters, 2. prosince 2002)

Výzkumníci předvedli nový způsob magnetického ochlazování na malých molekulách kruhového tvaru. Nejběžnější způsob ochlazování nějakého vzorku částic je přenést nadbytečnou energii na jiné molekuly, které vzorek obklopují. Dalším způsobem ochlazování atomů (který se používá při tvorbě Boseových-Einsteinových kondenzátů) je jednoduše umožnit nejteplejším atomům uniknout.

Podstata "magnetického ochlazování" je následující. Uvažujme nejprve spiny elektronů v atomech. Spiny tvoří systém, který lze "ochlazovat" adiabaticky (tedy bez přenosu tepla ze systému) zmenšováním intenzity použitého magnetického pole. Určitou část tepla pohybu molekul lze přenést na spiny. Tímto způsobem lze dosáhnout nižší teploty molekul.

"Adiabatická demagnetizace" se běžně používá pro dosahování nízkých teplot (řádově miliKelvinů) při studiu vlastností hélia He-3. Tento princip lze dokonce rozšířit na spiny atomových jader. Tímto způsobem bylo již dosaženo nejnižší kryogenní teploty 50 nK ve vzorku atomů mědi.

Nyní fyzikové z Erlangenské-Norimberské univerzity v Německu (kontakt: Oliver Waldmann, nyní na Státní Univerzitě v Ohio, [M2]) předvedli opačný jev: ochlazování molekul zvětšováním intenzity vnějšího magnetického pole. Adiabatické magnetizace je dosahováno pomocí "feritových kroužků", molekul kruhového tvaru, které jsou složeny ze šesti atomů kovu a několika ligandů. Výzkum podobný tomuto slouží ke studiu reakcí mezi spiny a molekulami a ke studiu koherentních kvantových stavů. Jednou z aplikací tohoto výzkumu může být rozvoj kvantových počítačů. (Waldmann et al., Physical Review Letters, 9. prosince 2002)

Litografie je klíčovým procesem při výrobě mikročipů. Prvky obvodu jsou sestavovány nebo "zapisovány" na podklad řadou kroků, mezi nimiž je chemické působení (leptání), ohřívání a ozařování. Proto v minulosti byla učiněna řada pokusů proces litografie zjednodušit a vyrábět ještě menší mikroelektronické obvody. Používání tunelové mikroskopie s rastrovací sondou (STM, scanning tunneling microscopy) sice umožňuje vytvářet jemnější struktury posouváním jednotlivých atomů nebo molekul, avšak tato metoda je pro průmyslovou výrobu příliš pomalá.

Nový krok k jemnější litografii učinili Peter Krause a Robert Wolkow z Národní výzkumné rady v Ottawě v Kanadě. Oznámili vývoj "jemné litografie", která nepoužívá ohřívání, leptání nebo ozařování světlem. Křemíkový povrch je pokryt jednomolekulovou vrstvou molekul benzenu. Sondou tunelového mikroskopu jsou tyto molekuly benzenu v dlouhých páscích odstraňovány. Takto vznikají požadované obrazce s prostorovým rozlišením až 2 nm. Uvolněná místa jsou zaplněna vrstvou molekul ethylenu. Podle výzkumníků ethylen po krátkém zahřátí vytváří stabilní vodivé struktury sloučenin uhlíku s křemíkem. (Kruse and Wolkow, Applied Physics Letters, 2. prosince 2002)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 615. November 27, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

[X1] National Institute of Standards and Technology.

Na prvním americko-iberském zasedání o akustice v Cancunu počátkem prosince 2002 výzkumníci představili výsledky akustické mikroskopie, nové perspektivní technologie, která může nabídnout nový typ lékařsky užitečných informací o biologických tkáních. Na rozdíl od většiny jiných metod akustickou mikroskopii lze použít na živé tkáni dokonce uvnitř těla použitím malých ultrazvukových sond. Na rozdíl od optické mikroskopie biologických vzorků akustická mikroskopie nevyžaduje barvení tkání organickými barvivy.

Akustická mikroskopie využívá ultrazvukových sond. Snímky vznikají na základě vyhodnocení odrazu a lomu zvukových vln od biologické tkáně. Rozlišení akustické mikroskopie je omezeno na buněčnou úroveň (maximální rozlišení je asi 0,1 mikronu, což je asi setina průměru červené krvinky). Přesto může poskytnout cenné a jedinečné informace o mechanických vlastnostech biologických tkání. Mechanické vlastnosti většiny biologických látek se mění ve větším rozsahu než jejich optické vlastnosti. Proto tato technologie může například odhalit tkáně charakteristické pro Alzheimerovu chorobou. V principu akustická mikroskopie může poskytnout rychlé vyhodnocování patologických tkání aniž by bylo nutné používat invazivní metody, jako je biopsie, kdy se z tkáně chirurgicky vyjme malý vzorek.

Na zmíněném zasedání výzkumníci popsali použití akustické mikroskopie v kardiologii, konkrétně při nitrocévním vyšetření. Při tomto vyšetření se do cévy zavede mikroskopická ultrazvuková kamera, která detekuje ucpání cévy. Použitím snímací akustické mikroskopie lze získat základní informace o případném poškození cév. Yoshifumi Saijo z Univerzity v Tohoku [M1] a jeho kolegové pomáhají klinickým lékařům snímky získané ultrazvukem lépe interpretovat. Pomocí akustické mikroskopie Ton van der Steen [M2] z Lékařského střediska Erasmus v Holandsku a jeho kolegové vyvinuli klinickou metodu elastického zobrazování nitrocévními ultrazvukovými sondami pro odhalování nebezpečných poškození srdečních cév, která jsou ve Spojených státech příčinou smrti až 250 tisíc lidí ročně. [X1], [X2]

Vnitřní stav atomu se může měnit absorbcí nebo emisí fotonu. V horkém plynu nebo plasmě elektrony často přeskakují z jednoho kvantového stavu do jiného. Některé z těchto stavů existují déle než jiné díky určitým podmínkám. Například většina přechodů z excitovaného do základního stavu proběhne během nanosekund, ale některé přechody trvají až desítky sekund nebo déle. Měření skutečné doby trvání těchto dlouho trvajících stavů je obtížné z prostého důvodu: ve vzorku dochází k častým srážkám atomů a tím k vynuceným přechodům elektronů do nižšího kvantového stavu. Dokonce nejlepší laboratorní vakuum je příliš husté pro tato velmi jemná měření. Fyzikové se proto snaží pozorovat atomy plynu v kosmickém prostoru. Tomas Brage z Univerzity v Lundu ve Švédsku, Philip Judge z observatoře High Altitude Observatory v NCAR v Boulderu a Charles Proffitt ze Společnosti počítačových věd v Baltimore pozorují excitované atomy v planetární mlhovině NGC 3918, která je pozůstatkem erupce supernovy. Plyn v mlhovině má velmi nízkou hustotu (jen několik tisíc atomů na centimetr krychlový). Atomy však mají dostatečně vysokou energii, takže mohou přecházet do excitovaného stavu. [X3]

Pomocí Hubbleova vesmírného dalekohledu HST (the Hubble Space Telescope) [N1] fyzikové hledali emise excitovaných trojnásobně ionizovaných atomů dusíku a pozorovali jeden velmi jemný přechod o střední délce 2500 sekund. Proč tento stav má tak extrémní dobu existence? Tomas Brage [M3] tvrdí, že v úhlový moment se při tomto přechodu může zachovat pouze tehdy, pokud kromě emise ultrafialového fotonu elektronem dochází k jistému kvantovému přechodu samotného jádra atomu. Kromě přínosu k atomové fyzice toto studium může poskytnout spektroskopické údaje pro studium vyhaslých hvězd. (Brage et al., Physical Review Letters, 16. prosince 2002)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 616. December 4, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Podle autorů článků Physics News Updates Amerického institutu pro fyziku (the American Institute of Physics) [X1] nejvýznamnějšími událostmi v roce 2002 bylo určení celkového počtu slunečních neutrin kanadskou neutrinovou observatoří SNO (the Sudbury Neutrino Observatory), vyřešení problému slunečních neutrin a vytváření a detekce atomů antivodíku. Dalšími významnými událostmi ve fyzice bylo zastavení a uchovávání světelných pulsů v pevných látkách, pozorování fázových přechodů v atomovém jádru, publikace některých neodeslaných dopisů dánského fyzika Nielse Bohra německému fyzikovi Werneru Heisenbergovi, interferometrie s molekulami C-70, úvahy o "fúzi" v sonoluminiscenci, dosud nejpřesnější testování speciální teorie relativity, podrobnější mapa kosmického mikrovlnného pozadí, "kapénky" světla, odvolání objevu chemického prvku 118, důkaz porušování druhého zákona termodynamiky v malých prostoročasových intervalech, velmi přesná měření narušení CP symetrie při rozpadu mesonů B a v g-2 faktoru mionů, odhalení falšování vědecké práce ve společnosti Lucent, velmi silná magnetická pole v laboratoři, detekce polarizace kosmického mikrovlnného pozadí, udělení Nobelových cen za fyziku, důkaz, že šum může pomoci lidem s problémem udržování rovnováhy a měření nejdelší existence atomového stavu.

Podrobnosti ke všem výše popsaným událostem lze nalézt buď v knihovně časopisu Natura (Physics News) anebo na stránkách Physics News Update.

Chybějící výskyt antineutrin v reaktorech, který svým detektorem zjistili výzkumníci v Japonsku, podporuje myšlenku, že neutrina oscilují mezi svými typy (elektronové, mionové, tauonové neutrino) a že mají nenulovou klidovou hmotnost. Jaderné reaktory jaderným štěpením uranového nebo plutoniového paliva produkují kromě tepla a elektrické energie také elektronová antineutrina. Některá elektronová antineutrina při průchodu tělesem Země vykazují jeden z dosud nejpodivnějších jevů ve fyzice: chovají se jako směs tří různých typů. Během svého letu se neutrina mohou samovolně měnit z elektronového typu na mionový nebo tauonový. Pro detekci antineutrin japonští výzkumníci používají kapalný scintilační detektor KamLAND (the Kamioka Liquid Scintillator Anti-Neutrino Detector). Detektor je v podstatě velká nádoba opticky aktivní kapaliny. Nádoba je obklopena fotodetektory, které zaznamenávají srážky antineutrin s protony v atomech kapaliny, při nichž vzniká dvojice neutronu a elektricky nabitého positronu. Detektor je umístěn v podzemní laboratoři pod městem Toyama. Umožňuje detekci nejen kosmických neutrin z galaxií, ale také detekci antineutrin z 69 jaderných reaktorů na území Japonska a Koreje.

Na základě znalostí fyzikálních zákonů, jimiž se řídí jaderné reakce v reaktorech, a na základě výkonu, počtu a vzdáleností těchto jaderných reaktorů japonští výzkumníci po dobu 145 dní očekávali detekci 86 antineutrin. Detekováno však bylo jen 54 antineutrin. Vědci jsou přesvědčeni, že chybějící antineutrina jsou důsledkem jejich oscilace.

Tento výsledek však není jen pouhým potvrzením výzkumu oscilace neutrin na detektorech slunečních neutrin Super Kamiokande v Japonsku a SNO v Kanadě. Především detektor KamLAND slouží ke studiu antineutrin. Dále produkci neutrin v jaderných reaktorech rozumíme lépe než produkci neutrin v jádrech hvězd. Detektor KamLAND by proto mohl výrazně pomoci nalézt teoretické vysvětlení oscilace neutrin. (Eguchi et al., Physical Review Letters, další informace na [X3]).

Proteiny s iontovými kanály, které fungují jako určitý typ prvků integrovaných obvodů, zajišťují tok iontů (sodík, draslík atd.) buněčnými membránami mezi buněčnou protoplasmou a vnějším okolím. Tyto proteiny jsou nyní využívány v nové technologii na jednomolekulární úrovni. Pro přenos elektrických signálů do živých buněk se v laboratoři používají mikropipety naplněné elektrolytem, který se vypouští na povrch buněčných membrán. Výzkumníci ze Střediska pro nanovědu (CeNS, the Center for NanoScience) na Univerzitě Ludwiga-Maximiliana v Mnichově nechávají procházet jednotlivé buňky skleněnými vlákny s póry o velikosti několika mikronů. Proteiny s iontovými kanály těmito póry mohou pronikat. Tato čipům podobná architektura podle německých výzkumníků umožní automatizaci bio-nanotechnologického výzkumu iontových kanálů, který umožní porozumět mechanismům, jimiž si živé buňky vyměňují informace v různých nervových, kardiovaskulárních a reprodukčních procesech. (Fertig et al., Applied Physics Letters, 16. prosince 2002)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 617. December 13, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.