Теория суперструн, которая, как надеются многие физики, сможет объединить в единую физическую картину гравитационные явления и квантовую механику, наконец-то нашла применение в науках о материалах.

Выкладки теории суперструн, предсказывающие существование черных дыр определенного типа, могут оказаться полезными для объяснения свойств таких материалов, как «странные металлы» («strange metals».

Теория суперструн может объяснить свойства высокотемпературных сверхпроводников. (Рисунок из J. Physics 3, 83 (2010); DOI: 10.1103/Physics.3.83)

Электрическое сопротивление странных металлов линейно зависит от температуры, в то время как для обычных металлов зависимость сопротивления от температуры представляет собой квадратичную функцию. В этих материалах также наблюдаются энергетические возбуждения, которые приписываются появлению короткоживущих частиц.

К странным металлам относятся высокотемпературные сверхпроводники, которые не обладают электрическим сопротивлением ниже критической температуры, за которую зачастую принимается температура кипения жидкого азота (−196 C). Свойства этих материалов являются загадкой для физиков уже два десятка лет – свойства странных металлов нельзя объяснить, применяя описывающую свойства обычных металлов, модель жидкости Ферми.

В 2003 году Субир Сачдев (Subir Sachdev) из Гарварда разработал новую модель, получившую название фракционированной жидкости Ферми [fractionalized Fermi liquid (FFL)], позволявшую описать некоторые свойства странных металлов, например, зависимость их сопротивления от температуры [1]. В отличие от обычной модели жидкости Ферми в модели FFL допускается возможность взаимодействия электронных спинов в сверхпроводнике.

В новой работе [2] продемонстрировал, что многие характеристики модели FFL близки характеристикам, приписываемым черным дырам в рамках теории суперструн. Сачдев отмечает, что хотя пока еще рано говорить о том, что теория суперструн может объяснить поведение и свойства странных металлов, у него есть надежда на объединение двух теорий, по его словам, такое объединение может привести к развитию принципиально новых перспектив в теоретической физике.

Работы Сачдева основаны на выкладках физика-теоретика Джона МакГриви (John McGreevy), который в 2009 году впервые применил AdS/CFT-соответствие теории суперструн к странным металлам AdS/CFT-соответствие устанавливает связь между супергравитацией в пространстве анти-деСиттера (AdS) и суперсимметричной теорией Янга-Миллса, которая является конформно-инвариантной теорией поля (CFT). Пространство анти-деСиттера является решением уравнений гравитации Эйнштейна-Гильберта с постоянной отрицательной кривизной. Сам МакГриви допускал, что изучаемые им в рамках AdS/CFT-подхода квантовые системы являлись исключительно абстрактными – они обладали непрерывно изменяющимися в пространстве свойствами, хотя для квантовых систем изменение свойств должно быть дискретным.

По словам МакГриви, Сачдев выбрал более реалистичную модель – приложив свойства гравитационного объекта – варианта черной дыры к квантовой системе с дискретно изменяющимися вдоль кристаллической решетки странного металла свойствами. МакГриви отмечает, что хотя и использованное Сачдевым допущение еще далеко от применение к реальному материалу, работу Сачдева можно рассматривать как уверенный шаг в правильном направлении.

Таким образом, появляется надежда на использование закономерностей теории суперструн в улучшении модели FFL. Одна из проблем модели фракционированной жидкости Ферми заключается в том, что она предсказывает существование ненулевого энтропийного состояния при абсолютном нуле, что нарушает третий закон термодинамики. Сачдев подчеркивает, что сам он всегда считал этот вывод недостатком своих теоретических выкладок, хотя некоторые коллеги-физики были склонны рассматривать эту черту модели FFL как достоинство, позволяющее переходить к описанию свойств реальных материалов.

В последней работе Сачдев продемонстрировал, что применение теории суперструн к модели FFL также приводит к нарушению третьего закона термодинамики при абсолютном нуле. Он подчеркивает, что появление старой проблемы при использовании принципиально новых физического и математического подхода может говорить о том, что предсказываемый эффект указывает на какое-то противоречие между теоретической моделью и реальными объектами, для исследования которых она создана, однако это еще предстоит выяснить.

МакГриви заявляет, что теоретические выкладки Сачдева сами сигнализируют о своей нестабильности – возможная причина несоответствия модели и третьего закона термодинамики может заключаться в том, что при температуре около абсолютного нуля странные металлы могут переходить в другое фазовое состояние, тем более, что в районе абсолютного нуля переходы из страннометаллического в обычное сверхпроводимое состояние уже наблюдались экспериментально [3].

МакГриви, однако, подчеркивает, что даже если теория суперструн поможет специалистам по конденсированной материи описать свойства странных металлов, это не будет автоматически означать, что теория суперструн представляет собой адекватное описание фундаментальных частиц и гравитации, но, тем не менее, можно будет говорить о том, что областей применения этой теории гораздо больше, чем планировалось ранее.

Источники:

Исследователи из США и Японии создали ферментоподобный катализатор, активность которого может быть включена или выключена с помощью низкомолекулярных соединений.

Монометаллический каталитически активный центр находится в среднем слое трехслойного комплекса, который может открываться и закрываться под действием низкомолекулярных соединений, что позволяет осуществлять обратимый доступ к каталитически активному центру и его блокировку. (Рисунок из Science, 2010, DOI: 10.1126/science.1193928).

Результаты совместной работы закладывают принципы для создания динамических каталитических систем, которые могут найти применение во многих промышленных процессах, а также в медицинской диагностике.

Синтетический супрамолекулярный комплекс был разработан Чадом Миркином (Chad Mirkin) из Северо-западного Университета (Иллинойс) для катализа реакции полимеризации циклического эфира – ε-капролактона. Миркин полагает, что в разработке нового катализатора наибольшее значение играет концепция использования аллостерического регулирования активности катализатора – изменения строения комплекса, позволяющего блокировать активный центр катализатора или делать его доступным. Исследователям из группы Миркина удалось решить эту задачу, введя в структуру катализатора своеобразные «петли», которые могут открываться, когда хлорид-ион связывается с аллостерическим центром, и закрываться при удалении хлорид-иона с этого центра.

Миркин дополнительно подчеркивает, что пока новая каталитическая система является то, что она монометаллическая – ее каталитическим центром является алюминий. Он добавляет, что результаты работы являются демонстрацией принципиальной возможности применения принципа аллостерического регулирования для монометаллического катализатора, в то время как сходные принципы ранее уже применялись для регулирования активности биметаллических катализаторов. Как подчеркивает Миркин, возможность аллостерического регулирования активности монометаллического катализатора важна, так как в промышленности используется не более пары десятков процессов, основанных на биметаллических катализаторах, в то время как монометаллические катализаторы ускоряют куда большее число реакций, важных для промышленности.

Специалист по супрамолекулярному катализу из Университета Амстердама Йоост Рик (Joost Reek) соглашается с Миркиным в том, что использование предложенной Миркином концепции к мономолекулярному катализатору весьма важно, опять же подчеркивая, что промышленные процессы основаны на монометаллическом катализе.

Однако идея Миркина не сводятся только к модернизации промышленных каталитических процессов. Он собирается разработать новые системы детектирования, основанные на принципе, который он называет «синтетическая ПЦР». Полимеразоцепная реакция (ПЦР) используется в диагностике для усиления сигнала за счет клонирования определенных фрагментов ДНК. Миркин уверен, что катализаторы, разрабатываемые в его группе, смогут справиться с подобным заданием.

Теоретически комплекс может распознать определенную молекулу, переведя ее в активное состояние и заставить катализировать получение молекул такого же типа. Миркин уверен, что особая притягательность «синтетического» подхода заключается в том, что он может быть настроен на распознавание и амплификацию не только молекул ДНК, но и любой другой структуры.

Химики разработали новую чувствительную разновидность ИК-спектроскопии, позволяющую анализировать строение молекулярных ионов, улавливая их наноразмерными каплями охлажденного гелия.

Нанокапли сверхтекучего гелия позволяют регистрировать инфракрасные спектры охлажденных молекулярных ионов. У ионов, которые покидают капли гелия, в результате возбуждения начинают проявляться колебательные движения, и их спектр может быть зарегистрирован. (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021/ja1034655)

Поскольку в условиях регистрации спектра в жидком гелии происходит затормаживание колебательных и вращательных движений анализируемой частицы, новая модификация известного аналитического инструмента позволит получать важную информацию об ионах, важных для биологических процессов.

Инфракрасные спектры возникают в результате колебательного (отчасти вращательного) движения молекул, а именно — в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния молекул. Колебательные и вращательные движения определенных химических связей отличаются характеристическими частотами, что позволяет изучать строение химических соединений.

Возглавлявший исследование Марсел Драббелс (Marcel Drabbels) из Швейцарского Федерального Технологического Института отмечает, что при проведении исследований методом ИК при нормальной температуре наблюдается большое количество линий поглощения, затрудняющее расшифровку спектра. Он добавляет, что для упрощения регистрации спектра ИК исследователи из его группы помещали анализируемые молекулы в маленькие капли гелия, охлажденные до 0.4 Кельвина.

При температурах, близких к абсолютному нулю, в молекулах прекращаются вращательные и колебательные движения. Эти молекулы могут быть ионизированы действием ультрафиолета, после чего облучение инфракрасным светом может возбуждать их и инициировать колебания. Драббелс отмечает, что такой процесс существенно упрощает строение спектра, содержащего большое количество полезной информации. Исследователи из его группы использовали свой новый метод для регистрации спектра ионов анилиния и обнаружили, что новый подход на два порядка чувствительнее других существующих в настоящее время методик.

Драббелс подчеркивает, что, несмотря на простоту новой методики, она не может быть коммерциализирована непосредственно в ближайшее время. Одна из проблем заключается в небольшом размере сопла, использующегося для получения капель гелия – такое сопло может засориться из-за единственной пылинки – поэтому для новой системы необходима разработка специальной системы для подачи и охлаждения гелия.

Новый метод может применяться не только для изучения ионизированных форм важных биологически активных молекул, но и для неорганических кластеров или молекулярных агрегатов большого размера. Еще одним интересным преимуществом новой системы является то, что в условиях регистрации спектра с помощью нового метода ряд молекул может проявлять сверхпроводимость, и исследователи надеются, что новая методика позволит получить новую информацию и об этом явлении.

Кевин Леман (Kevin Lehmann), специалист по спектроскопии из Университета Виргиния отмечает, что швейцарские коллеги разработали новый уникальный подход к спектральному изучению сложных молекул, позволяющий получать высококачественные и хорошо разрешенные спектры ионов со сложным химическим строением.

Источники:

1. J. Am. Chem. Soc., 2010, DOI: 10.1021/ja1034655

Учёные из Южной Кореи и США представили простой в изготовлении и надёжный элемент энергонезависимой резистивной памяти, который можно располагать на гибкой подложке.

Схема расположения алюминиевых электродов и характеристики полученных устройств. Слева — изменение сопротивления после многократного сгибания элементов, справа — изменение сопротивления со временем. СВС, СНС — состояния высокого и низкого сопротивления. (Иллюстрации из журнала Nano Letters).

В будущем резистивная память, как ожидается, станет серьёзным конкурентом традиционных «зарядовых» устройств — к примеру, DRAM или флеш-памяти. Элементы с требуемыми свойствами уже конструировали на базе халькогенидов, аморфного кремния, оксидов переходных металлов (NiO, TiO₂, ZnO), наночастиц Fe₃O₄ и некоторых других материалов. Большую известность приобрели мемристоры, созданные в 2008 году специалистами НР с использованием диоксида титана.

В устройстве НР два массива параллельных проводников, ориентированные перпендикулярно друг другу, разделяются тонким слоем TiO₂. Новый элемент в целом повторяет эту конструкцию, но между алюминиевыми проводниками находится не TiO₂, а оксид графена.

При создании опытных образцов авторы подготавливали оксид графита, а затем путём обработки ультразвуком в воде получали оксид графена. На гибкой подложке из полиэфирсульфона располагались алюминиевые проводники шириной 50 мкм и толщиной 70 нм, которые покрывались слоем оксида толщиной около 15 нм. Сверху наносился аналогичный первому массив алюминиевых электродов, формировавших 25 отдельных устройств в местах наложения проводников из верхнего и нижнего слоёв.

По своим размерам элементы на порядки превосходят мемристоры НР, но авторы не считают этот недостаток критическим и рассчитывают на то, что производителей привлечёт невысокая стоимость и гибкость устройств. Графеновые элементы продемонстрировали возможность 100 тысяч раз переходить из одного состояния в другое (то есть резко изменять сопротивление) при переключающем напряжении в ~2,5 В; число таких циклов, как предполагается, можно будет довести и до одного миллиона. Эксперименты по оценке времени хранения останавливались на отметке в 10⁵ с (около 27 часов), но исследователи уверяют, что первые образцы, изготовленные в сентябре прошлого года, до сих пор сохраняют заданное состояние. Устройства также легко выдержали тысячу циклов сгибания.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Hu Young Jeong, Jong Yun Kim, Jeong Won Kim, Jin Ok Hwang, Ji-Eun Kim, Jeong Yong Lee, Tae Hyun Yoon§, Byung Jin Cho, Sang Ouk Kim†, Rodney S. Ruoff, and Sung-Yool Choi Graphene Oxide Thin Films for Flexible Nonvolatile Memory Applications – Nano Lett. – Article ASAP. – DOI: 10.1021/nl101902k.

При разработке различных наноустройств исследователи часто сталкиваются с трудностями при получении нанонитей определенной формы. Однако стоит отметить, что ученые разработали и широко используют методы основанные в основном на двух принципиально разных подходах – самосборке нанонитей и получении нанонитей с использованием различных шаблонов. В последнее время стало появляться все большее число публикаций, посвященных получению нанонитей методом электрохимического осаждения (electrochemical deposition), где в качестве шаблона выступают МУНТ.