Ученые из МФТИ с коллегами из МИСиС, ДВФУ и ИТМО впервые объяснили анизотропию перовскитов — самого перспективного материала для солнечных батарей. Оказалось, что она определяется формой кристалла. Физики научились регулировать значение анизотропии, меняя химический состав галогенидных перовскитов. Полученные результаты можно применить для построения нанолазеров, поляризаторов, волноводов и других оптических приборов.
Работа опубликована в Nano Letters.
Перовскиты представляют широкую группу материалов, имеющих химическую формулу ABX3 и сложную кристаллическую структуру. Перовскиты, в которых положение атома X занимает галоген: хлор, йод или бром, называют галогенидными. Благодаря электрическим, магнитным и оптическим свойствам они применяются в солнечных батареях, нанолазерах и светодиодах. Теоретически из-за особенностей структуры эти материалы должны проявлять анизотропию, то есть оптические свойства, например показатель преломления, должны отличаться вдоль разных направлений кристалла. Однако ученые в многочисленных исследованиях использовали приближение, при котором свойства не зависят от направления, и не наблюдали проявления анизотропии. Только в недавних работах появились наблюдения анизотропности кристаллов.
Чтобы разрешить это противоречие, физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами исследовали анизотропию бромида свинца цезия CsPbBr3. Оказалось, что оптические свойства кристалла зависят от его происхождения: в зависимости от условий выращивания кристалл может проявлять или не проявлять анизотропию в плоскости. Это объяснило противоречивость предыдущих исследований, в которых анизотропия то появлялась, то пропадала.
Первый автор работы, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Георгий Ермолаев комментирует: «Мы вообще не ожидали, что будет такой результат. Была задача просто измерить оптические свойства перовскитов. С помощью эллипсометрии измерили показатель преломления, однако результаты не сходились с изотропной моделью. Потом мы поняли, что на самом деле кристалл анизотропный, и тогда эксперимент полностью совпал с новой моделью. Форма кристаллов определяет степень анизотропии. Если они в плоскости выросли квадратными — будут изотропны в плоскости, если прямоугольными — анизотропны. Это удобно: просто взглянул на форму перовскита — и понял, какие у него будут оптические свойства».
Согласно теории, галогенидные перовскиты имеют орторомбическую кристаллическую структуру. Это значит, что большой кристалл можно разделить на одинаковые прямоугольные параллелепипеды — элементарные ячейки, содержащие минимальное число атомов. Если размеры сторон параллелепипеда отличаются, то будут отличаться и оптические свойства кристалла вдоль разных направлений. Чтобы это проверить, ученые вырастили кристаллы с квадратным и прямоугольным основанием. Как и предполагалось, анизотропия в плоскости наблюдалась только во втором случае. Таким образом, наличие анизотропии зависело от структуры конкретного кристалла перовскита.
Затем исследователи решили изменить химический состав перовскита CsPbBr3. Для этого кристалл помещали в газовую атмосферу соляной кислоты HCl, где происходило постепенное замещение атомов брома на хлор. Так же плавно уменьшался показатель преломления. А значит, регулируя время химической реакции, ученые могли регулировать оптические свойства материала.
Кроме того, они обнаружили аномально большое значение анизотропии у перовскита. На определенных длинах волн, при возбуждении экситонного резонанса, этот показатель был выше, чем у всех известных трехмерных неслоистых материалов. Экспериментальные результаты были подтверждены с помощью компьютерного моделирования. Дальше физики масштабировали открытие. Они показали, что кристаллы сохраняют оптические свойства в масштабах от нескольких нанометров до миллиметров. Чтобы показать практический потенциал перовскита, исследователи создали на его основе волновод, который собирает и переносит падающий свет.
«Перовскиты на сегодняшний день — наиболее перспективный материал для солнечной энергетики. Мы показали, что они также обладают и замечательными оптическими свойствами, что открывает новые перспективы использования перовскитов в оптоэлектронике, в частности для создания оптических логических элементов, маршрутизаторов оптического сигнала, экранов», — отметил Иван Иорш, главный научный сотрудник физического факультета ИТМО.
Совокупность оптических свойств перовскита бромида свинца цезия: настраиваемая анизотропия на масштабах до миллиметров и ее аномально высокое значение среди трехмерных материалов — открывают широкие возможности для применения материала в нанофотонике и оптоэлектронике.
«Ключевой результат работы: мы первые количественно объяснили, что перовскиты анизотропны и это надо учитывать. Показали, что их анизотропность — самая большая среди трехмерных материалов. Мы научились контролировать ее химически и ищем новые способы управления, например, нагревом, электрическим полем или лазерным облучением. Тот, кто умеет управлять анизотропией, может управлять светом как угодно. Наша задача — ускорить переключение для бо́льших приложений, например в гаджетах, где нужно практически мгновенное изменение оптических свойств», — поделился Георгий Ермолаев.
«Мы уверены, что перовскиты станут основой посткремниевой электроники. В нашей лаборатории реализован процесс роста монокристаллов CsPbBr3 и разработка устройств на их основе. Мы работаем над новыми разновидностями перовскитных кристаллов для оптоэлектронного применения и благодарны коллегами из МФТИ и ИТМО за сотрудничество в сложном и интересном исследовательском проекте», — добавляет Артур Иштеев, ведущий инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российского научного фонда.
Источник: https://naked-science.ru/

Путем наложения двух лазерных полей разной силы и частоты можно измерять и контролировать эмиссию электронов металлов с точностью до нескольких аттосекунд. Физики из Университета Фридриха-Александра Эрлангена-Нюрнберга (FAU), Ростокского и Констанцского университетов показали, что это так. Открытия могут привести к новым открытиям в области квантовой механики и создать электронные схемы, работающие в миллион раз быстрее, чем сегодня.
Исследователи опубликовали свои выводы в журнале Nature. Свет способен высвобождать электроны с металлических поверхностей. Это наблюдение было сделано еще в первой половине 19 века Александром Эдмондом Беккерелем и позже подтверждено в различных экспериментах, в том числе Генрихом Герцем и Вильгельмом Халлваксом. Поскольку фотоэффект нельзя было согласовать с теорией световых волн, Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что свет должен состоять не только из волн, но и из частиц. Он заложил основы квантовой механики. Сильный лазерный свет позволяет электронам туннелировать С развитием лазерной техники исследования фотоэффекта получили новый импульс.
«Сегодня мы можем производить чрезвычайно сильные и ультракороткие лазерные импульсы самых разных спектральных цветов», — объясняет профессор, доктор Петер Хоммельхофф, заведующий кафедрой лазерной физики физического факультета ФАУ. «Это вдохновило нас на то, чтобы с большей точностью фиксировать и контролировать продолжительность и интенсивность высвобождения электронов металлов».
До сих пор ученым удавалось точно определять индуцированную лазером динамику электронов только в газах — с точностью до нескольких аттосекунд. Квантовая динамика и временные окна излучения еще не были измерены на твердых телах. Именно это впервые удалось сделать исследователям из FAU, Университета Ростока и Университета Констанца. Для этого они использовали особую стратегию: вместо одного сильного лазерного импульса, испускающего электроны заостренным вольфрамовым наконечником, они также использовали второй, более слабый лазер с удвоенной частотой. «В принципе, вы должны знать, что при очень сильном лазерном излучении отдельные фотоны больше не ответственны за высвобождение электронов, а скорее электрическое поле лазера», — объясняет доктор Филип Динстбир, научный сотрудник Питера.
Хоммельгофа и ведущий автор исследования. «Затем электроны туннелируют через металлическую поверхность в вакуум». Преднамеренно накладывая две световые волны , физики могут контролировать форму и силу лазерного поля, а значит, и эмиссию электронов. Схемы в миллион раз быстрее В ходе эксперимента исследователям удалось определить продолжительность потока электронов до 30 аттосекунд — тридцатимиллиардных миллиардных долей секунды. Это сверхточное ограничение временного окна эмиссии могло бы в равной мере продвинуть фундаментальные и прикладные исследования. « Фазовый сдвиг двух лазерных импульсов позволяет нам получить более глубокое представление о туннельном процессе и последующем движении электрона в лазерном поле», — говорит Филип Динстбир. «Это позволяет получить новое квантово-механическое представление как об излучении твердотельного тела, так и об используемых световых полях». Наиболее важной областью применения является электроника, управляемая световым полем: с помощью предложенного двухцветного метода лазерный свет можно модулировать таким образом, чтобы можно было генерировать точно определенную последовательность электронных импульсов и, следовательно, электрических сигналов. Динстбир говорит: «В обозримом будущем можно будет интегрировать компоненты нашей тестовой установки — источники света, металлический наконечник, детектор электронов — в микрочип». Тогда возможны сложные схемы с полосой пропускания до петагерцового диапазона — это будет почти в миллион раз быстрее, чем современная электроника.
Источник: https://android-robot.com/

Коллектив российских и китайских ученых создал, успешно испытал и исследовал материал для эффективного преобразования энергии, не имеющий аналогов в природе. Сферы применения материала обширны: фотодетекторы, биосенсоры, светодиоды, дисплеи, быстродействующие функциональные структуры и приборы нового поколения — квантовые и фотонные, информационные, а также элементы навигационных систем, устройства управления приборами, машинами и процессами.
Статью с описанием материала ученые опубликовали в The Journal of Alloys and Compounds. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 21–12–00392).
В качестве базового материала соавторы статьи использовали тонкие пленки оксида редкоземельного металла гадолиния, которые применяются для преобразования энергии электромагнитного излучения и обеспечения работы разнообразных датчиков.
Пленки оксида гадолиния получили путем обработки подложки из кварцевого стекла гадолиниевой плазмой. Затем их дополнительно подвергли «бомбардировке» пучками ускоренных ионов висмута. Оксиды редкоземельных металлов, к которым относится гадолиний, обычно легируют ионами других редкоземельных металлов. У таких ионов очень узкие спектральные линии поглощения и излучения, поэтому преобразование энергии происходит в ограниченном спектральном диапазоне, что негативно сказывается на эффективности процесса конверсии света. Поэтому ученые допировали пленки оксида гадолиния ионами висмута, который не является редкоземельным металлом.
«Во-первых, висмут отличается поливалентностью, то есть большим разнообразием возможных валентных состояний. По этой причине висмутсодержащие материалы способны проявлять люминесценцию в широком диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового излучения. Во-вторых, ион висмута эффективно поглощает световую энергию и с минимальными потерями передает ее другому иону, который поглощает хуже, но хорошо излучает. Таким образом, “помощь” иона висмута усиливает люминесценцию второго иона. В-третьих, пленки оксида гадолиния, легированные ионами висмута, характеризуются богатством и разнообразием дефектов, способствующих образованию оптических эмиссионных центров — центров фотолюминесценции», — рассказывает профессор Физико-технологического института УрФУ, руководитель исследований Анатолий Зацепин.
Ученые имплантировали в пленки оксида гадолиния ионы висмута трех видов, как одиночные, в разном зарядовом состоянии, так и парные. Как и предполагали исследователи, имплантация привела к образованию трех обособленных оптически активных центров. Энергия фотонов, поглощенная пленками оксида гадолиния, передавалась оптическим центрам, которые демонстрировали излучение, соответственно, в красном, зеленом и синем спектральных диапазонах. Каждый из трех центров свечения проявлял себя как индикатор воздействия того или иного вида излучения. Таким образом, в преобразовании энергии участвовал широкий диапазон как поглощаемого ультрафиолетового света, так и излучаемого видимого.
«Благодаря одновременной “бомбардировке” исходного оксида гадолиния ионами висмута мы в одном материале получили целый набор вариантов преобразования световой энергии. Технология получения материала отличается быстродействием и минимальными потерями энергии. При этом, если мы понимаем физический механизм возбуждения люминесценции и преобразования энергии, значит, можем им управлять. Иначе говоря, целенаправленно варьировать свойства легированных пленок, добиваясь наилучших результатов, в зависимости от области применения пленок и содержания задач и, следовательно, максимальной экономичности их использования. Так, просматривается перспектива создания миниатюрного сенсора, с помощью которого будет возможным быстро и точно определять различные виды излучения по цвету индикаторного свечения», — подчеркивает Юлия Кузнецова, старший научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники» УрФУ.
Добавим, что, помимо представителей УрФУ (в том числе из Научной лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы», созданной в рамках госпрограммы поддержки университетов «Приоритет-2030»), в исследованиях приняли участие ученые Института электрофизики и Института физики металлов УрО РАН, Гонконгского политехнического и Нанкинского университетов.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Китайские ученые разработали новый быстрый способ определения местоположения, размера и категории множества объектов без получения изображения или сложной реконструкции сцены. Поскольку этот подход значительно менее требовательный к вычислительной мощности, он может оказаться полезен для обнаружения опасных препятствий во время дорожного движения.
Автоматизация передовых визуальных задач обычно требует получения подробных изображений, на которых система ищет признаки объектов. Этот подход требует сложного оборудования или алгоритмов реконструкции. Отказ от изображений может снизить нагрузку на компьютеры.
Вместо использования пиксельных детекторов вроде КМОП или ПЗС, однопиксельное формирование изображений освещает сцену последовательно структурированными паттернами лучей, а затем записывает интенсивность света, чтобы получить пространственную информацию об объекте. После эта информация используется для воссоздания объекта или вычисления их свойств.
Современные методы восприятия, не создающие визуальной картинки, могут выполнять только что-то одно: либо классификацию, либо распознавание единичных объектов, либо отслеживание. Новый метод, разработанный учеными из Китая и названный SPOD, делает все это одновременно, сообщает EurekAlert.
Для испытания метода SPOD ученые напечатали образцы данных из набора Pascal Voc 2012 на пленку и использовали их как сцены. При частоте дискретизации 5% среднее время завершения пространственной модуляции света на сцену составил всего 0,016 секунд. Это намного быстрее, чем сперва реконструировать сцену (0,05 с), а затем выявлять объект (0,018 с). Средняя точность обнаружения SPOD — 82,2% для всех классов объектов.
«Наш метод основан на однопиксельном детекторе, который позволяет проводить эффективное и надежное выявление множественных объектов напрямую из небольшого количества двумерных измерений, — сказал Бянь Лихэн из Технологического института Китая. — Этот тип сенсорной технологии без получения изображений должен решить проблемы высокой нагрузки на средства связи, высокие расходы вычислительной мощности и низкую скорость существующих систем визуального восприятия».
Источник: https://hightech.plus/

Красноярские ученые разработали и экспериментально реализовали новый оптический микрорезонатор, основной характеристикой которого, добротностью, можно управлять с помощью внешнего напряжения. Это значительно повышает эффективность устройства и дает возможность создавать на его основе энергоэффективные микролазеры, сенсоры и поглотители.
Результаты исследования опубликованы в журнале Optics Letters.
Фотоника и электроника тесно связаны друг с другом. Принцип действия электронных устройств заключается в перемещении заряженных частиц (электронов), в то время как устройства фотоники используют частицы света (фотоны). Микрорезонаторы – это «ловушки для света». Устройства, которые позволяют эффективно запирать свет в малой области пространства. За счет сохранения световой энергии в маленьких объемах материала они способны обеспечить увеличение интенсивности света на определенных частотах. Это приводит к усилению отклика устройств фотоники на основе микрорезонаторов. Микрорезонаторы нашли широкое применение в области оптоэлектроники и связи, в частности, они могут использоваться для создания оптических часов, лазеров и датчиков, а также в квантовых вычислениях.
Учёные ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» совместно с коллегами из Сибирского федерального университета предложили модель нового микрорезонатора, которая была реализована экспериментально. Особенность разработанного устройства — в настраиваемой добротности.
Добротность в микрорезонаторе определяет способность устройства сохранять энергию внутри себя. Чем выше добротность микрорезонатора, тем дольше он может сохранять энергию и выполнять свои функции. Высокая добротность является ключевым параметром для многих его приложений. Поэтому увеличение и оптимизация этого показателя являются активными областями исследований.
«Одной из важных характеристик микрорезонатора является добротность. Добротность – это показатель того, сколько энергии теряется за один проход света между зеркалами. Мы спроектировали систему таким образом, чтобы в ней могло реализоваться связанное состояние в континууме. Связанное состояние в континууме – это запертая в микрорезонаторе световая волна с добротностью, ограниченной только поглощением света в веществе микрорезонатора. Если менять параметры микрорезонатора, настроенного на связанное состояние в континууме, можно эффективно управлять его добротностью», — рассказал Алексей Краснов, лаборант Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Структура нового микрорезонатора с регулируемой добротностью состоит из двух одномерных фотонных кристаллов, между которыми находится слой жидкого кристалла. Фотонный кристалл – это своего рода «торт», состоящий из множества тонких слоёв нескольких материалов, который эффективно отражает падающий на него свет. Таким образом, свет запирается между двумя фотоннокристаллическими зеркалами, образуя микрорезонатор.
«Слой жидкого кристалла, помещенный в микрорезонатор, чувствителен к электрическому напряжению, приложенному к нему. Это свойство уже долгое время используется для создания ЖК-дисплеев. Мы впервые использовали чувствительность жидкого кристалла, помещенного в микрорезонатор, для электрического управления его добротностью. Предложенный нами микрорезонатор с управляемой добротностью может быть использован при создании энергоэффективных устройств фотоники», — рассказал кандидат физико-математических наук научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Павел Панкин.
Исследователи отмечают, что новый разработанный микрорезонатор может эффективно использоваться для создания низкопороговых микролазеров на красителях, совершенных поглотителей света и биофотонных сенсоров.
Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 22–22–00687).
Источник: https://scientificrussia.ru/

Физики нашли способ повысить разрешение микроскопов с помощью запутанных фотонов. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications. Исследователи из Калифорнийского технологического института использовали квантовую запутанность фотонов, чтобы наблюдать объекты слишком маленькие для классических световых микроскопов. Технология позволяет в два раза повысить разрешение полученных снимков.
Исследователи построили оптический прибор, который направляет лазерный свет на особый тип кристалла, преобразующий часть фотонов, проходящих через него, в бифотоны. Такое преобразование происходит очень редко и примерно для одного фотона из миллиона. Используя ряд зеркал, линз и призм, каждый бифотон, состоящий из двух отдельных фотонов, разделяется и перемещается по двум путям, так что один из парных фотонов проходит через отображаемый объект, а другой нет.
Фотон, проходящий через объект, называется сигнальным фотоном, а тот, который не проходит, называется холостым. Затем эти фотоны проходят через дополнительные оптические устройства, пока не достигают детектора, подключенного к компьютеру, который создает изображение клетки на основе информации, переносимой сигнальным фотоном. В запутанном состоянии бифотоны, даже во время движения по двум отдельным путям, ведут себя как единый объект с длиной волны вдвое меньше, чем у исходного фотона.
Микроскоп может отображать только детали объекта, минимальный размер которого составляет половину длины волны света, используемого в устройстве. Ее уменьшение означает, что микроскоп может видеть даже более мелкие объекты, что приводит к увеличению разрешения.
Квантовая запутанность — не единственный способ уменьшить длину волны света, используемого в микроскопе. Зеленый свет, например, имеет более короткую длину волны, чем красный, например, а фиолетовый — короче зеленого. Но свет с более короткими длинами волн несет больше энергии. Поэтому свет с длиной волны, достаточно малой для изображения крошечных объектов, несет столько энергии, что может повредить отображаемые объекты, особенно живые существа, такие как клетки.
Использование альтернативного способа уменьшить длину волны фотонов светового микроскопа позволяет создать устройство с высоким разрешением, которое не вредит живым объектам.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru

Чтобы это выяснить, потребовались лазерные импульсы на двух разных частотах.
Немецкие физики измерили время, которое занимает у электрона отрыв от кончика металлической иглы под действием интенсивного лазерного поля — оно оказалось равным 710 аттосекундам. Для этого они измеряли спектр обратно рассеянных электронов, облучая иглу импульсами света на двух частотах и меняя разницу фаз между ними.
Исследование опубликовано в Nature.
Высвобождение электронов с поверхности твердых тел под действием света сыграло важную роль в развитии физики. Для объяснения фотоэффекта Эйнштейн предположил, что световая энергия поглощается порциями, заложив базис корпускулярного представления о свете.
Сегодня фотоэмиссия электронов лежит в основе фотовольтаики, оптоэлектроники, и некоторых приложений фотоники. В качестве источника электронов часто используют кончик металлической иглы — это позволяет добиваться ультракоротких электронных импульсов. Такие импульсы нужны для задач ускорения частиц, а также для визуализации.
Для оптимизации этого процесса физикам нужно понимать фотоэмиссию в деталях. Наибольших успехов они достигли при работе с газообразными атомами и молекулами: в них временное разрешение ионизации достигло аттосекунд. Для твердых же тел, в особенности тонких игл, сегодня существуют только грубые оценки времени фотоэмиссии.
Закрыть этот пробел решили Филип Динстбир (Philip Dienstbier) из Университета Эрлангена — Нюрнберга и его коллеги. Суть работы заключалась в исследовании фотоэмиссии электронов с кончика иглы под действием двухцветного лазерного излучения. Оказалось, что характер испускания электронов чувствителен к разнице фаз между световыми лучами. Это позволило выяснить, что фотоэмиссия электронов происходит на аттосекундном масштабе.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Группы атомов постоянно поглощают и переизлучают свет. Поэтому, как и предполагалось, лазерный свет, казалось, «отскакивает» от них. Однако команда обнаружила, что это происходит только до определенного момента: они обнаружили, что на определенной частоте появляется «окно прозрачности». Тогда свет просто беспрепятственно проходит через полость.
Команда Калифорнийского технологического института недавно обнаружила явление, называемое коллективно индуцированной прозрачностью (CIT), которое возникает, когда группа атомов внезапно перестает отражать свет на определенных частотах. Это открытие может привести к новым применениям в квантовых вычислениях, включая разработку более эффективной квантовой памяти. Квантовая электродинамика полости (КЭП) — это изучение взаимодействия между светом, заключенным в отражающей полости, и атомами (или другими частицами) на самом фундаментальном уровне, в условиях, когда квантовая природа фотонов имеет большое значение. Эта область исследований получила значительные экспериментальные достижения в последние десятилетия благодаря разработке микро- и наноскопических устройств и методов лазерной ловушки, отмечают исследователи. Эти достижения привели к применению КЭП для обработки квантовой информации. Способность изменять свойства излучателей с помощью света (и наоборот) оказалась незаменимым инструментом для высококонтролируемых квантовых операций, объясняет команда. Предыдущая работа была посвящена КЭП в системах с несколькими эмиттерами, которые были в виде атомных газов. Здесь исследователи поставили перед собой задачу изучить взаимодействие света и материи с редкоземельными ионами, интегрированными в твердые тела (твердотельная реализация открывает возможность интеграции в квантовые приложения на кристалле). Именно тогда они обнаружили прозрачное окно прозрачности в спектре отражения оптической полости.
Проанализировав это прозрачное окно, они смогли выяснить явление, которое его вызвало: оказалось, что оно похоже на деструктивную интерференцию — которая возникает, когда две волны, исходящие от разных источников и одинаковой амплитуды, накладываются друг на друга, хотя они находятся вне фазы (их экстремумы отменяют друг друга). В этом эксперименте группы атомов непрерывно отражают лазерный свет, но на частоте CIT свет, переизлучаемый каждым из атомов в группе, создает равновесие, что приведет к уменьшению отражения. Более эффективные сверхизлучающие лазеры и квантовая память
«Мы смогли отслеживать и контролировать квантово-механические взаимодействия света и материи в наномасштабе», — говорит соавтор исследования Джунхи Чой, бывший постдокторант Калтеха, а ныне доцент Стэнфордского университета.
Помимо явления прозрачности, исследователи также заметили, что ансамбль атомов может поглощать и испускать лазерный свет гораздо быстрее (или гораздо медленнее), чем отдельный атом, в зависимости от интенсивности лазерного излучения. Эти процессы, называемые «сверхизлучение» и «субизлучение» соответственно, и лежащая в их основе физика до сих пор плохо изучены из-за большого количества взаимодействующих квантовых частиц. «Их наблюдение представляет собой ключевой шаг на пути к созданию сверхизлучающих лазеров с ультратонкой шириной линии и долгоживущих твердотельных субизлучающих запоминающих устройств», — отмечают ученые в своей статье. Эта работа расширяет наше понимание таинственного мира квантовых эффектов и может однажды проложить путь к более эффективной квантовой памяти, в которой информация хранится в наборе тесно связанных атомов. Андрей Фараон уже работал над созданием квантовой памяти, манипулируя взаимодействием нескольких атомов ванадия. Открытие CIT также может помочь в реализации квантовых сетей: «Помимо памяти, эти экспериментальные системы дают важное представление о разработке будущих соединений между квантовыми компьютерами», — сказал профессор Мануэль Эндрес, другой соавтор исследования.
Источник: https://new-science.ru/

Британские физики реализовали непрерывный временной кристалл в оптомеханическом метаматериале. Получить нужную фазу в массиве золотых наностержней удалось за счет облучения его инфракрасным светом, который индуцирует в наностержнях дипольный момент. Исследование опубликовано в Nature Physics.
Кристаллизацию жидкости можно отнести к спонтанному нарушению симметрии относительно трансляции на произвольное смещение в пространстве. В 2012 году американский физик Фрэнк Вильчек предложил распространить эту идею и на время, сформулировав концепцию кристалла времени (или временного кристалла).
Первой физической реализацией этой идеи в 2016 году стали кристаллы в дискретном времени. Если некоторая система подвергается периодическому воздействию, которое разбивает время на дискретные участки, то на период накачки непрерывная симметрия редуцируется до дискретной симметрии относительно трансляций. Идея дискретных временных кристаллов основана на спонтанном нарушении уже этой, редуцированной симметрии.
После создания дискретных временных кристаллов физики продолжили попытки создания и непрерывных кристаллов, даже несмотря на фундаментальные трудности, которыми обладает исходная идея Вильчека. Впервые создать такой кристалл удалось в 2022 году физикам, исследовавшим атомный бозе-конденсат, накачиваемый равномерно усиливающимся лазерным светом в резонаторе. На этот раз непрерывный кристалл времени увидели физики из Саутгемптонского университета под руководством Николая Желудева (Nikolay Zheludev) с помощью двумерного фотонного метаматериала.
Метаматериал, который использовали физики, представлял собой нарезанную на полоски мембрану из нитрида кремния. На каждую полоску ученые нанесли золотые наностержни, поддерживающие плазмонный резонанс на длине волны близкой к 1550 нанометрам. Сами полоски могли изгибаться, колеблясь с частотами в окрестности одного мегагерца.
Идея эксперимента заключалась в облучении массива наностержней светом на резонансной для них частоте. В результате этого в них индуцировался дипольный момент, который заставлял стержни с соседних полос притягиваться и отталкиваться. Раскачивание полос изменяло долю пропущенного инфракрасного излучения, которую и измеряли авторы работы.
При небольшой мощности лазера (менее десятков микроватт) колебание полос носило случайный характер. С ростом мощности эти колебания начали синхронизироваться, причем по мере ее увеличения спектр модуляции коэффициента пропускания менялся от постоянного к периодически меняющемуся во времени. В нем сильнее проявлялась вторая гармоника, вызванная ангармоничностью колебаний полос, а также появлялся периодически возникающий и исчезающий низкочастотный хвост.
Такие колебания обладали устойчивостью с малым возмущениям, а также демонстрировали гистерезис при увеличении и уменьшении мощности лазера. Физики также убедились, что в режиме сильной синхронизации периодические изменения спектра начинаются со случайной фазы. Все эти факторы и послужили характерными признаками непрерывного временного кристалла.
Помимо кристаллов времени группа Желудева известна своим интересом к необычным конфигурациям электромагнитных полей. Мы уже рассказывали, как физики разработали метаматериал, с помощью которого можно получить электромагнитные «летающие пончики», а также исследовали участие спина в формировании у атомов тороидного дипольного момента (анаполя).
Источник: https://nplus1.ru/

Фотосинтезировать могут почти все растения и некоторые бактерии, но никак не грибы. Однако биоинженеры решили это изменить — они перенесли ген, кодирующий пурпурный пигмент родопсин, из паразитического грибка в обычные пекарские дрожжи. В результате те научились использовать энергию света и стали расти немного быстрее. Авторы считают, что их работа проливает свет на ранние этапы эволюции фотосинтеза и что модифицированные дрожжи могут вскоре найти применение в биотехнологии.
Растения и другие организмы, способные к фотосинтезу — то есть созданию органических молекул за счет энергии света, имеют огромное значение для всего живого. Их роль в биосфере называют космической, ведь они преобразуют солнечный свет в энергию химических связей в молекулах углеводов и других веществ. А теми, в свою очередь, кормятся все остальные жители биосферы, так называемые гетеротрофы — животные, большинство микробов и грибы.
Как и когда возник фотосинтез, ставший фундаментом глобальной экосистемы Земли, пока не вполне понятно. Реконструировать древнее событие решили авторы нового исследования — для этого они обратились к возможностям биоинженерии.
Ученые использовали чрезвычайно простые клетки — одноклеточные грибки, пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), которые широко используются для производства хлеба и алкоголя. Это самые что ни на есть гетеротрофные организмы («питающиеся за счет других»), у которых едва ли когда-то были фотосинтезирующие предки. Далее ученые позаимствовали ген родопсина — пурпурного пигмента, компонента самых простых фотосинтетических систем бактерий — у другого грибка, Ustilago maydis.
Это паразит растений, поражающий кукурузу и вызывающий у нее так называемую кукурузную (головчатую) головню. Из-за вызванной U. maydis инфекции на всех надземных органах растения образуются патологические разрастания (галлы).
Полученные трансгенные дрожжи имеют пурпурную окраску, которую придал им родопсин. Авторам пришлось немало потрудиться, чтобы его молекулы оказались именно в вакуолях — мембранных мешочках внутри клеток, а не в каких-то других частях клеток.
Дело в том, что содержимое вакуолей имеет кислую реакцию, то есть богато протонами (ионами водорода). Чтобы закислить внутренние области вакуолей, на их мембранах работают особые ионные насосы — протонные помпы, АТФазы. Создаваемые ими низкие значения pH в таких вакуолях необходимы, чтобы эффективно перерабатывать ненужные белки. Работающие для этого АТФазы тратят универсальную энергетическую валюту клетки — АТФ.
Замысел ученых состоял в том, чтобы попавший в мембрану родопсин отчасти взял на себя работу АТФаз по перекачиванию протонов, используя для этого энергию зеленого света, который он активно поглощает. Эту функцию родопсин выполняет в составе фотосистем некоторых бактерий. Тем самым пигмент помог дрожжам «сэкономить» молекулы АТФ, которые они смогли потратить на другие свои нужды.
В итоге на свету модифицированные клетки дрожжей стали расти быстрее, а их общий уровень приспособленности к среде, по оценкам биологов, увеличился на два процента. При этом никаких нарушений в структуре клеток не замечено, а в темноте ГМО-дрожжи вели себя так, как и положено самым обычным грибкам.
Едва ли такие дрожжи можно назвать фотосинтетиками в полном смысле этого слова, однако в какой-то степени они действительно стали факультативными аутотрофами, то есть могут использовать свет для нужд своего метаболизма.
Авторы полагают, что созданные ими клетки воспроизводят ранние этапы эволюции фотосинтеза на Земле, хотя некоторые их коллеги не согласны с этим и называют такую конструкцию искусственной.
Новая работа представляет несомненный интерес и может быть полезна для биотехнологии, в том числе при создании систем искусственного фотосинтеза.
Источник: https://naked-science.ru/

В попытке выжать как можно больше энергии из солнечного света, ученые ищут радикально новые методы улучшения фотоэлементов. Химики из США предложили изготавливать их не из привычного кремния, а из дисульфида молибдена. Эксперименты ученых показали, что тончайшие пленки этого материала обладают беспрецедентно высокими свойствами преобразования света в энергию.
Современные темно-синие солнечные панели обычно изготавливаются из кремния, хорошо изученного полупроводникового материала. Однако эффективность кремниевых фотогальванических устройств ограничивается теплопотерей, из-за которой они теряют до 40% полученной от солнца энергии.
Специалисты из Университета штата Колорадо предлагают использовать для производства солнечных элементов не кремний, а дисульфид молибдена, рассказывает Sience Daily. Проведя серию экспериментов с использованием методов фотоэлектрохимии и спектроскопии, ученые обнаружили поразительно эффективное преобразование света в энергию в слое сульфида молибдена толщиной в один атом.
Более того, они выяснили причину такого высокого КПД конверсии света в энергию.
Оказывается, кристаллическая структура материала позволяет получать и использовать энергию так называемых горячих носителей, электронов, которые под действием видимого спектра света на краткое время меняют свое состояние на более высокое. В фотоэлектрохимической клетке энергия этих горячих носителей немедленно преобразуется в фототок, а не растрачивается попусту в виде тепла. У кремниевых фотоэлементов явления экстракции горячих носителей не наблюдается.
Результаты исследования открывают для инженеров новые пути создания солнечных элементов будущего.
Источник: https://hightech.plus/

© 2024 Лазерная ассоциация

Поиск