Nanotrubičkovou vodu, jednorozměrnou formu vody složenou z vlákna vodních molekul, které je zachyceno uvnitř uhlíkové nanotrubičky, studovali fyzikové z americké Národní laboratoře Argonne pomocí rozptylu neutronů. Měření rozptylu neutronů a počítačové simulace molekulárních interakcí mezi vodou a okolní jednostěnnou uhlíkovou nanotrubičkou potvrdily, že molekuly vody jsou v nanotrubičce uloženy ve formě určitého "vlákna". Navíc okolní vodní vlákno mělo jinou strukturu v podobě jakéhosi vodního pouzdra válcovitého tvaru.

Toto nové uspořádání molekul kapalné vody bylo pozorováno hluboko pod bodem mrazu normální vody. Vodíkové vazby řetězce molekul vody jsou zřejmě zeslabeny, což umožňuje volnější pohyb protonů podél řetězce. Výzkumníci z Národní laboratoře Argonne (kontakt: Alexander Kolesnikov, [M1]) jsou přesvědčeni, že toto anomální chování vody by mohlo vysvětlit jiný jev v nanoskopickém měřítku, jako je pohyb vody z půdy do rostlin kořenovými vlákny nebo translokace protonů v proteinech buněčných membrán. (Kolesnikov et al., Physical Review Letters, červenec 2004)

Amorfní ocel, dlouho vytoužený cíl metalurgů, byla poprvé vyrobena výzkumníky americké Národní laboratoře v Oak Ridge. Vyrobená amorfní ocel má tvrdost a pevnost více než dvakrát vyšší než nejlepší extrémně pevné konvenční oceli. Některé amorfní (skleněné) slitiny obsahující železo se používají v jádrech transformátorů, tedy v elektrických zařízeních pro transformaci elektřiny z jednoho elektrického napětí na jiné. Tyto slitiny zmenšují ztráty transformátorů až o dvě třetiny. Dosud se však nepodařilo vyrobit takový druh skleněné oceli, jíž by bylo možno použít jako stavební materiál.

Ocel, slitina atomů železa s různými příměsemi atomů uhlíku a dalších prvků, má obvykle krystalickou strukturu. Její vnitřní struktura je tvořena krystalickou mřížkou atomů. Pokud se však rychle vyrobí z kapalné fáze, může vzniknout neuspořádaná pevná látka. Celý trik spočívá v nalezení správných podmínek včetně chemického složení takové slitiny. Výzkumníci v tomto případě přidali yttrium, čímž se jim podařilo zabránit krystalizaci během tuhnutí slitiny.

Výzkumníci (Zhou Ping Lu, [M2]) vyrobili centimetr velké kousky amorfní oceli. Při výrobě zjistili, že toto kovové sklo lze ekonomicky vyrobit tradiční metodou, kdy kovové sklo je vyráběno vléváním horké kapaliny do chladné měděné formy. (Lu et al., Physical Review Letters, 18. června 2004.)

Podobným výzkumem se zabývají výzkumníci na Univerzitě ve Virginii (Ponnarnbalam et al., J. Mat. Res, 5. května 2004) a výzkumníci Kalifornského technického institutu Caltech (Xu et al., Physical Review Letters, 18. června 2004). .

Výzkumníci Princetonské univerzity dosáhli nanotiskové litografie, která je schopna vytvářet čáry o tloušťce jen 16 nm a vzdálenosti jen 14 nm.

Jednou z možností, jak zvýšit hustotu ukládaných dat nebo výpočetní výkon mikročipů je samozřejmě zmenšit jejich obvody. Avšak při velmi malých velikostech čar a mezer mezi nimi se objevují nové potíže. Například při velikostech pod 35 nm lze pro litografii použít elektronový paprsek jen obtížně.

Proto výzkumníci z Princetonu použili litografický proces označovaný jako fotovulkanizační nanotiskovou litografii P-NIL (photocurable nanoimprint lithography). Forma je vtlačena do nevodivého média, které je následně vulkanizováno ultrafialovým zářením. Potom je nevodivé médium odstraněno a jsou ponechány pouze 5 nm široké polymerní stěny. K celému mikročipu lze pak připojit zlaté kontakty ve vzdálenostech jen 5 nm od sebe. (Austin et al., Applied Physics Letters, 28. června 2004)

Podle nového výzkumu mořské proudy v oceánech na Zemi a pásy na Jupiteru se do určité míry navzájem podobají. Autoři této práce porovnali pásy viditelné ve svrchní atmosféře planety Jupiter a proudění vody v hloubce asi 1 kilometru pod hladinou Tichého oceánu. Výtrysky plynu v atmosféře planety Jupiter a mořské proudy v oceánech na Zemi se nejen navzájem podobají, ale také jejich energetická spektra lze charakterizovat dolů se svažující křivky "mocninného zákona". Pravděpodobnost výtrysků určité velikosti je tedy přímo úměrná této velikosti umocněné na určité číslo. Oceánografové, kteří se podílejí na této studii, pocházejí z Univerzity v Jižní Floridě ve Spojených státech amerických, z Meteorologického výzkumného ústavu v Japonsku, z Kolumbijské univerzity ve Spojených státech a z Univerzity v Ben-Gurionu v Izraeli. (Galperin et al., Geophysical Research Letters, červen 2004)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 689. June 21, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Vědci ve Švýcarsku jako první vysvětlili mikroskopické příčiny způsobující bzučení v kovových jádrech transformátorů pro přeměnu jednoho střídavého elektrického napětí na jiné. Když se elektrický proud v kovovém jádru 60 krát za sekundu obrací, dochází 120 krát za sekundu k indukci magnetického pole, které způsobuje malé stlačování nebo rozpínání jádra. Transformátor s jádrem o velikosti jednoho metru se smrští nebo rozepne jen o jeden mikron. Tato nepatrná změna postačuje k tomu, aby jádro vydávalo slyšitelný zvuk o kmitočtu 120 Hz.

Planeta Země je také velkým magnetem. Kvůli jejímu vlastnímu magnetickému poli je průměr Země smrštěn asi o 10 cm. Pokud by magnetické pole Země zmizelo, její povrch by se zvětšil asi o 10 km².

Nová experimentální práce ověřuje teorie, jejichž základy položil Werner Heisenberg ve 20. letech 20. století. Podle těchto teorií ke smršťování dochází kvůli magnetickým interakcím (změně spinu) mezi páry atomů, které sdílejí společný elektron. Tyto dva magnetické ionty se k sobě přibližují. Pro studium tohoto jevu samotné železo není nejvhodnějším materiálem. Švýcarští vědci (ETH Lab v Zurichu a Universita v Bernu) použili jiný magnetický materiál, mangan. Mangan se používá v systémech pro záznam dat, které využívají magnetoresistence. Takové systémy lze nalézt ve většině pevných disků. Mangan normálně vytváří čisté krystaly. Atomy manganu lze uspořádat do rovných úseček. Ve zmíněném pokusu jsou atomy manganu po dvou odděleny pomocí atomů hořčíku. Díky tomu vědci mohou sledovat různě "zeslabené" magnetické interakce mezi atomy manganu. Intenzita těchto interakcí (přesněji úrovně energií excitovaných atomů manganu) se měří rozptylem paprsku neutronů ve vzorku, tedy neutronovou spektroskopií. Pozorované mikroskopické změny se projevují na makroskopické úrovni, avšak současně překračují předpovědi tradičního Heisenbergova modelu. (Straessle et al., Physical Review Letters, 25. června, 2004; kontakt: Thierry Straessle, Universite P&M Curie, [M1])

Fyzikové na Univerzitě vědy a technologie v Číně dosáhli kvantového propletení pěti fotonů. Kvantové propletení má zřejmě všechny nejpodivnější aspekty kvantového chování. Kvantové propletení několika částic znamená, že tyto částice sdílejí společný kvantový stav, který se může skládat z několika jediných stavů ve stejném okamžiku. Kvantově propletený systém je popsán jedinou vlnovou funkcí. Měřené vlastnosti těchto částic, jako jsou jejich spiny, jsou korelovány, přestože tyto částice mohou být od sebe vzdáleny a jejich vlastnosti jsou studovány odděleně. Velkého úspěchu úplného kvantového propletení se podařilo v iontové pasti, kde byly kvantově vázány čtyři částice. Čínští vědci vytvořili nejprve dvojice kvantově propletených fotonů, které pak kvantově provázali ještě s dalším fotonem. (Zhao et al., Nature, 1. července 2004.)

Pokrok od čtyř kvantově propletených částic k pěti částicím je významný zejména z hlediska zpracování kvantové informace (kvantové počítače) se zabudovaným procesem opravy chyb, který může vyžadovat při zpracování quibitů právě kvantové provázání pěti částic. (viz např. Laflamme et al., Physical Review Letters, 1. července 1996).

30. června 2004 americká kosmická loď Cassini dosáhla planety Saturn poté, co urazila dráhu 3,5 miliardy kilometrů za sedm let svého letu ze Země. Očekává se, že kosmická loď se bude čtyři roky pohybovat kolem planety Saturn a bude provádět různá měření prstenců a některých měsíců této planety. V prosinci 2004 se od této lodi oddělí sonda Huygens, která by měla studovat měsíc Titan a poté přistát na jeho povrchu. Titan je předmětem velkého zájmu vědců, protože je jediným měsícem Sluneční soustavy, který má vlastní atmosféru. Kosmická loď Cassini proletěla kolem měsíce Titan 2. června a přiblížila se k němu na vzdálenost pouhých 950 kilometrů. Sonda pořídila řadu snímků pomocí speciálních filtrů. Na snímcích lze rozeznat světlé a tmavé skvrny povrchu tohoto měsíce. [N1]

Podrobnější informace o sondě Cassini jsou k dispozici na stránkách [X1].

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 690. June 30, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

[N1] Sonda Cassini doletěla k Saturnu. Natura 8/2004.

Přepínatelné nanotrubičkové diody vyvinuli vědci výzkumného oddělení společnosti General Electric. Tyto diody kombinují některé elektrické vlastnosti uhlíkových nanotrubiček (schopnost vést vysoké elektrické proudy a schopnost emitovat světlo) se schopností měnit vlastnosti diody typu p-n (která vede proud jedním směrem) na vlastnosti diody typu n-p (která vede proud opačným směrem). Většina transistorů v pevném stavu jsou součástky se třemi vývody. Proud přichází na jeden vývod a odchází na druhém vývodu, pokud na třetím vývodu je určité napětí.

V součástce společnosti General Electric se používá jednostěnná uhlíková nanotrubička, zatímco "hradlem" jsou ve skutečnosti dvě oddělená hradla umístěná uvnitř nanotrubičky. Tato oddělená hradla elektrostaticky nabíjejí oba konce nanotrubičky takovým způsobem, že elektrický proud může protékat pouze jedním nebo pouze opačným směrem v závislosti na napětí na hradle. Pokud uvažujeme emitor, kolektor, dvě hradlové elektrody a další elektrodu připojenou ke křemíkovému substrátu, nová součástka má pět vývodů. Diody jsou konstrukčně jednodušší než transistory, avšak dosud výzkumníci se mnohem více zabývali nanotrubičkovými transistory než nanotrubičkovými diodami. Výzkumníci z General Electric (kontakt: Ji-Ung Lee, [M1]) očekávají, že jejich součástka může fungovat jako transistor řízený polem (FET) nebo jako světlo emitující dioda (LED). Protože nanotrubičková dioda je schopna přenášet vysoké proudy a za jejím vývojem stojí General Electric, lze očekávat aplikace v elektrárenské elektronice, kde se používají vysoké proudy a vysoká napětí. (Lee et al., Applied Physics Letters, 5. července 2004)

Skupina vědců z Univerzity Josepha Fouriera v Grenoblu a z francouzského Centre National de la Recherche Scientifique je přesvědčena, že pozorovala dočasně zachycené seismické vlny v přirozeném prostředí. Před několika lety byla lokalizace vln pozorována za laboratorních podmínek u elektronových vln a světelných vln. Tyto vlny průchodem difúzním prostředím, jako je mléko nebo jemný prach, se v něm opakovaně rozptylují, avšak nejsou v něm absorbovány, ale "lokalizovány".

Lze však takovou lokalizaci vln pozorovat v mnohem větším pozemském měřítku a za podmínek, které nelze nijak ovládat? Vědci z Grenoblu tvrdí, že objevili příklad "seismického izolátoru", silně heterogenního geografického prostředí, které seismické vlny rozptyluje avšak nepohlcuje. Tato výzkumná skupina již objevila důkazy seismických vln, které se šíří v horninách před vznikem některých zemětřesení.

Nyní výzkumníci oznámili, že lze detekovat interferenci seismických vln a že tuto metodu lze použít pro určení střední hodnoty vlnových délek "náhodně se pohybujících" seismických vln. Zachycené vlny se v tomto případě šířily uvnitř sopky v Auvergne ve Francii a byly zachyceny polem detektorů. (Larose et al., Physical Review Letters, červenec 2004; kontakt: Bart van Tiggelen, [M2])

Detektory poškození železniční trati lze umístit do osobních vlaků díky novému ultrazvukovému přístroji, který vyvinula skupina fyziků z Univerzity ve Warwicku ve Velké Británii. (Steve Dixon, [M3]) Současné ultrazvukové detekční přístroje musí být umístěny a provozovány ve zvláštních pracovních vlacích, které se po trati pohybují rychlostí nejvýše 50 km/hod. Nový přístroj bude možno umístit v osobním vlaku, který se pohybuje rychlostí až 300 km/hod. Přístroj tak bude schopen sledovat železniční trať průběžně a trvale a detekovat jakékoliv známky poškození. Nová ultrazvuková technologie umožňuje detekovat defekty až do hloubky 15 mm v železniční kolejnici. Navíc může detekovat poškození, která vznikají kontaktem pohybujících se kol železničních vozidel s vnitřní stranou kolejnic. Poškození vnitřní strany kolejnic je podle britských odborníků jednou z častých příčin železničních nehod, včetně vykolejení britského vlaku v říjnu 2000, kdy zahynuli čtyři lidé.

Přístroj generuje nízkofrekvenční širokopásmové Rayleighovy vlny, zvukové vlny mnoha frekvencí, které se rychle pohybují po povrchu kolejnic. Různé frekvence pronikají do různých hloubek kolejnic, přičemž nejnižší frekvence mohou proniknout do hloubky až 15 mm. Pokud zvuková vlna narazí na poškození kolejnice, pak se částečně utlumí nebo odrazí způsobem, který je přístroj schopen detekovat. Přístroj zaznamenává přesnou polohu a hloubku, v níž se nachází poškození kolejnice. Předběžné výsledky ukázaly, že přístroj je schopen dokonce detekovat změny mikroskopické struktury a hodnoty tlaků uvnitř kolejnice při průjezdu vlaku. Tímto způsobem bude zřejmě možno určit místa, kde kolejnice je náchylná k poškození tlakem. Zařízení bude nutné dále testovat, než se podaří ho přemístit z laboratoře do osobních vlaků. Zpráva o detekčním přístroji byla publikována v červnu 2004 v časopise Insight, který vydává Britský institut pro nedestruktivní testování. Přístroj byl také představen na 7. mezinárodní konferenci železničního inženýrství v Londýně.

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 691. July 7, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Výzkumníci společnosti IBM detekovali spin elektronu pomocí mikroskopu MRFM (magnetic resonance force microscope), který kombinuje dvě výjimečné zobrazovací technologie: zobrazování magnetickou resonancí (MRI, magnetic resonance imaging) a mikroskopii atomových sil (AFM, atomic force microscopy). Cílem technologie MRFM je mapovat vnitřní strukturu vzorků materiálu, jako je složitá struktura polovodičů nebo biomolekul s rozlišením na úrovni jednotlivých atomů.

K tomuto účelu mikroskop MRFM používá velmi jemný nástavec o délce 85 mikronů a tloušťce 150 nm s malým magnetickým hrotem a cívkou, která produkuje elektrické pole o radiové frekvenci a tím vytváří resonanční zónu tvaru misky. Magnetická částice, jako je elektron nebo jádro atomu vodíku (proton), která prochází touto resonanční zónou, může magneticky interagovat s nástavcem, jehož frekvence oscilací se změní. Tuto změnu lze detekovat a takto lze měřit spin jednotlivých částic. Spin zhruba řečeno odpovídá vnitřnímu rotačnímu momentu částice.

Rotační symetrie částice vede k zákonu zachování momentu hybnosti. V tomto případě jde o prostorovou rotaci ve třech rozměrech. Podobnou úlohu, jako má prostorová rotace, zastává Lorentzova transformace, kdy vlastně jde o rotaci v čtyřrozměrném prostoročase o imaginární úhel nazývaný rapidita. Symetrie částice vůči Lorentzově transformaci souvisí se zákonem zachování spinu. Spin má velmi podobné vlastnosti jako moment hybnosti, avšak nesmí být s ním zaměňován. Zhruba si můžeme moment hybnosti představit jako pohyb Země kolem Slunce a spin jako rotaci Země kolem vlastní osy. Ve skutečnosti však částice neobíhají kolem nějakého centra ani nerotují kolem nějaké vlastní osy. Celkový rotační stav částice je však dán momentem hybnosti (orbitálním momentem) a spinem (vnitřním momentem).

Částice s nenulovým spinem interagují s jinými magnetickými objekty. Klasicky řečeno, částice se spinem se chová jako malý magnet. Magnetické pole totiž souvisí s relativistickým chováním částic a tedy se spinem.

Snímkování pomocí MRFM nelze zaměňovat se snímkováním pomocí MRI. Zobrazování magnetickou resonancí MRI totiž používá velmi propracované technologie, jimiž je signál získán ze všech různých trojrozměrných oblastí (voxelů) současně. MRFM je spíše bodový proces snímkování, následovaný procedurou rekonstrukce obrazu. MRFM však není pouze další formou mikroskopie, která nám říká, kde se nacházejí atomy a molekuly. V případě jaderných spinů je MRFM také určitou formou spektroskopie, která v principu může určit chemické prvky (přinejmenším ty prvky, jejichž jádra jsou magnetická). Mikroskopie MRFM dosud nemůže detekovat jednotlivá jádra atomů. Vnitřní magnetický moment jádra je příliš slabý, asi 650 krát slabší než magnetický moment elektronu. Pro detekci jednotlivých spinů atomových jader bude nutné zvýšit citlivost nejméně tisíckrát. Současné zobrazování magnetickou resonancí MRI sice umožňuje zobrazovat spiny atomových jader, avšak potřebuje asi 10¹² jader, aby vznikl dostatečně silný signál.

Velkým úspěchem výzkumníků IBM proto je detekce spinu jediného elektronu ve vzorku, v němž většina elektronů v atomech je párována s opačným spinem v elektronovém orbitu. 15. července 2004 Dan Rugar a jeho spolupracovníci v IBM Almaden (San Jose) publikovali v časopise Nature zprávu, podle níž jejich MRFM zařízení pracuje při teplotě 1,6 Kelvinu. Tato velmi nízká teplota umožnila výzkumníkům detekovat jednotlivé elektrony ve vzorku oxidu křemičitého. Prostorové rozlišení přinejmenším v jednom rozměru dosahuje až 25 nm. Začátkem roku 2004 byla publikována zpráva, podle níž technologie MRFM umožnila detekci několika miliónů elektronů. Současné zařízení firmy IBM je asi 40 krát výkonnější než dosud nejlepší zařízení pro zobrazování magnetickou resonancí MRI. Nové zařízení MRFM bude zřejmě hrát důležitou roli v budoucích součástkách pro zpracování kvantové informace, protože umožní manipulovat a číst kvantové stavy jednotlivých spinů.

Spletené obrazce v proudech tekoucí kapaliny vysvětlil výzkumný tým z Univerzity v New Mexico (Vakhtang Putkaradze, [M1]). Výzkumníci vyřešili tajemství krásných obrazců, které pozorovatel s dobrým zrakem může občas vidět v tenkých a úzkých pramenech vody tekoucích z nějakého kopce.

Proudy vody vytvářejí různé zákruty a meandry nebo se pohybují ze strany na stranu po nakloněné rovině, která je z části vlhká nebo nedostatečně odpuzuje vodu. Někteří výzkumníci byli přesvědčeni, že tyto meandry by vytvářely proudy vody také na dokonale hladké rovině. Avšak výzkumníci z Univerzity v New Mexico jako první objevili, že pohyb vody v zákrutech a meandrech lze odstranit, pokud voda teče po nakloněné rovině konstantní rychlostí. Takto stejnoměrně tekoucí voda však vytváří opticky viditelné "spletence", pevné obrazce širokých a úzkých oblastí vody, které se pohybují dolů po nakloněné rovině. V laboratorních podmínkách vědci objevili jednoduchý způsob, jak tyto spletené obrazce vytvořit. Vypouštěli kapalinu (směs vody, glycerolu a potravinářské barvy) úzkou válcovou tryskou. Kapalina dopadala na šikmou akrylátovou plochu, kde vytvářela spletené obrazce a stékala do dolního zásobníku. Při popisu laboratorního chování kapaliny pomocí rovnic výzkumnici zjistili, že spletence jsou důsledkem "soupeření" hybnosti kapaliny a povrchového napětí. Jak kapalina stéká po akrylátové ploše, má tendenci se udržet v pohybu, což vede k jejímu rozprostření po ploše. Povrchové napětí však toto rozprostření kapaliny omezuje a stlačuje ji zpět do úzkého proudu. Vnější okraje spletenců se "odrážejí" od plochy a nutí kapalinu se stlačovat. Tento proces se neustále opakuje a vytváří několik spletenců. Výzkumníci mohou snadno ovlivnit vlastnosti spletenců. Například mohou zmenšit délku spletenců zmenšením sklonu nakloněné roviny, případně spletence mohou zcela odstranit zvětšením viskozity kapaliny. Autoři výzkumu jsou přesvědčeni, že jejich pozorování bude mít přínos také pro geofyziku, avšak bude nutné ve výzkumu ještě pokračovat. (K. Mertens, V. Putkaradze, and P. Vorobieff, Nature, 8. července 2004.)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 692. July 14, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.