Meson Ds(2317), objevený v dubnu 2003 při srážkách elektronů a positronů o vysoké energii na zařízení SLAC (the Stanford Linear Accelerator Center), má hmotnost 2.317 GeV, tedy asi o 170 MeV méně, než se podle současných teorií kvarkových interakcí očekávalo. Proto fyzikové potřebují nové vysvětlení, jak je půvabný kvark spojen s půvabným antikvarkem. Obecně, mesony Ds a mesony D tvoří skupinu částic, které obsahují půvabný kvark spojený s lehkým antikvarkem. Symbol "s" označuje, že mesony Ds obsahují půvabný kvark spojený s půvabným antikvarkem, zatímco mesony D obsahují půvabný kvark spojený s antikvarkem "d". Skupina Babar ve středisku SLAC, která učinila experimentální objev (Aubert et al., Physical Review Letters, 20. června 2003, tisková zpráva [X1]), tvrdí, že nová částice Ds(2317) se skládá ze čtyř kvarků.

Dvojice portugalských fyziků tvrdí, že v jejich modelu, kdy se tento meson skládá z půvabného kvarku a půvabného antikvarku, jeho hmotnost pochází ze silné jaderné interakce zodpovědné za vytvoření nebo zánik mesonu.

Použitím tohoto modelu Eef van Beveren (Univerzita Coimbra) a George Rupp (CFIF laboratoř, IST, Lisabon, Portugalsko) již úspěšně předpověděli hmotnosti několika mesonů v minulosti (jako meson kappa objevený na zařízení Fermilab s hmotností 800 MeV). V případě mesonu Ds předpověděli hmotnost velmi blízkou mesonu Ds(2317), tedy v rozsahu 2.1 až 2.3 GeV. Dále předpověděli hmotnost těžšího dosud neobjeveného mesonu o hmotnosti 2.8 GeV. Podle van Beverena a Ruppa dvojice mesonů Ds a D jsou v jistém smyslu různé aspekty jediného kvark-antikvarkového stavu. (Physical Review Letters, článek [X2], kontakt: George Rupp, [M1])

Atomy, které jsou naneseny na krystalické povrchy metodou známou jako molekulární epitaxe, často tvoří plochy pokryté četnými nerovnostmi místo hladkého povrchu, pokud je teplota substrátu dostatečně nízká. Při vyšších teplotách se atomy blízko vrcholů těchto nerovností pohybují dolů směrem k povrchu krystalu. Konvenční teorie tvrdí, že opačný pohyb, není možný. Nedávno však společný tým výzkumníků z INFM Université di Genova v Itálii, Čínské akademie věd a Národní laboratoře v Oak Ridge ve Spojených státech amerických objevil, že atomy nanesené na povrchu krystalu mohou samovolně difundovat a vytvářet tak nanoskopická pohoří nad krystalickou rovinou.

Přestože takový vznik nanokrystalů byl pozorován již dříve, předpokládalo se, že příčinou je nesoulad mezi krystalickým substrátem a krystalickou strukturou nanášených atomů (např. když se nanáší atomy germania a křemíkový substrát, rozdíly ve vzdálenostech mezi atomy obou mřížek vedou k napětí, které deformují růst krystalu). Nový výzkum však poprvé ukazuje, že krystalická pohoří mohou vznikat také v případě, kdy nanášené atomy jsou stejné jako atomy substrátu a žádné napětí nevzniká. Konkrétně atomy hliníku nanášené na hliníkový krystalický substrát mohou difundovat vzhůru, že jejich výška je až desetkrát vyšší než je tloušťka okolní roviny.

Počítačové simulace naznačují, že růst může být způsoben procesem, který byl dříve v těchto studiích považován za málo významný. Atom ležící ve vnitřní straně poblíž základny výčnělku krystalu může přeskočit na povrch nebo dvojice atomů si může vyměnit polohu. Neočekávaný vznik tenkých krystalů difúzí atomů hliníku se objevuje pouze v rozmezí teplot od 330 do 500 Kelvinů, pokud celkové pokrytí povrchu krystalu překračuje kritické hodnoty 10 a více nanesených vrstev v závislosti na teplotě. Výzkumníci (Francesco Buatier de Mongeot, [M2] a Zhenyu Zhang [M3]) předpovídají, že tyto často přehlížené procesy, které vedou k difúzi atomů, mohou být důležité také pro krystaly, které nerostou molekulární epitaxí. Dynamika růstu krystalů tenkých filmů tedy může být bohatší, než se původně myslelo. (F. Buatier de Mongeot et al., Physical Review Letters, 4. července 2003)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 643. June 26, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Skupina fyziků pracujících ve fyzikální laboratoři SPring-8 v Japonsku oznámila pozorování stavu složeného z pěti kvarků.

Všechny dosud potvrzené částice jsou buď kombinací tří kvarků (baryony, mezi něž náleží hyperony a nukleony) nebo dvou kvarků (mesony, mezi něž náleží kaony a piony). Přestože standardní model částicové fyziky jiné konfigurace kvarků nezakazuje, dosud nebyly žádné pozorovány. "Pentakvarková" částice s hmotností nad 1,5 GeV byla objevena následujícím způsobem. Na zařízení SPring-8 se laserový paprsek odrážel od paprsku elektronů s energií 8 GeV, který cirkuloval po dráze synchrotronu. Odražené fotony vytvořily paprsek silného gama záření, který dopadal na pevný terčík atomů uhlíku C-12. Při srážkách gama záření a neutronů v jádrech atomů vznikaly zejména mesony K+ a K-. Účinné detektory zaznamenaly existenci různých kombinací částic, včetně krátce existujícího stavu, v němž byl dočasně spojen meson K+ a neutron. Nová částice (resonance) se skládá ze tří kvarků z neutronu (dva kvarky "d", jeden kvark "u") a ze dvou kvarků kaonu K+ (kvark "u", antikvark "s"). Důkazem existence takové částice složené z pěti kvarků by měl být nadbytek jevů (vrchol) v grafu "chybějících" hmotností odvozených z pozorování kaonů K- v experimentu.

Zařízení LEPS (Laser-Electron Photon Facility) laboratoře SPring-8 oznámilo přesně tento nadbytek v oblasti hmotnosti 1540 MeV s nejistotou 10 MeV. Statistická analýza prokázala, že nejde pouze o náhodnou fluktuaci přirozeného počtu jevů na pozadí, ale že nadbytečný počet jevů je příznakem nové částice se standardní odchylkou 4,6 od běžného pozadí. Podle většiny částicových fyziků tedy skutečně jde o významný objev. (Nakano et al., Physical Review Letters, 4. července 2003; kontakt: Takashi Nakano, [M1]).

Potvrzení tohoto objevu proběhlo rychle. Tým fyziků ve Spojených státech amerických, vedený Kenem Hicksem z Univerzity v Ohio [M2] ve společném týmu CLAS v národní laboratoři Thomase Jeffersona (the Thomas Jefferson National Accelerator Facility) nalezený důkaz pentakvarku potvrdil.

Paprsek fotonů (každý foton byl vytvořen srážkou paprsků elektronů, aby bylo možno přesně změřit energii gama záření) byl nasměrován na terčík atomů deuteria. Byl studován výsledný stav neutronů a kaonů K+ na detektoru CLAS [X1]. Výsledky národní laboratoře Thomase Jeffersona byly oznámeny na Konferenci o průsečících jaderné a částicové fyziky [X2], která proběhla 19. až 24. května 2003 v New York City.

Stepan Stepanyan [M3] na tomto zasedání oznámil, že změřená hmotnost pentakvarku 1,543 GeV (s neurčitostí 5 MeV) velmi těsně odpovídá hodnotě změřené na japonském zařízení LEPS. Statistická analýza měření CLAS dosáhla standardní odchylky 5,4. Zpráva o tomto výsledku byla publikována ve Physical Review Letters. Tento výsledek a výsledek z laboratoře SPring-8 poskytují dostatečně pevný důkaz existence pentakvarku.

Objev stavu složeného z pěti kvarků zřejmě vyvolá další zájem částicových fyziků, protože může jít pouze o první částici z celé rodiny těchto stavů. Zřejmě se objeví také nová klasifikace částic hmoty: vedle baryonů a mesonů se objeví pentakvarky. Podle Kena Hickse, který pracuje současně ve SPring-8 a v Jeffersonově laboratoři, tento pentakvark lze považovat za baryon. Na rozdíl od všech dosud známých baryonů pentakvark má podivnost S=+1, neboť obsahuje podivný antikvark ("anti-s"). Dřívější výzkumy těchto stavů byly neúspěšné. Hicks přisuzuje nový objev mnohem výkonnějším zdrojům paprsků, účinnějším detektorům a výkonnější statistické a matematické analýze. [X3]

Zařízení SQUID (supravodivé kvantové interferenční zařízení) s vysokoteplotním supravodičem lze využit pro magnetokardiogramy, které mají značný klinický význam. Zařízení SQUID mohou totiž detekovat velmi slabá magnetická pole, která vznikají tokem elektrických nervových signálů v mozku a v srdeční tkáni. Pole zařízení SQUID již byla použita pro vytváření magnetických map srdce. Tato zařízení však vyžadovala použití velmi nízkých teplot, tedy supravodičů chlazených kapalným héliem, a odstínění místnosti od vnějších magnetických polí. Nyní skupina výzkumníků japonské firmy Hitachi vyvinula magnetokardiograf, který využívá vysokoteplotních supravodičů chlazených pouze v kapalném dusíku. Stínění magnetického pole se provádí ve válcové komoře. Zařízení firmy Hitachi obsahuje pole 4 x 4 detektorů SQUID, které je schopno mapovat magnetické pole srdce o intenzitě pouhých 50 pico-Tesla, tedy miliónkrát slabší, než je magnetické pole Země. Jeden z autorů nového zařízení, Koichi Yokosawa [M4] tvrdí, že magnetokardiografie je jednou z předních aplikací supravodičů o vysoké teplotě. (Yokosawa et al., Applied Physics Letters, 30. června 2003)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 644. June 30, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Výzkumníkům se podařilo vyslat velmi intenzivní světelné paprsky "laboratorní "mlhou", která simulovala běžné atmosférické podmínky. Tento výsledek je důležitým krokem pro některé aplikace laserů, jako je laserová datová a telefonní komunikace volným prostorem, monitorování znečištění, vyhledávání cílů při střelbě a podobně. Laserové paprsky by se ve vzduchu měly šířit prakticky neomezeně. Avšak drobné kapénky vody laserové světlo rozptylují a pohlcují. Skupina fyziků z Univerzity Clauda Bernarda v Lyonu ve Francii použila velmi intenzivní (10¹⁴ watt/cm²) a velmi krátké (120 femtosekund) záblesky laseru a tím vytvořily "světelná vlákna" o tloušťce jen 150 mikronů a délce několika stovek metrů. Tato vlákna se mohou šířit prostorem zaplněným umělou vodní mlhou bez ztráty energie. Světelná vlákna vznikají díky dvěma protichůdným nelineárním optickým jevům. Prvním je "Kerrův jev", kdy velmi intenzivní světlo mění index lomu prostředí, jímž se šíří. Tímto způsobem dochází k samovolné fokusaci (soustředění) paprsku. Druhým je jev rozostření plasmy. Francouzští výzkumníci nyní plánují provést testy svého zařízení ve volné atmosféře za kontrolovaných podmínek. (Courvoisier et al., Applied Physics Letters, 14. července 2003; kontakt: Jean-Pierre Wolf, [M1])

Jedním z největších problémů fyziky pevných látek je chování supravodičů z oxidu měďnatého. Jedny z nejzkoumanějších materiálů ve vědě, cuprity, jsou tvořeny vrstvami oxidu měďnatého, které jsou proloženy vrstvami jiných prvků, jako je stroncium nebo lanthan. Poměry zastoupení těchto prvků jsou přitom různé. Například se takové vrstvy mohou skládat pouze z atomů lanthanu nebo mohou obsahovat 10% atomů stroncia. Podobně jako kuchař dohlíží na správná množství různých koření v jídle, fyzikové se pokoušejí změnami množství těchto dopantů lépe porozumět chování tohoto supravodiče a zesílit pohyb elektronů těmito vrstvami. Při středním množství dopantů jsou cuprity supravodivé. Vznikají elektronové páry a snižuje se elektrický odpor. Překvapivě však odpor roste při velmi nízkém množství dopantů. Tyto dopanty přitom sami o sobě jsou nevodiče. Vodivost materiálu souvisí s pohybem elektronů. Ve vodiči je volných elektronů nadbytek. (Hotelová analogie: je dostatek hostů a dostatek volných pokojů.) V běžném nevodiči jsou elektrony vázány po dvojicích (Pauliho vylučovací princip zajišťuje, že žádné dva elektrony v atomu nemohou zaujmout stejný kvantový stav, pokud nemají opačný spin.) a proto existuje velmi málo volných elektronů. (V "nevodivém" hotelu jsou všechny pokoje zaplněny dvěma hosty a žádné další pokoje nejsou volné.) Mottův nevodič (pojmenovaný podle Sira Nevilla Motta) má podmínky ještě nepříznivější: všechny elektronové stavy energií jsou zaplněny jedním elektronem a tyto elektrony interagují tak silně, že je vyloučeno obsazení nějakého stavu dalším elektronem. (V "Mottově" hotelu jsou všechny pokoje jednolůžkové a všechny jsou obsazeny).

Řada vědců věří, že klíčem k pochopení, proč cuprity jsou tak dobrými supravodiči v "chladném" stavu, je objasnění, proč jsou Mottovy nevodiči v "horkém" stavu a jak tento mechanismus souvisí s dopováním různými atomy. Další z podivných vlastností cupritů jsou "pseudomezery". V supravodiči se energie k rozrušení dvojice elektronů označuje jako "energetická mezera". V cupritech určitá energetická mezera přetrvává dokonce po zániku supravodivosti. Někteří tento jev interpretují jako důkaz, že některé páry mohou existovat i v případě zahřátí materiálu nad teplotu supravodivého přechodu. Pseudemezera však existuje v Mottových nevodičích, které se nikdy nemohou stát supravodiči. Proto pseudomezera musí být obecnější příčinu. Snad existuje ještě další příčina vedoucí k supravodivosti, než je párování elektronů. (viz Nature, 4. ledna 2001).

Nová teorie pro řešení problému supravodivosti cupritu tvrdí, že existenci zvláštní energetické pseudomezery lze vysvětlit stejnými fyzikálními principy, jako vznik Mottových nevodičů. Tudor Stanescu (Rutgersova universita) a Philip Phillips (Universita v Illinois) tvrdí, že "Mottův stav", který způsobuje kolektivní chování mnoha elektronů, existuje dokonce v případě, že některé pokoje hotelu jsou prázdné, pokud použijeme naši "hotelovou analogii". Energetická pseudomezera vzniká jednoduše proto, že transport elektronů v dopovaném Mottově nevodiči umožňuje, aby dočasně dva elektrony zaujímaly stejný kvantový stav (dva hosté v jednom pokoji v "hotelové analogii"). Autoři nové teorie tvrdí, že tento jev zmizí v okamžiku, kdy zhruba 25% hotelových pokojů je prázdných. V tomto případě se elektrony mohou pohybovat ve vrstvě bez omezení Mottovým stavem. (Physical Review Letters, 4. července 2003; kontakt: Philip Phillips, [M2])

Jedním z problémů elektronických obvodů je disipace tepla (rozptyl tepelné energie do okolí). Jedním z pokusů řešit tento závažný problém je upravit termoelektrické vlastnosti vnitřních materiálů elektronických obvodů a použít materiály, které se chovají jako chladiče. Konveční termoelektrické materiály, jako je Bi₂ Te₃, nelze s běžnými polovodiči Si, GaAs a InP dost dobře použít, protože existují rozdíly v rozmístění atomů. Skupina vědců Massachusettské university v Amherstu se svými kolegy z University vědy a technologie v Hong Kongu se pokusila tento problém vyřešit vytvořením chladičů ze samotného materiálu GaAs. Podařilo se jim zatím dosáhnout ochlazení 0,8 stupně při teplotě 25 stupňů Celsia a 2 stupňů při teplotě 100 stupňů Celsia. (Zhang et al., Applied Physics Letters, 14. července 2003; kontakt: Jizhi Zhang, [M3])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 645. July 9, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Fotonické krystaly jsou umělé struktury, obvykle se skládající z tenkých tyčinek nebo polí otvorů v pevné látce. Tyto struktury umožňují průchod světla určitých vlnových délek a zamezují průchodu světla jiných pásem. Nové výsledky laboratoře Sandia National Laboratory ukazují, že fotonický krystal, zhotovený s wolframových tyčinek o průměru půl mikronu, vystavený tepelnému ohřívání, pohlcuje světlo delších vlnových délek a zpětně vysílá světlo kratších vlnových délek. Takový fotonický krystal může být užitečný ve fotoelektrických zdrojích nebo při výrobě lepších žárovek. Shawn Lin a jeho kolegové tak zřejmě zpochybnili známý zákon o rozdělení vlnových délek záření absolutně černého tělesa, který před více než 100 lety zformuloval Max Planck. Fotonický krystal vyzařuje 4 krát až 10 krát více záření v blízkém infračerveném spektru, než by měl podle Planckova zákona vyzařovat (vzorek byl zahřát na teplotu 120 stupňů Celsia). (Lin et al., Applied Physics Letters, 14. července 2003; Lin et al., Applied Physics Letters, 14. července 2003; Lin et al., Optics Letters, 15. srpna 2003)

Pikosekundovou roentgenovou krystalografii proteinu poprvé předvedl mezinárodní tým výzkumníků (Philip Anfinrud, NIH, [M1]). Tato metoda umožňuje filmování velmi rychlých procesů v důležitých biomolekulách v atomovém měřítku. Tento úspěch byl publikován na zasedání Americké krystalografické společnosti 26. až 31. července 2003 v Cincinnati (Schotte et al., Science, 20. června 2003). Zatímco krystalografové dosud získávali nehybné snímky tisíců proteinů, nyní mohou studovat jediný protein v pohybu. Předchozí metoda roentgenového filmování proteinů probíhala v nanosekundovém měřítku a byla proto příliš pomalá pro studium mnoha rychlých procesů.

Výzkumníci Evropského synchrotronového a radiačního zařízení (ESRF, European Synchrotron and Radiation Facility) ve Francii nafilmovali v pikosekundových intervalech mutovanou molekulu myoglobinu, jak se zbavuje jedovatého oxidu uhelnatého. Myoglobin je protein, který udržuje kyslík ve svalové tkáni. Výzkumníci se rozhodli studovat jeho mutovanou variantu, protože její značně zdeformovaná atomová struktura je schopna se zbavit oxidu uhelnatého rychleji než nemutovaná varianta.

Aby výzkumníci mohli sledovat celý proces, nejprve ozářili molekulu proteinu pikosekundovým laserovým pulsem, aby došlo k uvolnění oxidu uhelnatého. Krátce poté znovu ozářili protein intenzivním, 150 pikosekund dlouhým roentgenovým pulsem ze synchrotronu ESRF. Klíčovým předpokladem byla možnost izolovat jednotlivé krátké roentgenové pulsy ze synchrotronu.

CCD kamera zachycovala po sobě jdoucí roentgenové pulsy po jejich průchodu proteinem. Výsledný film ukázal, jak se oxid uhelnatý pohybuje po různých místech proteinu a jak myoglobin mění svůj tvar, aby se oxidu uhelnatého zbavil. Výzkumníci díky nové metodě mohou studovat různé přechodové jevy v proteinech. Pikosekundové snímky mohou přispět k simulacím molekulární dynamiky a lépe porovnat experimenty s teorií.

Výzkumníci z americké Purdue University a z britské Imperial College of Science v Londýně vytvořili holografický systém pracující v reálném čase, který je schopen zachytit na film průlet živou tkání díky infračervenému záření a zvláštnímu polovodičovému holografickému filmu. Získané snímky zachycují struktury uvnitř nádoru živé krysy. Takové snímky bylo dosud možno získat pouze z mrtvé tkáně nakrájené na velmi tenké plátky nebo pomocí ionizujícího záření. Výzkumníci získali film pomocí metody označované jako "optické koherentní zobrazování" (OCI, optical coherence imaging). Tato metoda souvisí se známou metodou optické koherentní tomografie (OCT). Metoda OCT používá laser, který prochází vzorkem bod po bodu a získané informace se musí pomocí počítače sestavit do výsledného snímku. Metoda OCI získává úplné snímky tenkých částí tkáně, které lze přímo zaznamenat do videokamery.

Jádrem holografické metody optického koherentního zobrazení je dynamický holograifcký film, který filtruje rozptýlené nekoherentní světelné pozadí a zachytává koherentní světlo snímků do kamery. Tkáň snadno odráží infračervené záření, ale také silně rozptyluje běžné záření. Proto bez koherentního filtrování by rozptýlené světlo zcela překrylo koherentní snímky. Nastavením relativního zpoždění mezi zobrazovacím paprskem a referenčním paprskem v obrazovém interferometru systému OCI výzkumníci (Ping Yu, [M2], David Nolte, [M3]) mohou ovládat hloubku snímků a uspořádání jednotlivých vrstev při průniku nádorem, zatímco tkáň zůstává nedotčena. Použití metody OCI umožňuje studovat tkáně, které jsou nekrotizované (mrtvé tkáně) nebo kalcifikované, jak k tomu někdy dochází u lidských rakovinných nádorů. Výzkumníci tvrdí, že holografická metoda OCI může být nedestruktivní alternativou k roentgenovému snímkování a k histologickým metodám vyjímání živých tkání. (P. Yu et al., Applied Physics Letters, 21. července 2003.)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 646. July 16, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.