Рубрика: Наука

У квантових магнітних матеріалах під впливом магнітних полів можуть виникати нові стани порядку. Зараз міжнародна команда отримала нове розуміння цих особливих станів матерії завдяки експериментам на берлінському джерелі нейтронів BER II і його високопольному магніті. BER II служив науці до кінця 2019 року і з того часу був закритий. Результати даних BER II ще публікуються.

«Ми проводили вимірювання в листопаді 2019 року, наш експеримент був одним з останніх, проведених на магніті високого поля в BER», — зазначає доктор Еллен Фог. Фізик очолює групу в лабораторії квантового магнетизму Федеральної політехнічної школи Лозанни (EPFL) і тепер опублікував інтригуючі нові ідеї щодо квантових матеріалів, отримані у співпраці з колегами з Японії, Катару та Швейцарії.

«Багато ефектів у матерії стають видимими лише за екстремальних умов, тобто при температурах, близьких до нуля Кельвіна, і магнітних полях вище 20 Тесла», — каже вона. Ідеальним місцем для вивчення цих ефектів було джерело нейтронів BER II, де команда HZB встановила унікальний магніт високого поля, що досягає майже 26 Тесла.

Проблеми в інтерпретації даних

«Оцінка зайняла багато часу, — каже вона. Це пов’язано з тим, що дані про розсіювання нейтронів не дають автоматично картини, але їх потрібно інтерпретувати. Для цього потрібні переконливі теоретичні моделі. «Ми зіграли в настільний теніс із командою теоретиків, але тепер у нас є дуже цікаві результати».

Фог і команда проаналізували зразки SrCu₂ (BO₃)₂ — модель системи для ідеальної фрустрації у двовимірній (2D) спіновій системі. Він складається з пар спінів, які ортогонально розташовані на квадратній решітці та по-різному впливають один на одного. Ця «ідеально розчарована» геометрія призводить до багатьох нетрадиційних ефектів, які описуються в термінах заплутаних квантових станів та їх збуджень (магнонів). Магнітний порядок у таких матеріалах зазвичай описується як конденсація Бозе-Ейнштейна (BEC) магнонів.

«Ми хотіли з’ясувати, чи цей магнонний BEC також зустрічається в нашій модельній системі при сильних магнітних полях, чи існує альтернативний механізм», — говорить Фог. Експеримент з розсіювання нейтронів на високопольному магніті BER II ідеально підходив для цієї мети: «Ми змогли виміряти спінові збудження SrCu₂ (BO₃)₂ до 25,9 Тл і відтворити експериментальні спектри з високою точністю, використовуючи теоретичні моделі». Експерименти проводилися при тиску навколишнього середовища і температурах, близьких до абсолютного нуля , при 200 мілікельвінів.

Аналіз та інтерпретація даних вимірювань показує, що під цими надзвичайно сильними магнітними полями утворюється спін-нематична фаза. Замість одиночних магнонів це зв’язані пари магнонів, які конденсуються в цій фазі. Існує навіть аналогія з надпровідністю, яка свідчить про те, що спін-нематичну фазу в SrCu₂ (BO₃)₂ найкраще розуміти як конденсат бозонних куперівських пар.

Результати показують, що експерименти з розсіювання нейтронів у надзвичайно сильних магнітних полях можна використовувати для дослідження раніше невідомих областей матерії, зокрема корельованих фаз систем багатьох тіл. «В умовах сильного розчарування та контрольованих крайнощів все ще можна знайти багато нових станів і порядків», — підсумовує Фог.

Китайські дослідники відтворили обличчя давнього імператора, який керував країною 1500 років тому. Імператор У-ді, який правив династією Північної Чжоу з 560 по 578 рік, залишив за собою важливу спадщину, зокрема, зміцнив армію та об’єднав північний Китай. У 1996 році археологи виявили його поховання на півночі країни, зберігши кілька кісток і майже цілий череп.

Дослідження, опубліковане в науковому журналі, використало аналіз ДНК для визначення більше мільйона однонуклеотидних поліморфізмів. Це дозволило вченим дізнатися більше про зовнішність імператора, зокрема про колір його очей, волосся та шкіри.

Дослідження показало, що У-ді мав карі очі, чорне волосся та темну шкіру. Він, ймовірно, був частиною стародавньої кочової групи, що мешкала на території сучасної Монголії та на півночі Китаю.

За допомогою черепа імператора та сучасних програм для передбачення рис обличчя, вчені відтворили його обличчя у 3D. Вони використовували дані про будову м’яких тканин у сучасних китайців для більш точної реконструкції.

У-ді помер у віці 36 років, а причина його смерті досі залишається предметом дискусій. Однак аналіз ДНК вказує на генетичну схильність до інсульту, що могло стати причиною його раптової смерті. Ці висновки співпадають з історичними записами, які описують потенційні симптоми інсульту, такі як афазія, опущені повіки та порушення ходи. Джерело

Аналізуючи дані із супутників ESA XMM-Newton і Gaia, астрономи з Інституту астрофізики Лейбніца в Потсдамі (AIP) у Німеччині та інших країнах виявили нову систему магнітних катаклізмів, швидше за все, полярного типу. Про відкриття повідомляється в дослідницькій статті, опублікованій 21 березня на сервері попередньої обробки arXiv.

CV — це подвійні зоряні системи, що складаються з білого карлика та звичайної зірки-компаньйона. Вони нерівномірно значно збільшуються в яскравості, а потім знову падають до стану спокою. Полярні — це підклас катаклізмічних змінних, які відрізняються від інших CV наявністю дуже сильного магнітного поля в своїх білих карликах.

Команда астрономів на чолі з Саметом Оком з AIP ідентифікувала нову катастрофічну змінну, яка отримала позначення XMM J152737.4-205305.9 (або скорочено XMM 152737), зіставивши каталог кандидатів CV, опублікований Gaia Data Release 3 (DR3), з архів XMM-Newton.

«Щоб виявити та ідентифікувати нові магнітні катаклізмічні змінні, ми зіставили координати джерела в цьому каталозі [DR3] в архіві даних XMM-Newton», — пишуть дослідники в статті.

Згідно з дослідженням, XMM 152737 має сингулярний період, який відповідає характеристиці синхронного обертання, що спостерігається в полярниках. Система демонструє гармоніки у своєму спектрі потужності та має відносно короткий орбітальний період, який зазвичай спостерігається у відомих полярах.

Було виявлено, що джерело демонструє два чітких спади, що повторюються з точним періодом приблизно 112,4 хвилини. Вчені пояснили, що такі провали можуть бути викликані затемненням білого карлика зіркою-донором або затемненням області акреції на білому карлику потоком акреції.

Спостереження показують, що XMM 152737 має помітні лінії випромінювання, що відповідають водню та гелію. Це відкриття переконливо свідчить про те, що об’єкт є катастрофічною змінною полярного типу.

Дослідження показало, що XMM 152737 знаходиться на відстані приблизно 3770 світлових років від Землі, а його рентгенівська яскравість оцінюється в 30-60 нонільйонів ерг/с. Припускаючи, що система затемнюється, автори статті підрахували, що білий карлик і вторинна зірка мають маси 0,8 і 0,14 мас Сонця відповідно.

Підводячи підсумки, дослідники відзначили, що необхідні подальші спостереження за XMM 152737, щоб визначити походження спостережуваних провалів у цій системі. Це може пролити більше світла на властивості цієї катастрофічної змінної та підтвердити її полярну класифікацію.

Дослідження, проведене UFZ, виявило наявність мікропластику у віддаленому морському охоронюваному регіоні. Коли пластик потрапляє в океан, він повільно розпадається на крихітні шматочки через вивітрювання та розпад. Ці дрібні частинки, якщо їх споживати морські мешканці, можуть значно зашкодити їх здоров’ю. Тому великі накопичення пластику можуть порушити біологічний баланс морських екосистем. Але які області особливо постраждали?

У недавньому дослідженні дослідницька група з Центру екологічних досліджень імені Гельмгольца (UFZ) у співпраці з Інститутом Альфреда Вегенера (AWI) виявила велику кількість пластикових відходів і мікропластику у віддаленій морській захищеній зоні в Тихому океані. Ці кількості були подібні до тих, що були знайдені в одній із найбільших у світі відомих сміттєвих плям. Дослідники підкреслюють, що пластик поширений набагато ширше, ніж очікувалося.

Вся екосистема океану знаходиться під загрозою. Тому вони закликають якомога швидше припинити глобальні викиди пластику в океан. Дослідження опубліковано в Environmental Science & Technology.

Обсяг проблеми та результати дослідження

«Пластик в океані є серйозною проблемою. Щороку мільйони тонн пластику потрапляють в океан через річки та вітер, а також через судноплавство та рибальство – і залишаються там. Все ще важко оцінити наслідки для екосистеми океану», – каже хімік-еколог UFZ, професор Анніка Янке, координатор проекту MICRO-FATE, який зробив дослідження можливим.

Який розподіл пластмаси в океанах? Які області особливо постраждали? Чи є зони без пластику? А якими властивостями володіє пластик поблизу джерела чи далеко у відкритому океані? Янке та її дослідницька група досліджували ці питання.

Під час п’ятитижневої експедиції на німецькому дослідницькому судні «Sonne» у 2019 році дослідники взяли зразки поверхневих вод у північній частині Тихого океану між Ванкувером (Канада) та Сінгапуром. Команда вибрала станції відбору проб уздовж круїзної доріжки на основі моделі прогнозування Гавайського університету (поверхневі струми з діагностичної моделі (SCUD)). Ця модель розраховує кількість пластику, ймовірно, у певному морському районі.

«Для наших досліджень ми вибрали станції з прогнозованими високими та низькими пластиковими навантаженнями», — каже Янке. «Деякі станції були розташовані в районах, які вже були добре досліджені, наприклад у так званій Великій тихоокеанській сміттєвій плямі. Ми також хотіли дослідити зони у відкритому океані, які майже не були досліджені. Наприклад, ми взяли зразки в морському заповіднику на північний захід від Гаваїв, національному морському пам’ятнику Папаханаумокуакеа».

Команда використовувала два різні методи для визначення кількості пластику в поверхневій воді. Першим було дослідження сміття, під час якого групи з двох вчених на палубі «Зонне» підраховували пластикові предмети, які було видно неозброєним оком під час проходження корабля, і документували їх форму та розмір. Другий включав нейстонні мережі, буксировані на поверхні для взяття зразків на дев’яти станціях.

«Розмір вічка був 0,3 міліметра. Це дозволило нам зібрати не лише більші предмети, але й дрібні частинки пластику, щоб визначити кількість мікропластику, діаметр якого менш як п’ять міліметрів», — говорить дослідник UFZ Роббі Райнек, провідний автор дослідження. «Частинки пластику з кожного зразка були відсортовані за розміром і підраховані. Потім ми використали спеціальну форму інфрачервоної спектроскопії для хімічного аналізу частинок і оцінки їхнього стану вивітрювання на основі їх зовнішнього вигляду».

Чим довше пластик знаходиться під впливом сонця, вітру, хвиль і морської води, тим сильніше він вивітрюється та руйнується. Інші дослідження показали, що більші пластикові предмети та частинки, які не розклалися, виникають переважно там, де пластик потрапляє в море. Чим далі переносяться частинки, тим більше вони вивітрюються і дрібніші.

«Це саме те, що ми показали нашими розслідуваннями. І, як і очікувалося, найбільшу кількість пластику ми виявили у зразках, які ми взяли в районі, відомому як Велика тихоокеанська сміттєва пляма», — каже Ринек. «Однак предмети жодним чином не утворюють пластиковий килим, який щільно покриває всю поверхню. Це важливо, якщо говорити про технології видалення пластику, які повинні охоплювати величезні території, щоб мати можливість зібрати значні обсяги пластику. Більшість пластику — це маленькі фрагменти, які вислизають із сіток або які можна зібрати лише за допомогою значного «прилову» тварин», — каже співавтор доктор Мелані Бергманн з AWI. Тому дуже важливо зменшити викиди пластику.

Наслідки та майбутні напрямки

«Найдивовижнішим і водночас найбільш тривожним результатом нашого дослідження є те, що ми знайшли таку ж велику кількість особливо дрібного мікропластику у віддаленій морській охоронюваній зоні на північний захід від Гаваїв. Ми цього не очікували. Згідно з розрахунками прогнозної моделі, пластику в цій зоні має бути значно менше», — каже Ринек.

«Швидше за все, мікропластик поширений в океанах набагато далі, ніж передбачалося раніше. Ми фактично виявили пластик на всіх наших станціях відбору проб. Зразків без пластику не було. Отже, ми не можемо припустити, що пластик створює проблеми переважно у відомих зонах накопичення – проблема набагато більша і фактично впливає на всю екосистему океану», – каже Янке.

Цього року країни-члени ООН мають намір прийняти юридично обов’язкову глобальну угоду про пластик, щоб зупинити забруднення океану пластиком. «Як незалежні науковці ми є частиною Коаліції вчених за ефективний договір щодо пластмас, щоб консультувати делегатів держав-членів ООН», — каже Бергманн.

На додаток до значного скорочення виробництва пластику шляхом уникнення непотрібних пластикових виробів і просування систем повторного використання, багато дослідників вважають, що хімічний склад пластикових виробів потрібно спростити та покращити. Це єдиний спосіб забезпечити безпечне повторне використання та вищі показники переробки.

Заморожуйте їх, нагрівайте, вибухайте в порожній простір; Ці витривалі тварини, відомі як тихохідні тварини, які володіють навичками виживання, ніж будь-який інший організм на планеті, повертатимуться лише за новими. Хоча зрозуміло, що їхня здатність протистояти стресу частково пояснюється їхньою здатністю перетворювати свої нутрощі на гель, механізми цього акту метаболічного збереження ще не з’ясовані.

Нове дослідження під керівництвом дослідників з Університету Вайомінгу виявило, що експресія ключових тихохідних білків у людських клітинах уповільнює метаболізм, надаючи важливе розуміння того, як ці практично незнищенні безхребетні можуть виживати в найекстремальніших умовах.

Команда зосередилася на конкретному білку під назвою CAHS D, який уже відомий як захист від екстремального висихання (висихання). За допомогою різноманітних методів дослідники показали, як CAHS D перетворюється в гелеподібний стан під час стресу, зберігаючи молекули захищеними та захищаючи від висихання.

«Це дослідження дає уявлення про те, як тихохідні та потенційно інші організми, стійкі до висихання, виживають при висиханні, використовуючи біомолекулярну конденсацію», — пишуть дослідники у своїй опублікованій статті. «Крім стресостійкості, наші висновки відкривають шлях для розробки технологій, зосереджених навколо індукції біостазу в клітинах і навіть цілих організмах, щоб уповільнити старіння та покращити зберігання та стабільність».

Тихоходки вже показали, що вони можуть виживати при високих і низьких температурах і високих рівнях радіації, які були б смертельними для людей, а також тривалі періоди без води, що зазвичай так важливо для життя. Вони навіть можуть вижити в космосі.

Попередні дослідження виявили вражаючу кількість хитрощів, які тихохідні використовують, щоб залишитися в живих, створених протягом сотень мільйонів років. По суті, вони дуже добре сповільнюють процеси життєдіяльності за допомогою CAHS D, і це також може бути корисним для клітин людини.

«Дивовижно, але коли ми вводимо ці білки в людські клітини, вони утворюють гель і сповільнюють метаболізм, як у тихоходок», — каже молекулярний біолог Сільвія Санчес-Мартінез з Університету Вайомінгу. «Коли ви вводите людські клітини, які містять ці білки, у біостаз, вони стають більш стійкими до стресів, передаючи деякі здібності тихоходок людським клітинам».

Дещо далі ми зможемо з’ясувати, як передати частину цієї дивовижної стійкості тихоходки нашим власним клітинам і тканинам, потенційно уповільнюючи біологічне старіння та допомагаючи в лікуванні, де життєво важливо безпечне зберігання клітин при низьких температурах, наприклад, органів пересадки.

Буде потрібно багато подальших досліджень, щоб використати цю передачу здібностей, дослідження, яке вже триває з деякими дослідженнями, спрямованими на те, чи можуть тихохідні білки стабілізувати важливі продукти крові, які використовуються для лікування генетичних захворювань. Ранні ознаки є багатообіцяючими в кількох сферах, включаючи те, як білки розумно активуються, коли присутній екологічний стрес, і дезактивуються, коли його немає.

«Коли стрес знімається, тихохідні гелі розчиняються, і людські клітини повертаються до свого нормального метаболізму», — каже молекулярний біолог з Університету Вайомінгу Томас Бутбі.

Нове дослідження Єврейського університету зробило значний прорив завдяки успішному впровадженню однофотонних джерел у маленькі чіпи, які працюють при кімнатній температурі. Ця розробка знаменує вирішальний прогрес у галузі квантової фотоніки, відкриваючи можливості для її використання у квантових обчисленнях і криптографії. Це ключове досягнення у створенні придатних для використання квантових фотонних пристроїв, сигналізуючи про оптимістичну перспективу повної реалізації квантових технологій, включаючи обчислення, комунікацію та зондування.

Нещодавнє дослідження, яке очолив Боаз Любоцкі під час його докторської дисертації. Дослідження разом із професором Роненом Рапапортом з Інституту фізики Рака Єврейського університету в Єрусалимі у співпраці з командами Національної лабораторії Лос-Аламоса (LANL) у США та Ульмського університету в Німеччині оприлюднили значний прогрес у напрямку — чіп інтеграції однофотонних джерел при кімнатній температурі. Це досягнення є значним кроком вперед у галузі квантової фотоніки та перспективним для різних застосувань, включаючи квантові обчислення, криптографію та зондування.

Інновації в дизайні антен

Ключова інновація полягає у впровадженні гібридної металево-діелектричної яблучної антени, яка забезпечує виняткову спрямованість фотонів. Ця нова конструкція антени забезпечує ефективне зворотне збудження фотонів шляхом розміщення випромінювача в субхвильовому отворі, розташованому в центрі антени. Ця конфігурація забезпечує як пряме зворотне збудження, так і високоефективний фронтальний зв’язок випромінювання з оптикою з малою числовою апертурою або оптичними волокнами.

Дослідження демонструє універсальність цієї концепції шляхом виготовлення пристроїв, що містять або колоїдні квантові точки, або наноалмази, що містять центри кремнієвих вакансій, обидва є чудовими одиночними випромінювачами фотонів навіть при кімнатній температурі. Ці випромінювачі були точно розташовані за допомогою двох різних методів нанопозиціювання.

Примітно, що обидва типи пристроїв зі зворотним збудженням показали ефективність переднього збору приблизно на 70% при числових апертурах лише 0,5. Це означає, що можна використовувати дуже прості та компактні оптичні елементи і все одно збирати більшу частину фотонів у потрібний канал або точно відправляти випромінювані фотони в сусіднє оптичне волокно без необхідності будь-якої додаткової оптики зв’язку. Це ключовий інгредієнт інтеграції квантових джерел світла в реальні квантові системи. Цей спрощений процес обіцяє спростити майбутні зусилля з інтеграції та прискорити реалізацію практичних квантових фотонних пристроїв.

Боаз Любоцкі прокоментував важливість цього досягнення, зазначивши: «Подолавши ключові проблеми, пов’язані з інтеграцією однофотонних джерел на кристалі, ми відкрили нові захоплюючі можливості для розробки передових квантових технологій».

Успішна інтеграція однофотонних джерел у крихітні мікросхеми при кімнатній температурі, досягнута завдяки інноваційному використанню гібридної металодіелектричної антени «яблучко», має безпосереднє застосування у вдосконаленні квантової криптографії для безпечного зв’язку, удосконаленні технологій зондування та оптимізації процесу інтеграції для практичних квантові фотонні пристрої. Результати дослідження відкривають двері для комерційного застосування та розробки нових продуктів у галузі квантових технологій, що розвивається.