Итальянские ученые разработали фотоэлемент из гибкого первоскита для использования в автономных беспроводных датчиках, маломощной электронике, устройствах умного дома и прочих приборах интернета вещей. Своей эффективностью он обязан слою бромида тетрабутиламмония, нанесенному поверх перовскитового поглотителя, лежащего на основании из ПЭТ. Верхний слой успешно снижает плотность дефектов и повышает стабильность трехмерных перовскитовых структур.
«Фотоэлектрические источники питания внутри помещений на сверхтонких гнущихся подложках способны ускорить появление технологических инноваций, если будут получать достаточно энергии от искусственного освещения, а не от Солнца», — сказал Томас Браун, один из исследователей.
Он и его коллеги из Университета Тор Вергата разработали элемент на подложке из полиэтилентерефталата (ПЭТ), который, по сравнению с другими полимерами вроде ПЭН более устойчив к ультрафиолетовому излучению и в шесть раз дешевле, пишет PV Magazine. На нем ученые соорудили многослойный фотоэлемент: слой оксида индия-олова, слой транспорта электронов из оксида олова, перовскитовый поглотитель, слой бромида тетрабутиламмония, слой транспорта дырок Spiro-OMeTAD и верхний электрод из золота.
В результате снижения дефектов и повышения стабильности благодаря слою бромида тетрабутиламмония снизилась рекомбинация на ловушках — важный показатель для работы фотоэлементов в помещениях. Испытания устройства в стандартных условиях показали, что эффективность преобразования энергии составляет 32,5%. А после 1000 циклов сгибания производительность элемента упала лишь на 20%.
По сравнению с аналогами разработанный итальянскими специалистами фотоэлемент обладает в 1,4 раза большим сроком службы носителя, на один порядок снизился показатель тока утечки, в три раза стала меньше плотность дефектов, сократилась рекомбинация.
Источник: https://hightech.plus/

Международный коллектив физиков показал, что определенная форма позволяет наночастицам быть в электромагнитном смысле больше своих геометрических размеров. Обнаруженный эффект поможет в создании биологических сенсоров, материалов для солнечных батарей и элементов оптических квантовых компьютеров.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
В диэлектрической фотонике, изучающей, как свет взаимодействует с наночастицами из различных непроводящих структур, существовал теоретический предел рассеяния света наночастицей.
«Когда излучение лазера падает на наночастицу, она рассеивает электромагнитную энергию в виде набора четко определенных сферических волн — мультиполей. Каждый мультиполь — это канал рассеяния, по которому утекает часть рассеянной энергии. В научном сообществе широко было признано, что каждый такой канал не может нести мощность больше определенного предела», — рассказывает Адриа Канос Валеро, первый автор исследования, научный сотрудник ИТМО.
Научная группа под руководством Александра Шалина из МФТИ исследовала, как максимизировать рассеяние от кластеров наночастиц. В ходе работы ученые обнаружили, что в большинстве ситуаций рассеяние больше, чем предполагалось. Сначала исследователи подумали, что это численная ошибка. Но затем быстро поняли, что в основе лежит физический принцип.
Оказалось, что существовавший ранее предел рассеяния хорошо определен для идеальных сценариев: когда свет рассеивается на сферической частице или на бесконечно длинном нанопроводе. В общем случае при рассеянии образуются несколько каналов-мультиполей, которые могут интерферировать, увеличивая или уменьшая мощность, которую они несут. Ученые задумались, насколько еще можно выйти за предел рассеяния.
Ключ к ответу на этот вопрос лежал в физике связанных состояний в континууме. А именно, в особом виде интерферирующих резонансов, известных как механизм резонансов Фридриха — Винтгена. Ранее были описаны квазисостояния с сильно подавленным рассеянием. В них возникает деструктивная интерференция, когда волны от мультиполей складываются «в противофазе», подавляя друг друга. Исследователи поняли, что в их случае резонансы с увеличенным рассеянием следуют той же физике. Только интерференция получается конструктивная: когда волны складываются «в фазе», усиливая друг друга.
Ученые построили модель и рассчитали форму наночастиц, при которых можно «нарушить» предел и добиться сверхрассеяния. Затем экспериментаторы по рецепту теоретиков изготовили подходящие керамические частицы и проверили предсказания с помощью микроволновой спектроскопии.
«Это прежде всего фундаментальный эффект. Некоторые коллеги, которым я кратко рассказывал о наших результатах, не верили: говорили, что так не может быть. Теперь они могут почитать статью и убедиться, что может», — рассказывает Александр Шалин, руководитель исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических структур МФТИ.
Помимо фундаментальной важности, у сверхрассеяния есть и потенциальные практические приложения. Так как этот эффект очень чувствительный, на его основе можно будет разрабатывать биосенсоры и материалы для солнечных батарей, а также оптические наноантенны для квантовых и оптических компьютеров.
«Одно из потенциальных практических применений, которое хорошо иллюстрирует обнаруженный эффект, — это создание некоторого щита от электромагнитных сил и излучения. На картинке видно, что свет частицу огибает, а тень получается значительно больше самой частицы. Получается, что за ней можно “спрятать” что-то крупнее, чем сама частица», — поясняет Александр Шалин. Исследование выполнено при поддержке Федеральной программы академического лидерства «Приоритет 2030».
Источник: https://naked-science.ru/

Крыло бабочки помогло создать охлаждающую цветную пленку. Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus.
Статья опубликована в журнале Optica.
Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например, у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев.
Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора.
Охлаждающая цветная пленка, созданная по образцу крыла Morpho menelaus. Слева: фотография, изображение с электронного микроскопа и схема структуры крыльев бабочки M.M.; справа: схема многослойной пленки, созданной по образцу крыла бабочки.
Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца.
В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне.
Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже.
Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект.
Источник: https://nplus1.ru/

Светоизлучающие диоды стали неотъемлемой частью современных технологий. Они применяются в уличном в бытовом освещении, в светофорах, рекламных вывесках и, конечно, в подсветке всевозможных дисплеев. Помимо многочисленных преимуществ есть у них и недостаток — трудоемкий и дорогостоящий процесс производства.
Повозившись с материалами, входящими в состав перовскитовых светодиодов, более дешевых и простых в изготовлении, чем обычные, ученые из Стэнфорда значительно повысили их яркость, энергетическую эффективность и срок службы. Дальнейшие изыскания позволили еще больше поднять первые два показателя за счет резкого сокращения последнего.
Светодиоды преобразуют электрическую энергию в свет, пропуская ток через полупроводник — слои кристаллического материала, который излучает свет под действием электрического поля. Однако производство полупроводников — довольно сложный процесс по сравнению с менее эффективными лампами накаливания или дневного света.
Перовскитовые светодиоды, в отличие от обычных, не требуют дорогостоящих подложек — эти кристаллы можно выращивать на стекле, а производство светоизлучающего слоя проще. Их можно с успехом использовать в искусственной среде обитания, а также для улучшения чистоты цвета дисплеев. Однако прослужат они не долго — всего несколько часов. Кроме того, по энергоэффективности они часто не совпадают со стандартными светодиодами, что негативно отражается на общей эффективности устройства.
Новый метод производства перовскитовых светодиодов был предложен американскими химиками, пишет Stanford News. Они заменили 30% олова в перовските на атомы марганца. Это помогло восполнить естественные дефекты перовскита и повысить яркость светодиодов больше чем в два раза, эффективность — в три раза и увеличить срок службы с почти одной минуты до 37 минут.
Однако на этом ученые не остановились: они добавили к перовскиту оксид фосфина, так называемый TFPPO. Диоды стали в пять раз энергоэффективнее по сравнению с теми, которые были улучшены марганцем, а их яркость достигла рекордных показателей. Правда, в качестве побочного эффекта свет терял половину яркости всего через 2,5 минуты.
По мнению ученых, такой спад происходит из-за возникновения большего количества препятствий для транспорта заряда. Возможно также, что хотя TFPPO изначально заполнила пробелы в перовскитовой атомной структуре, эти пробелы быстро открываются снова, вызывая снижение энергоэффективности вместе со сроком службы.
В дальнейшем исследователи надеются провести эксперименты с другими примесями, чтобы понять причину спада и нейтрализовать его.
Источник: https://hightech.plus/

Учёные из LMU в рамках международного сотрудничества сделали важный прогресс в области создания ядерных часов, которые могут открыть новые возможности для изучения фундаментальных сил Вселенной.

Атомные часы в настоящее время способны измерять время с такой точностью, что они теряют или прибавляют менее секунды за 30 миллиардов лет. Однако ядерные часы могут сделать измерение времени ещё более точным. «Мы говорим о силах, которые держат мир вместе в его основе,» — говорит профессор Питер Тирольф, который уже много лет изучает ядерные часы.

На пути к первым ядерным часам Тирольф и его коллега доктор Сандро Краемер внесли важный вклад. Они успешно определили энергию возбуждения тория-229, который планируется использовать в будущем как элемент измерения времени в ядерных часах.

Основное принципиальное отличие ядерных часов от атомных в том, что первые регистрируют силы внутри атомного ядра. Из всех известных науке атомных ядер только ядро тория-229 может быть использовано для этой цели.

Особенность тория-229 заключается в том, что его ядро можно возбудить с использованием относительно низкой частоты света, которую можно получить при помощи УФ-лазеров. Исследование в этом направлении затянулось на 40 лет, пока в 2016 году группа Тирольфа не подтвердила возбуждённое состояние ядра тория-229.

Совершенствование связи между элементом измерения времени и механизмом часов является следующим этапом работы учёных. «Можно представить это как настройку вилки,» объясняет Краемер. «Так же, как музыкальный инструмент пытается совпадать с частотой настройки вилки, так лазер пытается попасть на частоту ядра тория».

Для определения этой частоты исследователи использовали метод «гребёнки частот», который был разработан профессором Теодором Хеншем, коллегой Тирольфа из LMU, который в 2005 году был награждён Нобелевской премией за эту работу.

«Мы теперь знаем примерную длину волны, которую нам нужна,» — говорит Тирольф. Он добавляет, что следующей задачей будет создание возбуждения при помощи лазера, а затем поиск нужной частоты с увеличивающейся точностью при помощи более точных лазеров.

При удачном завершении проекта возможны не только новые направления в фундаментальных физических исследованиях, но и практические приложения. С помощью ядерных часов учёные смогут обнаруживать самые малые изменения в гравитационном поле Земли, которые происходят, например, при сдвиге тектонических плит или перед вулканическими извержениями. Первые прототипы могут появиться менее, чем через десять лет. «Мы даже можем успеть к переопределению секунды в 2030 году,» — надеются физики.

Подробнее: https://www.securitylab.ru/

Физики из Института физики металлов имени М.Н. Михеева (ИФМ) РАН и МФТИ совместно с коллегами из Франции и Германии экспериментально показали, что атомы примесей в полупроводниках могут формировать долгоживущие устойчивые квантовые состояния. Значит, эти атомы можно использовать в качестве кубитов в квантовом компьютере. Работа опубликована в журнале Communication Physics.
Кубит — единица информации в квантовом компьютере, он отличается от обычного бита тем, что может принимать любое значение между 0 и 1 в процессе вычислений. Этот эффект возникает из-за принципа суперпозиции в квантовой механике. Благодаря суперпозиции кубит в процессе вычислений находится во всех состояниях сразу и поэтому помогает обработать гораздо больше информации, чем классический бит. В роли кубита могут выступать различные квантовые системы: сверхпроводящие искусственные атомы, квантовые точки, атомы в ловушках, реальные атомы в твердом теле и т. д. Однако слабым местом всех существующих кубитов является неустойчивость к шумам. Например, небольшое колебание температуры или магнитного поля могут нарушить квантовое состояние кубита, и он окажется непригоден к вычислениям. Эта проблема разрушения квантового состояния называется декогеренцией и является одной из главных фундаментальных причин, по которой квантовые компьютеры пока не имеют широкого применения. Ученые ищут физические системы, в которых можно реализовать кубиты, более устойчивые к шумам.
Например, если в некоторые полупроводники добавить примеси, электроны примесных атомов будут долго (по квантовым меркам это несколько наносекунд) сохранять направление спина — собственного магнитного момента. Благодаря длительному времени когеренции спина такие атомные системы можно использовать в качестве кубитов. Физики из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ исследуют подобные структуры и подбирают оптимальные материалы для них.
В новой работе ученые центра заменили часть атомов теллура в дихалькогениде молибден теллур (2H-MoTe2) на атомы брома и с помощью электронного пармагнитного резонанса и туннельной сканирующей микроскопии исследовали структуру электронов примесного атома и оценили время когерентности системы.
Директор центра, руководитель лаборатории сверхпроводящих и квантовых технологий, доктор физико-математических наук Василий Столяров комментирует: «Если отдельный инородный атом, помещенный в монокристалл, приводит к локализации спинполяризованного состояния, то он может стать кубитом. В дихалькогенидах переходных металлов сильное спин-орбитальное взаимодействие как раз создает такие условия. Вопрос только в том, как работать с такими кубитами, ведь это самый, что ни на есть атомарный масштаб, порядка 0,3 нм. Мы в наших исследованиях добавили примеси брома в полупроводник молибден теллур. Эта примесь имеет энергетическое положение внутри запрещенной зоны материала, то есть ее электроны локализованы. В работе мы показываем, что квантовые свойства этих примесей можно изучать, для этого применялась методика измерения электронного спинового резонанса и низкотемпературная сканирующая туннельная спектроскопия. Мы показали, что в данных атомах существуют унаследованные от материала локализованные спин-долинные состояния с наносекундными временами когерентности спинов».
Для понимания эффектов, которые изучали физики, нужно обратиться к электронной структуре вещества. Электроны каждого атома, согласно квантовой механике, имеют определенную энергию — находятся на энергетическом уровне. В кристаллах электроны могут переходить от одного атома к другому, их энергетический спектр становится практически сплошным, без разделения на уровни. Однако в полупроводниках существует запрещенная зона — диапазон энергий, которые электроны не могут принимать. Но, если добавить примесный атом в полупроводник, электронам этого атома станут доступны уровни у верхнего или нижнего края запрещенной зоны. Получается, такое укромное место, где можно долго удерживать электрон — отличная площадка для кубита. Стоит отметить, что это возможно при температурах ниже 250 градусов Цельсия.
Важно правильно выбрать полупроводник и примесь, чтобы локализовать электроны. Поэтому физики обратили внимание на дихалькогениды переходных металлов — слоистые двумерные полупроводники, состоящие из атома переходного металла (здесь молибдена) и халькогена (здесь теллура). В кристаллах дихалькогенидов из-за симметрии (атомы располагаются в форме шестиугольника) самые выгодные энергетические состояния для электронов находятся в определенных областях пространства — долинах — вокруг атомов. Более того, электроны способны в них некоторое время сохранять проекцию спина — собственного магнитного момента. Однако такие времена слишком малы для когерентности кубита.
По этой причине исследователи заместили атомы теллура на атомы брома, «открыв» для электронов дополнительные уровни вблизи нижнего края запрещенной зоны. В этом случае возникало связанное состояние электронов и долин, и проекция спина на этих уровнях сохранялась в течение нескольких наносекунд, что достаточно для создания кубита.
Для изучения столь тонких эффектов ученые использовали несколько высокоточных приборов. Сначала они получили электронную структуру примеси брома с помощью электронного парамагнитного резонанса — расщепления энергетических уровней во внешнем магнитном поле — и оценили по этим данным время когерентности спинового состояния. Оно составило порядка 5 наносекунд при температурах ниже –258 градусов Цельсия (15 кельвинов).
Затем применили сканирующий туннельный микроскоп — устройство, определяющее рельеф поверхности с точностью до атома. На иглу микроскопа подавалось напряжение, и электроны с поверхности туннелировали на иглу, создавая ток. По изменению значения тока физики получали пространственную локализацию электронов и их энергию. Эти измерения подтвердили, что состояния электронов брома локализуются вблизи долин, а их энергия меняется. Именно связь долин и примеси обеспечивала длительное время когерентности. Физики предполагают, что его можно увеличить, если взять однослойный кристалл дихалькогенида. Аналогичные экспериментальным данным исследователи получили с помощью компьютерного моделирования.
Таким образом, ученые показали возможность использования реальных атомов в качестве кубитов и теоретически объяснили длительное время когерентности, построив электронную структуру материала.
Василий Столяров подводит итог: «Пока это относительно пионерская работа, где показано принципиально, что у примесных атомов есть признаки долгоживущих локализованных электронных состояний — атом аля-кубит. Посыл работы в том, что нужно дальше изучать возможность применения реальных атомов в твердотельной матрице для создания кубитов. Мы планируем улучшать методику, сейчас моя аспирантка Валерия Шеина, первый автор работы, пытается примесные атомы еще и переводить в возбужденное состояние. Для этого нам нужно в туннельный микроскоп, прямо под иглу, вводить источник высокочастотного излучения, который бы переводил кубит из основного состояния в возбужденное. И это следующий этап. Во многом его успех зависит от выбора материала и примеси».
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Федеральной программы академического лидерства «Приоритет 2030».

Источник: https://www.ras.ru/

В декабре прошлого года исследователи из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии сделали настоящий прорыв в изучении термоядерной энергии. Они «ударили» 192 высокоэнергетическими лазерами по грануле дейтерия и трития. Это вызвало реакцию зажигания инерциального синтеза.
Несмотря на то, что это очень важное открытие, к практическому применению термоядерного реактора в мире еще не готовы.
Группа ученых из Университета Рочестера во главе с Игорем Игуменщевым и Валерием Гончаровым нашли решение одной из проблем, препятствующей использованию лазерного синтеза, а именно, проблему производства топливных гранул.

Сейчас этот процесс очень дорогостоящий и сложный, из-за необходимости жидкого гелия для замораживания дейтерия и трития до 11 градусов Кельвина.
Ежедневно функционирующему термоядерному реактору будут нужны около миллиона таких топливных гранул. Сегодня специалисты работают над методом, при котором лазеры в реакторе создают свои топливные «таблетки» для взрыва и зажигания.

Исследователи ввели дейтерий и тритий в пенопластовые капсулы, которые при ударе коллапсируют в сферу с той же плотностью, что и жидкое топливо из дейтерия и трития.

Сейчас таким способом проверяют концепцию с использованием лазера OMEGA LLE. Не исключено, что будущие лазеры с более длинными и энергичными импульсами будут более эффективными.
Источник: https://alldaily.ru/

Эксперимент, проведенный японскими исследователями, выявил потенциальное противоречие между первым законом движения Ньютона и поведением частиц в квантовом мире.

Используя в качестве объекта исследования фотон, они обнаружили 45%-ное расхождение между теоретическими предсказаниями и экспериментальными измерениями. Эти результаты могут поставить под сомнение наше понимание квантового движения. Квантовая вселенная с ее четкими правилами и принципами продолжает бросать вызов нашему традиционному пониманию физики. В основе этого вызова лежит принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что положение и инерция частицы не могут быть точно известны в одно и то же время.

Недавно группа исследователей под руководством Такафуми Оно из Университета Кагавы (Япония) провела смелый эксперимент, чтобы проверить эту идею. Используя в качестве объекта исследования фотон, они обнаружили значительное расхождение между предсказаниями, основанными на законах Ньютона, и экспериментальными результатами. Это открытие, ставящее под сомнение первый закон движения Ньютона в квантовом мире, может потребовать переоценки наших представлений о движении частиц в этом масштабе. Исследование доступно на платформе arXiv.

Проблема первого закона Ньютона Первый закон движения Ньютона, сформулированный в конце XVII века, сформировал наши представления о движении объектов. Согласно этому закону, все объекты остаются в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, если на них не действует внешняя сила. Однако при переходе в квантовый мир этот закон, похоже, ставится под сомнение. В квантовом мире правила меняются. Законы Ньютона заменяются аналогичными правилами квантовой теории. Принцип неопределенности Гейзенберга, лежащий в основе квантовой механики, гласит, что положение и инерция объекта никогда не могут быть измерены одновременно с идеальной точностью. Это затрудняет точное определение движения объекта.

Японская исследовательская группа разработала эксперимент, чтобы проверить, является ли прямолинейное движение правилом, которое можно перенести из классической физики в квантовую. В качестве квантового объекта они использовали фотон - единичную единицу света. Фотон - это сингулярная частица. Он не имеет массы и движется с максимально возможной скоростью. В эксперименте фотон создавался с помощью лазера и проходил через несколько линз и щелей, после чего попадал на детектор. Исследователи обнаружили, что результаты измерений, полученные в ходе эксперимента, не совпадают с предсказаниями, основанными на уравнении квантовой теории, которое имитирует первый закон Ньютона. Расхождение между предсказаниями и реальными измерениями составило 45 %. Это означает, что фотон вел себя не так, как предсказывал закон Ньютона. Вместо того чтобы двигаться по прямой линии, фотон, по-видимому, двигался по другому пути. Эти результаты свидетельствуют о том, что квантовые частицы, такие как фотоны, не обязательно подчиняются тем же правилам движения, которые наблюдаются в макроскопическом мире. Поэтому законы ньютоновской физики, точно описывающие движение больших объектов, не вполне применимы к квантовому миру. Интерпретации остаются теоретическими Интерпретация результатов этого эксперимента сложна.

Квантовые законы обычно содержат статистическую информацию, т.е. информацию о поведении не одной, а многих частиц. Это означает, что, хотя мы можем предсказать среднее поведение группы частиц, предсказать поведение отдельной частицы гораздо сложнее. Поэтому трудно понять, как предположение о прямолинейном движении может быть нарушено для отдельной частицы.

Новый способ понимания этих результатов может заключаться в переосмыслении самой природы фотона. Вместо того чтобы рассматривать фотон как твердую частицу, мы можем рассматривать его как более текучую сущность, способную расщепляться или "исчезать" при движении.

Такая точка зрения может помочь объяснить, почему фотон не движется по прямой траектории, как это предсказывает закон Ньютона. Однако эта точка зрения пока находится на стадии теории и требует дополнительных исследований и экспериментов для своего подтверждения.

 

Источник: https://new-science.ru/

Сотрудники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН, Института точной механики и оптики (ИТМО) и Чжэцзянского университета (КНР) предложили новый подход к созданию метаматериалов, чтобы усилить взаимодействие света с веществом. Метод поможет создать более компактные лазеры и чувствительные сенсоры. По сравнению с традиционным подходом, технология требует меньшей точности и позволяет использовать более дешевое оборудование. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters.
Схематическое изображение подхода, предложенного в работе. Повернутая частица осуществляет связь между модой метаповерхности и внешним полем – розовым лучом. Изображение предоставлено авторами статьи.

Чтобы детектировать различные вещества методами оптической сенсорики, физики используют метаматериалы. Это материалы, которые выступают в качестве резонаторов и усиливают взаимодействие света с веществом. Дело в том, что каждая молекула взаимодействует с определенной длиной волны света. Резонатор настроен на длительное удержание света на заданной длине волны – поэтому вероятность обнаружить молекулу, то есть чувствительность детектора, повышается.

Чтобы сделать детектор более точным, ученые стараются повысить эффективность удержания света метаматериалами – и даже придумали способ создать «идеальный» резонатор, который удерживает свет бесконечно долго. Однако на практике устройство бесполезно – такой резонатор совсем не впускает и не выпускает свет, не позволяет менять оптический сигнал.

Поэтому ученые стремятся научиться искажать этот «идеальный» резонатор так, чтобы структура – метаповерхность – впускала и выпускала свет наружу в нужном количестве. При этом чем больше внести искажений, тем шире будет «дверца», через которую свет сможет заходить и выходить.

Обычно метаповерхности состоят из одинаковых частиц, расположенных в упорядоченной последовательности. Чтобы исказить структуру, ученые незначительно меняют положение всех частиц, но это сложно и не всегда удобно.

Что придумали

Ученые из ИТМО, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и Чжэцзянского университета (Китай) предложили настраивать связь резонатора и окружающего пространства другим способом: изменять положение не всех частиц, а только части из них, но при этом поворачивать их под более существенным углом. Это позволяет достигать такой же связи света и вещества, как при изменении всех частиц. Технология требует меньшей точности, поэтому позволяет использовать более дешевое оборудование.

В своем подходе физики рассмотрели каждый отдельный элемент метаповерхности как приемо-передающую антенну, которая принимает свет и отдает его в эту структуру. Чтобы частицы могли выступать в качестве таких антенн, авторы предложили деформировать часть из них.
Чтобы проверить подход, физики создали метаповерхности с помощью литографии. Тонкие кремниевые пленки с защитным полимерным покрытием помещали в кислотную среду, которая разъедала кремний там, где он не был защищен полимером. Вытравленные кремниевые частички нужной формы ученые облучали световой волной и измеряли отражение и пропускание света. Изображения получены методом электронной микроскопии. Изображение предоставлено авторами статьи.

Что дальше

Результаты исследования помогут создать более чувствительные сенсоры, а также снизить требования к среде излучения лазеров и сделать лазеры меньше в несколько раз. Это позволит снизить потребление энергии и создать более компактные источники света. Также результаты актуальны для создания различных нелинейных эффектов, которые в перспективе позволят сделать более компактный преобразователь длины волны на чипе. Например, такие устройства используются для оптоволоконной связи, чтобы передавать больше информации по волокну

«Мы планируем продолжать исследование и хотим применить наш подход для света циркулярной поляризации – когда направление электромагнитного поля двигается по спирали, а не по прямой. Такой свет хорошо взаимодействует с закрученными в спираль молекулами. Молекулы могут быть закручены в разных направлениях – и в зависимости от этого могут быть как ядом, так и лекарством для человека, поэтому важно уметь их различать. Если мы создадим структуры, которые поддерживают электромагнитный свет, закрученный только в одну сторону, то научимся различать эти молекулы – в частности, это пригодится в сенсорике», – рассказал один из авторов статьи, старший научный сотрудник физического факультета Михаил Рыбин.
Источник: https://www.ras.ru/

В Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США разработали двухстороннюю солнечную панель, способную генерировать электричество за счет энергии Солнца с обеих сторон. Панель улавливает отражённый солнечный свет, попадающий на обратную часть устройства, с эффективностью более 90% от эффективности лицевой стороны. Этот подход позволяет расширить возможности генерации энергии солнечными панелями за пределы их теоретического предела, рассчитанного для односторонних устройств.
Современные технологии солнечных элементов, где в качестве полупроводникового материала используется кремний, имеют коэффициент полезного действия 26%, что выше 23%, достигнутых в лабораторных испытаниях на лицевой стороне новой панели. Но в двухсторонней панели обратная сторона генерирует дополнительное количество электроэнергии с эффективностью 91–93% по сравнению с передней, что увеличивает общую отдачу батареи на 20%.
Производство двусторонних солнечных панелей будет стоить дороже, чем выпуск односторонних модулей, однако их способность производить больше энергии может со временем сделать их более экономически выгодными.

В последние годы перовскит (титанат кальция) стал ключевым фактором развития солнечных элементов, побив новые рекорды эффективности и открыв пути для создания технологий следующего поколения.

Тандемные кремний-перовскитные солнечные элементы достигли эффективности более 30%, а их теоретический предел намного выше, чем у чисто кремниевых элементов. Быстрый прогресс в их разработке привел к тому, что два отдельных стартапа объявили о коммерческом производстве панелей следующего поколения. Ранее на этой неделе исследователи представили солнечные элементы на основе перовскита, способные восстанавливать себя при повреждении радиацией на низкой околоземной орбите.
Источник: https://hightech.plus/

Группа ученых из Москвы и Санкт-Петербурга исследовала оптические свойства нанопроволок фосфида галлия и показала, что из этих кристаллов можно делать сложные оптические элементы для интегральных схем компьютеров будущего. Работа опубликована в научном журнале Small. Об этом CNews сообщили представители МФТИ.

Производительность компьютеров и смартфонов напрямую зависит от числа транзисторов, которые можно уместить на их микросхеме. Например, современные ноутбуки содержат несколько десятков млрд транзисторов. С каждым годом размеры электронных компонент уменьшаются, но разработчики уже близки к пределу, когда квантовые эффекты будут вмешиваться в работу процессоров. Кроме того, использование электронов для передачи и обработки информации неминуемо ведет к выделению тепла в металлических шинах. Поэтому ученые ищут альтернативные способы повысить производительность компьютеров. Одно из таких направлений — оптические интегральные схемы, в которых информация передается с помощью света. Фотоны гораздо слабее взаимодействуют с проводником, исключая нагрев устройств. Оптические сигналы уже зарекомендовали себя для передачи данных в оптоволокнах, но на наномасштабах, иначе - на чипе, готовых решений пока нет. Ученые из МФТИ подбирают оптимальные материалы, подходящие для создания оптических наноустройств. Такие материалы должны пропускать видимый свет (а еще лучше ультрафиолетовый) и иметь низкие оптические потери.
В качестве одного из таких перспективных материалов физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами изучили фосфид галлия. Ученые изготовили волноводы из его нанокристаллов, определили минимальный допустимый диаметр, при котором они будут передавать свет, и создали из двух кристаллов разветвитель.

Для эксперимента ученые вырастили на кремниевой подложке нитиевидные нанокристаллы фосфида галлия разных диаметров. Такие «нити» можно использовать в качестве волновода — канала, передающего свет, по сути, простейшего оптического элемента.
Алексей Большаков, заведующий лабораторией функциональных наноматериалов МФТИ сказал: «Мы показываем, что, используя нитиевидные нанокристаллы, можно делать волноводы размером 100 нм — это важный шаг по снижению размеров оптических элементов. Меняя геометрию кристаллов можно фильтровать свет, который передает волновод, а варьируя их химический состав можно создавать и наноразмерные источники света для систем на чипе».

В первой части эксперимента физики исследовали влияние диаметра волновода на его светопроводящие свойства. На один конец нанокристалла известного диаметра фокусировали лазерный пучок и смотрели в оптический микроскоп, высвечивается ли свет на другом конце. Минимальный диаметр кристалла, при котором свет проходил через волновод, зависел от длины волны лазера. Чем больше длина волны, тем шире должен быть волновод.

Затем ученые более детально исследовали пропускающие способности волновода. Для этого они вводили широколополосное лазерное излучение (от видимого до ближнего инфракрасного диапазона) в один конец нанопроволоки и измеряли спектр на другом. Выходной спектр зависел от ее диаметра. Определенные провода показали проявление пиков в спектрах пропускания. Это значит, что волноводы из фосфида галлия проявляют резонансные свойства — с их помощью можно усиливать свет определенной частоты, достигая фильтрации сигнала или генерацию лазерного излучения на наномасштабе.
Источник: https://www.cnews.ru/

© 2024 Лазерная ассоциация

Поиск