A new paradigm to break the electromagnetic reciprocity in 3D bulk metamaterials
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.Riding a laser to Mars
레이저를 타고 화성으로
작성자: David Appell, Phys.org 지구 궤도에서 레이저 열 추진 우주선이 출발을 기다리고 있습니다. 크레딧: Creative Commons Attribution 4.0 FEBRUARY 8, 2022 FEATURE
-국제 라이선스 레이저로 화성에 우주선을 보낼 수 있을까? 그것은 NASA의 요청을 충족하도록 설계된 McGill University의 그룹에서 제안한 임무입니다. 지구에 있는 10미터 너비의 레이저는 우주선 뒤의 챔버에서 수소 플라즈마를 가열하여 수소 가스에서 추진력을 생성하고 단 45일 만에 화성으로 보냅니다.
그곳에서 화성의 대기권에서 에어로브레이크를 작동시켜 인간 식민지 개척자 또는 언젠가는 인간 자신에게까지 보급품을 공급할 것입니다. 2018년에 NASA는 엔지니어들에게 45일 이내에 최소 1,000kg의 탑재량을 화성에 전달하고 태양계 깊숙이 드나드는 장거리 여행을 설계할 것을 요청했습니다. 짧은 배송 시간은 은하계 우주선과 태양 폭풍의 피해에 대한 노출을 최소화하면서 화물을 운송하고 언젠가는 화성으로 우주 비행사를 운송하려는 욕구에서 비롯됩니다.
Elon Musk의 SpaceX 는 화성으로의 인간 여행이 화학 기반 로켓으로 6개월이 걸릴 것으로 예상 합니다. 레이저 열 추진 이라고 하는 McGill의 개념 은 직경이 10미터인 지구를 기반으로 하는 적외선 레이저 어레이에 의존하며, 각각 약 1미크론의 파장을 가진 많은 보이지 않는 적외선 빔을 결합하여 총 100메가와트의 강력한 전력 을 생산합니다. 에 필요한 전력80,000 미국 가정. 타원형 매체 지구 궤도에서 궤도를 도는 페이로드에는 지구에서 오는 레이저 빔을 수소 플라즈마가 포함된 가열 챔버로 향하게 하는 반사기가 있습니다.
코어를 40,000도 켈빈(화씨 72,000도)까지 가열하면 코어 주위를 흐르는 수소 가스가 10,000K(18,000도)에 도달하고 노즐에서 배출되어 우주선을 지구에서 멀리 밀어내는 추진력을 생성합니다. 58분 간격. (측면 추진기는 지구가 회전할 때 우주선을 레이저 빔과 정렬되도록 유지합니다.) 발사가 멈추면 탑재체는 지구에 대해 초당 거의 17km의 속도로 날아가는데, 이는 불과 8시간 만에 달의 궤도 거리를 지나갈 수 있을 만큼 빠릅니다. 한 달 반 후에 화성 대기에 도달하면 여전히 16km/s로 이동합니다. 그러나 화성 주위의 150km 궤도에 탑재물을 배치하는 것은 엔지니어링 팀이 해결하기 어려운 문제입니다.
페이로드는 속도를 늦추기 위해 로켓을 발사하는 화학 추진제를 실을 수 없기 때문에 어렵습니다. 필요한 연료는 페이로드 질량을 원래 1,000kg의 6% 미만으로 줄일 수 있습니다. 그리고 붉은 행성의 인간이 들어오는 우주선이 반사판과 플라즈마 챔버를 사용하여 역추력을 제공할 수 있도록 동등한 레이저 어레이를 구성할 수 있을 때까지 화성에서 탑재물을 감속하는 유일한 방법은 항공포획입니다. 그럼에도 불구하고 화성 대기에서의 항공포획 또는 공력 제동은 우주선이 최대 8g(g는 지구 표면에서 중력으로 인한 가속도, 9.8m/s2)의 감속을 경험하는 위험한 기동이 될 수 있습니다.
화성 주위를 한 바퀴 돌면서 포착되기 때문에 단 몇 분 동안만 인간의 한계를 뛰어넘는 것입니다. 대기 마찰로 인한 선박의 큰 열유속은 기존의 열 보호 시스템 재료보다 높지만 현재 개발 중인 재료는 아닙니다. 화성 및 그 이상 깊은 우주로 우주선의 레이저 열 추진력은 레이저 빔 이 탑재체 뒤의 광전지(PV)에 충돌 하는 레이저 전기 추진과 같은 이전에 제안된 다른 운송 방법과 대조됩니다 . 태양광-전기 추진, PV 전지의 햇빛이 추진력을 생성합니다. 원자로가 추진기 밖으로 추진된 이온을 생성하는 전기를 생성하는 원자력-전기 추진; 원자로 의 열이 액체를 기체로 변환 하는 핵-열 추진 방식에서 추진력 을 생성하기 위해 노즐 밖으로 추진됩니다. "레이저-열 추진은 배구장 크기의 레이저 어레이로 1톤의 신속한 수송 임무를 가능하게 합니다.
레이저-전기 추진은 킬로미터급 어레이에서만 할 수 있는 것입니다." McGill University의 엔지니어링 프로그램에서 여름 학부 연구의 일환으로 2년에 걸쳐 프로젝트. Duplay는 현재 우주 비행을 전문으로 하는 Delft University of Technology의 항공 우주 공학 석사 과학 프로그램에 재학 중입니다. Duplay et al.이 제시한 레이저 열 추진 임무 개념의 큰 장점. 0.001–0.010 kg/kW 범위의 매우 낮은 질량 대 전력 비율입니다. "비할 데 없이" 그들은 "발전된 핵 추진 기술에 대해 언급된 것보다 훨씬 낮은 수준"이라고 씁니다.
지구와 전달된 플럭스는 저질량 팽창식 반사기로 처리될 수 있습니다." 레이저 열 추진은 1970년대 에 당시 가장 강력한 10.6 마이크론 CO 2 레이저를 사용하여 처음 연구되었습니다. 오늘날의 1미크론 크기의 광섬유 레이저는 크고 유효 직경이 큰 평행한 위상 배열로 결합될 수 있으며, 이는 Duplay의 레이저에서 50,000km에 이르는 2배 더 높은 전력 전달의 초점 거리를 의미합니다. 열 추진 개념입니다. Duplay는 위상 배열 레이저를 위한 아키텍처 가 Santa Barbara에 있는 캘리포니아 대학의 물리학자 Philip Lubin이 이끄는 그룹에 의해 개발되고 있다고 설명합니다. Lubin 그룹의 어레이는 각각 약 100와트의 개별 레이저 증폭기를 사용합니다. 각 증폭기는 간단한 광섬유 루프와 LED 조명을 펌프로 사용하여 저렴하게 대량 생산할 수 있습니다. 개별 증폭기. 화성에 최초의 인간은 레이저 열 추진 기술을 사용하여 화성에 도착하지 못할 것입니다. "그러나 더 많은 사람들이 장기간의 식민지를 유지하기 위해 여행을 하게 됨에 따라 방사선 위험을 피하기 위해서라도 더 빨리 그곳에 도착할 수 있는 추진 시스템이 필요할 것입니다."라고 Duplay는 말합니다. 화성에 대한 레이저 열 탐사 임무는 최초의 인간 임무 이후 10년 후인 2040년경에 시작될 수 있다고 그는 추측합니다.
추가 탐색 태양 전기 추진으로 NASA의 Psyche 우주선 이동 추가 정보: Emmanuel Duplay et al, 레이저 열 추진을 사용하여 화성으로의 빠른 이동 설계, Acta Astronautica (2021). DOI: 10.1016/j.actaastro.2021.11.032 저널 정보: Acta Astronautica
https://phys.org/news/2022-02-laser-mars.html
.A new paradigm to break the electromagnetic reciprocity in 3D bulk metamaterials
3D 벌크 메타물질의 전자기적 상호성을 깨는 새로운 패러다임
잉그리드 파델리, Phys.org 크레딧: Lannebère et al, DOI: 10.1103 / PhysRevLett.128.013902 FEBRUARY 8, 2022 FEATURE
반도체 재료를 기반으로 한 트랜지스터는 많은 놀라운 특성을 가진 전자 부품으로 널리 사용됩니다. 예를 들어, 그것들은 비가역적 전기적 응답을 가지는데, 이는 부품 중 하나(입력 섹션)가 다른 부품(출력 섹션)에 영향을 미칠 수 있지만 다른 부품에는 영향을 미치지 않는 방식으로 회로의 두 부분을 분리할 수 있음을 의미합니다. 길 주변에.
또한 트랜지스터는 전압 신호를 증폭하여 시스템에 에너지를 공급할 수 있습니다. 비 에너지 보존 상호 작용은 일반적으로 "비 에르미트"라고합니다. Coimbra 대학과 리스본 대학의 Instituto de Telecomunicações의 연구원들은 최근 기존 반도체 기반 트랜지스터의 비가역 및 에르미트 응답에서 영감을 얻은 새로운 종류의 벌크 재료를 도입했습니다.
-그들은 Physical Review Letters 에 발표된 논문에서 트랜지스터와 같은 3차원(3D) 벌크 메타물질을 발표했습니다 . 연구를 수행한 연구원 중 한 명인 Mário Silveirinha는 Phys.org에 다음과 같이 말했습니다. 그들은 적절하게 바이어스되었을 때 트랜지스터가 전압 신호를 조작하는 것과 같은 방식으로 전자기파를 조작할 수 있는 벌크 재료 를 갖는 것이 가능한지 궁금했습니다 .
" Silveirinha와 그의 동료들이 수행한 최근 연구의 주요 목표는 광자 시스템의 정전기장에 의해 제어될 수 있는 비가역 및/또는 비가르미트 응답을 얻는 새로운 방법을 식별하는 것이었습니다. 전기장을 사용하여 제어할 수 있는 시스템은 유비쿼터스에 있고 더 나은 성능을 얻을 수 있고 크기를 줄이기가 더 쉽기 때문에 부피가 큰 자기 회로를 기반으로 하는 것과 같은 기존 솔루션에 비해 상당한 이점이 있습니다. "
우리 논문에서 우리는 역 대칭이 깨진 비선형 재료가 전기장에 의해 바이어스될 때 비평형 상황에서 다소 이국적인 비-에르미트 응답을 가질 수 있음을 이론적으로 보여줍니다."라고 Silveirinha가 말했습니다. "특히, 우리는 물질 비선형성과 정전기장 바이어스의 상호 작용이 반도체 MOSFET의 응답과 다소 유사하지만 3D 벌크 물질에서 벌크 비가역 및 비-에르미트 응답을 초래할 수 있다고 예측했습니다." 연구원들이 확인한 새로운 3D 벌크 메타물질은 매우 이국적인 물리학을 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 에르미트가 아닌 응답으로 인해 서로 다른 필드 모드가 독립적으로 전력을 전송하지 않으며 두 파동 간의 간섭으로 인해 소위 '파워 비트'가 발생할 수 있습니다.
벌크 재료는 필드 편광에 따라 이득 재료(즉, 에너지 획득) 또는 손실 재료(즉, 에너지 소산)로 작용할 수 있습니다. Silveirinha는 "우리는 3D 벌크 메타물질에서 점형 장치(즉, 0차원)인 트랜지스터의 작동을 모방하는 아이디어를 도입했습니다."라고 말했습니다. "우리는 성능, 통합성 및 소형화 측면에서 전기적으로 바이어스된 시스템의 우수성 때문에 우리 작업이 중요한 실제 응용 프로그램을 가질 수 있다고 믿습니다." 미래에 이 연구원 팀이 도입한 트랜지스터에서 영감을 받은 3D 벌크 메타물질을 사용하여 단일 방향으로 에너지를 전송하는 2포트 장치인 전자기 절연체를 만들 수 있습니다.
이러한 아이솔레이터는 특정 방향으로 빛을 전달하고 반대 방향으로 빛을 차단하는 장치인 패러데이 아이솔레이터에 대한 실행 가능한 대안이 될 수 있습니다. 이 장치는 일반적으로 역반사된 빛으로 인한 불안정한 피드백이나 손상으로부터 레이저 소스를 보호하는 데 사용됩니다. Silveirinha는 "전자기 절연체는 전체 광학 회로의 개발에 매우 중요합니다. 일반적인 통신 시스템이 모듈 방식으로 설계되기 때문입니다(즉, 특정 작업을 수행하거나 특정 방식으로 신호를 처리해야 하는 모듈 포함)."이라고 Silveirinha가 설명했습니다. "이상적으로는 주어진 모듈의 응답이 연결된 다른 모듈과 독립적이어야 합니다. 이를 위해서는 '단방향'(즉, 비상호) 상호작용." 장치에서 비가역적 상호작용을 가능하게 하는 것 외에도 새로 식별된 메타물질은 비-에르미트 응답을 나타내므로 전자기 신호를 증폭할 수 있습니다. 따라서 미래에는 테라헤르츠 레이저와 테라헤르츠 증폭기를 만드는 데에도 잠재적으로 사용될 수 있습니다. Silveirinha는 "우리가 식별한 non-Hermitian 및 nonreciprocal 응답이 다른 혁신과 장치로 이어질 수 있기 때문에 다음에 탐색할 흥미로운 경로가 많이 있습니다."라고 말했습니다.
"예를 들어, 새로운 종류의 발진기, 분산 증폭기, 광 절연기 및 순환기 및 나노 광자 응용 분야를 위한 기타 장치의 실현을 가능하게 할 수 있습니다. 현재 연구 노력의 일환으로 Silveirinha와 그의 동료들은 3D 벌크 메타물질의 다양한 가능한 실제 구현을 탐구하고 있습니다. 이들 중 가장 분명한 것은 트랜지스터 어레이를 포함하는 시스템을 만드는 데 사용하는 것일 수 있습니다. "우리의 예비 분석은 트랜지스터 어레이를 생성하는 데 사용될 때 메타물질이 실제로 원하는 응답을 제공할 수 있음을 보여줍니다."라고 Silveirinha가 덧붙였습니다. "우리는 현재 이러한 시스템의 1D 버전에 대한 실험적 시연을 작업 중입니다. 또한 우리는 관련 반응이 비평형 상황(예: 주입 전류)에서 천연 재료를 사용하여 실현될 수 있다고 믿고 있으며, 그 외 다른 기회." 추가 탐색 마이크로파 음향파의 비가역 전송 시스템 추가 정보: Sylvain Lannebère et al, Nonreciprocal and Non-Hermitian Material Response Inspired by Semiconductor Transistors, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.013902 저널 정보: Physical Review Letters
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.“Sonogenetics” Breakthrough: Researchers Control Mammalian Cells With Sound
"Sonogenetics" 돌파구: 연구원들은 소리로 포유동물 세포를 제어합니다
주제:뇌세포생물학유전학신경 과학솔크 연구소초음파 By SALK INSTITUTE 2022년 2월 9일 초음파유전학
Salk 과학자들은 음파를 사용하여 신경 세포 그룹을 선택적이고 비침습적으로 켤 수 있도록 뇌 세포를 제어하는 기술을 개발했습니다. 그것은 처음에 벌레에 사용되었고 지금은 포유류 세포에 사용되었습니다. 이 기술은 과학과 의학에 도움이 될 수 있습니다. 크레딧: Salk 생물학 연구소 제공
Salk 연구원들은 초음파로 뇌, 심장 또는 기타 세포를 활성화할 수 있는 소리에 민감한 포유동물 단백질을 찾아냅니다. Salk 과학자들은 초음파를 사용하여 활성화되도록 포유류 세포를 조작했습니다. 팀이 접시의 인간 세포와 살아있는 쥐의 뇌 세포를 활성화하는 데 사용한 이 방법은 심부 뇌 자극, 심박 조율기 및 인슐린 펌프의 비침습적 버전으로 가는 길을 열어줍니다. 연구 결과는 오늘(2022년 2월 9일) Nature Communications 에 게재될 예정입니다 . "무선화는 거의 모든 것의 미래입니다."라고 선임 저자인 Sreekanth Chalasani(Salk's Molecular Neurobiology Laboratory 부교수)는 말합니다.
"우리는 초음파가 안전하고 뼈, 근육 및 기타 조직을 통과할 수 있어 신체 깊숙이 세포를 조작하기 위한 궁극적인 도구가 될 수 있다는 것을 이미 알고 있습니다." 약 10년 전 Chalasani는 유전적으로 표시된 세포의 특정 그룹을 자극하기 위해 초음파를 사용하는 아이디어를 개척했으며 이를 설명하기 위해 " sonogenetics "라는 용어를 만들었습니다. 2015년에 그의 그룹은 회충 선충 ( Cenorhabditis elegans )에서 TRP-4라는 단백질이 세포를 저주파 초음파에 민감하게 만든다는 것을 보여주었습니다. 연구자 들이 일반적으로 가지고 있지 않은 C. elegans 뉴런에 TRP-4를 추가했을 때, 그들은 의료 초음파에서 사용되는 동일한 음파인 초음파 폭발로 이 세포를 활성화할 수 있었습니다.
마우스 뇌의 TRPA1 뉴런 마우스 뇌의 뉴런(자홍색). Chalasani 연구소는 특정 뉴런이 TRPA1(흰색)을 발현하도록 하여 초음파로 활성화할 수 있도록 했습니다. 크레딧: Salk Institute
그러나 연구자들이 포유류 세포에 TRP-4를 첨가하려고 시도했을 때, 단백질은 세포가 초음파에 반응하도록 만들 수 없었습니다. 소수의 포유류 단백질이 초음파에 민감한 것으로 보고되었지만 임상적 사용에 이상적인 단백질은 없었습니다. 그래서 Chalasani와 그의 동료들은 최적의 안전한 주파수로 간주되는 7MHz에서 세포를 초음파에 매우 민감하게 만드는 새로운 포유류 단백질을 찾기 시작했습니다. Salk의 전 프로젝트 과학자이자 새 논문의 공동 제1저자인 Yusuf Tufail은 "우리의 접근 방식은 포괄적인 방식으로 초음파에 민감한 채널을 찾기 시작했기 때문에 이전 스크린과 달랐습니다."라고 말했습니다. 연구자들은 일반적으로 초음파에 반응하지 않는 일반적인 인간 연구 세포주(HEK)에 수백 개의 서로 다른 단백질을 한 번에 하나씩 추가했습니다. 그런 다음 그들은 초음파 자극 시 세포의 변화를 모니터링할 수 있도록 각 세포 배양을 설정했습니다.
Sreekanth Chalasani, Corinne Lee-Kubli, Marc Duque 및 Yusuf Tufail 왼쪽부터: Sreekanth Chalasani와 Corinne Lee-Kubli. 왼쪽부터 아래: 마크 듀케와 유수프 투페일. 크레딧: 상단: Salk Institute. 왼쪽에서 아래: 마크 듀케와 유수프 투파일
1년 이상 동안 단백질을 스크리닝하고 거의 300명의 후보를 조사한 끝에 과학자들은 마침내 HEK 세포를 7MHz 초음파 주파수에 민감하게 만드는 하나를 발견했습니다. 채널 단백질인 TRPA1은 세포가 유해 화합물의 존재에 반응하도록 하고 뇌 및 심장 세포를 포함한 인체의 다양한 세포를 활성화시키는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 Chalasani의 팀은 채널이 HEK 세포의 초음파에 반응하여 열리기도 함을 발견했습니다. "우리는 정말 놀랐습니다." 논문의 공동 제1저자인 Salk 교환 학생인 Marc Duque는 말합니다. "TRPA1은 문헌에서 잘 연구되었지만 초음파에 반응할 것으로 예상되는 고전적인 기계적 감수성 단백질로 기술되지 않았습니다."
채널이 초음파에 대한 반응으로 다른 세포 유형을 활성화할 수 있는지 여부를 테스트하기 위해 팀은 살아있는 쥐의 뇌에 있는 특정 뉴런 그룹에 인간 TRPA1에 대한 유전자를 추가하는 유전자 치료 접근법을 사용했습니다. 그런 다음 마우스에 초음파를 투여했을 때 TRPA1 유전자를 가진 뉴런만 활성화되었습니다. 파킨슨병 및 간질을 포함한 상태를 치료하는 임상의는 현재 뇌에 전극을 외과적으로 이식하여 뉴런의 특정 하위 집합을 활성화하는 심부 뇌 자극을 사용합니다. Chalasani는 초음파유전학이 언젠가는 이 접근법을 대체할 수 있다고 말합니다.
다음 단계는 이미 연구 중인 혈액-뇌 장벽을 넘을 수 있는 유전자 치료 전달 방법을 개발하는 것입니다. 그는 아마도 더 빨리 초음파 유전학이 이식이 필요 없는 일종의 심박 조율기처럼 심장의 세포를 활성화하는 데 사용될 수 있다고 말합니다. "TRPA1과 같은 새로운 유전자를 인간의 심장에 전달하기 위한 유전자 전달 기술은 이미 존재합니다."라고 Chalasani는 말합니다. "그런 다음 외부 초음파 장치를 사용하여 해당 세포를 활성화할 수 있다면 심장 박동기에 혁명을 일으킬 수 있습니다." 현재 그의 팀은 TRPA1이 초음파를 감지하는 방법에 대한 보다 기본적인 작업을 수행하고 있습니다.
공동 제1저자인 Corinne Lee-Kubli는 "이 발견을 향후 연구 및 임상 적용에 더 유용하게 만들기 위해 TRPA1의 정확히 어떤 부분이 초음파 감도에 기여하는지 확인하고 이러한 감도를 향상시키기 위해 조정하기를 희망합니다."라고 말했습니다. 논문의 저자이자 Salk의 전 박사후 연구원입니다. 그들은 또한 초음파에 민감한 단백질에 대한 또 다른 스크리닝을 수행할 계획입니다. 이번에는 초음파에 반응하여 세포의 활동을 억제하거나 차단할 수 있는 단백질을 찾는 것입니다. 참조: "외인성 일시적 수용체 전위 A1 채널을 사용한 포유동물 세포의 초음파 유전학적 제어" 2022년 2월 9일, Nature Communications . DOI: 10.1038/s41467-022-28205-y 이 논문의 다른 저자는 Uri Magaram, Janki Patel, Ahana Chakraborty, Jose Mendoza Lopez, Eric Edsinger, Rani Shiao 및 Salk의 Connor Weiss였습니다.
UC 샌디에이고의 Aditya Vasan과 James Friend. 이 작업은 국립 보건원(R01MH111534, R01NS115591), 뇌 연구 재단, Kavli 뇌 및 정신 연구소, 생명 과학 연구 재단, WM Keck 재단(SERF), Waitt Advanced Biophotonics 및 GT3 Cores( NCI CCSG P30014195 및 NINDSR24를 통한 자금 조달).
https://scitechdaily.com/sonogenetics-breakthrough-researchers-control-mammalian-cells-with-sound/
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