Nový postup pro ukládání bitů informací na přepisovatelném médiu elektronovými paprsky nahrazuje optické paprsky laseru. Vědci ze společnosti Hewlett Packard vytvářejí jednotlivé bity ve formě nepatrných amorfních oblastí uvnitř tenké vrstvy india a selenu. Tato vrstva společně se spodní vrstvou z gallia a selenu na křemíkovém substrátu tvoří hlavní součást diody s přechodem PN. Cyklus čtení a zápisu probíhá následujícím způsobem. Krátký intenzivní paprsek elektronů s vysokou energií zapíše bit "1" rozpuštěním malé vrstvy india a selenu, takže vznikne skleněná kapénka. Tuto kapénku lze odstranit použitím delšího paprsku elektronů s nižší energií, která způsobí novou krystalizaci materiálu. S pomocí ještě slabšího paprsku elektronů lze bit přečíst buď jako "1" (amorfní kapénka vede nepatrný až nezjistitelný proud v PN přechodu diody) nebo jako "0" (krystalický materiál vede velký proud diodou). Zařízení pro ukládání dat s elektronovým paprskem může dosahovat vyšších hustot záznamu než optické nebo magnetooptické zařízení, protože používá kratších vlnových délek elektronů s vysokou energií. Dále se může zkrátit přístupová doba pro čtení dat díky elektrostatickému odrazu a rozptylu elektronových paprsků.

Výzkumníci laboratoře společnosti Hewlett Packard použili laserový paprsek místo elektronového paprsku při zápisu dat, protože jejich elektronové paprsky neměly dostatečnou intenzitu. Avšak pro čtení již používaly elektronový paprsek (rastrovací elektronový mikroskop). Reakční doba diodového ukládacího média je dostatečně krátká k tomu, aby bylo možno číst elektronovým paprskem nejméně milión bitů za sekundu. Výzkumníkům se podařilo cyklus zápisu, mazání a přepisu zopakovat více než stokrát. Velikost jednoho bitu na médiu je asi 150 nm, takže lze očekávat hustotu zápisu až 29 gigabitů na palec čtverečný (sq inch = 6,4516258 cm² v USA). Vědci však očekávají, že velikost jednoho bitu může být jen 10 nm. (Gibson et al., Applied Physics Letters, 31. ledna 2005; kontakt: Gary Gibson, [M1], nebo Alison Chaiken, [M2])
 

Výzkumníci z Mezinárodní univerzity v Brémách (Bremen) a z Univerzity v Bonnu v Německu nedávno určili přesnou strukturu velké organické molekuly po její interakci s kovovým povrchem. Skupina výzkumníků také použila tuto informaci o struktuře pro odhalení vlastností chemických vazeb mezi molekulou a povrchem. Organicko-kovový povrch je ve vědě velmi důležitý, zejména v oborech chemické katalýzy (chemické reakce mezi dvěma látkami pouze za přítomnosti další látky), biosensorů a molekulární elektroniky (kde signály jsou zpracovávány obvodovými prvky, které se skládají v některých případech z jediné molekuly a v jiných případech z pole molekul).

Větší molekuly lze studovat obtížněji kvůli jejich velikosti, velmi složitému tvaru a mnoha vnitřním módům vibrací a rotací. Ve zmíněném experimentu výzkumníci nejprve připravil superčistý povrch ze stříbra ve velmi vysokém vakuu. Pak nechali molekulu organické látky dopadnout na tento kovový povrch. Molekula chemicky reagovala s atomy kovu na povrchu a nepatrně změnila svůj tvar. Dále výzkumníci použili na adsorbovanou molekulu roentgenové paprsky ze synchrotronu. Z rozptylu roentgenových paprsků mohli vydedukovat v některých případech atom po atomu, které části molekuly jsou relativně nejblíže kovovému povrchu. Tuto pracovní strukturu molekuly, která reagovala s kovovým povrchem, pak porovnali se strukturou stejného typu molekuly ve volném (plynném) stavu. Tímto způsobem se jim podařilo zjistit různé změny tvaru zkoumané molekuly. Touto organickou molekulou byl perylen-tetrakarboxyl-dianhydrid (PTCDA).

Poznamenejme, že zde použitá metoda rozptylu roentgenových paprsků neodpovídá normálnímu Braggovu rozptylu, který se používá již několik desetiletí. Protože zkoumaný vzorek byl velmi tenký, bylo využito stojatých roentgenových vln. Roentgenové paprsky odražené od krystalu stříbra vytvářejí stojaté vlny, které pak interferují s dopadajícími roentgenovými paprsky. Toto "pravítko" v atomovém měřítku lze použít pro zkoumání organické molekuly nepatrným stupňováním energie dopadajícího roentgenového záření. Tato metoda stojatých roentgenových vln se využívala již dříve, avšak jen velmi zřídka na velké organické molekuly, které mají vysoký potenciál energie.

Co se stane, když normálně rovinná (planární) molekula dopadne na kovový povrch? Překvapivě se některé atomy molekuly od povrchu neodrazí, většinou kvůli ochotě atomů kyslíku vytvářet chemické vazby s atomy stříbra na povrchu kovu. Molekula navíc nevytváří jednoduchou chemickou vazbu, ale hierarchii dvou typů chemických vazeb. (Hauschild et al., Physical Review Letters, 28. ledna 2005; kontakt: Stefan Tautz, [M3]; webové stránky: [X1]).

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 717. January 27, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Složité hybridní struktury, částečně vírový prstenec a částečně soliton, v Boseově-Einsteinově kondenzátu pozorovali výzkumníci laboratoře Harvardské university. Vedoucí laboratoře Lene Vestergaard Hau je průkopnicí metody zpomalení a zastavení světelného impulsu v Boseově-Einsteinově kondenzátu ve tvaru cigarety o délce asi 100 mikronů a složeného z několika miliónů ochlazených atomů. V novém experimentu se poprvé podařilo vyslat do Boseova-Einsteinova kondenzátu dva světelné impulsy a v něm je zastavit. Průnik těchto světelných impulsů do kondenzátu je provázen vznikem vírů podobných tornádu. Tyto víry jsou dále modulovány solitony, vlnami, které se šíří kondenzátem bez ztráty svého tvaru. Výsledná obálka se může chovat jako malý ostrůvek supratekutého Boseova-Einsteinova kondenzátu uvnitř vzorku. Dynamické chování těchto struktur lze zobrazit pomocí CCD kamery osvětlováním vzorku laserovým paprskem. Výzkumníci jako první pozorovali bizarní excitace kondenzátu, které se občas otevírají jako deštník. Dvě takové excitace se mohou vzájemně srazit a mohou vytvořit kulovou škebli (vírové prstence zaujímající polohu konstantní délky). Dva takové prstence rotující opačnými směry mohou existovat jen po určitou dobu, než se vzájemně srazí a zaniknou podobně jako dvojice částice a antičástice. Hau [M1] a její kolegové, postgraduální studentka Naomi Ginsberg [M2] a teoretický fyzik Joachim Brand z Ústavu Maxe Plancka pro fyziku složitých systémů v Drážďanech (Dresden) v Německu vypracovali teorii pro vysvětlení tohoto podivného chování excitací Boseových Einsteinových kondenzátů a jsou přesvědčeni, že tato jejich nová práce vzbudí novou pozornost fyziků o jev supratekutosti. (Ginsberg, Brand, Hau, Physical Review Letters, 4. února 2005; laboratorní webové stránky [X1])
 

Při erupci supernovy zřejmě mohou nakrátko vznikat atomová jádra ve tvaru tyčinky nebo dokonce tabulky čokolády. Atomová jádra mají pevný a kulový tvar o vysoké hustotě 3.10¹⁴ g.cm^-3. Při erupci supernovy se jejich průměrná hustota může snížit na polovinu "normální" jaderné hmoty. Jaderné "tyčinky" jsou v nitru hvězdy ještě tak hustě stlačeny (jako kapalný krystal), že mohou vytvářet dokonce tabulky, tvrdí Gentaro Watanabe, který dočasně působí v dánské laboratoři NORDITA. Watanabe a jeho kolegové z Japonského výzkumného ústavu atomové energie Tokijské univerzity, laboratoře RIKEN a Univerzity Keio modelují různé alternativní tvary atomových jader s cílem analyzovat určité problémy při simulacích supernov. Jedním z těchto problémů je skutečnost, že rázové vlny zůstávají v nitru supernovy. Vědci jsou přesvědčeni, že jejich simulace "exotických" jader by mohly erupce supernov modelovat věrněji. Nové fáze jaderné hmoty vznikají ve střední části kolabujícího nitra supernovy, když se tímto nitrem šíří rázová vlna. Neutrina z této střední části přispívají k "neutrinovému ohřívání" jaderné hmoty a mohou také ovlivňovat šíření rázových vln. Nové fáze jaderné hmoty proto umožňují chování erupce supernovy popsat přesněji, než pokud se v nitru supernovy uvažuje pouze stejnorodá jaderná látka. (Watanabe et al., Physical Review Letters, 28. ledna 2005; kontakt: [M3]).
 

Nová studie prováděná na Univerzitě George Masona potvrzuje předpovědi, že vnější elektrická pole lze použít pro modifikaci vln pohybujících se mozkovou tkání. Jde zřejmě o první příklad elektrických modifikací prahů excitace neuronů pro řízení pohybu vln. Poprvé se podařilo ovládat vlny v excitovatelném prostředí změnou jeho prahových hodnot. Výzkumníci pracovali s částí mozku laboratorní krysy. Mozková tkáň se skládala ze šesti vrstev dvojrozměrných skupin neuronů. Na jedné straně této sítě vědci vyvolali neuronovou vlnu a na druhé straně pozorovali výsledný signál. Použitím elektrických polí lze excitace neuronů měnit. Tímto způsobem lze zpomalit, zrychlit nebo zastavit šíření vlny ve zkoumaném vzorku tkáně.

Dosud bylo možno šíření neuronových vln ovlivňovat pouze farmakologicky. Po podání fyziologicky účinné látky se příslušný účinek objevoval nejdříve po několika sekundách. Navíc tento účinek nebylo možno odstranit jinak, než vyloučením účinné látky z mozkové tkáně.

Naopak elektrické pole musí působit po dobu jen několika mikrosekund, aby vyvolalo očekávaný účinek na šíření mozkových vln. Jednou z potenciálních aplikací této metody je zabránění epileptických záchvatů. (Richardson et al., Physical Review Letters, 21. ledna 2005; kontakt: Bruce Gluckman, [M4], nebo Steven Schiff, [M5]) Část skupiny Univerzity George Masona se také zabývá nedávným objevem skutečných spirálních vln v sensorickém kortexu mozku (Huang et al J Neurosci 24: 9897-9902, 2004).

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 718. February 2, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Fyzikové z Univerzity v Indianě rozšířili své studium na vztahy mezi pozorovanými obrazci neuronové aktivity a ukládání paměťových informací v mozku. Nejprve provedli experimentální výzkum s tenkými řezy mozkové tkáně laboratorní krysy. Následně provedli počítačové simulace s cílem emulovat získaná data. Aktivita zkoumaných vzorků měla dvě fascinující vlastnosti. Za prvé, skupina aktivovaných neuronů narůstala podobným lavinovým způsobem, jako se šíří lesní požáry. Za druhé, existují stabilní obrazce neuronové aktivity, které zřejmě představují paměťové záznamy. Pokaždé, když krysa probíhala bludištěm po určité cestě, aktivovala se stejná posloupnost neuronů. V noci tato posloupnost může představovat krysí "sen". Pokud byl tento sen přerušen, schopnost krysy proběhnout další den stejnou cestu byla omezena. Tento fakt lze považovat za důkaz, že spánek a snění může pomáhat lépe uchovat paměťové záznamy získané během denní aktivity. Stabilní obrazce aktivity se vyskytují také v umělých neuronových sítích jako určitý způsob ukládání informace.

Fyzikové z Univerzity v Indianě věnovali těmto obrazcům mimořádnou pozornost. Použili pole 60 elektrod, aby zjistili aktivitu neuronů v tenkém řezu tkáně krysího mozku. Buňky v tomto vzorku, které byly udržovány při životě kyslíkem a živinami, se chovaly jako by se nacházely v živém mozku. Obecné seskupení aktivních neuronů se označuje jako podkritické, pokud jedna buňka průměrně aktivuje méně než jednu další buňku, jako kritické, pokud jedna buňka aktivuje právě jednu další buňku, nebo jako nadkritické, pokud jedna buňka aktivuje více dalších buněk. Chování nadkritické aktivity buněk se podobá řetězové jaderné reakci atomů uranu U-235 v jaderném reaktoru. Podkritická aktivita není zajímavá, protože aktivita brzy vymizí. Nadkritická aktivita také není zajímavá, protože všechny buňky ve vzorku se obvykle aktivují. Při kritické aktivitě se však mohou aktivovat skupiny, které obsahují různý počet buněk. Pokud v logaritmickém měřítku zobrazíme vztah mezi počtem aktivovaných buněk a počtem aktivací, dostaneme přímku, což odpovídá klasickému chování podle mocninného zákona. Jinými slovy, pravděpodobnost, že určitý jev (zemětřesení, lavina, hurikán) velikosti E zanikne, je rovna hodnotě E umocněné na záporný exponent.

Výzkumníci ve své simulační studii zkoumali případ, kdy v mozku dochází právě ke kritické aktivitě buněk. Výsledky dřívějších simulací, které zhruba odpovídaly pozorovanému chování, byly často překvapivé a dokonce neočekávané. Příčinou zřejmě byla skutečnost, že kromě lavinové aktivity neuronů se v mozkové tkáni vyskytuje také značný počet vzorků stabilní aktivity neuronů. Jeden z výzkumníků John M. Beggs tvrdí, že jejich zkoumání lavinové aktivity neuronů může přispět také k novým metodám ukládání informace. (Haldeman and Beggs, Physical Review Letters, 11. února 2005, [M1], webové stránky laboratoře [X1])
 

Chemie atomů uhlíku díky jejich schopnosti vázat až čtyři atomy vodíku a vytvářet velmi složité řetězce, určuje existenci života na Zemi. Avšak co se bude dít, pokud uhlík zahřejeme na teplotu jeho tání 5000 Kelvinů při tlaků více než 10⁷ Pascalů? Ačkoliv kapalný uhlík může existovat uvnitř planety Neptun a Uran, hlavní zájem studia kapalného uhlíku se soustřeďuje na získání nepřímých informací o chemických vazbách "běžného" uhlíku a na získání představy o možných nových formách pevného uhlíku. Výzkumníci v novém experimentu vytvořili kapalný uhlík stlačením vzorku tuhého uhlíku silným paprskem laseru. Předtím, než se uhlík přeměnil v páru, jeho struktura byla prozkoumána pomocí roentgenových paprsků. Při nízké hustotě uhlík většinou vytváří s okolními atomy pouze dvě chemické vazby, zatímco při vyšší hustotě vytváří spíše tři až čtyři vazby. To ovšem neznamená, že složité organické molekuly (atomy uhlíku vázané s jinými atomy, jako je vodík, kyslík, dusík, síra, fosfor atd.) jsou schopny existovat při teplotách kolem 5000 Kelvinů. Vazby mezi atomu uhlíku jsou však pevnější a mohou v takovém prostředí přetrvat.

Tento experiment provedli fyzikové z Kalifornské univerzity v Berkeley (University of California Berkeley), z Ústavu Paula Scherrera ve Švýcarsku, z americké Národní laboratoře Lawrence Berkeleye (the Lawrence Berkeley National Laboratory) a z Národní laboratoře Lawrence Livermorea (the Lawrence Livermore National Laboratory). Jeden ze členů týmu Steve Johnson [M2] tvrdí, že dalším krokem při studiu uhlíku a dalších materiálů by mělo být studium "horké a husté látky", která je příliš horká na to, aby mohla být vysvětlena běžnou teorií pevné fáze, a příliš hustá na to, aby mohla být vysvětlena běžnou teorií plazmatu. (Johnson et al., Physical Review Letters, 11. února 2005, webové stránky laboratoře [X2])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 719. February 10, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Fyzikové z laboratoře japonské firmy Toshiba Research Europe a z Univerzity v Cambridge vyvinuli zařízení, které je schopno detekovat jednotlivé fotony. Takové zařízení nalezne uplatnění v řadě oblastí diagnostiky, od zobrazování v medicíně, přes přesnou chemickou analýzu až po monitorování nečistot v životním prostředí. Zařízení využívá kvantovou tečku, malý polovodičový ostrůvek, který má v podstatě nulovou fyzickou velikost (disk 30 nm široký a 8 nm silný). Kvantová tečka propouští elektrony pouze určitých diskrétních energií. Kvantová tečka se někdy považuje za umělý atom, protože díky její velikosti jsou stavy energie elektronu kvantovány podobně jako v atomech. Kvantová tečka je součástí součástky, která se označuje jako resonanční tunelová dioda. V této diodě jsou dvě vodivé vrstvy z arsenidu gallia GaAs odděleny nevodivou vrstvou z arsenidu hliníku AlAs. Pokud mají vrstvy GaAs správné napětí, pak nevodivou vrstvou může procházet proud. Pokud tyto vrstvy nemají správné napětí, nevodivou vrstvou prochází jen nepatrný proud. Právě proto je v této diodě kvantová tečka. Vrstvy jsou úmyslně nastaveny tak, aby dopadající foton způsobil na okamžik nastavení správného napětí mezi oběma vrstvami GaAs a došlo k tunelování proudu. Jinými slovy, foton v kvantové tečce způsobí přepnutí diody do vodivého stavu. Tento způsob detekce fotonů řeší problém jiných detektorů, kdy dopadající foton musí vyvolat lavinový vznik elektronů, které lze detekovat jako slabý elektrický proud.

Andrew Shields [M1], [X1] ze společnosti Toshiba tvrdí, že jejich zařízení zatím detekuje jednotlivé fotony s přesností jen 12 procent a nakrátko až 65 procent. Takový detektor však lze použít pro kvantovou kryptografii a pro zpracování kvantové informace. (Blakesley et al., Physical Review Letters, 18. února 2004)
 

Fyzikové potvrdili, že za kontrolovaných podmínek, které jsou stavitelům lodí již nějakou dobu známy, mohou bubliny omezit brzdné tření lodí při jejich pohybu po vodě. Detlef Lohse a jeho kolegové z Univerzity v Twente v Holandsku začali studovat jeden z klasických experimentů dynamiky kapalin, Taylorovu-Couetteovu buňku. Tato buňka se skládá z nádoby kapaliny umístěné mezi dvěma soustřednými válci, přičemž vnitřní válec rotuje. Brzdný jev způsobený strháváním kapaliny na tomto vnitřním válci lze měřit s vysokou přesností. Když se do základny buňky vpouští proud bublin, brzdné tření se omezí až o 20 procent. Naopak japonští výzkumníci ukázali, že pokud se proud bublin vpouští z povrchu buňky, brzdné tření se zvětší. V Japonsku, které je národem s největším loďstvem na světě, je tento problém omezování brzdného tření velmi důležitý, protože jeho vyřešení by mohlo mít významné ekonomické důsledky pro lodní dopravu. (Van den Berg et al., Physical Review Letters, 4. února 2005; kontakt: Detlef Lohse, [M2], webové stránky [X2], [X3], webové stránky japonského výzkumu [X4]).
 

Důkaz kvantovaného posunutí v nanomechanických oscilátorech podali američtí fyzikové z Bostonské univerzity. Provedli experiment, v němž malá křemíková "pádla" upevněná na středové tyčce z křemíku a ponořená v ohřívací nádobě vzájemně oscilují zvláštním způsobem. Pádla se mohou pohybovat pouze o určitá posunutí, avšak nikoliv o jiná. Uspořádání tohoto experimentu se skládalo z litograficky připravené struktury, která se podobala oboustrannému hřebínku. Dále byla připevněna elektroda z tenkého filmu ze zlata na vrchol této páteře. Tímto tenkým filmem byl veden elektrický proud a na celou strukturu působilo vnější magnetické pole. Celá struktura začala kmitat s frekvencí asi 1 GHz. Jde o tedy nejrychlejší mechanický oscilátor vyrobený člověkem. (Atomy a molekuly mohou kmitat rychleji, avšak nikoliv v libovolném množství látky). Při relativně vysokých teplotách se tato struktura chová podle zákonů klasické mechaniky. Čím větší je řídící síla (vyvolaná magnetickým polem a elektrickým proudem, který procházel elektrodou), tím větší byl pohyb pádel. V tomto případě nejde o nic jiného, než o Hookeův zákon. Avšak při teplotách několika miliKelvinů začne převládat kvantová mechanika místo klasické mechaniky. V principu energie oscilujících pádel jsou kvantovány a projevují se jako sklon pádel (o délce 500 nm a šířce 200 nm), který se může měnit jen o diskrétní velikosti. Experiment výzkumníků z Bostonské univerzity dospěl právě k těmto výsledkům. (Gaidarzhy et al., Physical Review Letters, 28. ledna 2005; kontakt: Pritiraj Mohanty, [M3]; webové stránky laboratoře [X5]).

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 720. February 17, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.