Український телекомунікаційний портал

Дослідники з Університету Манчестера досягли значного прогресу в надпровідності, успішно підтримуючи надійну надпровідність під сильними магнітними полями в новій одновимірній (1D) системі. Цей прорив пропонує багатообіцяючий шлях до досягнення надпровідності у квантовому режимі Холла, що є давнім викликом у фізиці конденсованого середовища.

Надпровідність, здатність певних матеріалів проводити електрику з нульовим опором, містить великий потенціал для розвитку квантових технологій. Однак досягнення надпровідності у квантовому режимі Холла, що характеризується квантованою електричною провідністю, виявилося серйозним викликом.

Деталі дослідження та початкові результати

Дослідження, опубліковане в Nature, детально описує масштабну роботу манчестерської команди під керівництвом професора Андре Гейма, доктора Жюльєна Бар’єра та доктора На Сіна для досягнення надпровідності у квантовому режимі Холла. Їх початкові зусилля йшли звичайним шляхом, коли крайові стани зустрічного поширення були наведені в безпосередній близькості один від одного. Однак цей підхід виявився обмеженим.

«Наші початкові експерименти були насамперед мотивовані сильним постійним інтересом до близької надпровідності, індукованої вздовж квантових крайових станів Холла», — пояснює доктор Бар’єр, провідний автор статті. «Ця можливість призвела до численних теоретичних прогнозів щодо появи нових частинок, відомих як неабелеві аніони».

Потім команда дослідила нову стратегію, натхненну їхньою попередньою роботою, яка продемонструвала, що межі між доменами в графені можуть бути високопровідними. Розмістивши такі доменні стінки між двома надпровідниками, вони досягли бажаної кінцевої близькості між зустрічними крайовими станами, мінімізуючи вплив безладу.

«Нас заохочували спостерігати великі надструми при відносно «приємних» температурах до одного Кельвіна в кожному виготовленому нами пристрої», — згадує доктор Бар’єр.

Відкриття одномодової 1D надпровідності

Подальші дослідження показали, що надпровідність близькості походить не від квантових крайових станів Холла, що поширюються вздовж доменних стінок, а скоріше від суто одновимірних електронних станів, що існують усередині самих доменних стінок. Ці одновимірні стани, існування яких було доведено теоретичною групою професора Володимира Фалько з Національного інституту графену, продемонстрували більшу здатність гібридизуватися з надпровідністю порівняно з квантовими крайовими станами Холла. Вважається, що властива одновимірна природа внутрішніх станів є відповідальною за спостережувані надійні надструми при сильних магнітних полях.

Це відкриття одномодової одновимірної надпровідності демонструє захоплюючі можливості для подальших досліджень. «У наших пристроях електрони поширюються у двох протилежних напрямках в одному нанорозмірному просторі без розсіювання», — уточнює д-р Бар’єр. «Такі 1D-системи є винятковою рідкістю і є перспективними для вирішення широкого кола проблем у фундаментальній фізиці».

Команда вже продемонструвала здатність маніпулювати цими електронними станами за допомогою напруги затвора та спостерігати стоячі електронні хвилі, які модулювали властивості надпровідності.

«Захоплююче думати, що ця нова система може принести нам у майбутньому. Одновимірна надпровідність представляє альтернативний шлях до реалізації топологічних квазічастинок, що поєднує квантовий ефект Холла та надпровідність», – підсумовує д-р Сін. Це лише один приклад величезного потенціалу наших знахідок».

Через 20 років після появи першого двовимірного матеріалу графену це дослідження Манчестерського університету стало ще одним кроком вперед у галузі надпровідності. Очікується, що розробка цього нового 1D-надпровідника відкриє двері для прогресу у квантових технологіях і прокладе шлях для подальших досліджень нової фізики, привертаючи інтерес з боку різних наукових спільнот.

Було ідентифіковано важливий ген, який пояснює неодноразову появу здатності до планування протягом еволюції сумчастих. Люди кажуть «Коли свині летять», щоб описати неможливе. Але навіть якщо більшість ссавців є сухопутними, здатність до ковзання або польоту розвивалася знову і знову в ході еволюції ссавців у різних видів від кажанів до білок-летяг.

Як це сталося? У дослідженні, нещодавно опублікованому в журналі Nature, група дослідників під керівництвом Прінстонського університету та медичного коледжу Бейлора пояснює геномну основу та основу розвитку патагіуму, тонкої шкірної мембрани, яка дозволяє деяким видам ссавців парити в повітрі.

«Ми не зовсім розуміємо, як виникають нові риси та адаптації з молекулярної та генетичного погляду. Ми хотіли дослідити, як виникає еволюційна новизна», — сказав співавтор доктор Рікардо Малларіно, доцент кафедри молекулярної біології в Прінстоні.

Щоб краще зрозуміти еволюцію патагіума, команда зосередилася на сумчастих. Це пов’язано з тим, що здатність до ковзання неодноразово розвивалася, використовуючи подібні анатомічні зміни, у близькоспоріднених сумчастих, як-от цукровий планер – крихітного сумчастого, достатньо маленького, щоб поміститися у вашій кишені, і популярного як екзотична домашня тварина.

Генетичний погляд на планеризм

Команда Бейлора очолила секвенування генома 15 видів сумчастих, визначаючи послідовності ДНК обох плануючих видів і їхніх неплануючих родичів. Порівняння цих послідовностей виявило прискорену еволюцію поблизу гена під назвою Emx2.

«Що цікаво, так це те, що сама послідовність гена, здається, не є місцем, де відбуваються найважливіші зміни. Натомість ключові зміни відбуваються в коротких послідовностях ДНК, які називаються «підсилювачами», які знаходяться поруч у геномі. Саме ці мінливі підсилювачі змінюють те, як і де в організмі активний Emx2, і це стимулює еволюцію ковзання», – сказав співавтор доктор Ерез Ліберман Ейден, професор молекулярної генетики та генетики людини та директор Центру архітектури геному у Бейлорі.

Еволюційні механізми та експериментальні підходи

«Розуміння основних змін, які відбуваються на геномному рівні, що породжує ці конвергентні риси, є важливим, оскільки це може сказати нам, чи йде еволюція шляхом найменшого опору. У вас може бути той самий результат, але різні шляхи, щоб досягти цього», – сказав перший автор Хорхе Морено, аспірант лабораторії Малларіно.

Потім дослідники хотіли перевірити ці ідеї. Для цього вони використали одну з найбільш унікальних характеристик сумчастих тварин – їхню сумку. «Сумчасті джуї народжуються на набагато більш ранній стадії розвитку, ніж звичайні ссавці», — сказала один з авторів, доктор Ольга Дудченко, доцент кафедри молекулярної генетики та генетики людини в Бейлорі та дослідник Центру теоретичної біологічної фізики Університету Райса. «Замість того, щоб продовжувати розвиток в утробі матері, вони заповзають в її сумку і залишаються там, поки не будуть готові самостійно боротися зі світом. Той факт, що вони знаходяться прямо тут, у сумці, значно полегшує вивчення того, як окремі гени, наприклад Emx2, впливають на розвиток сумчастих».

Дослідники показали, що Emx2 дає початок сумчастому патагіуму за допомогою генетичної програми, яка, ймовірно, існує у всіх ссавців. Наприклад, Emx2 активний у шкірі на боках мишей і цукрових планерів, але в цукрових планерах він експресується набагато довше. Як зазначає Дудченко з Центру архітектури геному в Бейлорі, «шляхом модифікації цих критичних енхансерів Emx2 один вид за іншим використовував цю універсальну програму, щоб розвинути здатність ковзати».

Нове дослідження показує, що іонні градієнти через клітинні мембрани створюють мережу для швидкого прийняття рішень клітиною, окремо від ДНК. Клітини постійно переміщуються в динамічному середовищі, стикаючись із постійно мінливими умовами та викликами. Але як клітини швидко адаптуються до цих коливань середовища?

Нове дослідження онкологічного центру Моффіта, опубліковане в iScience, дає відповідь на це питання, піддаючи сумніву наше розуміння того, як функціонують клітини. Команда дослідників припускає, що клітини мають раніше невідому систему обробки інформації, яка дозволяє їм приймати швидкі рішення незалежно від їхніх генів.

Десятиліттями вчені розглядали ДНК як єдине джерело клітинної інформації. Цей план ДНК вказує клітинам, як будувати білки та виконувати основні функції. Однак нове дослідження в Moffitt під керівництвом Діпеша Ніраули, доктора філософії, і Роберта Гейтенбі, доктора медичних наук, виявило негеномну інформаційну систему, яка працює разом з ДНК, дозволяючи клітинам збирати інформацію з навколишнього середовища та швидко реагувати на зміни.

Роль іонних градієнтів

Дослідження було зосереджено на ролі іонних градієнтів через клітинну мембрану. Ці градієнти, які підтримуються спеціалізованими насосами, вимагають великих витрат енергії для генерації змінних трансмембранних електричних потенціалів. Дослідники припустили, що градієнти являють собою величезний резервуар інформації, який дозволяє клітинам постійно контролювати навколишнє середовище.

Коли інформація отримується в певній точці клітинної мембрани, вона взаємодіє зі спеціалізованими воротами в іонно-специфічних каналах, які потім відкриваються, дозволяючи цим іонам текти вздовж уже існуючих градієнтів, утворюючи канал зв’язку. Потоки іонів викликають каскад подій, що прилягають до мембрани, дозволяючи клітині аналізувати інформацію та швидко реагувати на неї. Коли потоки іонів великі або тривалі, вони можуть спричинити самозбірку мікротрубочок і мікрофіламентів для цитоскелету.

Як правило, мережа цитоскелета забезпечує механічну підтримку клітини та відповідає за форму та рух клітини. Проте дослідники Моффіта відзначили, що білки цитоскелета також є чудовими провідниками іонів.

Це дозволяє цитоскелету діяти як високодинамічна внутрішньоклітинна мережа для передачі інформації на основі іонів від мембрани до внутрішньоклітинних органел, включаючи мітохондрії, ендоплазматичний ретикулум і ядро. Дослідники припустили, що ця система, яка дозволяє швидко та локально реагувати на певні сигнали, також може генерувати скоординовані регіональні чи глобальні відповіді на більші зміни навколишнього середовища.

Відомості та наслідки дослідження

«Наше дослідження розкриває здатність клітин використовувати трансмембранні градієнти іонів як засіб зв’язку, що дозволяє їм швидко відчувати зміни в навколишньому середовищі та реагувати на них», — сказав Ніраула, науковий співробітник відділу машинного навчання. «Ця заплутана мережа дозволяє клітинам приймати швидкі та обґрунтовані рішення, критичні для їхнього виживання та функціонування».

Дослідники вважають, що ця негеномна інформаційна система має вирішальне значення для формування та підтримки нормальної багатоклітинної тканини, і припускають, що добре описані потоки іонів у нейронах є спеціальним прикладом цієї широкої інформаційної мережі. Порушення цієї динаміки також може бути критичним компонентом розвитку раку.

Вони продемонстрували, що їхня модель узгоджується з кількома експериментальними спостереженнями, і висвітлили кілька прогнозів, які можна перевірити, що випливають із їхньої моделі, сподіваючись, проклавши шлях для майбутніх експериментів, щоб перевірити їхню теорію та пролити світло на тонкощі прийняття рішень клітинами.

«Це дослідження ставить під сумнів неявне припущення в біології про те, що геном є єдиним джерелом інформації, а ядро ​​діє як своєрідний центральний процесор. Ми представляємо абсолютно нову мережу інформації, яка забезпечує швидку адаптацію та складну комунікацію, необхідну для виживання клітин і, ймовірно, глибоко залучену в міжклітинну передачу сигналів, що дозволяє функціонувати багатоклітинним організмам», — сказав Гейтенбі, співдиректор Центру передового досвіду еволюційної терапії в Моффітті.

Бельгійський астрофотограф Єрун Ван Ньювенхов (Jeroen Van Nieuwenhove) три роки чекав і готувався, щоб зробити епічні знімки полярного сяйва над вулканом Фаградальсф’ядль, що вивергається в Ісландії.

Ван Ньювенхов був зачарований ідеєю відобразити два природні явища в одному кадрі — після того, як йому вперше вдалося побачити полярне сяйво та виверження вулкана у 2021 році. 

Однак найскладнішим у знімку двох природних явищ в одному кадрі виявилася різна інтенсивність світла полярного сяйва та лави. Тому фотограф використав різну техніку, поки 15 квітня 2024 року не досяг успіху.