Японские ученые смогли изменить траекторию луча света, как будто на него воздействовала сила тяжести. Аккуратно деформировав фотонный кристалл, исследователи активировали «псевдогравитацию», которая притянула частицы света. Открытие может найти применение в оптических системах.
Одна из странных особенностей Общей теории относительности — воздействие ткани пространства-времени на свет. Благодаря этому явлению объекты с крайне большой массой — черные дыры или целые галактики — искажают свет, попадающий в зону их действия, и увеличивают отдаленные объекты, как линзы. Этот же эффект оказалось возможно воспроизвести в фотонных кристаллах, пишет New Atlas.
Фотонные кристаллы используются для управления светом в оптических устройствах и обычно изготавливаются из нескольких материалов, образующих повторяющуюся структуру. Согласно теории, деформации в этих кристаллах способны перенаправлять световые волны, как космические гравитационные линзы. Этот феномен был назван псевдогравитацией.
В новом исследовании команда ученых из Университета Тохоку подвергла эту идею проверке на примере фотонного кристалла из кремния. Они деформировали его структуру так, чтобы ячейки решетки, изначально одинаковые и расположенные на расстоянии 200 мкм друг от друга, деформировались вдоль поверхности. Затем в кристалл был направлен пучок света в терагерцовом диапазоне.
С противоположной стороны в кристалле было сделано два выходных отверстия, одно выше точки входа, другое ниже. Если псевдогравитация не работала бы, луч прошел бы по прямой и не вышел бы обратно. Но в деформированном кристалле волны света успешно исказились и вышли через нижнее отверстие.
С научной точки зрения это означает, что фотонные кристаллы могут использовать для создания гравитационных эффектов. А на практике этот метод можно использовать для управления светом в оптических системах и прочих устройствах, например, в сетях 6G.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Фотонные интегральные схемы, конфигурацию которых можно менять, создавались и прежде. Однако процесс этот всегда был сложным, требовавшим понимания внутренней структуры и принципов работы микрочипа. Китайские ученые разработали простой в использовании оптический чип, который сам приспосабливается к среде, меняя свои функции. Устройство можно использовать в оптических нейронных сетях, для классификации данных, распознавания жестов и речи.
«Наш новый чип можно считать черным ящиком, то есть пользователь не обязан понимать его внутреннюю структуру, чтобы менять его функции, — сказал Дун Цзяньцзи из Хуачжунского научно-технического университета, глава исследовательской группы. — Надо задать цель обучения и, под контролем компьютера, чип сам изменит конфигурацию, чтобы достичь желаемой функциональности на основе ввода и вывода».
В основе архитектуры нового чипа лежат расположенные четырехугольником интерферометры Маха — Цендера, особые двулучевые оптические элементы, разделяющие один пучок излучения на несколько когерентных пучков. Как показали ученые, чип может сам менять конфигурацию, чтобы выполнять оптическую маршрутизацию, распределение энергии света с малыми потерями и вычисления матриц, которые используются для создания нейронных сетей.
Такой оптический чип в будущем может быть использован в оптических нейронных сетях, состоящих из взаимосвязанных узлов. Для эффективной работы оптическая нейросеть должна быть обучена определять параметры каждой пары узлов. Эта задача требует матричного умножения, пишет Science Daily.
Разработанный учеными чип меняет конфигурацию путем настройки напряжения на электродах, которое создает различные пути распространения света в четырехугольной сети. Алгоритм градиентного спуска ускоряет скорость сходимости функции стоимости, которая измеряет точность сети в ходе каждой итерации обучения. После каждой итерации чип обновляет напряжение всех подключенных электродов, а не значение одной переменной, что еще больше повышает скорость сходимости функции стоимости. Все это сокращает время обучения.
Ученые продемонстрировали, что чип способен выполнять определенные матричные вычисления, впервые подтвердив работоспособность сети интерферометров Маха — Цендера в четырехугольной конфигурации. Ошибка между результатами обучения и целевыми матрицами была минимальной.
Также они показали оптическую маршрутизацию — частный случай матричных вычислений — с высоким коэффициентом контрастности. Она может применяться в процессорах и запоминающих устройствах дата-центров для эффективного перенаправления оптических сигналов.
Источник: https://hightech.plus/

Ученые Института автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВО РАН разработали метаповерхность из золотых нановыступов для управления свойствами квантовых точек теллурида ртути, излучающих в ИК-диапазоне спектра. Такая метаповерхность изготавливается простым лазерным методом и позволяет на порядок усилить яркость и направленность излучения нанесенного слоя квантовых точек.
Статья об этом опубликована в журнале Advanced Functional Materials. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 21–79–10197).
Квантовые точки теллурида ртути (HgTe) обладают большим потенциалом для создания устройств для ближнего и среднего ИК-диапазонов, в том числе компактных приемников и источников излучения. Однако с ростом длины волны при переходе в ИК-диапазон спектра интенсивность свечения квантовых точек резко снижается. Потенциальным решением данной проблемы может стать создание устройств, в которых квантовые точки объединяются с метаповерхностями, позволяющими усилить интенсивность их свечения.
Команда физиков из ИАПУ ДВО РАН с коллегами из Китая и Испании смогли создать такую метаповерхность из тонкой пленки золота, на которой с помощью лазерной печати записывалась решетка нановыступов. Геометрическое расположение нановыступов подбиралось таким образом, чтобы обеспечить метаповерхности резонансные оптические свойства в области спектра, совпадающей со спектральным диапазоном излучения квантовых точек. За счет этого для слоя толщиной всего в одну квантовую точку (монослоя) удалось добиться 12-кратного усиления интенсивности спонтанного излучения, сфокусировав его в вертикальном направлении.
«Ключом к достижению высокой яркости излучения квантовых точек стали не только разработка и оптимизация дизайна самой метаповерхности, но и сверхточная настойка расстояния между ней и нанесенным монослоем квантовых точек. В нашем случае для этих целей использовался прозрачный слой-разделитель диоксида алюминия оптимальной толщиной в 10 нанометров», – комментирует один из создателей метаповерхности младший научный сотрудник ИАПУ ДВО РАН Дмитрий Павлов.
Область применения разработанной учеными из ИАПУ ДВО РАН метаповерхности не ограничивается описанной в статье технологией управления светоизлучающими характеристиками квантовых точек.
«Уникальные оптические свойства массивов нановыпуклостей связаны с наличием в них особых типов высокодобротных оптических резонансов, называемых связанными состояниями в континууме. Метаповерхности, поддерживающие такие резонансные моды, могут пригодиться для разработки высокочувствительных газовых и биосенсоров, а также сверхплотной записи оптической информации», – рассказал руководитель коллектива, ведущий научный сотрудник ИАПУ ДВО РАН Александр Кучмижак.
Лазерная печать, которую использовали учёные для создания таких метаповерхностей, – это простой и доступный метод, что делает описанную разработку на шаг ближе к реальным практическим применениям.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Китайские ученые изготовили тонкопленочный монокристаллический фотоэлемент, у которого такой же коэффициент преобразования энергии, как и у значительно более толстых промышленных элементов. При толщине всего 20 мкм элемент демонстрирует эффективность выше 21%. Устройство было изготовлено методом последовательного нанесения металлических нанопленок с обеих сторон методом плазменного химического осаждения паром.
В статье журнала Journal of Photonics for Energy ученые объяснили, что при изготовлении платы использовали метод переноса слоев, который применяется в производстве полупроводников для перемещения слоев с одной подложки на другую. Он предполагает, что сначала с помощью плавиковой кислоты создаются поры в кремниевой плате, а затем на ней как на подложке эпитакисально выращивают монокристаллический кремниевый слой.
Благодаря этому процессу ученые получили монокристаллическую кремниевую плату толщиной 20 мкм, сообщает PV Magazine.
Затем они нанесли множество пассивационных слоев из оксида алюминия, нитрида кремния и моноксида кремния методом усиленного плазмой химического осаждения паром. Контакты двух различных конфигураций повысили поглощение света в коротковолновой и длинноволновой областях, что, в свою очередь, повысило ток короткого замыкания и напряжение разомкнутой цепи.
По сравнению со стандартными солнечными элементами плотность тока возросла с 34,3 мА/см2 до 38,2 мА/см2. В результате коэффициент заполнения вырос с 76,2% до 80,8%, а эффективность элемента — с 16,5% до 21,1%.
«В целом, результаты этого исследования открывают новый путь реализации высокопроизводительных тонкопленочных кристаллических кремниевых фотоэлементов с меньшим расходом кремния — для элемента 20 мкм около одной восьмой от объема, необходимого для более толстого элемента 160 мкм при той же площади», — заявил один из исследователей Леонидас Палилис из Университета Ханчжоу Дианьцзи.
Источник: https://hightech.plus/

Ученые разработали новый метод отклонения лазерных лучей с использованием только воздуха. По данным исследования, опубликованного в журнале Nature Photonics, невидимая дифракционная решетка, созданная из воздуха, не только устойчива к повреждениям от лазерного излучения, но и сохраняет первоначальное качество луча.
Инновационная техника основана на использовании звуковых волн для модулирования воздуха в области прохождения лазерного луча. «Мы создали оптическую решетку с помощью акустических волн плотности», — рассказывает главный автор Yannick Schrodel из DESY и Helmholtz Institute Jena.
Специальные динамики позволяют ученым создавать в воздухе узор из областей разной плотности, формируя полосатую решетку. Такой узор действует как оптическая решетка, меняя направление лазерного луча, аналогично тому, как изменения плотности воздуха в атмосфере Земли изгибают свет.
По словам Schrodel, такой метод дифракции позволяет гораздо точнее контролировать лазерный свет, чем изгибание в атмосфере Земли.
В первых лабораторных тестах удалось перенаправить сильный инфракрасный лазерный импульс с эффективностью 50%. Модели предсказывают возможность достижения более высоких показателей в будущем.
Ученые видят огромный потенциал данной техники в области высокопроизводительной оптики. В экспериментах они использовали инфракрасные лазерные импульсы мощностью 20 гигаватт. Лазеры такой и более высокой мощности применяются, например, в обработке материалов, исследовании термоядерного синтеза и новейших ускорителях частиц.
«На таком уровне мощности материальные свойства зеркал и линз существенно ограничивают их применение», — говорит руководитель проекта Christoph Heyl. — «В отличие от этого, нам удалось отклонить лазерные лучи, сохраняя их качество, без контакта».
Принцип акустического управления лазерным светом в газах может быть расширен и на другие оптические элементы, такие как линзы и волноводы.
В заключении Heyl добавил, что современная оптика почти полностью основана на взаимодействии света с твердым веществом. «Наш подход открывает совершенно новое направление».
Подробнее: https://www.securitylab.ru/

Исследователи из Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН создали уникальный слоистый материал, структурой которого можно управлять с помощью света. Новый материал состоит из ультратонких положительно заряженных слоев гидроксида иттрия и встроенных между ними анионов – кислотных остатков коричной кислоты (циннамат-анионов). При облучении ультрафиолетовым светом форма и размер анионов изменяются, что приводит к сжатию структуры гибридного соединения.
Результаты работы опубликованы в журнале Micromachines.
Коричная кислота и ее производные относятся к органическим соединениям, молекулы которых могут существовать в нескольких формах, различающихся взаимным расположением атомов, но имеющих одинаковый химический состав. Такое явление широко известно в органической и неорганической химии и называется изомерией.
Превращение транс-изомера циннамат-аниона в цис-циннамат происходит довольно легко в растворе, его можно осуществить при воздействии обычного ультрафиолетового облучения. Намного сложнее такая трансформация происходит, если анион коричной кислоты входит в состав кристаллического соединения – превращению не позволяет осуществиться жесткая структура кристалла.
Добиться изомеризации циннамат-анионов в составе кристаллического соединения удалось при УФ-облучении субмикронных кристаллов, помещенных в спиртовую среду. Малый размер кристаллов, а также наличие подвижных молекул спирта в межслоевом пространстве сделали структуру кристаллического соединения менее жесткой, что позволило транс-изомеру циннамат-аниона превратиться в его цис-изомер. При этом изменилось расстояние между слоями гидроксида иттрия, и произошло сжатие его кристаллической структуры.
Разработка новых способов управления структурой кристаллических соединений с использованием внешних воздействий, например, света, будет способствовать созданию новых материалов с управляемыми свойствами, например, контейнеров для направленной доставки и высвобождения биологически активных соединений.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение №075–15–2020–782).
Источник: Maria A. Teplonogova, Alexey D. Yapryntsev, Alexander E. Baranchikov and Vladimir K. Ivanov. Сinnamate Intercalated Layered Yttrium Hydroxide: UV Light-Responsive Switchable Material // Micromachines. 2023. 14(9), 1791; DOI: 10.3390/mi14091791.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Впервые в России химики Университета Лобачевского получили прозрачную керамику со структурой фторапатита для лазеров ближнего ИК-диапазона. «Выстрел» таким лазером в тучу воздушных отходов позволит определить концентрацию вредных веществ в атмосфере. В медицине подобные установки широко применяются для малоинвазивных операций в хирургии и косметологии. Их импульсы не сжигают, а испаряют кожу при разрезе. Кроме того, лазеры ближнего ИК-диапазона могут использоваться для накачки более длинноволновых лазерных установок.
«Фторапатит (Ca5(PO4)3F) – аналог костной ткани. В этом классе химических соединений можно менять элементы в узлах кристаллической решетки, заменив кальций на стронций, а фосфат-ионы – на арсенаты и так далее. Изменение состава материала настраивает длину волну генерации лазера под конкретную задачу», – сообщил автор исследования, заведующий лабораторией оптических керамических материалов ННГУ имени Н.И. Лобачевского Дмитрий Пермин.
Большинство современных лазеров работают на стеклах или монокристаллах. Коммерческих производств «керамических» лазеров в мире пока нет, установки активно разрабатываются учеными США, Китая и Японии. Поликристаллическая структура керамик упрощает технологии изготовления, снижает стоимость и при этом повышает надежность лазерных систем.
Однако, чтобы керамика на основе фторапатита была прозрачной и не рассеивала проходящий свет, необходимо ограничить размер зерен на уровне 100–200 нм. С помощью технологии горячего прессования химики ННГУ создали поликристаллы, которые способны стать основой для лазерных сред нового поколения.
«Для создания активной лазерной среды нужен материал основы (матрица) и добавка, дающая люминесценцию. Мы освоили методику получения плотного оптически прозрачного фторапатита стронция и планируем синтезировать лазерные материалы с активными ионами гольмия и эрбия, генерирующими излучение в диапазоне 2–3 мкм. Конечным итогом разработок должна стать лазерная установка на полученных нанокерамиках», – сообщил Дмитрий Пермин.
Результаты исследований коллектива лаборатории, основу которого составляют аспиранты и студенты ННГУ: Марсель Назмутдинов, Виталий Кошкин, Сергей Мельников, Ольга Постникова, опубликованы в журнале Inorganics в 2023 году. Разработки проходят в рамках федеральной программы стратегического академического лидерства программы «Приоритет 2030».
Источник: https://naked-science.ru/

Спрос на устройства хранения данных растет в геометрической прогрессии, а большинство данных быстро становятся холодными, то есть к ним редко обращаются. Немецкий стартап Cerabyte разработал технологию записи информации на неорганические слои керамики толщиной 50–100 атомов. Картриджи емкостью 100 ПБ и ленточные накопители 1 ЭБ обеспечивают безопасное хранение информации, защищенное от основных опасностей: огня, воды, электричества.
Данные записываются и считываются с носителя при помощи пучка лазеров или частиц в структурированном двухмерном виде, наподобие QR-кода. Волюметрическая плотность данных зависит от толщины подложки. Для стеклянных листов это 100–300 мкм, для пленок — 5 мкм с керамическим покрытием 10 нм. Расчетный размер частиц должен сократиться с 100 до 3 нм, чтобы соответствовать плотности записи в масштабе от ГБ/см2 до ТБ/см2. Чтение данных обеспечивается методами оптической или электронно-лучевой микроскопии.
Картриджи CeraMemory позволят дата-центрам добиться плотности 100 ПБ на стойку — это станет возможно в 2025–30 годах. Ленточный накопитель CeraTape появится в следующую пятилетку и обеспечит 1 ЭБ на стойку. Дальнейшее масштабирование станет доступно при помощи матриц пучка частиц.
Скорости считывания данных на уровне гигабайт в секунду обеспечат датчики изображений в сочетании с передовой робототехникой, задержка составит несколько секунд. Запись будет происходить со скоростью 2 000 000 бит за один лазерный импульс. Запись на пленку пучком частиц может достичь уровня емкости ТБ/мм3, что на порядок выше всех имеющихся коммерческих предложений, пишет Blocks&Files. Помимо этого, носитель полностью перерабатываемый, имеет низкое энергопотребление при доступе к чтению и записи, а также длительный срок службы.
Основатель стартапа Кристиан Пфлаум представит свою технологию на конференции во Фримонте, Калифорния, которая состоится с 18 по 21 сентября. По его словам, Cerabyte уже заключил контракты с крупными партнерами в стратегически важных отраслях производства.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Инженеры разработали недорогую систему для шифрования информации с помощью квантовой случайности. Исследователи из Университета Линчепинга в Швеции нашли способ использовать перовскит как часть дешевого, широкополосного устройства следующего поколения для квантовой генерации случайных чисел. Светодиоды обеспечивают высокий уровень случайности при шифровании информации.
Из перовскитов уже разрабатывают светодиоды, работающие при комнатной температуре (PeLED) с легко настраиваемыми оптическими свойствами и дешевыми, простыми и гибкими процессами изготовления. Традиционно такие светодиоды рассматриваются в качестве перспективной технологии для нового поколения дисплеев, систем освещения и оптической связи.
Шведские инженеры показали, что эти устройства можно использовать в качестве высококачественного источника квантовой случайности, проводя «проективные измерения состояний слабой когерентной поляризации, создаваемых PeLED».
Эксперименты показали, что квантовый генератор случайных чисел на основе PeLED обеспечивает случайность даже в том случае, когда кто-то подслушивает генератор, берет под свой контроль детекторы и использует квантовую запутанность, чтобы угадать результаты.
Инженеры получили случайность чрезвычайно высокого качества, измеренную по множеству различных показателей, со скоростью более 10 Мбит/с. Около 71% сгенерированных битов также были сертифицированы как конфиденциальные в случае атаки по побочным каналам на детекторы.
Недостаток технологии в коротком жизненном цикле перовскитов: около 22 дней. Инженеры работают над свойствами материала, чтобы удалить из состава свинец и значительно продлить срок его службы.
Источник: https://hightech.fm/

Для этого потребуется собрать вместе несколько сферических слоев с магнитооптическими свойствами.
Физики из ИТМО при участии нобелевского лауреата Франка Вильчека численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик гипотетических аксионов, если бы они существовали в реальности. Работа ученых открывает дорогу к экспериментам с эмерджентной аксионной электродинамикой.
Исследование опубликовано в Physical Review B.
Термин «аксион» для новых гипотетических частиц ввел впервые нобелевский лауреат Франк Вильчек (Frank Wilczek), назвав их так в честь стирального порошка — он предполагал, что эти частицы помогут «очистить» квантовую хромодинамику от трудностей, связанных с нарушением CP-симметрии. Сегодня аксионы остаются одними их главных кандидатов на темную материю, и их активно ищут как по астрофизическим данным, так и в наземных экспериментах.
В физике, однако, существует и другой подход к исследованию частиц или явлений, которые были предсказаны, но не обнаружены приборами. Он основан на создании особым образом спроектированных сред, элементарные возбуждения в которых (квазичастицы) ведут себя подобно предполагаемым частицам. Ярчайшим примером этого принципа можно назвать исследование майорановских частиц, которые физики активно рассматривают в качестве кандидатов для элементной базы квантовых компьютеров. Аксионоподобные возбуждения (или эмерджентные аксионы) тоже были обнаружены — их нашли в магнитных твердых телах, однако там амплитуда их сигнала довольно небольшая.
Однако, в метаматериалах эта ситуация может измениться — это показали Максим Горлач (Maxim A. Gorlach) и его коллеги из ИТМО при участии самого Франка Вильчека.
Источник: https://nplus1.ru/