От сальмонеллы до сверхпроводимости

Электроны теперь не просто физическая абстракция, но непосредственно наблюдаемые объекты. Фото с сайта www.atombit.org

Наука все ниже и ниже «опускается» в своем развитии, то есть достигает все большей разрешающей способности приборов. Еще недавно большим достижением считалось увидеть отдельные молекулы или структуру белков с двух- трехангстремным разрешением (1 Ангстрем равен 10-10 м). Сегодня мы являемся свидетелями перехода на атомный и субатомный уровень. В результате визуализируются атомы и электроны, что позволяет количественно определить такие абстракции квантовой физики, как энергетические состояния.

Сотрудники Геттингенского университета определили с атомным разрешением структуру белковых нитей – инъекционных «игл» – сальмонеллы, вызывающей тиф (S. typhimurium). С помощью этих «игл» сальмонелла вводит в клетки слизистой кишечника свой токсин.

В ответ на это ученые Йельского университета сообщили, что им удалось получить атомную структуру самого токсина, сложная молекула которого состоит из трех протеинов. (Любопытный исторический факт: Мэри Моллон, которую прозвали «тифоидной», была бессимптомным носителем тифозной бактерии. В начале ХХ века она служила в богатых семьях Новой Англии кухаркой, заразив тифом через еду десятки людей.)

Еще дальше пошли специалисты университета в английском  Йорке, которые сумели наблюдать поведение отдельных атомов в каталитической реакции расщепления газа при температуре 500 градусов, о чем сообщили в немецком журнале Annalen der Physik. Изображения атомов были получены с помощью усовершенствованного сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Еще дальше пошли их коллеги из Корнеллского университета и Брукхейвенской Национальной лаборатории (США), которым удалось с помощью все того же СЭМа наблюдать отдельные электроны и их пары.

Известно, что образование электронных, или Куперовских пар, является непременным условием низкотемпературной сверхпроводимости (СП). Новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы образуют те же пары при 130 градусах. Пять лет назад опыты показали, что указанные пары, о чем свидетельствовал так называемый разрыв энергии (Energy gap), существуют еще до возникновения сверхпроводящего состояния. Постоянно приходят сообщения о появлении новых материалов – среди них арсенид железа (FeAs) и такой экзотический, как лантанид никеля с галлием (LaNiGa2), – которые показывают сверхпроводящие свойства. Поэтому понятен интерес ученых, которые давно хотели бы увидеть эти самые электронные пары.

Журнал Nature Physics опубликовал статью американских авторов, которые написали о том, что им удалось путем «добавок» ничтожных по своей энергии и массе фотонов увидеть и рассчитать энергетический разрыв электронных пар. Образцы материала, состоявшего из церия, кобальта и индия (CeCoIn5), исследовались под микроскопом при температуре, которая была чуть выше СП. Под действием фотонов пары разрушались, и электроны начинали двигаться в противоположных направлениях. Сам характер движения электронов различался в соответствии с разными энергетическими состояниями частиц.

Новый метод сулит большие перспективы в разработке новых высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Он даст возможность выявлять природы артефактов и побочных эффектов, а также коррекцию характеристик этих сверхпроводников.