È il punto di incontro tra meccanica, fisica delle particelle e filosofia: si tratta della prima macchina quantistica mai realizzata dall’uomo. Visibile a occhio nudo, si comporta come una particella subatomica e può essere contemporaneamente in due posti. Secondo Science è l’invenzione dell’anno. Ma a cosa serve?

É la scoperta scientifica dell’anno e se ad affermarlo è l’autorevole rivista Science, c’è da crederci. Stiamo parlando della prima macchina quantistica mai realizzata, un apparecchio che non si muove secondo le leggi della meccanica classica ma secondo quelle della fisica quantistica.
Secondo questa disciplina, che spiega il comportamento di molecole, atomi e particelle subatomiche, un corpo molto piccolo può assorbire energia solo in quantità discrete (cioè intere), non può mai essere completamente immobile e può essere in due posti contemporaneamente. Queste teorie sono state più volte verificate su particelle di luce, fasci di elettroni e anche atomi di elio allo stato liquido, ma nessuno le aveva mai sperimentate su un dispositivo meccanico abbastanza grande da essere visibile a occhio nudo.

Un qubit per motore

Andrew Cleland e John Martinis, fisici dell’ Università della California Santa Barbara, hanno modificato una sottile lastra di nitrato di alluminio ricoprendola di alluminio: in questo modo hanno realizzato un materiale piezoelettrico che può cambiare forma, diventando più spesso o più sottile, quando viene esposto a stimoli elettrici. Hanno poi collegato il tutto a una specie di motore quantistico chiamato "qubit di fase", un anello realizzato in materiale semiconduttore che può avere due livelli possibili di energia quantistica, uno basso e uno alto.
Utilizzando delle microonde, Cleland e Martins, sono riusciti a trasferire dei quanti di energia dal qubit all’oscillatore d’alluminio e viceversa: raffreddando il dispositivo a temperature vicine allo zero assoluto lo hanno portato al più basso livello di energia teoricamente possibile, poi hanno eccitato il qubit e hanno trasferito un singolo quanto di energia all’oscillatore. La lastra di alluminio ha così iniziato a muoversi con vibrazioni quantiche.
Non solo: data la natura quantistica del dispositivo, nello stesso istante lo si può vedere fermo e in movimento.
Interessante. Ma a cosa serve?

Fisica o magia?

Secondo i ricercatori questo studio apre la strada alla costruzione di rilevatori di forze ultrasensibili e a generatori di quanti di luce. Più in generale permetterà di mettere alla prova i confini della teoria quantistica nel mondo sensibile: perché un quanto può essere in due posti contemporaneamente mentre un’automobile non può? Per rispondere a questa domanda ci vorranno ancora parecchi anni ma gli scienziati ci stanno già lavorando: presso il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, di Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, si stanno mettendo a punto due laser che dovrebbero riuscire a raffreddare corpi molto grandi fino al loro stato di energia minimo, così da permettere agli scienziati di compiere esperimenti quantistici su oggetti molto grandi.

Le altre scoperte dell'anno 2010

Tra le altre scoperte dell'anno Science premia il batterio artificiale di Craig Venter e il sequenziamento del genoma del Neanderthal. Su Science , in inglese, la classifica completa.

Fonte: Focus.it

Tekniker-IK4 is taking part in a European project investigating new materials based on carbonaceous nanoparticles for application to sectors such as automobiles and construction.

A brake pedal able to detect the pressure of the driver's foot, a paint for vehicles resistant to scratching and with self-repairing capacity, self-lubricating engine components, a low-cost and fire-resistant construction panel or a thermal insulating foam with enhanced efficiency.

These are just some of the applications that can be generated by using new, value-added materials based on carbonaceous nanoparticles, and on the research of which Tekniker-IK4 technological centre is working within the remit of the European CarbonInspired Project.

The development of new materials with enhanced properties is a consequence of the fact that nanometric-sized materials present excellent and unique properties (mechanical, electrical, magnetic, optical, etc.), which enable their application to multiple sectors.

The project initiated its work this year by bringing together the skills of different bodies grouped into a consortium, and amongst which are, apart from the Basque centre, the Centre for Automotive Technology of Galicia (CTAG), the Association for Research into Plastics Materials (AIMPLAS), the Universidade de Aveiro (Portugal) and the Institut Polytechnique de Bordeaux (France).

One of the goals of the project, besides boosting research in a field that has multiple applications, is the creation of a network of transference between Spain, Portugal and the south of France for the application of these materials based on carbonaceous nanoparticles within the automotive and construction sectors.

The network of collaboration between public and private R+D+i centres created by CarbonInspired will act to transfer knowledge to the companies and will provide advice to companies in the southwest of Europe, especially to small and medium-sized companies, regarding the development of new carbonaceous nanoparticle-based products and processes.

Source: EurekAlert

Some people collect stamps and coins, but when it comes to sheer utility, few collections rival the usefulness of Rice University researcher Michael Deem's collection of 2.6 million zeolite structures.

Zeolites are materials -- including some natural minerals -- that act as molecular sieves, thanks to a Swiss-cheese-like arrangement of pores that can sort, filter, trap and chemically process everything from drugs and petroleum to nuclear waste. Zeolites are particularly useful as catalysts -- materials that spur chemical reactions. There are about 50 naturally occurring zeolites and almost three times as many man-made varieties.

Deem's database, which is described in a new paper that will be featured on the cover of an upcoming issue of the Royal Society of Chemistry's journal Physical Chemistry Chemical Physics, hints at the untapped possibilities for making even more synthetic zeolites.

"For many catalytic applications only a single material has been found," said Deem, the John W. Cox Professor in Biochemical and Genetic Engineering and professor of physics and astronomy. "Expanding the diversity of the zeolite structures would be helpful to improve performance in existing applications, to explore novel functions and to answer basic scientific questions."

Zeolites are useful because of the particular way atoms are mixed and arranged in their porous interiors. Based on these arrangements, zeolites can cause chemicals to react in particular ways, and even subtle changes in the arrangements can alter the reactions that are spurred. Deem's database was created to explore the many zeolite structures that are physically possible, and he said several researchers are already using the information to identify zeolites that could be used for carbon sequestration and other applications.

"Computational methods can play a stimulatory role in the synthesis of new zeolite materials," Deem said. "That is the motivation; that is the challenge that brings us back to zeolites time and again."

In 2007, Deem and his students used both supercomputers and unused computing cycles from more than 4,300 idling desktop PCs to painstakingly calculate every conceivable atomic formulation for zeolites. They created a database of more than 3.4 million atomic formulations of the porous silicate minerals.

In the current study, Deem, Rice graduate student Ramdas Pophale and Purdue University computational analyst Phillip Cheeseman designed tools to examine and compare the physical properties of each entry. Using these tools, they pared down the larger set by removing potential redundancies as well as "low-energy" structures that would either be unstable or impossible to synthesize.

For each of the 2.6 million remaining structures in the database, the team carried out calculations to find specific physical and chemical properties -- including X-ray diffraction patterns, ring-size distributions and dielectric constants -- that could help guide researchers interested in synthesizing them or in finding a new type of zeolite for a specific application.

Deem said the new database has been deposited in the publicly available Predicted Crystallography Open Database.

Source: physorg

Provided by Rice University

Da anni gli scienziati stanno lavorando, senza successo, alla realizzazione di un computer quantistico, una macchina superveloce capace di memorizzare ed elaborare le informazioni sotto forma di quanti, pariticelle di luce o onde di materia. Ma ora un gruppo di scienziati americani è riuscito a costruire una memoria quantistica che può essere utilizzata su computer convenzionali. E sembra funzionare...

Un team di ricercatori dell’Università dello Utah ha messo a punto la più piccola e veloce memoria per computer attualmente teorizzabile. Gli scienziati guidati da Dane McCamey e Christoph Boehme, fisici dell’ateneo americano, sono riusciti a immagazzinare un set di dati per 112 secondi nel campo magnetico che si trova all’interno del nucleo di un atomo e sono poi riusciti a recuperarlo, perfettamente integro, grazie a un procedimento elettronico.
In pratica hanno usato il nucleo atomico come una chiavetta USB.
Il risultato, pubblicato sull’ultimo numero di Science, è estemamente importante perchè apre la strada allo sviluppo di un’informatica di nuova concezione, completamente diversa da quella con cui interagiamo quotidianamente.
Certo, al momento la memoria atomica non è particolarmente pratica da utilizzare: funziona a temperature appena superiori allo zero assoluto e solo se circondata da un campo magnetico 200.000 volte più intenso di quello terrestre, ma McCamey,e i suoi collaboratori pensano di riuscire a risolvere questi problemi.

Dal bit al qubit

I moderni computer sono elettronici: processano e memorizzano le informazioni sottoforma di flussi elettrici, cioè di elettroni, all’interno di transistor. Questi non sono altro che interruttori capaci di immagazzinare le informazioni come sequenze di "acceso" (quando c’è carica elettrica) e spento (quando la carica è assente): in pratica sequenze di 1 e 0.
Da molti anni gli scienziati stanno cercando di sviluppare dei computer quantistici, macchine capaci di funzionare secondo le leggi della fisica quantistica che prevede la possibilità per le particelle di luce e materia di essere contemporaneamente in due posti diversi.
In questi computer il bit quantistico, o qubit, può assumere il valore di 0 e 1 nello stesso momento. Ciò significa che, in teoria , un computer di questo tipo potrebbe essere miliardi di volte più veloce di uno convenzionale.

Non c'è atomo senza spin

Ma se in un computer quantistico non ci sono nè cariche elettriche nè transistor dove vengono immagazzinate le informazioni? All’interno dei nuclei atomici che formano le unità di memoria, sottoforma di "spin", un concetto piuttosto complesso che descrive una proprietà delle particelle subatomiche.
Per capire di cosa si tratta, si può provare a immaginare che protoni ed elettroni contengano delle piccole barre magnetiche simili all’ago di una bussola, che puntano verso l’alto (up) o verso il basso (down) a seconda dello spin. Down e up sono l’equivalente quantistico dello 0-1 di un computer elettronico.

Silcio dopato

McCarmey, Boehme e i loro colleghi hanno potenziato con atomi di fosforo una memoria convenzionale al silicio di un millimetro quadrato e l’hanno collegata a dei contatti elettrici. Hanno poi messo il tutto in un supercongelatore e lo hanno circondato con un campo magnetico molto intenso.
Dopo aver allineato tutti gli spin con un campo magnetico da 8.59 Tesla (200.000 volte più intenso di quello terrestre), hanno utilizzato delle onde elettromagnetiche per scrivere le informazioni sotto forma di up e down negli spin degli elettroni che ruotano attorno ai nuclei di fosforo. Poi, grazie a onde radio, hanno trasferito gli spin ai protoni del nucleo.
Gli spin dei protoni sono più stabili rispetto a quelli degli elettroni, e quindi più affidabili per la conservazione dei dati.
Il processo di lettura delle informazioni archiviate negli spin funziona all’esatto contrario: gli spin, una volta trasferiti dai protoni agli elettroni mediante onde radio, vengono convertiti in variazioni di corrente e quindi in dati "convenzionali".

Affidabilità spintronica

Il risultato ottenuto da McCamey e dal suo staff, costruendo una sorta di ponte tra l’elettronica convenzionale e la meccanica quantistica, apre la strada a una nuova disciplina: la spintronica. "In pratica non abbiamo fatto altro che scrivere 1 nel nucleo di un atomo. Abbiamo dimostrato di poter leggere ripetutamente questo dato per 112 secondi prima che il nucleo di fosforo perda le informazioni di spin. In un tempo molto più breve di questo i fisici sono riusciti a leggere e rileggere lo stesso dato ben 2000 volte, dimostrando così che la lettura dello spin non lo deteriora. E questo rende la memoria affidabile" spiega Boehme.
Ma 112 secondi non saranno un po’ pochi per definire affidabile la memoria di un computer? "No" dice Boehme "la memoria DRAM di un comume pc conserva le informazioni per pochi millisecondi, poi vengono ri-scritte di nuovo. E in questo modo l’informazione si conserva".

Fonte: Focus.it

Willow Garage, the Menlo Park, California-based consortium of robotics experts, founded by Scott Hassan in 2006 to create or develop hardware and open source software for the advancement of robotics, has announced the release of TurtleBot; a small home use robot for either amusement/entertainment purposes, or for those inclined, to build open source applications to add to the functionality of the new robot.

The idea behind TurtleBot, is to give novice robotics enthusiasts a base upon which to build. Traditionally, those that like to tinker with robots have had to start from scratch every time they wanted to build something; the TurtleBot does away with that concept by supplying users with a base upon which they can build, as the TurtleBot comes fully functional. Out of the box it can map your house with its 3-D vision, bring you food, take 360 degree panorama pictures and follow you around etc. But it also comes with the Robot Operating System (ROS) and associated toolkit, so that if users wish to add or change functionality, they are free to do so, and because its open source, anything they create can be shared with friends or those involved in online robotics communities. 

Another objective of the TurtleBot team was to show that such a device could be put on the market for a reasonable price; in this case $500, for a very basic unit, and $1200 for the fully loaded version. Far below what robot enthusiasts have come to expect to pay.
The TurtleBot team was able to meet their objective by using virtually off the shelf components. It uses Microsoft’s Connect for sensing, an iRobot Create base, a 3000 mAh battery pack, an Asus 1215N laptop and a stock gyro to help the little guy keep its balance. The TurtleBot looks like a kitchen footstool on wheels but is perfectly capable of navigating around your house with relative ease.

While the team at Willow Garage would most certainly like to make some money off their new robot, they appear to be more concerned with advancing the science of robotics, exemplified by the use of open-source programming tools and low-cost existing hardware.

Source: PhysOrg

Uno studio americano suggerisce una nuova ipotesi sulla formazione degli oceani e della vita sulla Terra. E proverebbe che anche Marte e molti altri esopianeti recentemente scoperti potrebbero ospitare la vita.

Da dove viene l’acqua che forma gli oceani? Astronomi e geologi se lo domandano da tempo. Secondo la teoria più accreditata sarebbe giunta sulla Terra quasi 4 miliardi di anni fa portata da asteroidi e comete ghiacciate che in quell’epoca remota bombardarono il nostro pianeta.
Ma Linda Elkins-Tanton, una geologa del Massachusetts Institute of Technology, non è d’accordo: un suo recente studio proverebbe che la Terra ha "spremuto" l’acqua dalle sue rocce, senza alcun intervento di fattori esterni. (guarda come nasce un oceano in questa fotogallery)

Acqua aliena? No, grazie

Questa rivoluzionaria ipotesi spiegherebbe come mai la vita sul nostro pianeta è comparsa così presto e potrebbe far supporre l’esistenza di vasti oceani liquidi su altri mondi rocciosi.

La Elkins-Tanton ha condotto una ricerca chimico fisica sui meteoriti caduti sulla Terra: la loro composizione è infatti molto simile a quella della Terra primordiale. Ha poi utilizzato i dati di questa analisi per alimentare un modello computerizzato del pianeta nelle sue prime fasi di vita: la simulazione ha mostrato come l’acqua contenuta nelle rocce sia rapidamente evaporata formando un’atmosfera umida che si è poi condensata negli oceani. Questo processo sarebbe durato poche decine di milioni di anni: ciò significa che 4,4 miliardi di anni fa gli oceani erano già presenti sulla Terra.

La vita? Č vecchia come il mondo

Sul nostro pianeta la vita si è formata in tempi rapidissimi, solo 600 milioni di anni dopo la sua nascita, e l’ipotesi della Elkins-Tanton spiegherebbe il perchè: "Se gli oceani fossero stati presenti sul pianeta già 4,4 miliardi di anni fa [cioè all’epoca dell’impatto che portò alla formazione della Luna], la vita avrebbe avuto molto tempo per formarsi e ciò spiegherebbe come mai i primi organismi di cui abbiamo tracce fossili sono già relativamente complessi", spiega Dirk Schulze-Makuch, un astrobiologo della Washington State University.

E secondo Pin Chen, ricercatore della NASA, la teoria della Elkins-Tanton, supporta l’ipotesi che Marte possa aver avuto in passato un clima più umido di quello odierno, e che quindi possa aver ospitato qualche forma di vita. E così tutti gli altri pianeti rocciosi simili alla Terra che gli astronomi stanno scoprendo in questi mesi.

Fonte: Focus.it

The key to using silicon in electronic devices such as transistors and solar cells lies in doping, or adding in small quantities of other elements, to create an excess of electrons (n-type) or positively charged holes (p-type) that change the material's conductivity. N-type and p-type silicon are butted together to form p-n junctions, the basic building blocks of electronic devices such as solar cells, light-emitting diodes, and transistors.

For years, researchers have tried to do something similar with quantum dots, tiny semiconductor crystals a few nanometers in diameter. Now, a team of Israeli researchers has reported success. They have doped indium arsenide quantum dots to create n-type and p-type materials. The advance, published in the journal Science, could lead to new types of efficient, cheap, and printable thin-film solar cells.

Quantum dots hold promise for low-cost solar cells because they can be made using simple, inexpensive chemical reactions. Scientists have calculated that quantum dots could be used to make thin-film photovoltaics that are at least as efficient as conventional silicon cells, and possibly more efficient. The higher possible efficiency is because nanocrystals made of certain semiconductors can emit more than one electron for every photon absorbed. Plus, tweaking their size and shape changes the colors of light they absorb.  "We could tune the nanocrystal absorption to match the solar spectrum," says Uri Banin, a professor of chemistry at the Hebrew University of Jerusalem who led the new work.

Despite these advantages, no one has succeeded in making efficient quantum-dot solar cells. For that, you need n-type and p-type nanocrystals, says Eran Rabani, a chemistry professor at Tel Aviv University who was involved in the new work. In solar cells, the electrons and holes that are created when photons are absorbed have to be separated so that the electrons can travel out of the semiconductor to the external electric circuit. Some electrons and holes inevitably combine, but they combine much faster in quantum dots than in large silicon crystals. Doping semiconductor nanocrystals would provide a way for creating p-n junctions that separate electrons and holes efficiently, Rabani says.

Silicon is typically doped with phosphorus or boron atoms, but these materials do not work with quantum dots because the dots are so small. A 4-nanometer-wide nanocrystal contains about 1,000 atoms. Adding a few dopant atoms .can lead to their being expelled from the nanocrystals.

Some quantum-dot doping efforts have succeeded. Researchers have, for instance, doped them with magnetic manganese ions, but this technique does not introduce excess electrons or holes. Others have been able to make undoped nanocrystals n-type by injecting electrons into them. Still others have been able to dope thin films of nanocrystals.

The Israeli team, by contrast, is able to dope freestanding nanoparticles. "This is a major breakthrough here," says Y. Charles Cao, a chemistry professor at the University of Florida in Gainesville. "The major advantage here is you [have] the building blocks for the bottom-up assembly of nanocrystal electronic devices." Another plus, adds Cao, is that the method used to make the dots is easy and inexpensive and could be scaled up to make devices in large quantities.

Source: Technology Review