Сколько электронов может уместиться на конце иглы

Атомы-экситоны, увиденные с помощью микроскопа атомной силы.

Ангелами Гомер называл вестников-посланников богов-олимпийцев (сравните: «Ев-ангелие» – благая весть). Афиняне по достижении их отроками соответствующего возраста посылали тех в схолии. Трансформировавшись через немецкий язык, у нас этот термин закрепился как «школа». Но ученые мужи, ведшие нескончаемые споры о том, сколько бестелесных ангелов уместится на кончике иглы, так и остались схоластами.

Люди издревле пользовались «подпорками» ума и памяти. Поначалу на стенах пещер и скалах были просто рисунки, затем они преобразовались в иероглифы, часть которых претерпела метаморфозу в буквы. Платон полагал, что изобретение письменности египетским богом Тотом убило память, а вернее, мать муз Мнемозину – богиню памяти. Отсюда, кстати, и мнемонические приемы для лучшего запоминания.

Устройство для «уловления» 10 фотонов.

В наше время уже никого не устраивает стремительный прогресс электроники, основанной на кремниевых чипах, – все мечтают о квантовых гаджетах. До создания квантовых компьютеров может пройти не так уж и много времени. По крайней мере в китайском Университете науки и технологии с помощью барий-боратных – ВВО – кристаллов удалось «словить» целых 10 фотонов (предыдущий рекорд – 5), достигнув при этом эффективности в 70%. «Связь», или энтенглмент, фотонов была получена с помощью лазера и фотоделителей, в результате чего формировались пары фотонов.

В том же институте был установлен и рекорд дальности передачи по оптоволокну корреляции-энтенглмента – 404 км! Это в два раза больше предыдущего! Оптоволоконная техника сохраняла инфракрасные импульсы, передаваемые со скоростью, которая в 500 раз выше ранее достигнутой. Ученые полагают, что это позволит осуществлять в сети голосовую связь, не давая возможности подслушивания. Результаты этих исследований опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Квантовая физика сделала реальностью такое экзотическое состояние вещества, как конденсат сверхохлажденных атомов Бозе–Эйнштейна (ВЕС). Бозе-эйнштейновский конденсат ведет себя, как единое целое, или – как один атом. Сотрудники Мерилендского университета сумели «раскрутить» конденсат вокруг единого центра. Это позволило весьма точно определить скорость движения атомного пояса (наподобие колец Сатурна). Отсюда – возможность создания компактного гравитометра, определяющего изменение силы тяжести на расстояниях до 10 микрон.

Помимо практических приложений такое повышение разрешающей способности измерителя даст возможность уловить влияние виртуальных частиц. Названы они так за очень короткое время жизни (транзиентность). Они участвуют в реальных физических процессах, но никак не учитываются в теоретических расчетах. В результате их действие имеет радиус не более нескольких микрон.

В Университете Лейбница в Ганновере 10 тыс. атомов охладили практически до абсолютного нуля (–273 градуса по Цельсию), применив для их удержания на чипе магнитное поле. Далее с помощью двух последовательных импульсов лазера атомы пускали по двум путям разной длины. По возвращении в исходную точку возникало их взаимодействие (интерференция), которую измеряли в течение 50 миллисекунд. Чувствительность немецкого инструмента 1:10 млн. Ганноверский измеритель силы тяготения умещается в коробку из-под туфель и может переноситься в рюкзаке. Сообщение об этом опубликовано все в том же журнале Physical Review Letters.

В университете Инсбрука работали с так называемыми квантовыми точками. Эти объекты представляют собой полупроводниковые «зерна» сечением несколько нанометров в полупроводниковой же среде. Особенность точек – испускание ими электронов, выбитых фотонами, в результате чего образуется вакансия, или «дырка», имеющая положительный заряд. Возбужденный электрон и дырка квантовой точки формируют экситон, или искусственный атом, который можно «увидеть» с помощью микроскопа атомной силы (AFM – Atomic Force Microscope).

Известно, что свойства проводников во многом определяются примесями. Варьируя ими, можно задерживать распад экситона, а с помощью второго лазера увеличивать число связанных друг с другом фотонов, препятствуя тем самым угасанию квантовых точек. Австрийцы, опубликовавшие свои результаты в журнале Optics Express, считают, что это еще один путь к созданию квантовых компьютеров.

Два лазера (синий и красный) «снимают» электроны с конца иглы. Иллюстрации Physorg

Схоласты спорили об ангелах на кончике иглы. Ученые ХХI века нашли способ «изъятия» электронов с кончика иглы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Этот кончик сам по себе представлен всего лишь несколькими атомами. В норме отрицательные заряды удерживаются энергией барьера возбуждения. Но под этим энергетическим барьером, оказывается, можно проскочить по туннелю за счет приложенного электрического поля. Проскакивают, правда, лишь отдельные электроны.

Исследователи из Технического университета Вены для включения-выключения эмиссии электронов применили два лазера – красный и синий. Их излучение различается по частоте и длине волны. В два раза более мощный импульс синего лазера «вырывает» электроны, а импульс красного лазера включает процесс с разрешением в несколько фемтосекунд (10–15 сек.). Тем самым физики получили возможность контролировать движение электронов во времени и пространстве.

Поток когерентных электронов (как когерентных фотонов в луче лазера) облегчает их ускорение. Известно, что, как и в старых телевизионных трубках, искривление потока электронов генерирует рентгеновские лучи. В наше время физики уже научились получать когерентные лучи Рентгена, позволяющие с атомным разрешением изучать молекулярную динамику ферментов, меняющих свою форму в какие-то фемтосекунды.

В Станфорде с помощью рентгеновского микроскопа рассмотрели пространственно-функциональные изменения белка микроба из рода Vibrio, одним из представителей которого является холерный вибрион. Об этом пишет журнал Nature.

Авторы, среди которых можно видеть имена Н. Зацепина и С. Тарасова, работающих в Национальном института рака и Аризонском университете, считают, что это первый пример фермента, регулирующего работу одного из генов обмена веществ (метаболизма). Таких ферментов много в клетках. И нарушения в их работе ведут к раку и другим патологическим изменениям.

Нынешние излучатели когерентных рентгеновских лучей требуют больших ускорителей электронных пучков. Сегодня на поверхности чипа умещаются миллионы транзисторов, поэтому вопрос миниатюризации рентгеновских микроскопов крайне актуален.