Анализ модового состава такого лазера и симуляция распространения в нем света подтвердили, что лучевые траектории мод совпадают с соответствующими геодезическими линиями. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Неевклидова геометрия оказала большое влияние на развитие математической физики. Поиск кривых, которые соответствуют кратчайшему пути (геодезических линий или просто геодезических), на многообразиях произвольных размерностей и метрик стал драйвером развития классической механики, оптики и релятивизма. С ними напрямую связан принцип наименьшего действия, который определяет траектории объектов в классической физике. Если для плоской геометрии он предписывает прямые линии для свободного тела или луча света, то в искривленном пространстве эти траектории будут сложнее.
Из всех разделов физики оптика стала наиболее подходящей дисциплиной для контролируемого лабораторного исследования процессов в неевклидовых структурах. Это стало возможным благодаря прогрессу, достигнутому в области литографического изготовления сложных трехмерных структур с микронным разрешением. В силу схожести волновых законов света с другими волновыми явлениями эксперименты по неевликодой фотонике могут стать полигоном для проверки аналогичных эффектов в акустике, гидродинамике, гравитации и квантовой механике, которые невозможно провести напрямую.
Одним из таких экспериментов стала работа группы физиков из Китая и Франции под руководством Джозефа Зисса (Joseph Zyss), которые исследовали свойства микрорезонатора в форме ленты Мёбиуса, превратив его в лазер. Анализируя спектральный состав излучения такого микролазера, авторы определили, что соответствующие моды микрорезонатора описываются с помощью геодезических ленты.
Обычный кольцевой микрорезонатор содержит в себе моды шепчущей галереи. С точки зрения лучевой оптики такие моды соответствуют многократному отражению от внешней границы резонатора (это приближение можно использовать, когда размеры резонатора много больше длины волны). В пределе, когда луч почти скользит по поверхности, а общее число отражений становится очень большим, замкнутый оптический путь шепчущей моды равен периметру резонатора, умноженному на показатель преломления. Лента Мёбиуса же отличается об обычного кольца тем, что у него всего одна граница и одна неориентируемая поверхность. Это делает невозможным существование в ней мод шепчущей галереи. Луч, скользящий, вдоль ее границы, в конце концов оторвется от нее на вогнутой части ленты.
Ответ на вопрос о том, какие должны быть моды у такого необычного резонатора, может дать поиск его геодезических с помощью вариационного принципа. В силу сложности рассматриваемой структуры физики численно варьировали их длину в приближении тонкой ленты. Это позволило снизить размерность уравнения Гельмгольца с трех до двух, а также игнорировать поляризацию. В результате такого полуклассического анализа авторы получили набор собственных мод микрорезонатора в форме ленты Мёбиуса, которые они классифицировали по количеству отражений луча от границ. Среди них выделяются геодезические с большим углом между направлением луча и границей, для которых все отражения чередуются на разных сторонах ленты, а также такие кривые, для которых характерны отражения по одну сторону ленты с однократным переходом на противоположную сторону.
Для проверки своих расчетов физики изготовили несколько мёбиусных микрорезонаторов, вырезая их методом лазерной литографии из фоторезиста IP-G780. Для того, чтобы такие резонаторы испускали лазерный свет, фоторезист был допирован красителем. Они варьировали радиус в диапазоне от 40 до 60 микрон, толщину — от 1 до 5 микрон, а ширину ленты оставляли неизменной и равной 15 микрон. Заставив микрорезонаторы излучать, ученые сопоставили генерируемые спектральные линии с оптическим путем каждой моды. Такой анализ подтвердил что основная мода такого резонатора — это геодезическая 5а, в том время как мод шепчущей галереи они не нашли.
Несмотря на то, что длина волны света много меньше, чем размеры резонатора Мёбиуса, авторы решили посмотреть, как отклонение от лучевой модели скажется на результатах теории. Они симулировали распространение света с помощью метода конечных разностей во временной области. Наблюдая за поведением максимума плотности энергии, они увидели, что поведение света в микрорезонаторе не сильно отличается от лучевого подхода.
Ленты Мёбиуса интересны не только математикам и физикам. Недавно мы рассказывали, как такие сложные поверхности были обнаружены в жидких кристаллах из бактериофагов.
Источник: https://nplus1.ru/

Сотрудники кафедры квантовой электроники и Центра квантовых технологий физического факультета МГУ применили алгоритм компьютерной оптимизации для повышения эффективности линейно-оптической генерации двухкубитных максимально перепутанных состояний Белла. Работа полностью выполнена в МГУ.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Research и выполнено по программе развития НОШ МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина».
Двухкубитные квантовые состояния фотонов незаменимы в квантовых информационных алгоритмах, например, в квантовых вычислениях и квантовой коммуникации. По этой причине разработка эффективных методов генерации таких состояний является объектом активных исследований сообщества учёных, работающих в области прикладной квантовой информации с оптическими фотонами.
На сегодняшний день перспективным направлением методов генерации и преобразования квантовых состояний фотонов являются линейно-оптические методы. Однако по причине контринтуитивного поведения фотонов в линейно-оптических схемах, в корне отличающегося от поведения классических сигналов в этих схемах, создание даже простых квантовых оптических схем представляется сложной задачей.
Учёные из Центра квантовых технологий физического факультета МГУ применили теоретические методы квантовой оптики и компьютерные методы оптимизации сложных многопараметрических функций для повышения эффективности линейно-оптической генерации двухкубитных максимально перепутанных состояний Белла. В результате была найдена более эффективная линейно-оптическая схема для генерации этих состояний. Благодаря этому авторам удалось повысить вероятность генерации двухкубитных состояний Белла в 1.5 раза. Кроме этого, полученная схема оказалась проще, т.к. её создание требует меньшего количества элементов.
«Данная работа подчёркивает незаменимую роль компьютерных методов при разработке квантовых оптических устройств. Мы считаем, что компьютерные методы, в т.ч. методы, до этого используемые только в классических областях машинного обучения и искусственного интеллекта, будут играть всё более важную роль при разработке квантовых вычислительных и коммуникационных устройств», – рассказывает научный сотрудник физического факультета МГУ Михаил Сайгин.
Линейно-оптические квантовые вычисления являются одним из наиболее перспективных направлений развития всей области квантовых вычислений. Это направление в последнее время активно развивается во всём мире. В частности, появились коммерческие компании, разрабатывающие квантовые вычислители такого типа, получившие финансирование по несколько сотен миллионов долларов. В России оптическими квантовыми вычислениями занимаются в Центре квантовых технологий МГУ.
Научная ценность работы заключается в повышении эффективности генерации перепутанных квантовых состояний линейно-оптическими методами. В будущем найденная схема и методы поиска оптимальных квантовых схем, аналогичные применённым в работе, могут быть использованы для построения крупномасштабных квантовых вычислителей или в квантовых коммуникационных сетях.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Метод полностью оптической реконструкции голограмм с использованием дифракционных сетей, разработали исследователи из Калифорнийского института наносистем (CNSI), 27 октября сообщает журнал ACS Photonics.
Дифракционная сеть представляет собой полностью оптический процессор, состоящий из набора пространственно спроектированных дифракционных поверхностей, которые в совокупности вычисляют желаемое преобразование входного светового поля посредством взаимодействия света с веществом и дифракции.

Пространственные характеристики дифракционной сети настраиваются и оптимизируются для данной задачи с использованием глубокого обучения. После завершения обучения эти дифракционные поверхности могут быть изготовлены и собраны для формирования физической сети, которая может полностью оптически реконструировать входную голограмму неизвестного объекта или сцены со скоростью света и без какого-либо внешнего источника питания, за исключением света освещения.

Вся архитектура дифракционной сети, которая может полностью оптически реконструировать голограммы, очень тонкая и охватывает только ~225 длин волн света. Например, при использовании источника зеленого лазера для освещения такая дифракционная сеть была бы тонкой, как человеческий волос, что делало бы ее чрезвычайно компактной и легкой.

Этот очень тонкий, компактный дизайн также позволяет мгновенно реконструировать объект по его голограмме менее чем за 1 пикосекунду, что более чем в триллион раз быстрее по сравнению с современными алгоритмами восстановления цифровых голограмм, использующими графические процессоры (GPU).

Численный анализ показывает, что при полностью оптической реконструкции голограммы обеспечивается превосходное качество восстановления изображения, увеличенная глубина резкости и более высокая дифракционная эффективность на выходе дифракционного процессора.

Исследователи пришли к выводу, что этот полностью оптический процессор голограмм может найти множество применений в различных областях, таких как голографическая визуализация, микроскопия, зондирование и приложения, связанные с отображением, особенно благодаря его работе без компьютера и возможности сверхбыстрой реконструкции изображений.

Источник: https://rossaprimavera.ru/

Коллектив ученых из НИТУ «МИСиС» и МФТИ разработал платформу для осуществления фотон-магнонного взаимодействия на одном чипе и экспериментально подтвердил эффективность ее работы. Разработка российских ученых может стать шагом к созданию гибридных квантовых устройств, которые сегодня считаются наиболее перспективным способом передачи квантовой информации. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Applied.
На сегодняшний день существует множество вариантов квантовых устройств: твердотельные сверхпроводящие, оптические на фотонах, с атомными ловушками и др. Каждый из них имеет свои недостатки и преимущества. Одним из наиболее перспективных направлений развития квантовой вычислительной техники считается создание гибридных устройств, в которых элементы каждого типа будут отвечать за определенную функцию.
«Например, на сверхпроводящих кубитах можно производить вычисления, но передавать данные все же удобнее по оптоволоконной связи, то есть с помощью фотонов. Поэтому необходимо сделать так, чтобы произошла конверсия микроволнового излучения в фотоны. Потом информация приходит на устройство, работающее по третьему принципу, и она должна снова конвертироваться и уже жить на этом устройстве», - поясняет руководитель исследования Игорь Головчанский, руководитель лаборатории криоэлектронных систем НИТУ «МИСиС», старший научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.
В последнее десятилетие в центре внимания исследователей и разработчиков оказались гибридные системы на основе коллективных спиновых возбуждений, или магнонов. Одно из наиболее заметных преимуществ магнонных устройств заключается в том, что магнонные системы достаточно легко перестраиваются магнитным полем. При этом магнонные системы по размеру существенно меньше фотонных, что значительно затрудняет разработку гибридных устройств. И это один из самых больших вызовов для ученых.
Российским ученым удалось создать систему, в которой реализовано сверхсильное фотон-магнонное взаимодействие, и экспериментально подтвердить силу этого взаимодействия. Так, сила фотон-магнонной связи в разработанной системе составила порядка 350 Гц. Для сравнения, ранее максимальный показатель для таких систем составлял около 100 Гц, а еще несколько лет назад этот показатель не превышал 1 Гц.
Игорь Головчанский в лаборатории Сверхпроводящие метаматериалы НИТУ МИСиС
«Система состоит из двух сверхпроводящих пленок, разделенных диэлектриком. В таких системах радикально меняется фазовая скорость, то есть фотон становится гораздо медленнее, что для данной системы критически важно, поскольку именно замедление фотонной фазовой скорости гарантирует прочность фотон-магнонной связи. Затем внутрь этого «сэндвича» сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник мы встраиваем еще ферромагнитную пленку, и получается, что электромагнитные волны, которые живут в этой трехслойной конструкции, начинают взаимодействовать с ферромагнетиками. Ферромагнетики тоже начинают влиять на систему, и происходит гибридизация», - объясняет Игорь Головчанский.
При этом сверхсильная фотон-магнонная связь в созданной российскими учеными системе подтверждает присутствие в ней гибридных квазичастиц, которые ранее в подобных системах не наблюдались, а именно частицы плазмон-магнон-поляритонов, плазмонная составляющая которых защищает систему от так называемого сверхизлучающего перехода.
«В нашей системе мы обнаружили, что так называемые Куперовские пары (связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов) вносят определенный вклад в энергию системы и меняют законы дисперсии этой системы, то есть резонансные частоты и т.п. Это важно, потому что все строится вокруг так называемой модели Дике, в которой рассматривается ансамбль частичек, которые могут взаимодействовать с электромагнитным полем, и в принципе, если бы не было этого слагаемого, наша система могла бы перейти в сверхизлучательное состояние. Мы показали, что в наших системах сверхизлучательного перехода быть не может», - подчеркивает Головчанский.
Разработанная российскими учеными платформа для фотон-магнонного взаимодействия может не только стать основой для гибридных квантовых вычислительных устройств, но и позволит продвинуться в дальнейшем изучении таких тонких физических явлений, как, например, обменные спиновые волны. При этом ее существенным преимуществом является возможность создания сверхсильной фотон-магнонной связи на одном чипе.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Ученым из России, Чехии и Китая удалось получить гибридный материал, сочетающий в себе свойства фото- и пьезокатализатора. Разработка открывает перспективы по созданию высокоэффективных зеленых технологий для очистки воды и воздуха, получения водорода, создания наногенераторов, механочувствительных сенсоров, биомедицинских скаффолдов и т. д. Статья опубликована в журнале Nano Energy.Растущее загрязнение окружающей среды создает потребность в новых материалах и технологиях, использующих возобновляемые источники энергии для решения прикладных экологических задач. Все более популярными становятся «умные» наноматериалы, использование которых в качестве катализаторов позволяет создавать уникальные адаптивные системы, способные регулировать свою активность в зависимости от внешних условий.Ученые из Дагестанского государственного университета и СПбГУ совместно с коллегами из Чехии и Китая синтезировали гибридный полимер-неорганический наноматериал. Для придания ему пьезофототронного эффекта полупроводниковые наночастицы оксида железа были инкапсулированы в нановолокна полукристаллического пьезополимера поливиниленфторида. Пьезофототронный эффект появляется в результате сочетания в одном материале пьезоэлектрической поляризации, полупроводниковых свойств и фотонного возбуждения, позволяющего управлять электрооптическими процессами с помощью пьезопотенциала, вызванного механической деформацией.«Мы уже довольно продолжительное время занимаемся вопросами преобразования световой энергии в химическую с использованием полупроводниковых наноматериалов. Это так называемый процесс фотокатализа. Однако в окружающей среде очень много видов энергии, которые можно использовать, если грамотно подобрать материал с функциональными свойствами. Например, можно использовать процесс преобразования механической энергии движения воды в полезную химическую энергию с помощью пьезо- и сегнетоэлектрических материалов. Этот процесс известен как пьезокатализ. Мы в своей работе решили объединить в одном материале оба этих свойства и создали органо-неорганический композит. Этим самым мы решили несколько проблем, которые ограничивали практическое применение этих процессов, — рассказывает соавтор исследования Фарид Оруджев. — Во-первых, использовать полимерные мембраны проще, чем наночастицы. Во-вторых, мы показали, что включение наночастиц оксида железа способствовало самоорганизации и упорядочению структуры полимера, повысив его функциональные свойства. И самое важное, что объединение пьезокатализа с фотокатализом позволило добиться более эффективного разложения загрязнителей. Результаты дают нам основание полагать, что пьезофототронный эффект можно применять, например, для создания многофункциональных респираторных фильтров для борьбы с распространением инфекций. В том числе в этом направлении мы собираемся двигаться дальше».
Источник: https://news.rambler.ru/

Сотрудничество исследователей из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН и Национального исследовательского центра «Курчатовский Институт» позволило создать перспективные бессвинцовые полупроводниковые материалы для использования в солнечных батареях на основе комплексных галогенидов висмута. Результаты работы опубликованы в New Journal of Chemistry.

Перовскитные солнечные батареи — одна из самых многообещающих технологий в области возобновляемой энергетики. Такие элементы эффективно преобразуют свет в электричество, а их производство проще и дешевле, чем изготовление обычных солнечных панелей.

Одним из главных недостатков перовскитных солнечных батарей является присутствие в их составе свинца, который может быть опасен для здоровья человека. В качестве альтернативных соединений для солнечных батарей рассматриваются соединения висмута. Гибридные соединения висмута активно исследуются российскими и зарубежными учеными на протяжении последних 5 лет.

«В нашем исследовании мы синтезировали новый гибридный галовисмутат, и при замене брома, входящего в его состав, на йод получили непрерывный ряд твердых растворов. Обычно такая замена приводит к плавному изменению структурных и оптических свойств твердых растворов. В полученном соединении существуют два вида атомов галогенов. Часть атомов галогенов связана с атомами висмута, образуя линейные цепочки. Другая часть атомов галогенов расположена вне оси, вдоль которой построены такие цепочки. При замене брома на йод сначала меняются те атомы галогенов, которые находятся в цепочках, и только после их полной замены начинается замещение остальных атомов брома. Такая последовательная замена приводит к значительным изменениям в кристаллической структуре. При этом мы наблюдали весьма необычный характер изменения спектральных свойств соединений», – пояснил доктор химических наук, главный научный сотрудник Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, декан факультета химии НИУ ВШЭ Виталий Юрьевич Котов.

Изменение окраски происходило в зависимости от соотношения брома и йода в молекуле. Соединение, содержащее только бром – желтое, а только йод – черного цвета. При замещении брома на йод соединения приобретают разные оттенки желтого, оранжевого и красного цвета. Для солнечной энергетики важно какой свет поглощает вещество. Если спектр поглощения можно регулировать, как в случае новых галовисмутатов, то это становится инструментом, позволяющим получать светопоглощающее соединение с заданными оптическими свойствами.
Источник: http://www.ras.ru/

Исследователи обнаружили, как двуслойный графен может управлять светом, - пишет eurekalert.org.

Когда два слоя графена помещаются один поверх другого и скручиваются на очень небольшой угол, образуется «муаровый узор», и физические свойства системы резко меняются. В частности, около «магического» угла в 1 градус электроны резко замедляются, способствуя взаимодействию между электронами. Такие взаимодействия приводят к появлению нового типа сверхпроводимости и диэлектрических фаз в скрученном двухслойном графене. Наряду со многими другими удивительными свойствами, обнаруженными за последние три года, этот материал показал чрезвычайно богатые физические явления, но, что наиболее важно, он оказался легко управляемым квантовым материалом. Теперь, несмотря на то, что этот углеродный материал демонстрирует удивительно разнообразные состояния, взаимодействие между скрученным двухслойным графеном и светом, как было показано, дает увлекательные результаты на теоретическом уровне, но до сих пор ни один эксперимент не смог четко показать, как это взаимодействие работает.

В недавней работе, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи ICFO Нильс Хесп, Якопо Торре, Дэвид Барконс-Руис и Ханан Херциг Шейнфукс, предоставленные профессором ICREA в ICFO Франком Коппенсом, в сотрудничестве с исследовательскими группами профессора Пабло Харилло-Эрреро ( Массачусетский технологический институт), профессор Марко Полини (Пизанский университет), профессор Эфтимиос Каксирас (Гарвард), профессор Дмитрий Ефетов (ICFO) и NIMS (Япония) обнаружили, что скрученный двухслойный графен может использоваться для направления и управления светом в нанометровой шкале. Это возможно благодаря взаимодействию света и коллективному движению электронов в материале.

Используя свойства плазмонов, в которых электроны и свет движутся вместе как одна когерентная волна, ученые смогли наблюдать, как плазмоны распространяются в материале, будучи сильно ограниченными материалом, вплоть до наномасштаба. Более того, наблюдая необычные коллективные оптические явления, происходящие в материале, они смогли понять особые свойства электронов. Это наблюдение распространяющегося света, ограниченное наномасштабами, может использоваться в качестве платформы для оптического зондирования газов и биомолекул.

Чтобы получить результаты этого открытия, команда использовала микроскоп ближнего поля, который позволяет исследовать оптические свойства с пространственным разрешением 20 нанометров, разрешением, выходящим за дифракционный предел. Вкратце, ученые взяли два слоя графена, поместили их один поверх другого, закручивая их под магическим углом, а затем при комнатной температуре осветили материал инфракрасным светом на наноразмерном пятне. Они увидели, что плазмоны ведут себя совсем иначе, чем обычные плазмоны, например, в металлах или графене, и это отклонение связано со специфическим движением электронов внутри муаровой сверхрешетки двухслойного графена.

Эта работа закладывает первый камень в нанооптические исследования экзотических фаз скрученного двухслойного графена при низких температурах. В частности, он демонстрирует, что скрученный двухслойный графен является замечательным нанофотонным материалом, особенно потому, что он служит внутренним (не требуется внешнее напряжение) хозяином коллективных возбуждений.
Источник: https://scientificrussia.ru/

 Физики из Германии и России экспериментально исследовали эффект когерентного пленения спина, индуцированного поверхностной акустической волной. Для этого они измеряли сигнал фотолюминесценции, переизлучаемый кремниевыми вакансиями в карбиде кремния, помещенном в магнитном поле. Работа опубликована в Science Advances.

Если в прозрачном диэлектрике появляются дефекты, которые поглощают оптическое излучение, материал приобретает некоторый цвет. Из-за этого такие дефекты называют центрами окраски. Помимо оптических свойств, такие дефекты часто демонстрируют интересное магнитное поведение. В этом случае их спины могут нести квантовую информацию или выступать в роли квантовых сенсоров.
Одним из преимуществ кубитов на основе спинов центров окраски стало то, что ими можно манипулировать с помощью разнообразных постоянных и переменных полей. Вместе с тем недавние исследования показали, что этот инструментарий может быть дополнен акустическими волнами. Так, например, физики выяснили, что поверхностные акустические волны могут индуцировать спиновые переходы, которые запрещены для электромагнитного взаимодействия правилами отбора, а также пронаблюдали ряд других интересных эффектов, в том числе когерентное пленение населенности.
Альберто Эрнандес-Мингес (Alberto Hernandez-Minguez) из Института твердотельной электроники имени Пауля Друде с коллегами из Германии и России сделали следующий шаг в этом направлении. Они экспериментально исследовали когерентное пленение спина с помощью поверхностной акустической волны. Эффект заключается в том, что при правильном подборе параметров магнитных и акустических полей, которые приложены к центру окраски, проекция его спина перестает испытывать случайные скачки, вызванные непрерывным оптическим возбуждением.
Когда двухуровневая спиновая система помещается в магнитное поле, обе ее компоненты испытывают зеемановское расщепление, пропорциональное величине поля. Если при этом облучать систему переменным полем (радиочастотным или акустическим), с частотой, близкой к резонансу этих расщеплений, то населенности и возбужденного, и основного дуплетов (если в расщеплении всего две компоненты) начнут осциллировать со своими частотами Раби. В общем случае эти осцилляции рассогласованы. Это означает, что случайное излучение или поглощение системой фотонов сделает поведение спина очень сложным, а его проекцию в среднем нулевой. В конце концов, если спин несет какую-либо квантовую информацию, она очень быстро потеряется.
Однако при некоторых условиях возможно согласование осцилляций Раби основного и возбужденного состояний. Его можно понять, если представить себе эти осцилляции как прецессию спинового вектора в спиновом пространстве вокруг оси, направление которой определяется частотой и амплитудой переменного поля, его связью с уровнем, а также величиной магнитного поля. При правильном их подборе оси для обоих состояний системы будут параллельны. Это значит, что направление спина вдоль этой оси будет сохраняться независимо от оптических переходов между основным и возбужденным состояниями. Этот эффект и называется когерентным пленением спина.
Физики исследовали этот эффект на кремниевых вакансиях в карбиде кремния. Особенность этих дефектов заключается в том, что в них невозможно получить когерентное пленение спина с помощью радиочастотного поля из-за одинаковых g-факторов основного и возбужденного состояний, но это можно сделать с помощью поверхностных акустических волн. Чтобы убедиться в этом, физики создавали в карбиде кремния вакантные центры окраски с помощью облучения протонами. Авторы помещали образец в постоянное магнитное поле и создавали на его поверхности звуковые волны.
Меняя величину магнитного поля, они следили за интенсивностью фотолюминесценции образца. Теория предсказывает, что стабильные осцилляции населенности должны снижать ее интенсивность. В частности, такое происходит, когда частота переменного поля находится в резонансе с зеемановским расщеплением верхнего или нижнего уровней, что выражается в виде нескольких минимумов сигнала фотолюминесценции. Когерентное пленение спина в свою очередь должно создавать дополнительный резонанс, который и обнаружили физики.
Его форма и знак подсказывали, что этот минимум имеет характер резонанса Фано, в который вовлекаются расщепления при нулевом магнитном поле, вызванные локальным окружением центра окраски. Поскольку эти расщепления чувствительны к температуре, авторы подтвердили свою догадку, наблюдая за изменением пиков при различных температурах. Они также построили численную модель, которая полностью объяснила наблюдаемые зависимости.
Физики отмечают, что предсказываемое моделью увеличение времени спиновой релаксации должно выражаться в сужении резонанса. Однако в их работе этот эффект маскируется неоднородным уширением, которое связано с тем, что каждый центр окраски в образце обладает своим собственным окружением. В качестве следующего шага они рассматривают возможность создания одинаковых центров окраски и, как следствие, прямое наблюдение увеличения времени спиновой когерентности.
Среди множества точечных дефектов в диэлектриках одними из самых популярных остаются азото-замещенные вакансии в алмазе. Мы уже рассказывали, как их превратили в однофотонный источник, гироскоп и детектор магнитного поля.
Источник: https://nplus1.ru/

Ученые Нового физтеха ИТМО Андрей Кудлис, Иван Шелых и Иван Иорш предложили новый способ сверхбыстрого переключения намагниченности в слоистых магнитных структурах. Полученные результаты могут быть использованы для эффективного управления ячейками памяти ― в частности, они открывают новые пути к полностью оптическим способам записи информации в двумерных материалах. Статья в Physical Review B, рецензируемом научном журнале, выпускаемом Американским физическим обществом.
Как спин электрона используется для хранения информации
Электрон — это элементарная частица, которая обладает рядом свойств, в том числе имеет электрический заряд. Как его можно использовать для хранения информации? Например, держать в себе заряд может конденсатор. Заряженный конденсатор интерпретируется как двоичная единица или ноль, это зависит от договоренности. Разряженный же конденсатор будет восприниматься противоположным образом.
«А теперь представьте себе целый массив таких конденсаторов: часть из них может быть заряжена, часть нет, и в результате у нас получается цепочка из нулей и единиц — таким образом мы смогли закодировать некую информацию. Этот же принцип используется при создании так называемой DRAM — динамической памяти с произвольным доступом», — объясняет Андрей Кудлис, один из авторов статьи, младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО.
Планки оперативной памяти энергозависимы. Со временем заряд с конденсатора по различным физическим причинам начинает стекать. Поэтому необходимо постоянно проверять, чтобы он не упал ниже некоторого критического значения. Также сама запись связана с зарядкой и разрядкой данных конденсаторов, для чего на практике необходимо много времени и энергии.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи обратились к другому свойству электрона — спину. Спином, который был открыт еще в начале прошлого столетия, обладают и другие частицы. Это чисто квантово-механическое свойство частицы тесно ассоциировано с ее магнитным моментом. Помимо этого, сам спин квантован, то есть может принимать лишь дискретные значения, которые условно можно назвать «вверх» и «вниз», что с точки зрения приложения может трактоваться как бинарные единичка и нолик. Этот факт как раз и несет в себе потенциал для нужд хранения информации.
Однако работать только лишь с одним конкретным спином крайне трудно ― для удержания квантово-механического состояния рассматриваемой частицы нужны особые условия, в частности, сверхнизкие температуры.
Что такое намагниченность и как ее переключать
Чтобы уйти от этой проблемы, представим, что у нас есть некий макроскопический объект, который включает в себя достаточно большое количество частиц, обладающих магнитным моментов. Такая система будет характеризоваться уже некоторым макропараметром, называемым намагниченностью, которая представляет из себя объемную плотность магнитного момента вещества.
«Есть такие материалы — ферромагнетики, они обладают так называемой спонтанной намагниченностью, которая обусловлена взаимодействием спинов системы, а не присутствием внешнего магнитного поля. С их помощью тоже можно создавать определенные элементы памяти. В частности, магнитно-резистивную память: это своего рода слоистый пирог, состоящий из нанопленок. Например, две из них ферромагнитные, а посередине ― диэлектрическая. Но, в зависимости от того, как у слоев ферромагнетика ориентирована намагниченность, у слоя, расположенного посередине, будет разное электрическое сопротивление. Оно может быть огромным, а может быть, наоборот, очень низким», — говорит Андрей Кудлис.
Одно из важнейших преимуществ такой памяти — ее энергонезависимость, так как тут нет необходимости постоянно подводить энергию для поддержания определенной намагниченности.
Более того, у ферромагнитной памяти (например, по сравнению с флеш-памятью) нет ограничений, связанных с числом актов записи информации. У флеш-памяти каждая перезапись наносит небольшой урон соответствующей структурной единице носителя (транзистор с плавающим затвором), поэтому твердотельные диски со временем выходят из строя. У ферромагнетиков такой проблемы нет.
Итак, нижний слой может иметь постоянную намагниченность, а намагниченность верхнего слоя нужно уметь как-то переключать. Как это сделать? Например, в верхний слой ферромагнетика можно передавать ток поляризованных электронов.
«Если этот слой достаточно мал и если туда передавать ток поляризованных электронов, то он может изменить его намагниченность. То есть электронами переносится не только заряд, но еще и, например, передается поляризация. Таким образом, происходит переориентация намагниченности. Другой способ переключения намагниченности ― оптический. Вы берете лазер, который излучает поляризованный свет, и облучаете им образец. При определенных условиях намагниченность образца может быть переориентирована, таким образом чисто оптически мы можем повлиять на состояние ячейки памяти ― она будет иметь либо огромное, либо маленькое электрическое сопротивление», — продолжает Андрей Кудлис.
Как переключать намагниченность оптическим способом
Что же подразумевается под «определенными условиями»? Помимо ферромагнитных свойств, облучаемый образец должен обладать уникальным набор оптических характеристик. Одним из таких материалов является слоистый иодид хрома III (CrI3). Это, с одной стороны, прямозонный полупроводник, обладающий большой энергией связи и силой осциллятора, а с другой ― двумерный ферромагнетик изинговского типа.
Поведение различных проекций намагниченности, а также плотности экситонов, обладающих спинов «вверх», с течением времени. Исходное состояние соответствует отсутствию экситонов (электрон-дырочных пар) в системе, а намагниченность ориентирована вниз. После характерного времени перехода направление намагничивания меняется, а концентрация экситонов скачкообразно возрастает. Источник: статья в журнале Physical Review B / journals.aps.org
«Такие оптические свойства помогают с легкостью разрешать конкретные пики в оптических спектрах, что, конечно же, крайне удобно с точки зрения приложения. Их комбинация с ферромагнитными особенностями данного материала позволяет менять ориентацию намагниченности оптическим образом. То есть мы начинаем светить лазерным излучением, которое обладает определенной поляризацией, и будем наблюдать, что в какой-то момент (что зависит, конечно же, от интенсивности накачки) намагниченность у этого материала переключается. Вот, пожалуйста, оптическое управление намагниченностью данного образца. Как это выглядит с точки зрения теории? В этом прямозонном полупроводнике при нерезонансной накачке могут создаваться некие эффективные комплексы, так называемые экситоны, представляющие из себя связанные электрон-дырочные пары. Они, в свою очередь, сами обладают неким эффективным спином. Мы будем разделять спин нашей электронной подсистемы — то есть обычных электронов и спин экситонов», — поясняет исследователь.
По словам Андрея Кудлиса, если представить двумерную структуру, то ее намагниченность, например, может быть усредненно направлена вниз. В случае, если на такой образец начать посылать свет с правой круговой поляризацией, то получается, что мы возбуждаем электроны с валентной зоны в зону проводимости, то есть создаем экситоны.
«Это приводит к созданию магнитного момента, который, если вы накачиваете достаточно сильно, может переориентировать намагниченность электронной подсистемы. И как раз этот механизм с помощью нашей модели мы и описываем», — отмечает Андрей Кудлис.
Источник: https://news.itmo.ru/

Ученые экспериментально показали, что с помощью одиночных углеродных нанотрубок можно различать закрученность терагерцового излучения. Продемонстрированный эффект может быть использован для разработки терагерцовых плазмонных интерферометров, детекторов и спектрометров на чипе. Такие приборы могут быть востребованы в различных отраслях: от медицины до телекоммуникаций.
Работа опубликована в журнале американского оптического общества OSA Optics Express. Плазменные волны (плазмоны) — это коллективные возбуждения электронов в проводящих материалах либо на границе раздела диэлектрик / металл и в тонких пленках. Область науки и техники, которая занимается изучением плазменных волн и разработкой устройств на их основе, называется плазмоникой.
Главная идея плазмоники — в том, чтобы при помощи объектов, размер которых в сотни и тысячи раз меньше длины волны излучения, управлять энергией этого излучения — усиливать ее, преобразовывать, накапливать и передавать. На основе плазмонных эффектов можно создавать миниатюрные, но при этом энергоэффективные электронные устройства: источники и детекторы электромагнитного излучения, биосенсоры, волноводы, модуляторы и так далее.
Плазменные волны, подобно любым другим видам периодических возбуждений (например таким, как волны на воде или электромагнитные волны), способны интерферировать между собой. Явление интерференции широко применяется в различных областях науки от оптики до квантовой физики.
Если удается создать систему, в которой при помощи изменения какого-то параметра можно контролируемо настраивать интерференцию, то такая физическая система может использоваться для решения прикладных задач. Это связано с тем простым фактом, что по изменению интерференционной картины можно получить информацию об источнике, который ее породил. Подобная ситуация как раз исследуется в описанном эксперименте.
Ученые сделали образцы со следующей конфигурацией: отдельно лежащие углеродные нанотрубки присоединяли к металлической антенне специальной геометрии. Эта структура была положена на оксидированный кремний, и в результате получился полевой транзистор, каналом которого являются отдельные углеродные нанотрубки. Облучая такой образец терагерцовым лазером перпендикулярно поверхности кремния, можно получить сигнал постоянного фотонапряжения, возникающий между рукавами антенны.
В формировании сигнала могут участвовать различные физические механизмы в зависимости от температуры, частоты и мощности излучения, структуры образца и других параметров. В рамках этой работы ученым удалось показать экспериментально и теоретически, что сигнал постоянного фотонапряжения, возникающий в описанном устройстве, несет в себе отпечаток интерференции двух плазменных волн, распространяющихся в углеродных нанотрубках навстречу друг другу. Наблюдение явления стало возможным благодаря особой геометрии антенны и использованию поляризованного по кругу лазерного излучения.
«Сигнал постоянного фотонапряжения сильно различался для право- и лево-поляризованного излучения. В зависимости от того, в каком направлении закручено излучение, плазменные волны интерферируют в нашем устройстве по-разному», — говорит Максим Москотин, один из соавторов исследования, младший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ. Примерно год назад эта же группа продемонстрировала аналогичный эффект в графене. «Мы решили проверить, будет ли работать этот эффект в углеродных нанотрубках, потому что теоретические оценки показали, что время релаксации электронного импульса в трубках в 10 раз больше, чем в графене, — соответственно, коллективные электронные возбуждения должны затухать в них медленнее», — комментирует Георгий Федоров, заместитель заведующего лабораторией наноуглеродных материалов МФТИ.
Авторам удалось не только продемонстрировать экспериментальный эффект, но и разработать теорию, которая этот эффект описывает. Главным выводом теории является тот факт, что вклад от интерференции плазменных волн будет присутствовать в сигнале постоянного фотоотклика на закрученное терагерцовое излучение независимо от размерности физической системы, в которой происходит интерференция, и спектра электронов в ней. Этот фундаментальный результат открывает широкое поле для дальнейших экспериментальных исследований и разработки прикладных устройств.
Источник: https://naked-science.ru/

Международная группа исследователей демонстрирует, как генерировать чрезвычайно короткие импульсы видимого света с помощью лазерной системы промышленного уровня, пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Photonics.
Видимый свет чрезвычайно важен в природе. С точки зрения человеческого глаза, свет, излучаемый солнцем, самый эффективный достигающий поверхности Земли, и он является важным элементом фундаментальных биологических процессов, лежащих в основе жизни. Однако сложно генерировать когерентный видимый свет, такой как свет лазера, который является интенсивным в течение короткого промежутка времени, порядка фемтосекунды (одна миллионная от одной миллиардной секунды).
Исследовательская группа под руководством профессора Луки Раззари из Национального института научных исследований (INRS, Канада) успешно достигла этой цели без использования сложной системы.
Чтобы получить видимый свет такого масштаба времени, команда использовала лазерную систему промышленного уровня, доступную для большинства лабораторий. Они обнаружили, что при распространении инфракрасного лазерного импульса в волокне с полой сердцевиной, заполненном газом аргоном, нелинейный эффект генерирует короткие импульсы видимого света с высокой интенсивностью.
«Мы наблюдаем смешение различных пространственных форм, которые световой луч принимает при распространении по оптоволокну, что создает этот эффект. Это происходит только при ярком свете», – объясняет профессор Раззари.
В этом инновационном подходе впервые не используются сложные и дорогие оптические архитектуры для генерации таких ультракоротких импульсов видимого света. В результате его можно было бы сделать широко доступным для изучения огромного количества явлений в физике, химии, а также биологии, таких как фотосинтез или даже человеческое зрение.
«С помощью наших импульсов мы можем изучать динамику таких процессов и то, как они развиваются в чрезвычайно короткие сроки», – говорит доктор наук Риккардо Пикколи – первый автор статьи.
Этот совместный исследовательский проект в значительной степени основывается на опыте стартапа INRS с несколькими циклами, который продает специальную систему для растяжения и удержания таких полых волокон.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Страница 1 из 4

© 2018 Лазерная ассоциация

Tout sur Kamagra ici https://www.kamelef.com/kamagra-ou-viagra.html.

Поиск