과학자들은 토폴로지 자료를 식별하는 방법을 개발

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.과학자들은 대형 Hadron Collider에서 신비한 '어두운 세계'입자를 잡아낼 수있는 방법을 고안했습니다

루이즈 러너 (Louise Lerner), 시카고 대학교 새로운 논문은 Large Hadron Collider를 사용하여 '어두운 세계'에서 입자를 직접 검출하는 방법에 대해 설명합니다. 지금까지 우리는 위의 암흑 물질의 시각화와 같은 간접 측정 및 시뮬레이션 만 할 수있었습니다. 크레디트 : Zarija Lukic / Berkeley Lab, 2019 년 4 월 18 일

Higgs 보존을 확인 했으므로 Large Hadron Collider의 과학자들은 더 어려운 목표를 세웠습니다. 우리 주변에는 암흑 물질 과 암흑 에너지 가 있습니다. 은하를 하나로 묶어주는 보이지 않는 물질이지만 아무도 직접 탐지 할 수 없었던 물질입니다. LHC와 같은 대형 입자 가속기에서 신호를 찾는 방법을 연구하는 시카고 대학의 물리학 교수 인 LianTao Wang은 "우리는 암흑의 세계가 있다는 것을 잘 알고 있으며 우리의 에너지보다 더 많은 에너지가 있습니다. 왕은 UChicago와 제휴 관계에있는 Fermilab 대학의 과학자들과 함께 우리를 그 길로 인도 할 수 있다고 생각합니다. 4 월 3 일자 Physical Review Letters 에 실린 논문 에서 그들은 잠재적 인 입자의 약간 더 느린 속도를 이용하여 LHC의 암흑 물질을 스토킹하기위한 혁신적인 방법을 제시했다. 어두운 세계는 우주의 95 % 이상을 차지하지만, 과학자들은 그 효과로 인해 존재한다는 것을 알고 있습니다. 마치 선반에서 뭔가를 푸시 할 때만 볼 수있는 폴터 테이지 스터처럼. 예를 들어, 우리는 중력이 중력을 볼 수 있기 때문에 암흑 물질이 있다는 것을 압니다. 그것은 우리 은하가 계속 떨어져 나가는 것을 돕습니다. 이론가들은 정상적인 물질과 단지 때때로 상호 작용하는 어두운 입자의 특정 종류가 있다고 생각합니다. 수명이 10 분의 1 초에 달하는 다른 알려진 입자보다 무겁고 오래갑니다. 연구진은 십년 동안 몇 번이나이 입자가 LHC가 끊임없이 생성하고 측정하는 양성자 충돌에 휩싸 일 수 있다고 믿는다. "특히 흥미로운 가능성 중 하나는 이러한 오랜 수명의 어두운 입자가 힉스 보존과 결합되어 있다는 것입니다. 즉, 힉스는 실제로 어두운 세계로가는 입구입니다."왕은 물리학 자의 거대 이론에서 마지막 홀드 아웃 입자를 언급하면서, 2012 년 LHC에서 우주가 어떻게 작동하는지에 대한 정보를 얻었습니다. "Higgs가 실제로 이러한 수명이 긴 입자로 붕괴 될 가능성이 있습니다." 유일한 문제는 나머지에서 이러한 이벤트를 정렬하는 것입니다. 27km LHC에서 초당 10 억 회 이상의 충돌이 있으며, 이들 각각은 모든 방향으로 원자탄을 뿌립니다. Wang, UChicago 박사후 연구원 Jia Liu와 Fermilab 과학자 Zhen Liu (현재 Maryland 대학)는 이러한 어두운 입자의 특정 측면을 활용하여 새로운 방법으로 검색 할 것을 제안했습니다. "너무 무거울 경우 에너지를 생산하는 데 비용이 들기 때문에 기세가 크지 않을 것입니다. 빛의 속도보다 천천히 움직일 것입니다"라고이 연구의 첫 저자 인 Liu는 말했다. 그 시간 지연은 정상 입자의 나머지 모든 입자들과 구별됩니다. 과학자들은 생성 된 입자를 찾기 위해 시스템을 조정할 필요가있을뿐 아니라 다른 모든 것보다 천천히 감쇠해야합니다. 그 차이는 수십 억분의 1 초 정도입니다. 그러나 LHC는 이미이 차이를 잡기에 충분히 정교한 감지기를 가지고 있습니다. 마지막 실행에서 수집 된 데이터를 사용한 최근 연구에서이 방법이 효과가 있다는 것을 발견했으며, 현재 진행중인 업그레이드의 일부로 감지기가 더욱 민감해질 것입니다. "우리 는 LHC에서 이미 가지고있는 능력을 사용하면서이 방법으로 수명이 긴 어두운 입자 에 대한 감도를 한 단계 이상 높일 것으로 기대한다 "고 Liu는 말했다. 실험가들은 이미 트랩을 만들려고 노력하고있다. LHC가 2021 년에 밝기를 10 배로 올리면 주요 탐지기 3 대 모두 새로운 시스템을 구현할 것이라고 과학자들은 말했다. 리우 대변인은 "우리는 발견 가능성이 크다고 생각한다. "입자가 있다면, 우리는 그것을 파헤 치는 방법을 찾아야 만한다"고 왕은 말했다. "일반적으로 핵심은 물어볼 질문을 찾는 것이다."

추가 탐색 암흑 물질을 찾는 CERN 연구소 자세한 정보 : Jia Liu 외. 수명이 긴 입자를 향상시키는 것은 정밀 타이밍 정보, Physical Review Letters (2019)로 LHC를 검색합니다 . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.122.131801 저널 정보 : Physical Review Letters 시카고 대학 제공

https://phys.org/news/2019-04-scientists-mysterious-dark-world-particle.html

.과학자들은 토폴로지 자료를 식별하는 방법을 개발합니다

하버드 대학교의 Peter Reuell 저 크레딧 : CC0 공개 도메인, 2019 년 4 월 17 일

처음 이론화 된 지 수십 년 후, 과학자들은 위상 변화 물질의 이색적인 특성, 즉 급격한 온도 변화 또는 구조 변형에도 불구하고 전기적 특성을 유지하는 물질이 에너지 효율이 높고 전자를 새로운 초전도체 및 양자 컴퓨터의 개발에 사용합니다. 그러나 문제는 이러한 속성을 가진 재료를 식별하는 것이 좌절감을 느낍니다. 이 과정을 가속화하기 위해 물리학 교수 인 Ashvin Vishwanath와 그의 동료들은 토폴로지 특성을 나타내는 새로운 물질 을 효율적으로 식별하는 방법을 개발하기 위해 일련의 연구를 수행했습니다 . Nature Communications and Science Advances에 게재 된 첫 두 개 는 MIT의 Hoi Chun "Adrian"Po, Ph.D.와 공동 저자입니다. '18, 도쿄 대학의 와타나베 하루키 교수는 물질 발견의 실용적인 문제와 관련 추상적 수학 개념을 연결하기위한 토대를 마련했다. Nanjing University의 Po and Feng Tang과 Xingang Wan과 공동 저술 한 Nature는 2 월 에 Nature에 발표되었으며 접근법의 힘을 보여 주며 수천 가지 형태의 위상 재료 후보를 예측합니다. "초기에는 재료가 절연체인지 금속인지를 예측할 수 있도록 많은 노력을 기울였습니다."라고 Vishwanath는 말했습니다. "약 10 ~ 20 년 전에, 사람들은 우리가 이러한 토폴로지 자료를 생산할 수 있음을 깨달았습니다." 토폴로지 자료는이 간단한 이분법을 무시합니다. 예를 들어, 그들은 얇은 금속으로 감싼 전기 절연 내부를 가질 수 있습니다. 이 금속 코팅의 존재는 토폴로지 (topology) , 즉 시스템의 작은 물리적 변화에 강건한 특성과 관련된 수학적 개념으로 보호됩니다 . 즉, 토폴로지 절연체의 금속성 피부를 벗겨 내려고하면 갑자기 밑에있는 레이어가 금속성이됩니다. "이 이국적인 물질의 수학에 대한 통찰력은 이러한 위상 적 성질을 가진 실제 물질을 발견하는 데 도움이 될 것입니다. "바로 지금, 사람들이하는 방식은 실제로 더 추측입니다. 우리가하고 싶은 것은 관심있는 재료가 토폴로지 특성을 가질 수있는 좋은 기회인지 진단하는 효율적인 방법을 생각해내는 것입니다." 필요한 통찰력은 전자의 거동이 물질의 결정 구조 의 대칭과 어떻게 얽혀 있는지를 잘 이해할 수있게합니다.이 구조 는 섬세한 패턴으로 조립 된 거의 무한한 원자 배열로 볼 수 있습니다. 이 패턴은 머리를 90도 기울이거나 거울에 반사 시키면 변경되지 않습니다. 물리학에서이 속성은 대칭이라고합니다. 처음 두 논문에서 Vishwanath와 그의 공동 연구자는 전자와 대칭 사이의 흥미로운 상호 관련성에 대한 체계적인 연구를 수행했습니다. "첫 번째 문제는 원자들이 결정체를 형성 할 수있는 엄청난 수의 방법들"이라고 그는 말했다. "화학적 복잡성에 대해 잊어 버렸다고해도, 구조상의 요소가 무엇인지 잊어 버려도 ... 대칭성을 고려할 때 원자를 함께 결정체에 넣을 수있는 230 가지 방법이 있습니다." 그리고 복잡성이 끝나지 않습니다. 자력이 통합되면 숫자는 230에서 1,651로 극적으로 증가합니다. 와타나베 교수는이 문제에 대한 한 가지 해결책은 가능한 모든 조합을 테스트하여 궁극적 인 해결책을 찾기위한 것이지만, 연구자가 지형 학적 상태를 만드는 이유에 대한 통찰력을 제공하지는 못한다고 말했다. "우리는 다른 접근 방식을 취했다. "핵심 아이디어는 ... 전자의 대칭성이 일부 고차원 공간의 좌표로 매핑되도록 문제를 재구성하는 효율적인 방법을 찾았습니다." 이 좌표는 주소와 같으며 팀은 재질이 우편, 우편 번호와 유사한 대칭 표시기를 기반으로 절연성, 금속성 또는 토폴로지 형인지 알 수있었습니다. 중요한 것은이 "우편 번호"를 쉽게 특성화 할 수 있다는 것입니다. Po는 "각 자기장 그룹에 대한 분석은 이전에 대학원생이 하루 동안 알아 낸 것이었지만 우리의 새로운 공식은 노트북의 모든 1,651 개의 인스턴스에 대해 완료된 간단한 작업 자동화를 허용합니다. 반나절." 새로운 Nature 연구는 토폴로지 자료 후보자 발견을 위해 기존 자료 데이터베이스를 분석하기 위해 이전 연구에서 설명한 아이디어를 토대로 작성되었습니다. Vishwanath는 중국의 협력자들과 함께 대칭 지표를 사용하여 수만 개의 물질의 위상 학적 특성을 신속하게 진단 할 수 있다고 말했다. "어떤면에서는 2 단계입니다."라고 Nature 연구에 말했다 . "그것은 대칭성 지표 의 유용성을 증명합니다 ." "완전 무료 점심이 아니야."그가 말했다. "크리스탈을보고 전자가하는 일을 자세히 분석하는 것이 아니라 오히려 복잡한 시스템의 아주 작은 부분을보고 있으므로 Sherlock Holmes와 같은 것입니다. 실제로 시스템의 특성에 대해 많은 것을 추측 할 수 있습니다. " Vishwanath는 이러한 연구가 토폴로지 자료의 "라이브러리"를 개발할 수있는 길을 열어 다양한 응용 분야에 사용될 수 있고 잠재적으로 사용될 수 있다는 희망을 전했다. " 토폴로지 특성이있을 것으로 예상되는 물질 이 있지만 예제가없는 물질이있다"고 그는 말했다. "다른 경우에는 한 가지 종류의 토폴로지 상태 만 가질 수 있지만, 사람들이 이전에 발견 한 것뿐만 아니라 다른 것을 가질 수도 있습니다." 추가 탐색 밴드 구조 파괴 - 시스템은 연구원들이 특정 특성을 가진 새로운 물질을 디자인하는 것을 도울 수 있습니다.

더 자세한 정보 : Hoi Chun Po 외. 대칭 기반 230 개 공간 그룹의 밴드 토폴로지 지표, Nature Communications (2017). DOI : 10.1038 / s41467-017-00133-2 Haruki Watanabe 외. 1651 자기장 공간 그룹의 밴드 구조의 구조와 토폴로지, Science Advances (2018). DOI : 10.1126 / sciadv.aat8685 Feng Tang 외. 대칭성 지표를 이용한 토폴로지 자료 검색, Nature (2019). DOI : 10.1038 / s41586-019-0937-5 저널 정보 : 자연 커뮤니케이션 , 과학 진보 , 자연 하버드 대학교에서 제공

https://phys.org/news/2019-04-scientists-topological-materials.html

.Proxima Centauri를 도는 다른 가능한 행성의 증거

Bob Yirka, Phys.org 작성 두 개의 밝은 별은 (왼쪽) α Centauri와 (오른쪽) β Centauri입니다. 빨간 원의 중앙에있는 희미한 붉은 별은 Proxima Centauri입니다. 신용 : 위키 백과

우리 태양계에 가장 가까운 별인 Proxima Centauri를 연구하는 연구원 팀이이 시스템에 두 번째 행성의 증거를 발견했다. Crete 대학의 Fabio Del Sordo 팀과 Turin Observatory의 Mario Damasso 팀은 캘리포니아 버클리 캠퍼스에서 열린 올해의 Breakthrough Discussion 컨퍼런스에서 결과를 발표했습니다. 적색 왜성 인 Proxima Centauri는 1915 년 Robert Innes에 의해 최초로 관측되었다. 이것은 약 4.2 광년 떨어져있어 우리 태양계에 가장 가까운 별이되었다. 3 년 전 유럽 남서부 관측소 (European Southern Observatory)의 한 팀이 별 주위를 돌고있는 행성을 발견했다.이 별은 즉각 Proxima Centauri라고 불렸다. b. 이 새로운 노력에서 연구자들은 Proxima Centauri를 선회하는 또 다른 행성이 있음을 시사하는 증거를 발견했다고 보도했다. Proxima Centauri b는 호스트 스타의 약간의 흔들림으로 확인되었습니다. Del Sordo와 Damasso는 그들이 칠레의 유럽 남부 천문대 (European Southern Observatory)의 망원경 인 HARPS에 의해 수신 된 데이터를 연구하고 있다고보고했다. 그들은 또한 지난 17 년 동안의 데이터가 별이 흔들리는 비슷한 징조를 보여 다른 행성을 제안했다고보고했습니다. 이 연구 결과는 그들의 발견이 밝혀지면 외계 행성은 지구의 약 6 배의 질량을 가지고 슈퍼 지구의 행성 범주에 올리며 그 별에서 약 1.5 AU를 궤도에 진입 할 것이라고 주장했다. 또한 별 주위에 하나의 궤도를 만들기 위해 지구의 약 5 년이 걸릴 것입니다. 그들은 쿨링 스타와의 거리가 멀어 외계 행성의 온도가 매우 낮을 가능성이 높으며 아마도 -234도까지 추울 수도 있습니다. 연구자들은 또한 새로운 외계 행성을 발견했다고 확신하지만 여전히 조심스럽게 지적했다. 팀은 발표를 위해 제출되었지만 아직 동료 심사를받지 않은 관측 결과를 요약 한 논문을 작성했습니다. 또한 행성의 확인은 궤도를 선회하는 가이아 (Gaia) 우주 기반 관측소에서 나올 가능성이 있습니다.이 관측소는 외계 행성이 실제로 존재한다면 더 많은 증거를 제공 할 수 있어야합니다.

https://phys.org/news/2019-04-evidence-planet-orbiting-proxima-centauri.html

평평한 홀로 그래픽 변환기에서 음향 소용돌이를 접어 소형화 된 선택적 음향 핀셋을 형성합니다.

Thamarasee Jeewandara, Phys.org 레이저 간섭계를 사용하여 실험적으로 측정 한 소용돌이의 애니메이션을 보여주는 영화. 색깔은 coverslip의 표면에서 정상적인 변위의 진폭에 해당합니다. 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967

어쿠스틱 핀셋은 집중된 음향 소용돌이를 기반으로 하며 미생물 및 세포를 밀리미터 단위에서 서브 마이크론 규모까지 정확하게 접촉 할 수 있고 전례없는 선택도 및 포집 력으로 정밀하게 조작 할 수 있습니다. 이 기술의 광범위한 사용은 현재 성능, 소형화 및 구획에서 동화 할 수 없음으로 인한 기존 시스템의 한계로 인해 현재 방해 받고 있습니다. 최근 연구에서 Sorbonne 대학의 Michael Baudoin과 동료 과학 연구 (CNRS)의 프랑스 국립 과학 센터 (Center for Scientific Research, CNRS)는 첫 번째 평평하고 컴팩트 한 쌍 극성 단일 전극 초점 형 또는 집중 형 ' 음향 족집게 ' 를 개발함으로써 집중 음향 소용돌이의 잠재력을 향상 시켰습니다. . 본 발명은 평평한 압전기 기판 상 에 구형의 음향 소용돌이를 접음으로써 제조 된 나선형 변환기 에 의존 하였다 . Baudoin et al. 독특한 음향 집게 가 독특한 선택성으로 마이크로 유체 환경에서 마이크로 미터 식 물체를 잡고 옮길 수있는 능력을 보여주었습니다 . 이 시스템은 간단하고 높은 주파수로 확장 가능합니다. 미생물학, 마이크로 로봇 및 현미경에 대한 엄청난 전망을 제시합니다. 결과는 이제 Science Advances에 게시됩니다 . 음향 파 분야에서 부분 부상의 최초보고 된 사실 은 1925 년 Boyle and Lehmann 의 연구에서 거슬러 올라간다 . 나노 미터 스케일까지의 물리적 및 생물학적 물체의 정확하고 비접촉식 조작은 현대적이고 다양한 분야에서 유망한 응용 분야를 가지고있다. 마이크로 로봇 공학, 조직 공학 및 마이크로 / 나노 의약 어쿠스틱 핀셋은 비침 투성 , 생체 적합성 및 라벨 이 없기 때문에이 작업을 수행하는 탁월한 기술 입니다. 또한 동일한 작동 전원으로 광학 대응 부품보다 몇 배 더 큰 힘을 가할 수 있습니다. 그러나, 최근에야 과학자들에게 첨단 파동 합성 시스템을 동시에 개발하게 했다., 마이크로 유체 장치 및 음향 방사 압력 이론을 사용하여 음향 영동 (소리가있는 운동) 의 잠재력을 활용할 수 있습니다. 최근까지 대다수의 음향 족집게는 하나의 또는 직각의 정재파 세트를 사용하여 입자를 잡아 두는 노드와 antinode 네트워크 를 만들었습니다 . 이러한 시스템은 입자와 세포의 집단적 조작에 매우 효율적 이었지만 시스템은 특정 선택성을 방해했습니다. 음향 에너지의 제한된 지역화는 원래의 비행 시간 기술을 사용하여 달성 될 수 있지만 , 파도 필드의 강력한 초점 만이 단일 입자 수준에서 특정 선택성을 허용 할 수 있습니다.

아르키메데스 - 페르마 음향 족집게의 원리 : (A) 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게의 조성을 보여주는 계획 : 압전 기판의 표면에 증착 된 금속 전극을 나선형으로 배열하여 초점을 맞춘 음향 소용돌이가 합성됩니다. 소용돌이는 입자가 갇혀있는 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 챔버에 들어있는 액체에 도달하기 전에 유리 슬라이드 (압전기 기판으로 밀봉 된)와 이동 유리 커버 슬립 내부에서 전파되고 초점을 맞 춥니 다. 미세 유체 칩 (유리 커버 슬립 및 밀봉 된 PDMS 챔버)의 이동성은 액체 커플 랜트 및 (E)로 표시된 수동 정밀 변위 설정에 의해 가능해진다. (B) 연구에서 유도 된 근사 방정식으로부터 얻어진 전극의 나선형 패턴. (C) 구형 (r, θ, φ)와 원통형 좌표 (ρ, φ, z)를 보여 주었다. (D) 이전 연구에서 개발 된 변환기 배열의 compactness 비교 (왼쪽)와 Archimedes-Fermat 어쿠스틱 핀셋 비교 이 신문 (오른쪽). 이 그림은 또한 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게 (입자가 변환기의 중심 축에 트랩 됨)의 투명도를 보여줍니다. 사진 크레디트 : Jean-Louis Thomas, CNRS (왼쪽), Michael Baudoin, Université de Lille (오른쪽). (E) 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게를 Leica Z16 매크로 스코프에 통합 한 이미지. 4 개의 핀셋은 3 인치 LiNbO3 웨이퍼 위에 패턴되었습니다. 사진 크레디트 : Jean-Claude Gerbedoen, SATT Nord. 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967 z)이 연구에서 유도 된 방정식의 시연에 사용되었습니다. (D)이 연구에서 제시된 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게 (right)에서 이전 연구 (왼쪽)에서 개발 된 변환기 배열의 소형화의 비교. 이 그림은 또한 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게 (입자가 변환기의 중심 축에 트랩 됨)의 투명도를 보여줍니다. 사진 크레디트 : Jean-Louis Thomas, CNRS (왼쪽), Michael Baudoin, Université de Lille (오른쪽). (E) 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게를 Leica Z16 매크로 스코프에 통합 한 이미지. 4 개의 핀셋은 3 인치 LiNbO3 웨이퍼 위에 패턴되었습니다. 사진 크레디트 : Jean-Claude Gerbedoen, SATT Nord. 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967 z)이 연구에서 유도 된 방정식의 시연에 사용되었습니다. (D)이 연구에서 제시된 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게 (right)에서 이전 연구 (왼쪽)에서 개발 된 변환기 배열의 소형화의 비교. 이 그림은 또한 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게 (입자가 변환기의 중심 축에 트랩 됨)의 투명도를 보여줍니다. 사진 크레디트 : Jean-Louis Thomas, CNRS (왼쪽), Michael Baudoin, Université de Lille (오른쪽). (E) 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게를 Leica Z16 매크로 스코프에 통합 한 이미지. 4 개의 핀셋은 3 인치 LiNbO3 웨이퍼 위에 패턴되었습니다. 사진 크레디트 : Jean-Claude Gerbedoen, SATT Nord. 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967 이 그림은 또한 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게 (입자가 변환기의 중심 축에 트랩 됨)의 투명도를 보여줍니다. 사진 크레디트 : Jean-Louis Thomas, CNRS (왼쪽), Michael Baudoin, Université de Lille (오른쪽). (E) 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게를 Leica Z16 매크로 스코프에 통합 한 이미지. 4 개의 핀셋은 3 인치 LiNbO3 웨이퍼 위에 패턴되었습니다. 사진 크레디트 : Jean-Claude Gerbedoen, SATT Nord. 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967 이 그림은 또한 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게 (입자가 변환기의 중심 축에 트랩 됨)의 투명도를 보여줍니다. 사진 크레디트 : Jean-Louis Thomas, CNRS (왼쪽), Michael Baudoin, Université de Lille (오른쪽). (E) 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게를 Leica Z16 매크로 스코프에 통합 한 이미지. 4 개의 핀셋은 3 인치 LiNbO3 웨이퍼 위에 패턴되었습니다. 사진 크레디트 : Jean-Claude Gerbedoen, SATT Nord. 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967 (E) 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게를 Leica Z16 매크로 스코프에 통합 한 이미지. 4 개의 핀셋은 3 인치 LiNbO3 웨이퍼 위에 패턴되었습니다. 사진 크레디트 : Jean-Claude Gerbedoen, SATT Nord. 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967 (E) 아르키메데스 - 페르마 음향 족집게를 Leica Z16 매크로 스코프에 통합 한 이미지. 4 개의 핀셋은 3 인치 LiNbO3 웨이퍼 위에 패턴되었습니다. 사진 크레디트 : Jean-Claude Gerbedoen, SATT Nord. 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967

따라서 집속 된 음향 파는 이러한 수준의 위치 파악을 달성 할 수있는 자연스러운 후보자이지만 많은 관심 입자 (세포 및 강체 조각)가 정상파 노드로 이동하여 파 초점으로부터 이탈 하여 선택적 음향 집게를 설계 하려는 연구 노력 을 방해 할 수 있습니다 . 이전에는 음향 소용돌이를 합성하기 위해 풍부한 시스템 이 제안되었지만 3 차원 트랩 을 유지 하고 이웃과 독립적으로 특정 입자를 선택하는 기능 은 최근에 강한 집중된 소용돌이를 사용하여 시연되었습니다 . 이와 같이 합성 된 소용돌이 소용돌이 는 마이크로 시스템 내에서 성가 시거나 호환성이없는 변환기 어레이 또는 수동 시스템 에 의존한다 (마이크로 유체 및 마이크로 칩).

현재 연구에서, Baudoin et al. 따라서 평평한 표면에 집중된 음향 소용돌이의 위상을 접음으로써 선택적 음향 핀셋의 잠재력을 활용했습니다. 이를 달성하기 위해 프레 넬 렌즈 의 원리 와 압전기 기판의 표면에 침착 된 단일 나선형 깍지 모양의 전극이있는 합성 된 음향 소용돌이를 따랐습니다 . 그들은 두 구체화 등위 선 개의 이산 레벨에 절첩 위상을 나타내는 전극을 사용. 전극의 형상은 아르키메데스 - 페르마 (Archimedes-Fermat) 나선형그 반경 방향 수축은 기존의 시스템에 비해 큰 장점으로 만곡 된 변환기 나 렌즈가 필요없는 웨이브 포커스를 허용했습니다. Baudoin et al. 또한 이전에 시연 된 원통형 와류 기반 핀셋의 모든 한계를 극복하여 더 높은 선택성을 입증 할 수있었습니다. 이 연구에서 과학자들은 다음과 같은 개발을했습니다. 레이저 간섭계로 음향 장을 측정하고 시스템에서 2 차 링 (선택성을 저해 할 수있는 약한 진폭의 링)의 빠른 반경 감소를 정량화합니다. 표준 마이크로 유체 환경 내에서 이웃과 독립적으로 하나의 입자를 선택적으로 트랩 및 이동시켜 실용성을 입증합니다.

LEFT : 아르키메데스 - 페르마 어쿠스틱 핀셋에 의해 합성 된 필드 : 이론 vs. 실험. (A) 앵귤러 스펙트럼 방법으로 수치 예측 및 (B) UHF - 120 Polytec 레이저 간섭계로 유리 coverslip (초점면, z = 0)의 표면에서 진동의 정규화 된 강도의 실험 측정. 실험적으로 (첫 번째 링에서) 측정 된 최대 진폭은 10nm입니다. (C) 각도 스펙트럼 방법으로 수치 예측 및 유리 coverslip의 표면에서 음파의 레이저 간섭계로 실험 측정 (D). (E) 와류의 중심으로부터 측면으로의 음향 파의 정규화 된 세기의 방사형 진폭. 측면 반경 r의 밀리미터 단위의 함수. 검은 실선 : 실험적으로 측정 된 강도의 모든 각도 φ에 대한 평균입니다. 붉은 점선 : 원통형 와류 (원통형 베셀 기능)에 대한 진화가 예상됩니다. 파란색 점선 : 구형 와류 (구형 베셀 기능)에 대한 진화가 예상됩니다. 빨간색 점선 : 1 / r의 점근선 진화 파란색 점선 : 1 / r2의 점근선 진화 (F) z 방향의 전계 강도 (상)와 상 (하)의 진화. 화살표의 방향은 파 전파 방향을 나타냅니다. 왼쪽에서 오른쪽 : 거리 z = 6, 4, 2 및 0 mm (z = 0은 초점 평면에 해당). Top : 음향 에너지의 국지화 및 국부적 트랩의 형성. 아래 : 한켈에서 베셀 구형 빔으로의 전환. 오른쪽 : 표준 현미경 환경에서 미세 입자의 선택적 이동. (A) 아르키메데스 - 페르마 (Archimedes-Fermat) 나선을 기반으로 한 4.4-MHz 선택적 음향 핀셋으로 반경 75 ± 2 μm의 폴리스티렌 입자를 선택적으로 조작. 이 그림은 소용돌이의 중심 (가장 낮은 화살표 바로 위에 위치)에 갇힌 입자 만 움직이고 다른 입자는 여전히 남아 있음을 보여줍니다. 그림의 가독성을 높이기 위해 나머지 입자는 채색되어 있습니다. (B 및 C) 반경 75 ± 2 μm의 18 폴리스티렌 입자를 소정 위치로 패터닝하여 문자 M, O 및 V (소용돌이와 함께 움직이는 물체)를 형성합니다. (B) 무작위로 분산 된 입자 (초기 상태). (C) 조직화 된 입자 (최종 상태). 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967 이 그림은 소용돌이의 중심 (가장 낮은 화살표 바로 위에 위치)에 갇힌 입자 만 움직이고 다른 입자는 여전히 남아 있음을 보여줍니다. 그림의 가독성을 높이기 위해 나머지 입자는 채색되어 있습니다. (B 및 C) 반경 75 ± 2 μm의 18 폴리스티렌 입자를 소정 위치로 패터닝하여 문자 M, O 및 V (소용돌이와 함께 움직이는 물체)를 형성합니다. (B) 무작위로 분산 된 입자 (초기 상태). (C) 조직화 된 입자 (최종 상태). 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967 이 그림은 소용돌이의 중심 (가장 낮은 화살표 바로 위에 위치)에 갇힌 입자 만 움직이고 다른 입자는 여전히 남아 있음을 보여줍니다. 그림의 가독성을 높이기 위해 나머지 입자는 채색되어 있습니다. (B 및 C) 반경 75 ± 2 μm의 18 폴리스티렌 입자를 소정 위치로 패터닝하여 문자 M, O 및 V (소용돌이와 함께 움직이는 물체)를 형성합니다. (B) 무작위로 분산 된 입자 (초기 상태). (C) 조직화 된 입자 (최종 상태). 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967 (B 및 C) 반경 75 ± 2 μm의 18 폴리스티렌 입자를 소정 위치로 패터닝하여 문자 M, O 및 V (소용돌이와 함께 움직이는 물체)를 형성합니다. (B) 무작위로 분산 된 입자 (초기 상태). (C) 조직화 된 입자 (최종 상태). 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967 (B 및 C) 반경 75 ± 2 μm의 18 폴리스티렌 입자를 소정 위치로 패터닝하여 문자 M, O 및 V (소용돌이와 함께 움직이는 물체)를 형성합니다. (B) 무작위로 분산 된 입자 (초기 상태). (C) 조직화 된 입자 (최종 상태). 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967

과학자들은 금속은 Y-36의 표면에 증착 된 전극을 나선형으로 4.4 MHz의 주파수에서 초점 와류를 합성 실험 시스템을 설계 니오브 산 리튬 (LiNbO 3 ) 압전 기판. 이 나선형 전극의 진동을 유도하기 위해 과학자들은 유리 커버 슬립과 폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 챔버로 구성된 수성 미세 유체 장치 내에서 실험 도중 빔 수렴과 증폭기를 사용했다. 실험 설정에서 유리에서 액체로의 음향 에너지 전달을 향상시키고 Polytec 레이저 진동계를 사용하여 유리 커버 슬립의 표면에서 음향 장을 측정했습니다. 실험 장치에서, Baudoin et al. 압전 기판의 표면 상에 증착 된 금속 전극을 사용 하여 한정된 개구의 수렴 된 한켈 빔 을 합성한다 . 그들은 각 전극을 자극하여 압전 기판에서 국부적 인 진동을 일으키고 유리 슬라이드 내부에 벌크 어쿠스틱 볼텍스를 생성합니다. 이 홀로그램 방법에서는 광학 분야의 프레 넬 렌즈의 기본 물리적 원리, 베셀 빔 토폴로지 의 특수성 및 IDT ( Interdigital Transducer )를 사용한 웨이브 합성 원리를 비롯하여 마이크로 전자 분야의 여러 개념을 결합했습니다 .

아르키메데스 - 페르마 (Archimedes-Fermat) 나선을 기반으로 4.4MHz 선택적 음향 핀셋으로 반경 75 ± 2 μm의 폴리스티렌 입자를 선택적으로 조작 한 영화. 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967

구형 음향 Bessel 빔은 국부 음향 트랩을 생성하기에 훌륭한 후보가되는 구형 와류입니다. 기계적으로,이 음향 장은 음향 에너지를 3D로 집중시켜 밝은 껍질 로 둘러싸인 소용돌이 중심 에 음영 영역을 만들어 입자를 가두어줍니다. 평면 정재파와 마찬가지로 정반대로 진행하는 두 개의 진행파가 결합되어 있으며 구형 Bessel 보의 수렴과 발산 구형 Hankel 보 의 간섭으로 인해 발생합니다 . 결과적으로 Bessel 빔은 초점에서 생성 된 발산 대응 물, 즉 와류 중심 특이성을 방해하는 단일 Hankel 수렴 빔에 의해 실험적으로 생성 될 수 있습니다. 압전 효과 때문에 과학자들은 음향 파의 기계적 진동을 전위에 연결하고 전극을 완벽한 전선 ( 등전위 선 ) 으로 모델링 할 수있었습니다 . 두 전극을 사용하여, Baudoin et al. 어쿠스틱 핀셋을 형성하기 위해 접힌 위상을 두 단계로 분리했다. 과학자들은 각도 스펙트럼 방법 으로 얻은 수치 적 예측과 실험적으로 측정 한 음향 장을 비교 하여 웨이브 필드의 강도와 위상에 대해 우수한 일치를 보였다. 그들은 실험적으로 측정되고 평균화 된 반지의 세기의 방사형 진화를 (1) 원통형 와류의 방사형 진화 (red)와 (2) 구형 와류 (파란색)의 방사형 진화와 비교했다. 결과는 복사 압력이 빔 강도에 비례하기 때문에 원통형 와류에 비해 빔의 축 방향 집속으로 선택도가 크게 향상되었음을 보여 주었다. 이 방법으로 과학자들은 입자를 선택적으로 조작하는 데 큰 이점으로 에너지의 3 차원 초점 화를 보여주었습니다.

소용돌이 코어의 현지화를 보여주는 영화. 학점 : Science Advances, doi : 10.1126 / sciadv.aav1967

음향 집게가 입자를 선택하고 이웃과 독립적으로 움직이는 능력을 입증하기 위해 Baudoin et al. 300 μm의 높이를 가진 미세 유체 챔버 내부에 반경 75 ± 2 μm의 단 분산 폴리스티렌 입자를 분산시켰다. 족집게는 입자의 약한 밀도와 압축성이 주변 액체와 대비되는 폴리스티렌으로 만들어진 특정 입자를 골랐습니다. 이전 보고서 에 따르면1 차 베셀 빔에 의해 고체 입자에 가해지는 포획 력은 대조 밀도 및 / 또는 압축성에 강하게 의존한다. 대비가 약함 - 잡는 힘이 약함. 소용돌이의 중심에 갇힌 입자들만 움직 였고 다른 것들은 여전히 남아있었습니다. 이 기술을 사용하여 과학자들은 트위 서가 임의의 분포에서 시작하여 'MOV'(Vortices와 함께 이동하는 물체)라는 철자로 지정된 패턴으로 시작하여 75 ± 2 μm의 반경을 갖는 18 개의 폴리스티렌 입자 세트를 정확하게 배치 할 수 있음을 입증했습니다. 전체적으로, Baudoin et al. 지금까지 선택성과 소형화 또는 통합 사이의 절충을 강요하여 마이크로 유체 및 미생물학에서의 적용을 방지하는 어쿠스틱 핀셋의 기존 제한을 해제했습니다. 그들은 집중 소용돌이를 이용한 음향 트래핑, IDT를 이용한 홀로그램 파 합성, 단일, 소형 및 투명 소형 장치 내에서의 프레 넬 렌즈 원리의 통합을 통해 한계를 극복했습니다. 마이크로 시스템을 사용하여 과학자들은 표준 현미경 환경에서 입자의 비접촉 조작을 최첨단 선택 성과 함께 보여주었습니다 . 기술의 단순성과 고주파에 대한 확장 성으로 인해,이 작업은 물리적 및 생물학적 미세 물체의 개별 조작 및 원위치 조립을위한 길을 열 수 있습니다. 프로그레시브 웨이브를 이용한 실제 3-D 트래핑의 엄격한 시연은 제한된 환경에서 웨이브 반사로 나타날 수있는 모든 정상파를 제거해야합니다. 아르키메데스 - 페르마 핀셋의 3-D 트래핑 용량의 실제적인 시연은 마이크로 로봇, 조직 공학 및 나노 의약에 흥미로운 관점을 제시합니다. 추가 탐색 음향 집게는 세포를 3 차원으로 이동시키고 구조를 만듭니다.

추가 정보 : Michael Baudoin et al. 플랫 홀로 그래픽 트랜스 듀서에 초점을 맞춘 음향 소용돌이 접기 : 소형화 된 선택적 음향 핀셋, Science Advances (2019). DOI : 10.1126 / sciadv.aav1967 디에고 바레쉬 외. 임의로 배치 된 탄성 구에 대한 3 차원 음향 복사 강제력, The Acoustical Society of America (2013). DOI : 10.1121 / 1.4770256 Jinjie Shi et al. 어쿠스틱 핀셋 : 표면 탄성파 (SSAW), 랩 온 칩 (2009)을 사용하여 세포 및 미세 입자를 패터닝합니다 . DOI : 10.1039 / b910595f 저널 정보 : Science Advances , 미국 음향 학회지 , 랩 온어 칩 © 2019 과학 X 네트워크

https://phys.org/news/2019-04-acoustic-vortex-flat-holographic-transducer.html

A&B, study(laboratory evolution, mainhotspot project)

B/http://www.mdpi.com/2072-4292/10/8/1261
A/https://www.nature.com/articles/s41598-018-28963-0
https://pr.ibs.re.kr/handle/8788114/5556?mode=full
https://www.nature.com/articles/s41598-018-28963-0