Transistor quantistico a singolo fotone per i computer quantici | Giuseppe Benanti

 

Il transistor quantistico a semiconduttori, per il calcolo, oggi basato su fotoni 

I ricercatori dimostrano sul primo transistor a singolo fotone usando un chip semiconduttore: un singolo fotone, memorizzato in una memoria quantica, commuta lo stato di altri fotoni. I transistor minuscoli interruttori sono il fondamento del moderno computing: miliardi di loro trasmettono segnali elettrici all’interno di uno smartphone, ad esempio. I computer quantistici

Chip nei computer quantistici

abbisognano di hardware analogo per manipolare le informazioni quantistiche. I limiti di progettazione per questa nuova tecnologia sono rigorosi e i processori più avanzati di oggi non possono essere riutilizzati come dispositivi quantici. I vettori di informazioni quantistiche, soprannominati qubit, seguono regole diverse stabilite dalla fisica quantistica. Si possono usare molti tipi di particelle quantistiche come qubit, anche i fotoni che costituiscono la luce. I fotoniaggiungono appeal perché possono trasferire rapidamente le informazioni su lunghe distanze e sono compatibili con i chip fabbricati. Tuttavia, fare un transistor quantistico innescato dalla luce è difficile perché richiede che i fotoni interagiscano tra loro, qualcosa che normalmente non avviene spontaneamente. Al Joint Quantum Institute (JQI), Edo Waks dell’JQI, ha risolto questo ostacolo utilizzando il primo transistor a fotone singolo in un chip semiconduttore. E’ un dispositivo compatto: un milione di questi nuovi transistor può essere contenuto in un singolo granello di sale. È veloce, in grado di elaborare 10 miliardi di qubit fotonici ogni secondo. “Usando il nostro transistor, -afferma Waks– saremmo presto in grado di eseguire porte quantiche tra i fotoni”. Il software in esecuzione su un computer quantico userebbe una serie di tali operazioni per raggiungere una velocità esponenziale per alcuni problemi computazionali.Il chip fotonico

Un transistor fotonico

è costituito da un semiconduttore con numerosi fori, molto simile a un nido d’ape. La luce che entra nel chip rimbalza e rimane intrappolata dal “motivo” piazzato nel buco; un piccolo cristallo chiamato punto quantico si trova all’interno dell’area in cui l’intensità della luce è più forte. Analogamente alla memoria convenzionale del computer, il puntomemorizza le informazioni sui fotoni mentre entrano nel dispositivo. Il punto può attingere efficacemente a quella memoria per mediare le interazioni del fotone, quindi le azioni di un fotone influenzano gli altri che in seguito arrivano al chip. “In un transistor a singolo fotone -afferma Shuo Sun, ricercatore post-dottorato alla Stanford University- la memoria dei punti quantici deve persistere abbastanza a lungo da interagire con ogni qubit fotonico. Questo permette ad un singolo fotone di cambiare un flusso più grande di fotoni, essenziale per il nostro dispositivo che deve essere considerato un transistor.” Per verificare che il chip funzionasse come un transistor, è stato esaminato il modo in cui il dispositivo rispondeva a deboli impulsi di luce che di solito contenevano solo un fotone. In un ambiente normale, una luce così fioca potrebbe registrare a malapena. Tuttavia, in questo dispositivo, un singolo fotone rimane intrappolato per un lungo periodo, registrando la sua presenza nel punto vicinoUn singolo fotone poteva, interagendo con il punto, controllare la trasmissione di un secondo impulso luminoso attraverso il dispositivoIl primo impulso luminoso  dunque,agisce come una chiave, aprendo la porta per il secondo fotone per entrare nel chipSe il primo impulso non conteneva alcun fotone, il punto bloccava i successivi fotoni. Un comportamento simile a un transistor convenzionale in cui una piccola tensione controlla il passaggio della corrente attraverso i suoi terminali. I ricercatori hanno sostituito con successo la tensione con un singolo fotone e hanno dimostrato che il loro transistor quantico poteva commutare un impulso luminoso contenente circa 30 fotoni prima che la memoria del punto quantico si esaurisseWaks, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università del Maryland, dice che il suo team ha dovuto testare diversi aspetti delle prestazioni del dispositivo prima di far funzionare il transistor. “Finora, avevamo i singoli componenti, -afferma Waks-, necessari per creare un transistor a singolo fotone, ma qui abbiamo combinato tutti i passaggi in un unico chip”. Sun afferma che con miglioramenti ingegneristici realistici , consentirebbero di collegare molti transistor di luce quantistica. Dispositivi così veloci e altamente connessi alla fine porteranno a compatti computer quantici che elaborano un gran numero di qubit fotonici.

Quanti neutroni può contenere un nucleo ?

Quanti neutroni riesci a stipare in un atomo? Più di quanto pensassero i fisici.

Un ciclotrone superconduttore genera fasci di nuclei esotici presso il Riken

Radioactive Isotope Beam Facility
Il RIKEN a Wako

, i nuclei conosciuti e previsti formano un’andana a forma di sottaceto il cui limite inferiore segna la “linea di gocciolamento neutronico“: il numero massimo di neutroni che un nucleo può contenere.Radioactive Isotope Beam Facility di RIKEN a Wako, in Giappone, ed ha permesso di individuare i nuovi nuclei di calcio.
I fisici in Giappone hanno fatto esplodere i nuclei di calcio più pesanti mai visti, ciascuno contenente i 20 protoni necessari per creare l’elemento, ma con un numero enorme anche sino a 40 neutroni. È il doppio dei neutroni rispetto alla forma più comune di calcio e un paio in più rispetto al precedente. La scoperta suggerisce che potrebbe essere possibile stipare ancora più neutroni in nuclei di quanto si pensasse in precedenza, e potrebbe avere implicazioni per la teoria delle stelle di neutroni.

“E’ davvero un risultato importante e interessante, – afferma Daniel Phillips, fisico teorico nucleare all’Ohio University-Atene- poiché i modelli fisici della struttura nucleare sono sintonizzati su nuclei più comuni con un numero approssimativamente uguale di protoni e neutroni. Abbiamo bisogno di sapere quanto queste teorie errano, estrapolandole ai nuclei con rapporti più sbilanciati di protoni e neutroni”.

Il nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni tenuti insieme dalla forza nucleare forte. Il numero di protoni determina l’identità di un atomo come elemento chimico; il numero di neutroni determina l’isotopo di quell’elemento. Spesso è raffigurato un nucleo con tanti protoni e neutroni attaccati insieme come gumdrops, ma i nuclei reali sono molto più complicati. Sebbene sia costituito da particelle discrete, il nucleo medio agisce più come una gocciolina di fluido con una tensione superficiale. Allo stesso tempo, tuttavia, i nuclei hanno gusci di energia quantica astratti e possono essere più strettamente legati quando hanno un numero magico di protoni o neutroni che riempiono quei gusci – proprio come, su una scala più grande, gli atomi sono più inerti quando hanno riempito i gusci di elettroni. Inoltre, i teorici usano modelli diversi per spiegare questi comportamenti in competizione. Per nuclei relativamente leggeri, i modelli ab initio affrontano le interazioni di singoli protoni e neutroni. Tali modelli s’impantanano per nuclei più pesanti, quindi i teorici impiegano modelli più approssimati basati su “funzionali di densità” che trattano la distribuzione di protoni e neutroni come variabili continue. Le dozzine di tali modelli possono non essere d’accordo su cose semplici, come quanti neutroni si attaccheranno a un nucleo, un limite che i fisici spesso visualizzano su un grafico a griglia. Sul grafico, che mostra il numero di protoni sull’asse verticale e il numero di neutroni sull’asse orizzontale

Il team di 30 membri del laboratorio giapponese RIKEN di Wako e della Michigan State University (MSU) di East Lansing ha prodotto una serie di nuovi nuclei ricchi di neutroni che suggeriscono che la linea di gocciolamento, più lontana di quanto previsto da molte teorie. Il team ha “cacciato” nelle vicinanze di calcio, – dice Alexandra Gade, esperta di MSU- perché il suo numero magico di protoni già lo infonde con un legame più forte.

Usando la radioattività isotopica di RIKEN, hanno strappato i nuclei di zinco pesante sparando un raggio attraverso un bersaglio di berillio. Hanno quindi utilizzato un separatore magnetico molto preciso per selezionare la vasta gamma di nuclei presenti nel relitto. Il team ha prodotto otto nuovi nuclei ricchi di neutroni, tra cui, rispettivamente calcio-59 e calcio-60, con 39 e 40 neutroni. Per produrre due nuclei di calcio-60, i ricercatori hanno dovuto sparare 200 quadrilioni di nuclei di zinco nel bersaglio.

I nuovi risultati sembrano triplicare i modelli, ab initio, che generalmente predicono che il calcio-60 non dovrebbe esistere. In effetti, i dati suggeriscono, – dice Gade– che potrebbe essere possibile creare nuclei di calcio con ancora più neutroni. Dei 35 modelli confrontati dai ricercatori, i due che meglio si adattano a tutti i nuovi dati, predicono che l’isotopo di calcio esiste fino al calcio-70, che avrebbe un numero enorme di neutroni.

Gade mette in guardia contro qualsiasi generale generalizzazione sulla linea di gocciolamento. Tuttavia, – dice Phillips -, si spera che i risultati vincolino meglio la linea di gocciolamento in modo che gli sperimentatori non debbano semplicemente sentirlo. “Certamente spero, dice inoltre, che non si tratti di andare avanti per elemento”. Oltre alla sua fondamentale importanza, la posizione della linea di gocciolamento potrebbe avere implicazioni per l’astrofisica delle stelle di neutroni. Per esempio, si pensa che i processi nelle croste di questi resti stellari producano nuclei ricchi di neutroni direttamente nella linea di gocciolamento, dice Gade, quindi le proprietà precise e la struttura delle stelle incredibilmente dense, potrebbero dipendere dai dettagli della linea di gocciolamento.

Gli sperimentatori sperano di trovare anche isotopi più pesanti di calcio e di fare in modo che anche i nuclei studino le proprietà. Tali studi potrebbero diventare più facili nel 2022 quando MSU completerà il suo nuovo acceleratore da 730 milioni di dollari, l’impianto per i raggi isotopici rari (FRIB), che sarà ancora più potente della macchina di RIKEN. “Abbiamo esaminato i calcoli e [la FRIB], – dice Gade-, dovremmo essere in grado di vedere calcio-68 e calcio-70, se esistono”.

 Esperimenti internazionali sui neutrini

LBNF / DUNE: uno degli esperimenti internazionali su neutrini di punta

L’esperimento di neutrini a lunga base internazionale / Neutrino sotterraneo profondo, ospitato dal Fermilab del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, è un progetto scientifico di punta per svelare i misteri dei neutrini.                                                                                                                                                                                I neutrini sono le particelle di materia più abbondanti nell’universo e sono tutt’intorno a noi, ma ne sappiamo molto poco. Studiando i neutrini, gli scienziati di LBNF / DUNE dipingeranno un’immagine più chiara dell’universo e come funziona. La loro ricerca potrebbe persino darci la chiave per capire perché viviamo in un universo dominato dalla materia – in altre parole, perché siamo qui per niente. L’esperimento utilizzerà i potenti acceleratori di particelle del Fermilab per inviare il raggio più intenso del mondo di neutrini ad alta energia ai rivelatori di neutrini massivi di DUNE, che esploreranno le loro interazioni con la materia. Il pioniere di questo progetto di megascience internazionale si è svolto nel 2017, con la partecipazione di partner negli Stati Uniti e in tutto il mondo.

Per costruire e gestire LBNF / DUNE, il Fermilab riunisce oltre 1.000 scienziati di oltre 175 istituzioni in oltre 30 paesi. Il progetto si basa su competenze scientifiche e tecniche di università, laboratori e aziende in tutto il mondo. Quest’ambizioso progetto richiede rivelatori di particelle giganti, un intenso fascio di neutrini e un’infrastruttura internazionale per riunire tutto. Il progetto LBNF / DUNE guiderà i progressi della scienza e dell’industria in tutto il mondo. Il modello di costruzione distribuito del progetto, in cui i componenti sono costruiti negli Stati Uniti e in tutto il mondo, assicura che a ciascuno degli istituti e dei paesi partner vengano forniti vantaggi economici immediati in quanto i componenti vengono ricercati, costruiti e testati presso università, laboratori e aziende in tutto il mondo. Le scoperte da questo sforzo rivoluzionario potrebbero cambiare la nostra comprensione dell’universo.

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)

DUNE è costituito da due enormi rivelatori di particelle all’avanguardia: uno più piccolo al Fermilab in Illinois e uno molto più grande da costruire un miglio sotto la superficie del Sanford Underground Research Facility nel South Dakota. Il rilevatore del Dakota del Sud sarà il più grande del suo genere mai costruito e userà 70.000 tonnellate di argon liquido e tecnologia avanzata per registrare interazioni di neutrini con una precisione senza precedenti. I prototipi più piccoli del rilevatore di distanza DUNE sono in costruzione presso il laboratorio europeo CERN, e i rilevatori completi ei loro sistemi di calcolo sono progettati e costruiti da una collaborazione di scienziati provenienti da oltre 30 paesi.

La struttura del neutrino a base lunga (LBNF)

LBNF ospiterà il rivelatore lontano DUNE a un miglio di distanza a Sanford Lab, così come il rilevatore vicino più piccolo al Fermilab. I rivelatori DUNE necessitano di strutture sotterranee dotate di una complessa tecnologia criogenica per mantenerle alla temperatura operativa di meno 300 gradi Fahrenheit. Nei prossimi anni, 875.000 tonnellate di roccia saranno scavate nelle caverne sotterranee di Sanford Lab e verrà costruita una nuova struttura scientifica. Al Fermilab, verrà costruita una nuova linea di luce per inviare al Sud Dakota del Sud un intenso fascio di neutrini da laboratorio ad alta energia di 1.300 chilometri (attraverso la pietra e la terra, senza tunnel).

Il progetto Proton Improvement Plan II (PIP-II)

L’esperimento DUNE richiede il fascio di neutrini ad alta energia più ricco di particelle al mondo – e questo è esattamente ciò che PIP-II fornirà. Il complesso acceleratore di particelle del Fermilab produce già il fascio di neutrini ad alta energia più intenso al mondo, ma un nuovo acceleratore lineare superconduttore, costruito con partner in tutto il mondo, renderà questo raggio ancora più potente. Il nuovo acceleratore lineare PIP-II sarà costruito con l’ultima tecnologia superconduttiva a radiofrequenza sviluppata presso il Fermilab e, insieme ad altri miglioramenti del complesso dell’acceleratore, fornirà il miglior fascio di neutrini possibile per DUNE. PIP-II è il primo acceleratore da costruire negli Stati Uniti che avrà importanti contributi da partner internazionali.

 

CERN ricerca neutrini in modalità DUNE
Neutrini trasformisti

Nuovi progressi sulle metastasi del tumore al seno più aggressivo

I ricercatori USC hanno individuato un rimedio per contrastare una proteina che aiuta la diffusione metastatica del cancro al seno, tra le principali cause di morte per le donne.

I ricercatori di cellule staminali USC presso la Keck School of Medicine di USC offrono una nuova soluzione per sopprimere il cancro della metastasi nei polmoni. 

È positivo per i pazienti con carcinoma mammario triplo negativo (TNBC) – il tipo più letale – e comprende il 20% dei casi di cancro al seno, particolarmente difficile da trattare.

Si è sviluppato perciò un intenso interesse a trovare nuovi trattamenti per TNBC.

“Per questo sottotipo di tumore al seno, disponibili poche scelte di trattamento per le metastasi target e, tipicamente, questi trattamenti sono di alta tossicità, – ha detto Min Yu, assistente professore di biologia delle cellule staminali e medicina rigenerativa, investigatore all’Eli e Edythe Broad Center (medicina rigenerativa) e (ricerca sulle staminali) all’USC e l’USC Norris Comprehensive Cancer Center– per cui una migliore comprensione delle cellule tumorali e delle loro interazioni con organi e tessuti aiuterebbe.”

 

Ricercatori USC confezionarono un farmaco per combattere il cancro al seno, con minuscole particelle di lipidi (i mattoni del grasso). Iniettate nei topi di laboratorio, le particelle rilasciarono il farmaco nel tessuto tumorale, riducendo i tumori metastatici nei polmoni.

Nel laboratorio di Yu, Oihana Iriondo e colleghi inibendo una proteina chiamata TAK1, riducevano le metastasi polmonari nei topi con TNBC .(Il TAK1 permette alle cellule maligne del seno di sopravvivere nei polmoni e formare nuovi tumori metastatici).

 

Le metastasi sono la causa più comune di morte correlata al cancro. Un potenziale farmaco, chiamato 5Z-7- Oxozeaenol o OXO, può inibire il TAK1 e presumibilmente rende molto più difficile per le cellule di cancro al seno di formare metastasi polmonari.Tuttavia, OXO non è stabile nel sangue e pertanto non funzionerebbe nei pazienti.

 

Per superare l’ostacolo, Yu e suoi collaboratori hanno sviluppato una sinergia con il laboratorio di Pin Wang presso l’USC Viterbi School of Engineering. La squadra di Wang ha sviluppato una nanoparticella – composta da una minuscola sacca di grasso – che funziona come una bomba intelligente per trasportare la droga attraverso il flusso sanguigno e consegnarla direttamente ai tumori.

Questa nanoparticella è caricata con OXO per trattare topi che erano stati iniettati con cellule di cancro al seno umano. OXO non ha ridotto i tumori primari nel seno, ma ha ridotto notevolmente i tumori metastatici nei polmoni con effetti collaterali tossici minimi.

 

“Sui pazienti con carcinoma mammario triplo negativo, – ha detto Yu – le chemioterapie sistemiche in gran parte sono inefficaci e molto tossiche. Le nanoparticelle sono un approccio promettente per fornire trattamenti più mirati, con l’OXO, per fermare il processo mortale delle metastasi”.

Il carcinoma mammario metastatico è classificato come carcinoma mammario allo stadio 4, una volta diffuso in altre parti del corpo, di solito polmoni, fegato o cervello. (Raggiunge questi organi penetrando nel sistema circolatorio o linfatico e migrando attraverso i vasi sanguigni, secondo la National Breast Cancer Foundation).

 

Il cancro al seno, tumore più comune nelle donne americane, ad eccezione dei tumori della pelle, possiede un rischio medio di sviluppo di 1 su 8 per una donna statunitense, secondo l’American Cancer Society.

Circa 266.120 nuovi casi di carcinoma mammario invasivo diagnosticati ogni anno nelle donne: circa 40.920 donne moriranno, secondo le stime dell’ACS.

La ricerca USC è in sviluppo, utilizzando test sugli animali. Il metodo scoperto sembra promettere, ma saranno necessarie altre ricerche per essere applicato agli esseri umani come trattamento.

 

 

I nuovi orizzonti della batteria-litio-zolfo

Nel 2014, il drone Zephyr 7 di Airbus
basato sulle batterie al litio-zolfo si è prodotto in un volo non-stop di 11 giorni. La nuova generazione di batterie al litio potrebbe potenziare i droni aerei ed anche, i robot subacquei

I motori di Oxis Energy, startup di Abingdon, nel Regno Unito, stanno costruendo batterie con una batteria di litio e zolfo che immagazzinano quasi il doppio dell’energia per chilogrammo delle attuali batterie agli ioni di litio delle auto elettriche. Le batterie non durano molto a lungo, e vanno eliminate dopo circa 100 cicli di ricarica. La piccola fabbrica pilota di Oxis punta a una produzione annua da 10.000 a 20.000 batterie, ma ancora non arriva a questa produttività.  David AinsworthChief Technology Officer, afferma che la società punta su un premio molto più grande: il mercato dei veicoli elettrici da $ 100 miliardi. “I prossimi anni, – afferma Ainsworth – saranno critici, perché insieme ad altri vediamo il litio-zolfo


Batterie litio-zolfo
, erede apparente agli ioni di litio e quindi come tecnologia dominante della batteria”. Sono incoraggiati da una serie di recenti rapporti e scoperte che lasciano intravvedere come molte delle sfide della tecnologia e della durata possono essere superate. “Si vedono progressi, – dice Brett Helms, chimico del Lawrence Berkeley National Laboratory -California- su una serie di fronti “. “È davvero un compito arduo creare batterie al litio-zolfo, -ha affermato Linda Nazar, (Università di Waterloo – Canada) chimico e pioniere al litio-zolfo ad alta capacità.  Sono economiche, leggere, piccole e sicure, ma rimane cauta. Migliorando un fattore, – poi aggiunge-, spesso viene a scapito degli altri. Non è possibile, adesso, ottimizzare tutti contemporaneamente.” Le batterie agli ioni di litio contengono due elettrodi, un anodo e un catodo separati da un elettrolita liquido che consente agli ioni di litio di muoversi avanti e indietro durante i cicli di carica. All’anodo, gli atomi di litio sono incuneati tra strati di grafite, un tipo di carbonio altamente conduttivo. Mentre la batteria si scarica, gli atomi di litio rilasciano elettroni e generano una corrente. Gli ioni di litio caricati positivamente si muovono nell’elettrolito. Dopo aver alimentato qualsiasi cosa, da un cellulare a un’automobile elettrico, tipo Tesla
, gli elettroni si riavvolgono al catodo, che è in genere costituito da un mix di diversi ossidi metallici. Qui, gli ioni di litio positivi nell’elettrolito si accovacciano accanto agli atomi di metallo che hanno assorbito gli elettroni in movimento. Il caricamento inverte questo rimescolamento molecolare mentre una tensione esterna spinge gli ioni di litioa liberare i loro ospiti metallici e ritornare all’anodo. I catodi di ossido di metallo sono affidabili. Ma i metalli, in genere una combinazione di cobalto, nichel e manganese, sono costosi. E servono due atomi di metallo che lavorano insieme per contenere un singolo elettrone, questi catodi sono pesanti, limitando la capacità di queste cellule a circa 200 wattora per chilogrammo (Wh / kg). Lo zolfo è molto più economico e ogni atomo di zolfo può contenere due elettroni. Teoricamente, una batteria con un catodo di zolfo può immagazzinare 500 Wh / kg o più.

 

Le parti costitutive secondo una ricerca cinese di una batteria litio-zolfo

La tecnologia delle batterie agli ioni di litio (LIBs) è una delle più importanti fonti di alimentazione mobile per laptopfotocamere e smartphone. L’attuale densità energetica delle LIB si avvicina al limite teorico, e sottolinea l’urgente necessità di nuovi sistemi di batterie ad alta densità energetica.Le batterie al litio-zolfo sono più piccole e più leggere delle batterie agli ioni di litio. Ma lo zolfo non è un materiale ideale per un elettrodo. È isolante: non passerà gli elettroni agli ioni di litio che attraversano l’anodo. Questo fino al 2009, quando i ricercatori di Nazar hanno dimostrato che lo zolfo poteva essere incorporato all’interno di un catodoche, come l’anodo, era fatto di carbonio conduttivo. Ha funzionato, ma ha portato altri problemi. Forme di carbonio come la grafite sono altamente porose. Ciò aumenta le dimensioni complessive della batteria senza aumentare la capacità di memorizzazionee significa che sono necessari più costosi elettroliti liquidi per riempire i pori. Ancora peggio, quando gli ioni di litio si legano agli atomi di zolfo del catodo, reagiscono formando molecole solubili chiamate polisolfuri che galleggiano via, via degradando il catodo e limitando il numero di cicli di carica. polisolfuri possono anche migrare verso l’anodo, dove possono devastare ulteriormente. Progressi stanno arrivando su tutti i fronti. Tre gruppi hanno fatto passi da gigante nel risolvere i problemi al catodo. I ricercatori guidati da Helms aggiungendo uno strato di polimero a un catodo di carbonio-zolfo, sigillano i polisolfuri e consentono alla batteria di sopravvivere a 100 cicli di carica. Un altro gruppo, guidato da Arumugam Manthiram (Università del Texas-Austin), sostituisce la grafite in un catodo con grafene. Il grafene è altamente conduttivo in fogli di uno spessore di un solo atomo. I catodi di grafene hanno una quantità di zolfo cinque volte superiore a quella di grafite tradizionale, aumentando così lo stoccaggio di energia.

Tra i sistemi di accumulo ad alta densità di energia, le batterie al litio-zolfo, con una densità energetica di 2600 Wh kg-1 (circa 3 ~ 5 volte quella delle tradizionali LIBs), hanno il potenziale per servire come prossima generazione di batterie ad alta energia. Lo zolfo possiede una conduttività elettrica molto bassa di 5×10-30 S cm-1 a temperatura ambiente. Pertanto, 30-70 wt. materiali conduttivi per cento, ad es. nanotubi di carbonio, grafene, carbonio poroso e polimeri conduttivi, devono essere aggiunti nell’elettrodo per l’alto utilizzo di zolfo con la tecnologia di elaborazione corrente. L’aggiunta di materiali di nanocarburi con bassa densità di impilamento neutralizza l’alta densità di energia, in particolare la densità volumetrica delle batterie al litio-zolfo.

I ricercatori del prof. Qiang Zhang (Tsinghua University -Pechino) hanno sviluppato una nuova strategia per aumentare la quantità di zolfo caricata fino al 90% in peso di materiali catodici basati su un impalcatura CNT / S
allineato, a vantaggio della densità di energia volumetrica ultraelevata di batterie allitio-zolfo. Una capacità volumetrica di 1116 m Ah · cm-3 e una densità di energia volumetrica di 434 Wh · L-1, due parametri che sono stati ottenuti in base al volume della cella totale, inclusi catodocollettore di correntemembranaanodo, ben oltre il litio sottile- batteria del film. “La progettazione di materiali a base di catodi di zolfo, -ha affermato Qiang– per batterie al litio con zolfo con elevata densità di energia volumetrica è fondamentale per le applicazioni pratiche. Hanno selezionato impalcatureCNT allineati come impalcature ultra-leggere perché dimostrano un’architettura porosa gerarchica, una conduttività elettrica estremamente elevata, bassa densità e basso costo.”

 In effetti, tali tipi di CNT allineati con una lunghezza di 20-200 μm sono stati prodotti in serie in un reattore a letto fluido a un costo inferiore a $ 100 per kg-1. “Questi CNT allineati possono essere facilmente dispersi in un polimero con una soglia di percolazione estremamente bassa conduttiva dello 0,0025% in peso, ma possono anche servire da impalcatura conduttrice ad alta efficienza per materiali di zolfo“. Il prof. Fei Wei aggiunge: “Abbiamo trovato un metodo scalabile, a temperatura ambiente, ad un passo per la fabbricazione di un catodo CNT / zolfo allineato. Il materiale composito del catodo possiede un contenuto di zolfo ultraelevato del 90% in peso e un’alta densità di 1,98 g cm-3, che è da 2 a 4 volte quello del catodo composito solfo carbonio di routine, pertanto la densità volumetrica di energia di questa ricerca è ben oltre il risultato riportato. “Il prof. Zhang, sottolinea che questo approccio incentiva la costruzione di batterie al litio-zolfo con un’elevata densità di energia volumetrica utilizzando un catodo composito ad alta densità con una quantità elevata di caricamento di zolfo. Il futuro sviluppo delle batterie al litio di zolfo potrebbe concentrarsi sulla strategia di alleviare l’effetto navetta e sopprimere i dendriti di litio e un ulteriore miglioramento della densità di energia gravimetrica e volumetrica dei sistemi elettrochimici al litio-zolfo.

L’Osiris Rex ha già ricercato gli asteroidi troiani della Terra


Un veicolo spaziale della NASA ha iniziato la sua ricerca per una classe enigmatica di oggetti vicini alla Terra noti come asteroidi troian. OSIRISRex, questo è il nome di questa particolare sonda spaziale,ora in un viaggio di andata di due anni verso l’asteroide Bennu, spenderà quasi due settimane alla ricerca di prove concrete su questi piccoli corpi.

La sonda OSIRISRex

The OSIRIS-REx spacecraft being lifted into the thermal vacuum chamber at Lockheed Martin for environmental testing.

ha già ricercato nel territorio degli asteroidi troian. La ricerca è avviata, appena la navicella transita nella regione lagrangiana [L4] della Terra.
Gli asteroidi troian, sono intrappolati in pozzi gravitazionali stabili, chiamati punti di Lagrange, che precedono o seguono un pianeta. OSIRIS-Rex ora è in viaggio verso il quarto punto di Lagrange della Terra, che si trova a 60° davanti in orbita della Terra intorno al Sole, circa a 150 milioni di chilometri dal nostro pianeta. Il team della missione avrà l’occasione di prendere più immagini della zona con fotocamera MapCam della sonda, nella speranza di individuare nella regione asteroidi Terra-Trojan .
Anche se gli scienziati hanno scoperto migliaia di asteroidi troian che accompagnano altri pianeti, solo un asteroide trojan è stato identificato fino ad oggi, l’asteroide 2010 tk7. Gli scienziati prevedono che ci dovrebbero essere più Trojan che condividono l’orbita della Terra, ma sono difficili da individuare dalla Terra, appena appaiono nei pressi del Sole sull’orizzonte della Terra.
“Poiché il quarto punto di Lagrange terrestre è relativamente stabile,-ha detto Dante Lauretta– è possibile che resti del materiale che ha costruito Terra intrappolato all’interno.Quindi questa ricerca offre l’opportunità unica di esplorare i mattoni primordiali della Terra.”
La ricerca è già iniziata e proseguirà. Ogni giorno di osservazione, la fotocamera MapCam della sonda, proporrà 135 immagini d’indagine che saranno elaborate ed esaminati dagli scienziati d’imaging della missione presso l’Università di Arizona-Tucson. Il piano di studi prevede anche l’opportunità per MapCam di ricavare un’immagine di Giove, diverse galassie, e gli asteroidi della fascia principale 55 Pandora, 47 Aglaja e 12 Victoria.
• Se la squadra scopre eventuali nuovi asteroidi, la ricerca sarà un esercizio utile. Le operazioni necessarie per la ricerca di asteroidi trojan sono molto simili a quelli richiesti per la ricerca dei satelliti naturali e altri potenziali pericoli intorno a Bennu quando la sonda si avvicinerà al suo obiettivo, nel 2018. Essere in grado di praticare queste operazioni mission-critical in anticipo aiuterà la squadra di Osiride-Rex a ridurre i rischi della missione, una volta che il veicolo spaziale arriva a Bennu.
Punto di Lagrange L4
• 2010 TK7
2010 TK7 è il primo asteroide troiano della Terra conosciuto.
• L’oggetto è stato scoperto nell’ottobre del 2010 attraverso il Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), un telescopio orbitante della NASA per l’osservazione nell’infrarosso, in prossimità del punto di Lagrange L4, che precede la Terra nella sua orbita attorno al Sole. Un telescopio spaziale è un satellite oppure una sonda spaziale lanciata con l’espresso scopo di osservare pianeti, stelle, galassie e altri oggetti celesti, esattamente come un telescopio basato a terra. Sono stati lanciati numerosi telescopi spaziali, che hanno contribuito enormemente alla nostra conoscenza del cosmo. Successive osservazioni nel visibile hanno permesso di stabilire che l’asteroide segue una traiettoria complessa (indicata come librazione) attorno a tale punto di equilibrio, confermandone la natura di asteroide troiano della Terra.
• Per 2010 TK7 è stato stimato un diametro di circa 300 m.

Punto di Lagrange L5
• Allo stato attuale, nessun oggetto è stato confermato, né sono stati individuati potenziali oggetti orbitanti in corrispondenza di L5.
Nel 2017 la sonda OSIRISREx ha sorvolato il punto di Lagrange L5 e ha effettuato delle osservazioni per cercare eventuali asteroidi troiani. I dati del sorvolo devo essere ancora esaminati.
Un oggetto particolare legato alla Terra è l’asteroide 3753 Cruithne, un oggetto di 5 km posto in una particolare orbita detta a ferro di cavallo; si tratterebbe con probabilità di un legame temporaneo. Diversi altri oggetti scoperti presentano orbite simili, tuttavia benché siano in risonanza 1:1 con l’orbita terrestre, non sono considerabili troiani in quanto non librano attorno ai punti di Lagrange L4 ed L5.

Il Goddard Space Flight Center della NASA gestisce globalmente la missione, ingegneria dei sistemi e la garanzia della sicurezza e della missione per OSIRIS-Rex. Dante Lauretta (University of Arizona,_Tucson), è il principale ricercatore, e l’Università dell’Arizona porta anche il team scientifico e la pianificazione di osservazione della missione e la trasformazione. Lockheed Martin Space Systems di Denver ha costruito il veicolo spaziale e sta fornendo il controllo e le operazioni di volo. Goddard e KinetX Aerospace sono responsabili per la navigazione del veicolo spaziale OSIRIS-Rex. OSIRIS-Rex è la terza missione programmata da New Frontiers della NASA. Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, Alabama, gestisce il programma New Frontiers dell’agenzia per la Science Mission Directorate a Washington.
OSIRISRex è stato lanciato nel 2016 da Cape Canaveral, per un viaggio di andata e ritorno da Bennu. Durante la missione che si sviluppa nell’arco temporale di 7 anni, la nave spaziale andrà su Bennu, mappando in dettaglio l’asteroide e restituendo un campione di materiale di superficie sulla Terra. Appena OSIRISRex farà uno stretto passaggio della Terra il 22 settembre 2017, e potrà “prendere in prestito” una piccola quantità di energia orbitale del pianeta per aumentare l’inclinazione del veicolo spaziale e fiondarsi nello spazio per un incontro ravvicinato con Bennu. Nel mese di marzo, OSIRISRex ha anche raggiunto la sua distanza più lontana dal nostro pianeta prima di arrivare nel luogo dello spazio detto “Terra Gravity Assist”. Il veicolo spaziale viene tenuto sotto controllo mentre si dirige verso la Terra per il suo sorvolo.

Con i PIP (Proton Imploved Plan) nuova produzione di neutrini

La divisione neutrino è  di casa per gli scienziati del Fermilab e per il personale e gli utenti provenienti da istituzioni accademiche di tutto il mondo, che si occupano di funzionamento e di esperimenti sui neutrini, di analisi e progettazione di nuove ricerche.

La missione

  • Ospitare un programma leader mondiale di esperimenti sui neutrini
    • Far funzionare il programma in corso: Nova,

      Una parte della struttura del NOVA
    • MicroBooNE,
    • Minerva
      Raffronta i neutrini con cinque tipi diversi di atomi

      , MINOS +,

      Per cercare di spiegare una parte dei misteri del sapore dei neutrini
    • Lariat
    • Coordinare ed eseguire un nuovo programma internazionale di esperimenti sui neutrini a breve e lungo basali
  • Fornire supporto alla comunità di utenti neutrino di partecipare a tutti gli aspetti di questo programma
    • Variare le competenze tecniche nella progettazione, direzione lavori, le operazioni, ecc per organizzare uffici e spazi di incontro

Lo studio dei neutrini

Le particelle subatomiche chiamate neutrini sono tra i più sfuggenti nel particolare regno delle particelle. Gli scienziati hanno costruito rivelatori sotterranei, sottomarini, e al Polo Sud per misurare queste particelle spettrali che provengono dal Sole, da Supernovae e da molti altri oggetti celesti.

I neutrini riempire l’intero universo, con circa 10 milioni di loro per 28,32 dm 3, e la maggior parte di loro passa direttamente attraverso la terra, e attraverso rivelatori di particelle, senza lasciare traccia. Quasi mai interagiscono con la materia, solo esperimenti massicci e sofisticati possono catturare e misurare le proprietà dei neutrini.

Oltre a misurare i neutrini dal cielo, i fisici sulla Terra usando potenti acceleratori  producono fasci di neutrini contenenti miliardi di neutrini, di cui una frazione molto piccola può essere misurata da rilevatori disposti in linea di fascio. Al Fermilab, l’esperimento di neutrini a base di acceleratore disposto a forma di Ciambella ha portato nel 2000 alla scoperta del neutrino tau , il terzo dei tre tipi noti di neutrini.

Il Numi linea di luce ed il Booster Neutrino linea

Una parte del complesso meccamismo del Booster

di luce garantiscono fasci di neutrini ad alta intensità per esperimenti del Fermilab, come MINOS + e Minerva

Raffronta i neutribni con cinque tipi diversi di atomi

, e due nuovi esperimenti sui neutrini MicroBooNE e Nova .

L’importanza dei neutrini

  • La fisica delle particelle ha fatto grandi progressi nell’ultimo mezzo secolo sondando la metà  con la modalità quark (una qualsiasi delle particelle subatomiche che trasportano una carica elettrica frazionata, postulata come elementi costitutivi degli adroni. I quark non sono stati osservati direttamente, ma le previsioni teoriche basate sulla loro esistenza sono state confermate sperimentalmente) delle particelle fondamentali. Ora si propone un meccanismo simile per i neutrini. La miscelazione tra le 3 generazioni di neutrini sta cominciando a sembrare molto diverso alla sua controparte quark. Non sappiamo perché, ma probabilmente è importante. I neutrini potrebbe essere la chiave per comprendere il motivo per cui le particelle fondamentali esistono in 3 generazioni.
  • I neutrini sono le vere stranezze delle particelle fondamentali ( non solo interagiscono debolmente, sono ultra piccoli, ma hanno masse non-zero). La scienza avanza spesso quando si studia le stranezze ( per esempio Comprensione dei processi di vita in generale, studiando la vita attorno ai fori di acque profonde)
  • I neutrini interagiscono solo debolmente può, ma sono la particella più abbondante nell’universo con un ruolo fondamentale nell’evoluzione del nostro universo
  • Una differenza tra come i tipi di neutrini si mescolano e come il mix di tipi antineutrini si ritiene che siano la ragione per cui la materia domina anti-materia nel nostro universo (cioè perché esiste il mondo sulla Terra come lo conosciamo)

MINERvA è il primo esperimento del neutrino nel mondo ad usare un fascio ad alta intensità per studiare le reazioni dei neutrini con cinque nuclei differenti, creando il primo confronto autonomo delle interazioni in diversi elementi. Mentre questo tipo di studio è stato precedentemente fatto utilizzando fasci di elettroni, questo è il primo per i neutrini.MINERvA fornisce le migliori misure di precisione a livello mondiale di interazioni neutrino su vari nuclei, nell’ambito della gamma di energia da 1 a 10-GeV. I risultati di MINERvA vengono usati come input per gli esperimenti attuali e futuri, cercando di studiare oscillazioni al neutrino o la capacità dei neutrini di cambiare il loro tipo.Le misurazioni dell’interazione di neutrino di MINERvA forniscono anche informazioni sulla struttura dei protoni e dei neutroni e sulle dinamiche forti della forza che influenzano le interazioni del neutrino nucleone. Questa ricerca nucleare completa gli sforzi in corso in laboratori che stanno studiando come gli elettroni interagiscono con i nuclei.MINERvA è unica nel campo degli esperimenti di neutrino, grazie alla combinazione del suo compatto rivelatore, all’utilizzo di uno dei fasci neutrini ad alta intensità del mondo e alla vicinanza del rivelatore al fascio. Questo meccanismo fornisce un ampio campione di interazioni di neutrino, consentendo alla collaborazione di eseguire misure di interazione di elevata precisione in una vasta gamma di energie a neutrino e di materiali target.La comprensione delle proprietà dei neutrini e delle forze che regolano il loro comportamento permettono ai fisici di utilizzarli come strumenti per comprendere i nucleoni di funzionamento interiore e per potenzialmente aiutare a sbloccare i misteri della materia oscura, dell’energia oscura e  su come la materia ha dominato l’antimateria nell’universo, la formazione di pianeti e persone.

Il MINOS

Per cercare di spiegare una parte dei misteri del sapore dei neutrini

(Main Injector Nuetrino Oscillation Search) spedisce un raggio di neutrini dal Fermilab, in superficie, fino ad una lontana miniera nel nord della Minnesota, chiamata Soudan mine. Esattamente come OPERA al CERN, il motivo della ricerca è quello di scoprire qualcosa in più riguardo ai cambiamenti di sapore dei neutrini (in fisica quantistica il sapore è un numero quantico delle particelle elementari correlato alle loro interazioni deboli). Ma può essere usato anche per misurare con incredibile precisione la velocità delle particelle che percorrono questa distanza.Quello che cercherà di fare il team di MINOS sarà replicare i loro risultati usando un sistema GPS più sofisticato e più orologi atomici, oltre a luci LED per rilevare il raggio di neutrini. Questi aggiornamenti sono già in fase di allestimento secondo i fisici di “Symmetry Breaking”, un blog pubblicato dal Fermilab e dal SLAC National Accelerator Laboratory.

NOVA

L’esperimento di oscillazione neutrino basata su base Fermilab.
L’esperimento di NOvA è l’esperimento di Fermilab per l’oscillazione di neutrino, utilizzando un fascio intenso di neutrini muoni  prodotti a Fermilab. I neutrini sono diretti al rilevatore lontano da 14 kton liquido-scintillatori situato a 810 km di distanza nel Minnesota settentrionale (fiume di cenere) dopo aver attraversato i 300 ton presso il rivelatore vicino all’origine del fascio. Il rivelatore lontano è stato completato all’inizio del 2014 e attualmente sta prendendo dati. NOvA tenterà di scoprire la gerarchia di massa del neutrino e l’angolo di fase violente CP insieme a molte altre misurazioni interessanti. La prima esecuzione di NOvA dovrebbe durare 6 anni.
Il contributo del gruppo CSU si concentrerà sul funzionamento del rilevatore vicino, nonché sulle misurazioni effettuate con questo rilevatore. Matt Judah spenderà l’estate al laboratorio per sviluppare le competenze in operazioni e manutenzione vicino al rilevatore, mentre inizierà l’analisi dei dati.

PIP-II

Il progetto PIP II

Parte dello schema del Pip II

consentirà un grande aumento del potere die fasci di protoni del Fermilab. Questo, a sua volta produrrà più potenti fasci di neutrini.

Con l’esperimento neutrino NOVA  è stato osservato il primo antineutrino, solo due ore dopo il complesso acceleratore del Fermilab ha saputo commutare l’antineutrino, in modalità di consegna. La collaborazione Nova ha visto la produzione dell’antineutrino nel rivelatore di gran lunga più lontano dell’esperimento, che si trova nel nord del Minnesota. Si  spera su Nova per saperne di più su come e perché il cambiamento neutrini tra un tipo e l’altro. I tre tipi, chiamati sapori, sono il muone, elettrone e neutrino tau. Sulle lunghe distanze, i neutrini possono cambiare fra questi sapori. Nova è stato  specificamente progettato per studiare i neutrini muonici  che cambiano in neutrini elettronici. Svelare il mistero può aiutare gli scienziati a capire il motivo per cui l’universo è composto di materia e perché che la materia non è stato annientato dalla antimateria dopo il Big Bang.