Nyheder og meddelelser Katrine Rude Laub (KRL), Thomas R. N. Jansson (TJ), Silja Heilmann (HE), Andreas Lemark (AL) og Michael Artych (MA) Årets Nobelpris i fysik Magnetoresistans (MR) er et fænomen de fleste har hørt tale om, eksempelvis i forbindelse med såkaldt MR-skanning (se bl.a. MR-skanning: Billeder fra den forbudte side af bølgegrænsen af Lars G. Hanson i Gamma 143). Allerede i 1857 viste Lord Kelvin, at den elektriske modstand i jern ændres ved indførslen af et magnetfelt. I mange år var der derefter faktisk ikke de store udviklinger indenfor ydelsen af MR, og helt op til 1980 erne var konsensus, at man ikke nævneværdigt kunne forbedre magnetiske sensorer baseret på MR. Det var derfor noget af en overraskelse, da to forskerhold uafhængigt af hinanden i 1988 producerede materialer, der udviste høj magnetoresistans. Fænomenet blev passende døbt Giant Magneto Resistance (GMR). Det er lederne af de to hold, Albert Fert og Peter Grünberg, fra hhv. Université Paris-Sud i Frankrig og Forschungszentrum Jülich i Tyskland, der deler prisen imellem sig. GMR er fundamentalt set en kvantemekanisk effekt, der beror på elektronspinnet. På billedet ses en skitse af hvordan GMR fungerer: Lag af magnetiske og ikke-magnetiske materialer ligger skiftevis - hvert lag et par atomer bredt. Når elektronerne i de forskellige magnetiske lag har spin i forskellige retninger er modstanden høj (a). Når spinnene er i samme retning er modstanden lav (b). Indførelsen af en magnet kan altså sænke modstanden i (a) betydeligt. Ved traditionel MR, havde ingen registreret mere end i omegnen af 1% ændring i modstand, hvor GMR kunne give en magnetiseringsafhængig ændring på op mod 50%. Så snart GMR blev opdaget, var man klar over det kunne få stor teknologisk betydning - især for lagring af informationer, eller rettere at aflæse den lagrede information. Read-out hoveder baseret på GMR er meget følsomme overfor magnetiske ændringer, og kan konvertere disse til ændringer i elektriske modstande. 4
Gamma 147 Nyheder og meddelelser GMR er desuden et fantastisk eksempel på, hvordan grundforskning og teknologiske udviklinger sammenkobles og forstærker hinanden: Opdagelsen af GMR var en af de første praktiske udnyttelser af den tidlige nanoteknologi. Dette var i høj grad med til at udvikle spintronics - hvor både elektronens ladning og spin udnyttes - der sidenhen er blevet en af drivkræfterne bag den eksplosive udvikling af nanoteknologien. [1] http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/ [2] http://www.mrsec.wisc.edu/edetc/ipse/educators/activities/gmr.html AL Flydende stof til eftertanke I kvantemekanikken og faststof verdenen snakker man om et fænomen som hedder Super-soliditet. Dette sker, når atomer bevæger sig friktionsløst igennem en solid blok af helium. Denne blok skabes så perfekt som muligt, men mange steder opstår alligevel små områder, som er defekte, dvs. hvor det pågældende område enten mangler nogle atomer eller at der ikke er den symmetriske kontinuitet, som man ellers kunne regne med. Ved hjælp af Monto Carlo-simulationer har nogle forskere fundet, at dette flow stadig er mulig i de defekte områder. I 1969 blev det teoretiseret af russiske forskere, at det manglende atom i et krystalgitter gav anledning til en forbindelse der kunne opstå mellem de tomme områder ved lave temperaturer.(monto Carlo simulationer bruges til at simulere stokastiske systemer, der har mange komplekse variable såsom halvledere for at modellere transporten af strømmen, eller f.eks. en simulation af de mange partikler, der rammer en detektor i en højenergi accelerator). 35 år senere mente nogle amerikanske forskere, at de havde fundet frem til denne superfaste tilstand. Heliumkrystallet blev lavet i en diskosform forbundet til en fjeder, som tillod krystallet at vrides frem og tilbage. Ved nedkøling til 0.2K blev oscillationerne lige pludselig hurtigere. Denne temperatur svarer til, at 2 procent af den frosne helium var blevet superflydende, hvilket medførte at de 2 procent af heliummet ikke blev påvirket af og ikke påvirkede det pres, som fjederen gav. Det viste sig ved senere eksperimenter, at denne effekt typisk opstod i superfast helium, som havde flere defekte områder. Ved en simulation af 2000 atomer, blev 5
Nyheder og meddelelser Gamma 147 der skabt en spiralskrueformet trappe rundt om en akse, som kunne skabe en strøm af superflydende atomer. For at skaffe den lave temperatur i heliummet må man typisk bruge et meget højt tryk og dette kan være meget svært at opnå. Selve forsøget, der er beskrevet, fokuserer på et enkelt isoleret tilfælde af en spiralskrueformet trappe, men det kan dog beskrives ved mange andre lignende tilfælde, hvor denne spiralskrueformede trappe også er brugt. Dog er det første eksempel på den situation, hvor en fase både har translationelle og superflydende egenskaber. [1] Phys. Rev. Lett. 99, 035301 (2007) by M. Boninsegni, A.B. Kuklov, L. Pollot, N.V. Prokof, B.V. Svistunov & M. Troyer MA Krøllet hår filtrer mindre end glat hår Jean-Baptiste Masson fra Laboratory for Optics and Biosciences på Ecole Polytechnique i Frankrig har undersøgt sammenhængen mellem hårtype og knuder i håret. Dels fik han frisører til at tælle knuder i kundernes hår og dels opstillede han en geometrisk model i håb om en matematisk forklaring på resultaterne. Knuder blev defineret som en gruppe af hår, der modstår redning. Der viste sig at være en dobbelt så stor forekomst af disse i glat som i krøllet hår. Forklaringen er, at selvom glatte hår sjældnere interagerer med hinanden, så sker interaktionen med større vinkler. Det er den relative vinkel mellem hårene der forårsager knuder, hvilket er en konsekvens af hårs overfladeegenskaber. Hårundersøgelsen kan få betydning for udvikling af velcro-lignende produkter. Desuden kan den geometriske modellering også vise sig nyttig i forbindelse med studier af polymere og andre filamentmaterialer i biologiens verden. [1] http://www.aip.org/pnu/2007/split/838-2.html 6 KRL
Gamma 147 Nyheder og meddelelser Vand danner bro ved højspændning Vand er uden tvivl et af de vigtigste og mest udbredte kemiske komponenter, på Jorden. På trods af dette bliver denne væske stadig ved med at overraske os. I en ny artikel publiceret den 21. august 2007 har en gruppe forskere fra Østrig undersøgt, hvordan vand opfører sig under påvirkning af et stort elektrisk felt. Overraskende nok viste det sig, at vandet i to bægre med destilleret vand, som maksimalt var 25mm fra hinanden, kunne danne en bro med en diameter på 1-3mm af flydende vand mellem bægrene. Ved nærmere undersøgelse viste det sig, at vandet blev transporteret fra det ene bæger til det andet - gerne fra anoden til katoden. Forskerne startede med bægrene stående ved siden af hinanden og bevægede dem langsomt fra hinanden. Dette kunne de gøre indtil en afstand på 25 mm, hvor broen, der hang i fri luft, kollapsede. Grunden til fænomenet er ikke fastlagt, men i artiklen forklarer gruppen, at det er rimeligt at antage, at broen dannes p.g.a. elektrostatiske ladninger på overfladen af vandet i de to bægre. Det elektriske felt koncentreres inde i vandet og arrangerer vandmolekylerne i en ordnet mikrostruktur. Det er denne mikrostruktur, der holder broen oppe. Forklaringen underbygges af en undersøgelse af vandets densitet ved bægrets kant og midten af broen, som viste forskellige densiteter ved de to steder. Dette kan forklares med speciel arrangering af vandmolekylerne. Gruppen arbejder nu med en artikel, der detaljeret forklarer sammenhængen mellem mikrostruktur og densitetsvariationer. [1] Fuchs, E. C. et al., The floating water bridge.j. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 6112-6114. [2] http://www.physorg.com/news110191847.html TJ 7
Nyheder og meddelelser Gamma 147 Bakterier har elektrisk livsstil Når en jordbakterie nedbryder næringstoffer i jorden, dannes der overskudselektroner, som bakterien har behov for at komme af med. Uden en passende elektronacceptor kan bakterien ikke fungere ordenligt og dør - staklen. Jordbakterier, der ligger nær overfladen, bruger ofte luftens oxygen som elektronacceptor, men bakterier længere nede, der lever i et oxygenfrit miljø, tyr til andre midler, mener forskere fra J. Craig Venter Institute La Jolla i Californien. Flere typer jordbakterier er nemlig i stand til at skyde lange nanofilamenter ud i jorden omkring dem og hen til nabobakterier. Forskerne mener, at disse filamenter tjener til at lede de uønskede elektroner væk fra bakterierne og op til overfladen gennem et fint filamentnetværk bakterierne imellem. Forskerne konstaterede ved hjælp af elektroder, at der i sandhed løb elektriske strømme op igennem en jordsøjle, efter de havde ladet en jordbakteriekoloni hygge sig i den i ti dage. Det samme var ikke tilfældet for en mutant jordbakteriekoloni, der kun var i stand til at producere meget tynde og dårligt ledende filamenter. Jeg tror, at den dominerende livsstil for jordbakterier er at leve i elektriske netværk udtaler Yuri Gorby, en af forskerne fra holdet. Deres teori møder dog megen skepsis blandt kollegaer. Det er tidligere vist, at bakterietypen Shewanella er i stand til at udskille opløsbare elektronbærende molekyler og dermed slippe af med overskudselektroner uden brug af nanofilamenter. Jeg tror på, at de ser nanofilamenter, men der er intet bevis for en langdistanceforbindelse, det kan være muligt, men deres data beviser det ikke, udtaler en skeptisk mikrobiolog fra Pennsylvania State University. [1] D. Ntarlagiannis et al. Geophys. Res. Lett. 34, L17305; 2007. [2] Bacteria may be wiring up the soil, Nature sep 2007, p. 388. SH 8