Компьютерра - Журнал "Компьютерра" №728

В новых опытах для измерения электропроводности ДНК ученые использовали хорошо проводящую углеродную нанотрубку с толщиной стенок в один атом и диаметром, сопоставимым с диаметром самой спирали ДНК. Нанотрубку присоединили к электродам и из ее середины с помощью плазмо-ионного травления удалили кусок длиной 6 нм. Во время этой процедуры концы нанотрубки окислились, что позволило прочно соединить их со вставленной в зазор молекулой ДНК. После этого электропроводность ДНК померили, подав 50 мВ на электроды и измеряя текущий по цепи ток. Измерения можно было производить при нормальных условиях, в подходящих растворах и используя энзимы для контроля над ДНК.

Оказалось, что электропроводность ДНК примерно такая же, как у графита, что хорошо согласуется с ее структурой. Но если из большой молекулы ДНК удалить всего один нуклеотид, то ее сопротивление сразу возрастет в триста раз! Такая чувствительность и плохой контакт с обычными электродами легко объясняют, почему все предыдущие эксперименты потерпели фиаско.

Сильная чувствительность электронных свойств молекулы ДНК к малейшим изменениям формы делает проблематичным ее использование в молекулярных электронных схемах. Во всяком случае, в них придется придумать какой-то механизм для восстановления повреждений молекул. В живых клетках накопление таких повреждений ведет к различным проблемам вроде мутаций и возникновению рака. И эволюция уже предусмотрела некий механизм, позволяющий залечивать многие изменения в ДНК. Однако как именно живая клетка находит и восстанавливает многие повреждения своей наследственной информации, пока остается загадкой. К поиску ответа на этот важный вопрос теперь приступили ученые, вооружившиеся новой экспериментальной методикой. ГА

Тонкие эксперименты по проверке справедливости закона всемирного тяготения Ньютона на микронных масштабах провели физики из Стэнфордского университета. Старый добрый закон обратных квадратов подтвердился, а новым экзотическим теориям опять пришлось отправиться на доработку.

Гравитация плохо вписывается в современную физическую картину мира. Если трем остальным известным взаимодействиям - сильному, слабому и электромагнитному - худо-бедно нашлось место в единой квантовой теории, то гравитация к ним никак не клеится, да и отдельную квантовую теорию гравитации до сих пор толком создать не удалось. Гравитационные силы гораздо слабее трех остальных, и почему так устроено, физикам пока не понятно. Гравитационные волны, предсказываемые релятивистской теорией гравитации, которая называется общей теорией относительности, до сих пор не найдены. Галактики и их скопления вращаются неправильно, что заставляет выдумывать темную материю, да и сама вселенная тоже вроде бы расширяется с непонятным ускорением. Короче говоря, оснований для критики закона всемирного тяготения Ньютона набралось с избытком.

И новые теории не заставили себя ждать, благо фантазии физикам-теоретикам не занимать. Их так много, что можно сбиться со счета. Некоторые ученые, например, предполагают, что мы живем в пространстве с большим числом измерений, причем все дополнительные измерения, кроме обычных трех, свернуты в шары очень малых масштабов. Другие считают, что уже на микронных масштабах закон обратных квадратов должен нарушаться, и т. д.

Проверить это крайне трудно. Тепловые шумы, небольшие вибрации или даже слабый паразитный заряд или магнитное поле легко могут исказить результаты эксперимента, повлияв на слабые гравитационные силы. Тем не менее удалось придумать опыт, в котором, как считают авторы, все мешающие эффекты исключены.

Для этого на конце кронштейна 250х50х0,3 мкм из монокристалла кремния была закреплена весящая полтора микрограмма пробная масса из золота размером 54х54х27 мкм. Такой кронштейн с грузом представляет собой высокодобротный резонатор с собственной частотой около трехсот герц. Над золотым грузом, верхняя полированная сторона которого работала как зеркало, расположили световод, срез которого образовал с грузом оптический резонатор Фабри-Перо, что позволило точно измерять его смещение.

Под пробной массой за экраном расположили второй груз, представлявший собой пластину с чередующимися слоями кремния и золота. Пластину с помощью пьезомотора смещали в горизонтальной плоскости с частотой около ста герц так, чтобы под пробным грузом оказывался то кремний, то золото, и их разная масса притягивала пробный груз с разной силой. Переменная сила притяжения вызывала колебания груза, и, измеряя параметры колебаний, можно было судить о силе притяжения грузов. Все устройство помещали в надежный экран, изолирующий от внешних полей, и охлаждали до десяти градусов выше абсолютного нуля, чтобы снизить тепловые шумы. Расстояние между грузами в экспериментах менялось в пределах 4–66 мкм.

Измерения показали, что на этих масштабах заметного отклонения от закона Ньютона не наблюдается. Правда, эксперимент позволяет обнаружить лишь отклонения, которые по крайней мере в десятки, а на меньших расстояниях в миллионы раз сильнее самой гравитации. Но и эти результаты позволяют заметно улучшить точность предыдущих измерений.

Ученые решили не останавливаться на достигнутом. У данного метода измерений есть еще много скрытых резервов для увеличения точности. Можно снизить температуру и тепловые шумы, уменьшить вибрации, улучшить конструкцию маятника и оптики. И как знать, быть может, уже в следующей серии экспериментов Ньютону все-таки придется потесниться. ГА

Лазер на свободных электронах, способный генерировать качественные импульсы жесткого ультрафиолета с длиной волны 32 нм, впервые удалось собрать команде ученых из нескольких институтов Франции и Японии. Примененная в нем технология обещает скорое получение рентгеновских лазерных импульсов с длиной волны 2–4 нм, которые могут совершить революцию в исследованиях биологических структур.

Лазеры на свободных электронах принципиально отличаются от обычных лазеров, в которых фотоны излучаются при скачках электронов между различными энергетическими уровнями. В таких лазерах разогнанный в ускорителе почти до скорости света пучок электронов пролетает вдоль называемой ондулятором гребенки из постоянных магнитов, которые заставляют электроны лететь по волнообразной траектории и генерировать синхротронное излучение. Лазер на свободных электронах - сооружение солидное, длина одного только ондулятора около девяти метров, не говоря уже об ускорителе и прочем оборудовании. В принципе, частота излучения определяется лишь скоростью пучка и параметрами гребенки, однако на практике из-за многочисленных технических трудностей получить от лазера на свободных электронах хорошее когерентное излучение с короткой длиной волны очень трудно.

В новом лазере ученые решили использовать затравочный импульс света, согласованный с движением электронов, так, чтобы лучше "организовать" их синхротронное излучение и к тому же вдвое сократить длину ондулятора. Для этого импульсы инфракрасного титано-сапфирового лазера с длиной волны 800 нм фокусировались в кювету с ксеноном, где благодаря нелинейным эффектам генерировался набор нечетных гармоник основной частоты. После формирования пространственно-временной структуры пучка в сложной оптической системе лазерный импульс попадал вместе с электронами в двухсекционный ондулятор, настроенный на длину волны пятой гармоники - 160 нм.

Ондулятор был изготовлен так, что в нем "посеянные" гармоники эффективно усиливались, причем не только на основной частоте ондулятора, но и на ее гармониках вплоть до пятой. Таким способом удалось получить умножение частоты до 25 раз и импульсы с длинами волн 53 и 32 нм.

Новый лазер способен выдавать качественные импульсы длительностью от десятков до сотен фемтосекунд, которые в десять миллиардов раз ярче обычных синхротронных источников излучения. Ученые уже пробовали в роли затравочного ультрафиолетовый лазер, а к концу года рассчитывают довести длину волны затравочных импульсов до 50–60 нм. А это уже позволяет получить лазерные импульсы в диапазоне мягкого рентгена, которые остро необходимы для изучения биологических объектов. ГА

Новый удивительный трюк с запоминанием квантового состояния одного-единственного фотона сразу в двух местах удалось проделать физикам из Калифорнийского технологического института. Такая квантовая память может пригодиться для защищенных каналов передачи информации и оптических реализаций квантовых вычислителей.

Авторы интерпретируют свое устройство как память для "запутанных" квантовых состояний. Она действительно была бы очень полезна, поскольку запутанные состояния частиц, в которых манипуляции с одной частицей немедленно сказываются на другой, где бы та ни находилась, являются основой квантовых вычислений. Именно запутанность квантовых состояний позволяет сразу распараллелить вычисления, что и обещает пока гипотетическим квантовым компьютерам небывалую мощь