Je tu „okurková sezóna“. Jako každoročně. Platí to i ve fyzice. Nikomu se nechce publikovat závažné vědecké výsledky v době, kdy si většina čtenářů ověřuje jednoduché zákony mechaniky rychlou chůzí po horách nebo třeba plaváním mezi žraloky. To však neznamená, že by dnešní tři témata nebyla zajímavá. Zvláště to první, věnující se temné hmotě, poskytuje řadu příležitostí k zamyšlení. Naše srdce o prázdninách také neodpočívá, a tak pokračuje i jeho výzkum. Nakonec se podíváme na optoelektroniku. Řítí se totiž dopředu rychlostí jako Usain Bolt na olympijské trati, a tak by nebylo dobré, kdybychom nějaký důležitý poznatek zanedbali.
Nulový výsledek je také výsledek
Na americké Stanford University pracuje detektor temné hmoty, který je nejcitlivější na světě. Large Underground Xenon (LUX) však za 20 měsíců nezachytil ani stopu po slabě interagujících hmotných částicích (WIMP), které jsou dnes považovány za hlavního kandidáta na temnou hmotu. Nestalo se tak, přestože citlivost zařízení byla během této doby zvýšena na maximum. Detektor zaznamenával s beznadějnou pravidelností pouze šum pozadí.
Temná hmota je poněkud záhadná látka, která by měla tvořit 23 % hmoty ve vesmíru. Již známá baryonová hmota, která produkuje elektromagnetické záření, tvoří pouhá 4 %, zbytek by pak měla být takzvaná temná energie. A čím si temná hmota vysloužila svůj poněkud pochmurný název? Předpokládá se totiž, že by neměla interagovat se světlem. Není ji možné detekovat přímo, ale pouze prostřednictvím jejího gravitačního působení, a navíc není popsána Standardním modelem částicové fyziky: její existence se vyvozuje pouze z astrofyzikálních pozorování procesů, jako je formování galaxií a dynamických jevů. Tyto jevy jsou totiž ovlivňovány gravitačními silami vyvolanými právě hypotetickou temnou hmotou.
Nejnovější nulové výsledky vrhají podstatné pochybnosti na možné kandidáty na temnou hmotu, a to v současnosti hlavně na slabě interagující hmotné částice (WIMP). Méně pravděpodobné je i to, že by temnou hmotu mohl detekovat LHC (Large Hadron Collider) v CERN. LHC, ani jemu podobné experimenty, jako je zmíněný LUX, navíc pravděpodobně nenajdou přesvědčivé fyzikální důkazy za hranicemi Standardního modelu.
Vědci předpokládají, že je temnou hmotou napěchována i těžko polapitelná Mléčná dráha. Nepřetržitě a téměř bez odporu proniká tato látka vším, tedy i fyzikálními laboratořemi. Aby našli byť i jen velmi slabou interakci, která by se mohla mezi temnou a normální hmotou projevit, postavili fyzici řadu citlivých detektorů. Ty však až na pár kontroverzních výsledků žádnou interakci nenašly.
Detektor LUX je umístěn 1500 m pod zemským povrchem v pohoří Black Hills v Jižní Dakotě. Okolní hory stíní citlivé detektory před kosmickým zářením a další radiací různého původu. Detektor tvoří dva metry vysoký tantalový tank, který je naplněn 350 kilogramy kapalného xenonu a je chlazen na -108 °C.
Úkolem LUX je detekovat WIMP částice, jež by měly náhodně kolidovat s atomy xenonu. Pokud k tomu dojde, zasažený atom bude produkovat světlo a volné elektrony. Elektrony se urychlí elektrickým polem a světelný signál zesílí, když dosáhne tenké vrstvy xenonového plynu na vrcholu tanku. Světelný signál v místech kolize a na vrcholu tanku detekuje mimořádně citlivými detektory světla. Energie kolize může být následně určena z intenzity světelného záblesku.
Detektor byl instalován v roce 2012. Po dobu třech měsíců pak sbíral data, jež vědci v roce 2013 zanalyzovali. Žádná kolize, která by napovídala cokoliv o přítomnosti částic WIMP, však zjištěna nebyla. Citlivost zařízení byla poté zvýšena na maximum a další sběr dat probíhal od října 2014 do května 2016. Jeden a půl milionu gigabytů dat bylo poté zpracováno vysoce výkonnými počítači na Brown University v americkém státě Rhode Island a v kalifornské Lawrence National Laboratory.
Přestože LUX nepřinesl kýžený výsledek, tedy detekci částic temné hmoty, data, která poskytl, jsou cenná a jednoznačná. Negativní výsledek je také výsledek, a dokonce velmi důležitý. Provedené experimenty fyzikům pomohly lépe porozumět podstatě temné hmoty. Přinesly totiž zásadní informace o tom, co temná hmota není. Díky vyloučení širokého intervalu možných hmotností částic temné hmoty a síly interakcí temné a normální hmoty došlo ke zdokonalení dosavadních modelů. Nulový výsledek může znít jako špatná novina pro model WIMP, přesto však tyto částice zůstávají i nadále použitelné pro vysvětlení podstaty temné hmoty. Fyzici, kteří pracují na detektoru LUX, nyní důkladně prohledávají získaná data, aby případně objevili další, v úvahu přicházející částice, jako jsou třeba axiony (axiony jsou málo hmotné, slabě interagující bosony se spinem 0; jejich postulování souvisí s nepozorováním narušení CP symetrie v silné interakci).
Kolem výsledků vznikla neobvykle ostrá diskuse. Některé příspěvky stojí za to citovat, z těch serióznějších třeba: „Temná hmota není popsána ve Standardním modelu částicové fyziky, protože to není částice. Podle Einsteina bude energie gravitačního pole působit gravitačně stejně jako kterýkoliv jiný druh energie (‚The energy of the gravitational field shall act gravitatively in the same way as any other kind of energy‘).“ Další příklad: „Jedná se o prostorovou energii a ta má gravitační efekt, který ale není způsoben částicemi. A prostor nemusíte zaregistrovat ve tmě, i když je ho kolem spousta.“ Publikován byl však i komentář autora, podle něhož „je výzkum temné hmoty mrháním finančními prostředky a ‚temná hmota‘ synonymem pro ‚nevím nic‘, protože když nevíte, co hledáte, jak můžete stavět detektory, které by to neznámo detekovaly?“. Snad se brzy dozvíme, jak to s tou neznámou a tajemnou substancí vlastně je. Šance tu je. Po dokončení experimentů na detektoru LUX vědci chystají jeho novou verzi, která bude obsahovat 7000 kg xenonu. Detektor, jenž bude 70krát citlivější než stávající LUX, ponese označení LUX-ZEPLIN a data začne sbírat počátkem roku 2020.
Elektrické vlny řídí umělou tkáň
Američtí vědci vyvinuli pomocí genetického inženýrství tkáň, kterou je možné elektricky excitovat světlem. Z tohoto nového materiálu chtějí vytvořit model srdce, který bude sloužit k výzkumu poruch, jako jsou srdeční arytmie. Nový materiál může také vést k vývoji biologických počítačů, jež bude možné propojit s normálním okolím.
Lidské srdce je životně důležitá a zároveň extrémně složitá tkáň. Pokud nefunguje dobře, vědci i lékaři zkoumají příčiny specifických symptomů a hledají prostředky k nápravě. Za tímto účelem se snaží vytvořit zjednodušený model srdce, a to pomocí dvou elektricky propojených komor tak, aby změna elektrického potenciálu jedné komory vyvolala změnu potenciálu komory sousední (v takovém případě se elektrické vlny šíří tkání stejně jako u živého srdce).
Biofyzici z Harvardu nyní k vytvoření modelu srdce použili ledvinové komory v raném stádiu vývoje, jež jsou pro dané studium ideální. Protože je však nelze normálně elektricky excitovat, změnili genomy tak, že se vytvořily čtyři iontové kanály. Jsou to póry, které se mohou zavírat a otvírat a dovolit určitým iontům pohybovat se dovnitř a ven z komory, čímž se mění jejich elektrický potenciál. Vědci nejprve přidali kanál pro draslík, který je přítomen i v normálním srdci. Umožnili tak kladným iontům draslíku opouštět komoru a snižovat zbylý elektrický potenciál. Dále přidali kanál pro sodíkové ionty, rovněž přítomné v živém srdci. Tento kanál se otvírá, pokud potenciál roste, což sodíkovým iontům umožňuje proudit dovnitř komory a způsobovat rychlý růst napětí.
V rovnovážném stavu udržuje draslíkový kanál potenciál na nízké úrovni, sodíkový kanál je uzavřen a komory jsou záporně nabité. Růst přiloženého napětí sodíkový kanál otevře a způsobí ostré maximum napětí, jež otevře také sodíkové kanály sousedních komor a vyšle skrz tkáň elektrický puls, který se projeví úderem srdce. V další fázi přidali vědci ještě další dva na světlo citlivé iontové kanály. Jeden z nich zvyšuje potenciál komor jako odezvu na modré světlo, druhý pak v závislosti na červené světle vytváří fluorescenci. Vše dohromady pak vědeckému týmu umožňuje spouštět a zobrazovat elektrické vlny šířící se v srdeční tkáni.
Biofyzici měřili různé vlastnosti tkáňových kultur a došli k několika překvapujícím poznatkům. Pokud reálné srdce pracuje příliš rychle, může dojít k takzvaným arytmiím, tedy poruše srdečního rytmu. V uvedených experimentech však nezáleželo na tom, jak rychle model pracoval. Při žádné rychlosti se v modelových komorách nepodařilo arytmií dosáhnout, což je dáno složitým zpětnovazebním mechanismem, který srdci umožňuje přizpůsobit se podle potřeby různým změnám. Ve skutečnosti je to právě porušení této zpětné vazby, jež arytmii způsobuje. Členové týmu teď plánují přidat jeden po druhém další iontové kanály, aby zjistili jejich individuální příspěvky k chování celého modelu.
Kromě modelování funkce srdce tým ukázal, že v tkáni mohou být vytvářeny a podle potřeby konfigurovány elektrické obvody. Jakmile se sodíkový kanál stane propustný, není aktivovaný až do té doby, než je světlo vypnuto. Permanentní osvětlení oblasti modrým světlem tedy způsobuje, že ho není možné excitovat. Prstence tkáně, které je možné aktivovat, by mohly vytvářet nepřetržitě cirkulující vlny o frekvenci více než tisíc cyklů v kterémkoliv směru. Vlny by se daly jednoduše zastavit vypnutím modrého světla. Tak by bylo možné vytvořit jednoduchou buněčnou paměť.
Tkáňové kultury by v budoucnu mohly pomoci k provádění složitých bioelektrických výpočtů. Rychlost takových buněčných počítačů by ale byla limitována kmitočtem kolem 100 Hz, která je dána dobou zotavení buněk, byla by tedy milionkrát menší než u standardních počítačů. Takové tkáňové počítače by našly využití například v environmentálních čidlech, které detekují přítomnost specifických chemikálií.
Experimenty odborníci považují za velmi významný příklad redukcionistického přístupu k řešení složitých problémů. Mají velký potenciál například pro výpočty toho, které specifické proudy jsou zodpovědné za určité typy chování. V budoucnu mohou být ještě užitečnější, pokud se budou provádět společně s experimenty na reálném srdci.
Nový metapovrch
Britští vědci vyvinuli nový typ „metapovrchu“, jehož vlastnosti lze dynamicky měnit pomocí laserových pulsů. Podle týmu jde o technologii, která má menší ztráty než tradiční plazmonické rezonátory (plazmony jsou kvanta podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách). Nová technologie by měla umožnit konstrukci rekonfigurovatelných optoelektronických prvků.
I když byly metamateriály původně vyvinuty k pasivní manipulaci se zářením tak, aby se vytvořily dokonalé čočky nebo zařízení, jako je známý „plášť neviditelnosti“, obor se rozšířil na materiály, jež lze modulovat a u nichž je možné zcela měnit vlastnosti. Takové materiály doteď často obsahovaly plazmonické rezonátory, tj. struktury z vzácných kovů menší, než je vlnová délka, které přímo interferují s elektromagnetickým polem a mění tvar čela vlny.
Aby se uzpůsobily podle potřeby, mohou se metamateriály kombinovat s materiály, které mění fázi a další vlastnosti určitým způsobem jako odezvu na externí signál. Plazmonické rezonátory však často mají velké ztráty, zvláště pak na optických frekvencích. V posledních letech proto řada výzkumných pracovišť vyprodukovala metapovrchy z křemíku nebo jiných dielektrických materiálů, jejichž ztráty jsou menší a výroba snadnější.
Fyzici ze Southamptonu nyní vyprodukovali metapovrchy z chalkogenidu germanium-antimon-telluridu. Chalkogenidy jsou třídou sloučenin zahrnující sulfidy, selenidy a telluridy a řada z nich může existovat v amorfní i krystalické formě. Pokud se krystal ohřívá nad bod tání po dobu pouhých několika nanosekund, krystalická struktura se rozruší a z materiálu se stane amorfní sklo. Aby se spustil opačný proces, sklo se musí na nižší teplotu ohřívat po delší dobu (ale méně než mikrosekundu). Chalkogenidy byly často využívány v plazmonických metamateriálech k posunutí rezonanční frekvence plazmonických rezonátorů. Důležité je, že optické vlastnosti amorfních a krystalických rezonátorů se diametrálně liší, takže je tento materiál možné použít pro přepisovatelná CD a DVD a vyvíjí se i pro potřeby nových typů počítačových pamětí.
V tomto konkrétním případě nanesli britští fyzici film amorfního germanium-antimon-telluridu o tloušťce 300 nm na křemenný substrát. Potom měřili absorpci filmu v blízké infračervené oblasti a zjistili, že je relativně transparentní. Pak použili iontové svazky k selektivnímu odleptání chalkogenidu a vytvořili nanomřížku s mřížkovou konstantou menší, než je vlnová délka. Objevila se výrazná rezonance absorpce, přičemž rezonanční frekvence závisela na periodicitě mřížky. Povrch se poté skenoval zeleným laserem. Světlo materiál zahřívalo a způsobilo jeho krystalizaci. Měřením optických vlastností krystalické mřížky vědci zjistili podstatné rozdíly způsobené krystalizací. Krystalická mřížka odrážela jen 20 % světla na frekvenci 1470 nm ve srovnání s amorfními chalkogenidy. Poprvé se ukázalo, že dielektrický metamateriál může přecházet fázovým přechodem vlastního dielektrika. Vědcům se zatím nepodařilo demonstrovat obrácený přechod zpět do amorfní fáze. Ten je totiž experimentálně složitější, protože se materiál musí ohřívat nad bod tání a přitom je třeba zachovat strukturu mřížky.
Výzkum směřuje k dielektrickým rekonfigurovatelným metapovrchům. Ačkoli jde zatím o první krok, zúčastnění vědci jsou optimističtí. Nejdůležitější podle nich je stanovit si cíl a jasnou koncepci, jak tohoto cíle dosáhnout, a pak nápad zkusit realizovat.
Původní materiály byly zveřejněny v časopisech Applied Physics Letters, Physics World, Physical Review X a na konferenci Identification of Dark Matter 2016.
Další díly: