Физики впервые смогли напрямую наблюдать спиновые волны, или магноны, внутри материала с нанометровым разрешением. Это достижение открывает путь к созданию нового поколения электроники, более быстрой и энергоэффективной. Магнетизм таких материалов, как железо или никель, возникает из-за «крошечных магнитов», связанных с их атомами, — так называемых атомных спинов. В магнитных материалах спины соседних атомов движутся согласованно, создавая коллективные колебания. Эти колебания известны как спиновые волны, или магноны. Они распространяются по материалу, подобно волнам на поверхности воды.

Магноны играют ключевую роль в развивающейся области науки — магнонике. В отличие от традиционной электроники, где информацию переносят электрические заряды, магноника использует для этого спиновые волны. Такой подход обещает создание технологий следующего поколения: более быстрых, компактных и энергоэффективных. Потенциально устройства на основе магнонов могут обрабатывать данные со значительно меньшими затратами энергии, чем современные системы на основе полупроводников. Несмотря на потенциал магнонов, до недавнего времени их изучение сталкивалось с фундаментальной проблемой. Увидеть и проанализировать поведение спиновых волн на наномасштабе было практически невозможно с помощью существующих технологий.

Большинство методов позволяли изучать магноны либо на больших участках поверхности, либо в большом объеме материала, но не давали информации о том, что происходит на уровне отдельных нанометровых структур. Без этого нельзя понять, как дефекты в кристаллической решетке или границы между разными материалами влияют на распространение спиновых волн, что критически важно для создания реальных устройств.

Ученые из Уппсальского университета в Швеции совместно с международной командой коллег совершили прорыв в этой области, разработав новый метод для визуализации и анализа магнонов с нанометровым разрешением. В эксперименте задействовали сканирующий просвечивающий электронный микроскоп STEM в лаборатории Super-STEM в Великобритании. Особенность этого прибора — чрезвычайно высокое энергетическое разрешение, примерно семь миллиэлектронвольт. Такой точностью обладают всего несколько микроскопов в мире. Во время эксперимента пучок электронов пропускали через тонкий образец, нанокристалл оксида никеля, и измеряли мельчайшие потери энергии электронов. Именно эти потери несли в себе информацию о возбуждении магнонов внутри материала.

Ключевую роль в интерпретации экспериментальных данных сыграли два теоретических метода, разработанных в Уппсальском университете. Первый — это теория TACAW, которая позволяет моделировать взаимодействие быстрых электронов с магнонами. Расчеты, выполненные с помощью TACAW, помогли точно определить, какой именно сигнал в спектре потерь энергии соответствует спиновым волнам. Теория предсказала, что сигнал от магнонов в оксиде никеля должен появиться при энергии около 100 миллиэлектронвольт, что и подтвердил эксперимент. Вторым важным инструментом стала программа UppASD для моделирования атомистической спиновой динамики. Это программное обеспечение позволило детально симулировать поведение спиновых волн в нанокристалле оксида никеля и сопоставить результаты с экспериментальными данными. Совпадение теоретических предсказаний и данных, полученных на микроскопе, послужило неопровержимым доказательством того, что ученым удалось зафиксировать именно магноны.

Результаты наглядно показали, что сигнал от магнонов в тысячи раз слабее сигнала от колебаний кристаллической решетки — фононов. Это и делало его обнаружение таким сложным. Исследователи не только зафиксировали магноны, но и составили их пространственную карту. Они показали, что сигнал от спиновых волн наблюдался исключительно внутри 30-нанометровой пленки оксида никеля и полностью исчезал на ее границе с немагнитной подложкой. Это стало прямым доказательством того, что теперь магноны можно изучать с нанометровым пространственным разрешением.

Физики предложили и реализовали новый способ записи информации — с помощью пузырьков воздуха, застывающих в прозрачном льду. Ученые показали, что при контролируемом замораживании воды пузырьки формируются в зависимости от скорости промерзания, а их чередование с прозрачными участками можно использовать для записи информации. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Cell Reports Physical Science. В условиях низких температур обычные способы хранения информации — например, на электронных носителях или бумаге, — становятся менее надежными. Электроника требует постоянного питания и плохо работает в мороз, а чернила могут выцветать или просто замерзают. Поэтому исследователи решили использовать то, что в таких условиях есть всегда — лед и воздух, чтобы закодировать данные пузырьками, образующимися в процессе замерзания воды. Однако физические механизмы образования таких пузырьков, особенно в виде тонких слоев, оставались не до конца понятны.

Для реализации идеи команда из Китая, Южной Кореи, Чехии и Гонконга под руководством Суна Мэнцзе (Mengjie Song) из Пекинского технологического института провела серию экспериментов в ячейке Хеле-Шоу (две стеклянные пластины с тонким слоем воды между ними). Физики управляли скоростью замерзания воды при помощи полупроводниковой пластины, соединенной с теплообменником, размещенной с одной из сторон ячейки. Чтобы сформировать пузырьки воздуха, ученые меняли температуру пластины от -35 до -15 градусов Цельсия. Физики показали, что воздух накапливается у фронта кристаллизации, после чего формируются и растут пузырьки, а затем захлопываются внутри льда. Этот процесс зависит от скорости замерзания: если она высокая, возникают круглые пузырьки, если низкая — вытянутые. Меняя температуру подложки исследователи добились формирования отдельных слоев с пузырьками или без них, которые легко отличить визуально.

Запись информации происходит за счет чередования таких слоев. Один слой с пузырьками может соответствовать «1», а прозрачный — «0». Таким образом можно закодировать двоичную или троичную последовательность, а также символы по азбуке Морзе. Для демонстрации метода исследователи записали в лед арабские цифры и буквы латинского алфавита. Для чтения информации физики использовали цифровую камеру и алгоритм обработки изображений: слои различаются по яркости, и их порядок можно автоматически распознать. По словам авторов, новый подход дает возможность использования доступных ресурсов — льда и воздуха — для записи и хранения информации без дополнительных затрат энергии и специальных материалов. Это может быть полезно для записи и хранения данных в экстремальных условиях, а также для исследования механизмов формирования и распределения пузырьков во льду.

Микроскопические пузырьки, имитирующие живые клетки, смогли самостоятельно двигаться в направлении определенных химических веществ. Для этого им хватило всего трех компонентов — оболочки, фермента внутри и белковой поры, которая работала как двигатель. Способность живых организмов к направленному движению — один из ключевых механизмов эволюции. Особую роль в этом играет хемотаксис — перемещение в ответ на химические сигналы. С помощью этого механизма бактерии находят пищу, лейкоциты устремляются к очагам инфекции, а сперматозоиды находят путь к яйцеклетке. Этот процесс позволяет клеткам двигаться к полезным веществам и избегать вредных.

Живые клетки для навигации используют сложные системы, которые включают жгутики для движения и разветвленные сигнальные пути для ориентации. Эта сложность мешает понять базовые физические принципы, лежащие в основе хемотаксиса. Чтобы выделить фундаментальные законы движения, ученые обратились к синтетической биологии. Они создали упрощенные искусственные системы, которые имитируют отдельные функции живых клеток.

Такие «минимальные клетки» показывают в контролируемых условиях, какие именно компоненты необходимы для выполнения той или иной задачи. Подход, когда сложное явление разбирают на простейшие составляющие, помогает отделить ключевые механизмы от второстепенных. Исследование минимальных систем для хемотаксиса дает возможность понять, как самые ранние формы жизни могли научиться двигаться и как этот процесс мог эволюционировать в более сложные структуры. Живые клетки для навигации используют сложные системы, которые включают жгутики для движения и разветвленные сигнальные пути для ориентации. Эта сложность мешает понять базовые физические принципы, лежащие в основе хемотаксиса. Чтобы выделить фундаментальные законы движения, ученые обратились к синтетической биологии. Они создали упрощенные искусственные системы, которые имитируют отдельные функции живых клеток. Такие «минимальные клетки» показывают в контролируемых условиях, какие именно компоненты необходимы для выполнения той или иной задачи. Подход, когда сложное явление разбирают на простейшие составляющие, помогает отделить ключевые механизмы от второстепенных. Исследование минимальных систем для хемотаксиса дает возможность понять, как самые ранние формы жизни могли научиться двигаться и как этот процесс мог эволюционировать в более сложные структуры.

Ученые из Института биоинженерии Каталонии вместе с коллегами из нескольких европейских институтов создали простейшую искусственную клетку, способную к химической навигации. Результаты опубликованы в журнале Science Advances. В основе их работы лежал принцип «собери простое — пойми сложное». Исследователи поставили цель выяснить, какой минимальный набор элементов нужен для запуска направленного движения. Искусственная клетка представляла собой липосому — микроскопический пузырек с оболочкой из жировых молекул, фосфолипидов. Внутрь этой везикулы поместили ферменты: уреазу или глюкозооксидазу. Затем в липидную оболочку встроили белок альфа-гемолизин, который формирует в ней сквозные поры. Таким образом, получилась система из трех элементов: оболочки-контейнера, фермента-двигателя внутри и поры-канала для обмена веществом со средой.

Принцип работы этой системы основан на нарушении симметрии. Фермент внутри везикулы превращает определенные вещества, субстраты, в конечные продукты. Например, уреаза расщепляет мочевину. Субстрат проникает внутрь везикулы через пору, а продукты реакции выходят наружу через нее же. Поскольку пора или скопление пор находятся в одном месте мембраны, выброс продуктов создает локальный химический градиент. Этот асимметричный поток жидкости вдоль поверхности пузырька толкает его в определенном направлении, подобно реактивному двигателю. Чтобы проверить работу системы, авторы поместили более 10 000 искусственных клеток в микрофлюидные каналы. В этих каналах создавали градиент концентрации субстрата: с одной стороны его было больше, чем с другой. Движение каждой везикулы отслеживали с помощью конфокального микроскопа. В экспериментах использовали везикулы с разным количеством пор, а также контрольные образцы без пор.

Результаты показали, что везикулы без пор двигались в сторону низкой концентрации субстрата — это происходило из-за пассивных физических эффектов, не связанных с хемотаксисом. Однако по мере увеличения количества пор в оболочке поведение клеток менялось. У везикул с ферментом уреазой внутри наблюдался четкий эффект: чем больше пор, тем сильнее становился компонент движения в сторону высокой концентрации мочевины. При максимальном соотношении белка к липидам направление движения полностью изменилось. Клетки преодолели пассивный дрейф и начали активно плыть к источнику химического сигнала. Это подтвердило, что система всего из трех компонентов действительно способна к положительному хемотаксису.

Экстракт листьев стевии известен как сахарозаменитель. Японские исследователи обнаружили еще одно полезное свойство этого растения: ферментация стевии с помощью пробиотика, полученного из листьев банана, превращает ее в эффективное средство для борьбы с раком поджелудочной железы. Рак поджелудочной железы — один из самых агрессивных видов онкологических заболеваний. Он отличается высокой резистентностью практически ко всем современным методам лечения, а пятилетняя выживаемость больных составляет менее 10 процентов. Поэтому разработка новых препаратов для борьбы с этим видом рака — одна из важнейших задач современной онкологии.

Ученые из Университета Хиросимы (Япония) обнаружили: экстракт стевии, который считается более здоровой альтернативой сахару, чем искусственные заменители, потому что имеет природное происхождение, обладает высокой противораковой активностью. Стевия способна убивать клетки опухоли поджелудочной железы, сохраняя при этом здоровые даже в высокой концентрации. В серии экспериментов in vitro ученые определили оптимальную концентрацию экстракта листьев стевии (200 микрограммов на миллилитр), который уничтожал до 30 процентов раковых клеток. Кроме того, выяснилось, что ферментация экстракта с использованием лактобактерий Lactobacillus plantarum значительно усиливает противораковые свойства стевии. При той же концентрации ферментированный экстракт уничтожал до 90 процентов опасных клеток.

Дальнейшие исследования показали, что противораковый эффект связан с наличием в экстракте стевии соединения под названием «метиловый эфир хлорогеновой кислоты» (CAME). Именно он усиливала апоптоз раковых клеток, то есть их гибель. Особенно эффективно CAME работал после ферментации, что указывает на изменение свойств экстракта стевии после воздействия на него пробиотиками. Кроме того, экстракт стевии показал высокую антиоксидантную активность: после ферментации он уничтожал до 94 процентов свободных радикалов. Ученые связали этот эффект с тем, что в листьях стевии содержится много различных флавоноидов, которые хорошо известны способностью поглощать свободные радикалы. По мнению авторов научной работы, их результаты демонстрируют ценную исследовательскую перспективу использования пробиотиков в качестве природных противоопухолевых агентов.

Экспериментальная вакцина повышает способность иммунной системы бороться с раком без воздействия на конкретный тип опухоли. На создание препарата ученых вдохновила вакцина от COVID-19. Авторы заявляют, что новая вакцина потенциально может избавить пациентов от необходимости химиотерапии, хирургического вмешательства и лучевой терапии. В доклинических экспериментах лечение полностью уничтожило рак мозга, костей и другие типы опухолей без какого-либо вспомогательного лечения. Авторами новой противораковой мРНК-вакцины стали ученые из Университета Флориды, которые в течение более чем десяти лет изучали возможности технологии для борьбы с опухолями. Теперь они представили не специфичную к какой-либо конкретной опухоли вакцину, которая оказывает мощное опухолеспецифическое действие, пишет New Atlas.

Формула нового препарата похожа на вакцину от COVID-19, но есть принципиальные отличия. Вместо кодирования вирусного белка вакцина посылает иммунной системе сигнал для объединения иммунных клеток. Для этого вырабатываются определенные белки, такие как противораковый PD-L1 для стимулирования иммунных клеток. Ценность PD-L1 в том, что белок делает опухоли более заметными для иммунитета. Теперь ученые используют технологию мРНК для усиления экспрессии PD-L1. В доклинических экспериментах вакцина полностью уничтожила резистентную меланому, а также рак мозга, кожи и костей без какого-либо другого вспомогательного лечения. «Это ключевой момент в развитии иммунотерапии рака. Результаты закладывают основу для универсальной борьбы с раком, которая не основана на индивидуальном подходе для каждого отдельного пациента», — заявили авторы.

Южнокорейские и американские физики создали миниатюрный прибор, излучающий вспышки света под действием электрических импульсов примерно таким же образом, как возникают всплески активности в реальных нервных клетках в мозге человека. Подобные рукотворные нейроны помогут объединить световые и электронные компьютеры будущего, пишут исследователи в статье в научном журнале Nature Electronics. «И электронные, и оптические методы хранения и обработки информации обладают своими плюсами и минусами. К примеру, использование фазовых переходов в электронике позволяет одновременно обрабатывать большие объемы данных, тогда как для оптики характерны высокие скорости работы и пропускной способности памяти. Созданные нами устройства объединяют эти функции в одном материале, что ускорит развитие нового железа для ИИ», — говорится в исследовании.

Эта технология была разработана группой американских и южнокорейских физиков под руководством профессора Стэнфордского университета (США) Эрика Попа. Созданные его командой рукотворные нейроны представляют собой тонкие пленки из оксида ниобия определенной длины, толщины и ширины, нанесенные на подложку из сапфира и подключенные к набору электродов из палладия и алюминия. Как объясняют исследователи, им удалось подобрать такие параметры изготовления этих пленок, что они представляют собой так называемые «изоляторы Мотта». Так физики называют особые материалы, которые теряют проводящие свойства и становятся изоляторами в результате особых взаимодействий между электронами в соседних прослойках. Этой характеристикой изоляторов Мотта можно управлять при помощи электрических полей, что позволяет использовать их в качестве программируемых «выключателей», резко повышая или понижая их проводимость.

Китай объявил о начале разработки первого в стране коммерческого ядерного реактора четвёртого поколения — CFR-1000, работающего на быстрых нейтронах. По заявлению Китайской национальной ядерной корпорации (CNNC), этот проект станет важной вехой в развитии безопасной, эффективной и «зелёной» атомной энергетики. Новый реактор мощностью 1,2 гигаватта сможет обеспечить электроэнергией порядка миллиона домохозяйств и значительно сократить углеродный след, укрепляя позиции КНР в области атомной энергетики. США считают, что проект носит двойное назначение, так как в ходе выработки энергии из урана-238 такой реактор производит оружейный плутоний-239.

Проект CFR-1000 отличается от традиционных реакторов, использующих замедленные нейтроны и воду в качестве замедлителя и теплоносителя. Вместо этого в основе новой установки лежит принцип работы на быстрых нейтронах и использование жидкого натрия для отвода тепла. Такой подход позволяет реактору не только эффективнее извлекать энергию из топлива, но и перерабатывать ядерные отходы, превращая изотопы урана-238 в плутоний-239. Это открывает путь к замкнутому топливному циклу, когда отходы перерабатываются и повторно используются, что в перспективе существенно снижает зависимость от первичной добычи урана и уменьшает накопление радиоактивных материалов.

CNNC подчёркивает, что технология CFR-1000 полностью разработана в Китае и базируется на собственной научно-технической базе и промышленной цепочке поставок. Это делает КНР первой страной в мире, способной самостоятельно реализовать проект такого масштаба на быстрых нейтронах без опоры на международные компоненты или лицензии. Новый реактор станет продолжением предыдущих китайских проектов в этой области, включая экспериментальный CEFR (China Experimental Fast Reactor) и демонстрационную установку CFR-600, строительство которой близится к завершению.

Запуск CFR-1000 ожидается в районе 2034 года, но проект уже вызвал как энтузиазм, так и критику со стороны международного сообщества. Ряд западных экспертов выражают обеспокоенность возможным производством плутония-239, который может быть использован для создания ядерного оружия. Особенно остро этот вопрос воспринимается в США, где китайские планы рассматриваются в контексте двойного назначения нового реактора — производства не только энергии, но и ключевого элемента ядерного оружия. Тем не менее, CNNC подчёркивает исключительно мирный характер программы, а сам проект вписывается в рамки инициативы «зелёного перехода» Китая, ставящей цель добиться углеродной нейтральности к 2060 году. В энергетической стратегии страны реакторы на быстрых нейтронах должны сыграть ключевую роль в сокращении зависимости от угля и других ископаемых источников энергии.

Группа студентов Университета Ольборга разработала гибридный беспилотник, способный выполнять полеты, нырять под воду, маневрировать под поверхностью и затем снова взлетать — всё в рамках одного цикла. Детали аппарата изготовили с использованием 3D-печати, а ключевым элементом стала система винтов, которые меняют угол наклона. Благодаря простоте конструкции и доступности технологий, разработка может стать основой для недорогих дронов разного назначения — от подводной разведки до спасательных операций. Универсальность обеспечивается винтами с изменяемым шагом. В зависимости от среды лопасти меняют угол наклона: в воздухе они создают подъемную силу, а под водой — снижают сопротивление и позволяют точно управлять движением. Более того, винты способны генерировать отрицательную тягу, что улучшает маневренность под водой.

В опубликованном видеоролике дрон взлетает, затем ныряет в бассейн, некоторое время движется под водой, а после вновь поднимается в воздух. Эти движения он повторяет несколько раз с разных ракурсов. По словам студентов, их проект доказывает, что одна и та же платформа может эффективно работать в двух принципиально разных средах. Разработка заняла два академических семестра. Команда смоделировала аппарат, спроектировала механизм винтов, изготовила детали с помощью 3D-принтера и станков с ЧПУ, а затем запрограммировала систему с использованием специализированного программного обеспечения. Гибридные дроны уже разрабатывались ранее, например, в Ратгерском университете в 2015 году и в Китае в 2023-м. Но разработка студентов из Ольборга выделяется простотой реализации. Их решение базируется исключительно на пропеллерной системе, без использования сложных механических трансформаций корпуса, что делает переход между средами особенно плавным. Студенты предполагают, что подобные устройства могут использоваться для военных целей, морской разведки, подводной инспекции судов, а также в спасательных операциях. Главным преимуществом они считают доступность технологии и возможность её быстрого воспроизведения.

Компания Q-CTRL, пионер в области квантовых технологий, совместно с Королевскими ВМС Австралии успешно испытала на борту судна «MV Sycamore» систему навигации, основанную на квантовом гравиметре. Эта технология может полностью изменить способ навигации в море и обеспечить надёжную альтернативу в ситуациях, когда GPS оказывается недоступен или скомпрометирован. Используемый компанией квантовый гравиметр способен отслеживать мельчайшие колебания в гравитационном поле Земли. На основе этих данных навигационный компьютер сопоставляет наблюдаемую картину с заранее составленными гравитационными картами, что позволяет точно определить местоположение судна. Такая система функционирует как аналог человеческой способности ориентироваться на местности по ландшафтным ориентирам — но с гораздо большей точностью и устойчивостью к внешним воздействиям. И главное — она не требует спутникового сигнала.

Надёжная альтернатива GPS особенно важна сегодня, когда попытки подмены или глушения навигационных сигналов становятся всё более частыми. Последний громкий случай произошёл 23 июня: сбои в навигации из-за ложных GPS-сигналов вызвали серьёзные затруднения у коммерческих судов в зоне Персидского залива. Проблемы в гражданской авиации, морской логистике и даже военных операциях возникают с пугающей регулярностью. Потери только для США от краткосрочных отключений GPS оцениваются в миллиарды долларов в день. Поэтому интерес к технологиям, не зависящим от спутников, резко усилился. Ранее квантовые датчики считались слишком чувствительными и нестабильными для практического применения вне лаборатории. Но Q-CTRL удалось преодолеть это ограничение: они сконцентрировались на разработке интеллектуального программного обеспечения, обеспечивающего устойчивую работу квантовых сенсоров в сложных реальных условиях. Во время 144-часовых морских испытаний гравиметр функционировал полностью автономно, без вмешательства человека. Это делает систему особенно привлекательной для задач военного назначения, где стабильность и надёжность критичны.

Заявлено также о рекордной эффективности и энергоэкономичности установленного оборудования. Гравиметр размещён в серверной стойке, работает в «бесплатформенной» конфигурации и потребляет всего 180 Вт — меньше, чем стандартный тостер. При этом он способен функционировать даже на фоне сильных вибраций судовых двигателей и движения по морю, что ранее считалось практически невозможным. Технология открывает дорогу к созданию автономных навигационных систем нового поколения, которые смогут действовать даже в условиях жёсткого противодействия, радиоэлектронной борьбы или в районах, где GPS недоступен по техническим или политическим причинам. Кроме того, гравиметрическая навигация может быть полезна и в гражданской сфере — например, в полярных регионах, под землёй или при обследовании океанского дна, где традиционные методы теряют эффективность.

Разработка квантового гравиметра получила особый приоритет в рамках национальной стратегии безопасности и финансируется оборонным ведомством Австралии. В течение всего четырнадцати месяцев инженеры Q-CTRL смогли не только разработать, но и развернуть в реальных условиях квантовый датчик, обогнав конкурентов из других стран. Это стало возможным благодаря уникальному программному стеку, обеспечивающему подавление шумов, восстановление сигнала и компенсацию внешних воздействий. Эксперты предсказывают бурный рост рынка квантовых датчиков — по данным Boston Consulting Group, он может достичь $3,3–5 млрд уже к 2030 году. Поскольку количество инцидентов с GPS продолжает расти, потребность в надёжных альтернативных решениях только усиливается.