Внутри почти каждой клетки вашего тела крошечный мотор F1 безостановочно работает, чтобы создать аденозинтрифосфат (АТФ) — универсальный источник энергии, который поддерживает почти каждое ваше действие — от дыхания до бега. Учёные давно разобрались в структуре этой молекулярной машины, но оставалась ключевой загадкой: как её партнёр, мотор F0, вращает F1 с максимальной эффективностью?
АТФ-синтаза — это фермент, который катализирует образование АТФ. Он состоит из моторов F0 и F1, которые соединены вместе. Когда F0 вращается, он заставляет центральный вал внутри F1 также вращаться. Однако детали того, как F0 применяет свою силу, были неизвестны.
Чтобы разобраться в этой загадке, международная команда исследователей изолировала один мотор F1 из бактерий Bacillus и заставила его вращаться двумя разными способами для производства АТФ. Сначала они применили постоянное скручивающее усилие (постоянный крутящий момент). Затем использовали метод, называемый угловым зажимом, который постоянно измерял положение мотора и мгновенно регулировал усилие, чтобы поддерживать его вращение с постоянной скоростью и углом.
Сравнение двух методов выявило резкую разницу в производительности. Метод углового зажима оказался наиболее эффективным, поскольку постоянное, непрерывное движение устраняло потери энергии. Подход с постоянным крутящим моментом приводил к потере энергии, поскольку позволял мотору испытывать колебания и рывки. Команда подтвердила свои выводы с помощью компьютерного моделирования, основанного на физических моделях мотора.
«Наши эксперименты в сочетании с теорией и моделированием показывают, что угловой зажим значительно подавляет неравновесные вариации, которые способствуют бесполезной диссипации входной работы», — написали учёные в своей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Результаты исследования не просто лабораторный интерес. Изучение работы мотора F1 может помочь в разработке более эффективных искусственных наномашин и молекулярных моторов. Это означает, что микроскопические устройства, используемые в медицине и производстве, могут работать на меньшем количестве энергии и быть такими же эффективными, как их биологические аналоги.
Но есть важный нюанс в исследовании. Мотор F1 был изучен в лабораторных условиях (in vitro), а не внутри живой клетки (in vivo), поэтому, возможно, не была полностью захвачена сложность естественной системы, где моторы взаимодействуют с другими компонентами. Кроме того, подход с угловым зажимом не существует в природе; это была теоретическая концепция. Тем не менее, это исследование даёт глубокое понимание физики, стоящей за управлением энергией в таком крошечном масштабе.
Третье измерение хранения данных: физики демонстрируют первые гибридные скирмионные трубки для квантовых вычислений с более высокой плотностью
Обычно для хранения и обработки информации в электронных устройствах используется заряд электронов. В спинтронике основное внимание уделяется магнитному моменту или магнитным вихрям, так называемым скирмионам — цель состоит в создании меньших, более быстрых и более устойчивых компьютеров. Чтобы ещё больше увеличить плотность хранения, скирмионы в будущем будут не только двумерными, но и завоюют третье измерение.
Исследователи из Института физики при Университете Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) впервые создали трёхмерные скирмионы, так называемые гибридные скирмионные трубки, в синтетических антиферромагнетиках и продемонстрировали, что эти скирмионные трубки движутся иначе, чем двумерные скирмионы.
«Трёхмерные скирмионы представляют интерес для квантовых вычислений и вычислений, вдохновлённых мозгом, среди прочего — здесь важна более высокая плотность хранения, достигаемая за счёт третьего измерения», — говорит Мона Бхукта из исследовательской группы профессора Матиаса Кляюи. Результаты были опубликованы 26 сентября в журнале Nature Communications.
Хотя скирмионы являются магнитными вихрями, они ведут себя как частицы. Это означает, что их можно перемещать с помощью электрического тока. Скирмионы обычно создаются в тонких магнитных слоях и, таким образом, в двух измерениях; первые трёхмерные скирмионные трубки уже были обнаружены.
Однако эти 3D-скирмионы были равномерно скручены, что называется однородной хиральностью. Это означает, что они движутся так же, как скирмионы в двух измерениях, и не дают добавленной ценности для хранения данных, поскольку их информацию можно представить так же хорошо на одной плоскости.
«Мы смогли создать скирмионные трубки в синтетических антиферромагнетиках — то есть в тонкой плёнке, используя стандартные методы напыления, чья намагниченность компенсируется наружу, — и впервые продемонстрировать, что эти скирмионные трубки движутся совершенно иначе, чем скирмионы в двух измерениях», — говорит Бхукта.
Причина этого кроется в структуре новых скирмионных трубок: в отличие от ранее созданных, они не равномерно скручены, а неравномерно. Проще говоря — они движутся иначе, чем в 2D-системах. Эти различия в движении могут быть использованы для хранения информации, открывая тем самым третье измерение для хранения данных.
От двигателей к наночипам: физики переосмысливают, как на самом деле движется тепло
Тепло всегда было чем-то, что, как нам казалось, мы понимали. От выпечки хлеба до работы двигателей идея казалась простой: тепло распространяется равномерно, как вода, просачивающаяся через губку. Эта простая картина, написанная Джозефом Фурье 200 лет назад, стала основой современной науки и техники.
Но если заглянуть на наноуровень — внутрь микросхем, которые питают ваш смартфон, аппаратное обеспечение искусственного интеллекта или солнечные панели нового поколения — история меняется. Здесь тепло не просто «диффундирует». Оно может пульсировать, как звуковые волны, запоминать своё прошлое или течь изящными потоками, как жидкость в трубе.
Исследователи из Обернского университета и Национальной лаборатории возобновляемой энергии Министерства энергетики США представили то, что они называют «объединённой статистической теорией теплопроводности».
«Закон Фурье был написан 200 лет назад; этот прорыв переписывает правила того, как тепло проводит в наномасштабе и сверхбыстром мире сегодняшнего дня», — сказал профессор Цзяньцзюнь (JJ) Донг, профессор физики имени Томаса и Джин Уолтер в Обернском университете.
Новая теория, недавно опубликованная в журнале Physical Review B, связывает хаотичное колебание атомов — вибрации, которые переносят тепло — с поразительно необычными способами движения тепла в крошечных, сложных материалах. Вместо того чтобы полагаться на фрагментированные модели для разных сценариев, Донг и соавтор доктор И Зенг (Национальная лаборатория возобновляемой энергии) разработали единую всеобъемлющую структуру, которая объясняет всё: диффузию, волны, баллистический транспорт и причудливое поведение на границах раздела между материалами.
Чтобы представить это, подумайте о городском трафике. В течение столетий инженеры предполагали, что все автомобили (тепло) движутся как устойчивые потоки на шоссе. Но в реальности некоторые улицы перегружены, другие движутся с остановками и запоминают прошлое, а замедление здесь зависит от трафика, который прошёл мгновение назад. Коридоры несут эхо предыдущих всплесков. Некоторые из них — широкие скоростные магистрали, где транспортные средства мчатся баллистически.
Теория Донга и Зенга — это как создание конечной карты трафика, которая фиксирует каждую закономерность одним взглядом. Почему это важно? Потому что по мере того, как наши устройства уменьшаются, а требования растут, тепло стало таким же важным, как электричество. Перегретые чипы ограничивают производительность, тратят энергию и сокращают срок службы устройств. Прогностическая теория теплового потока открывает дверь для более умного проектирования наночипов, процессоров искусственного интеллекта и передовых энергетических технологий.
«Тепло не просто исчезает на заднем плане — это скрытый игрок, который определяет, будут ли будущие технологии работать быстрее, холоднее и более устойчиво», — объяснил Донг.
Работа, включающая одну рукопись, которая в настоящее время находится на рассмотрении и доступна на сервере препринтов arXiv и в обсуждаемой здесь статье в журнале Physical Review B, также имеет значение за пределами электроники. Эта структура может быть распространена на магнитный, спиновый и электронный транспорт, потенциально направляя разработку материалов для квантовых вычислений и хранения энергии.
Одним словом, закон двухвековой давности был обновлён для ультрабыстрого и нанотехнологического века — внося ясность в одну из самых горячих проблем физики.