Ученые из МФТИ и Всероссийского НИИ автоматики имени Н. Л. Духова задумались о рождении экзотических состояний лазерного света. В результате год назад появилась целая теория, которая сможет показать, как казалось бы пассивное облако свободных электронов, рожденных при ионизации газа мощным лазером, способно кардинально изменять саму квантовую природу этого лазерного света. Благодаря ей, ученые могут предсказать формирование так называемых неклассических и негауссовых состояний света, включая состояния с кольцеобразной функцией Вигнера, что открывает новые пути к созданию и управлению светом для будущих квантовых технологий. Сегодня физики рассказали об этом явлении подробнее.
Взаимодействие сверхмощных, ультракоротких лазерных импульсов с веществом – это передний край современной физики, область, давшая начало аттосекундной науке (отмеченной Нобелевской премией по физике в 2023 году), которая позволяет заглядывать в мир сверхбыстрых электронных процессов.
В этом мире, где события разворачиваются за миллионные доли миллиардной доли секунды, фотоны – кванты света – играют роль и инструмента, и объекта изучения. Обычно, когда речь идет о мощном лазерном излучении, физики представляют его как когерентное состояние – наиболее близкое к классической электромагнитной волне, где фотонов так много, что квантовые флуктуации кажутся пренебрежимо малыми.
Однако несколько лет назад научное сообщество было заинтриговано: оказалось, что процессы, инициируемые сильным полем, такие как генерация высоких гармоник – когда атомы переизлучают свет на частотах, многократно превышающих исходную, – или надпороговая ионизация – когда электроны поглощают больше фотонов, чем нужно для отрыва от атома, – могут изменять квантовое состояние самого возбуждающего лазерного поля. Это был сюрприз, ведь считалось, что столь интенсивное поле ведет себя сугубо классически. Стало ясно, что квантовая природа света может проявляться даже в таких экстремальных условиях.
При этом оставался важный, ранее систематически не исследованный аспект. При любом из этих процессов в газовой мишени неизбежно образуется значительное количество свободных электронов, вырванных из атомов мощным лазерным полем. Влияние этого «электронного облака» на квантовое состояние проходящего сквозь него лазерного поля и роль этих «осиротевших» электронов в судьбе света, их породившего, представляли собой область, требующую глубокого изучения.
Именно на эту неисследованную территорию и направили свой взгляд российские физики-теоретики Евгений Андрианов и Олег Толстихин. Их цель состояла в том, чтобы разработать теорию, описывающую, как взаимодействие сильного квантованного лазерного поля с ансамблем свободных электронов, возникших в результате ионизации газа этим же полем, влияет на квантовое состояние самого этого поля.
Для решения этой сложной задачи авторы построили точно решаемую модель. Это означает, что основные уравнения модели можно решить аналитически, без грубых приближений, что дает глубокое понимание физики процесса. В основе модели лежит гамильтониан – математический оператор, описывающий полную энергию системы, состоящей из N свободных электронов и одной моды квантованного электромагнитного поля (представляющей лазерный импульс). Этот гамильтониан включает энергию электронов, энергию поля (описываемую через операторы рождения и уничтожения фотонов) и, что самое важное, член, описывающий их взаимодействие.
Критически важным аспектом модели стал учет того, что газовая мишень, хотя и состоит из отдельных атомов, для которых применимо дипольное приближение (предположение, что размер атома много меньше длины волны света), как целое может иметь размер, сравнимый с длиной волны лазера или даже превышающий ее. Это учитывается введением фазовых множителей для каждого электрона, зависящих от его положения. Совокупный эффект этих фаз выражается через комплексный безразмерный параметр η (эта), который характеризует когерентность взаимодействия всего ансамбля электронов с полем. Другой ключевой параметр модели, ξ (кси), зависит от плотности свободных электронов и связанной с ней плазменной частоты (характерной частоты коллективных колебаний электронов).
Центральным математическим шагом стал процесс диагонализации гамильтониана. Эта процедура была выполнена в два этапа. Сначала, с помощью элегантного математического приема, известного как преобразование Боголюбова, авторы преобразовали часть гамильтониана, отвечающую за поле. Физически это эквивалентно действию оператора сжатия. В результате такого «сжатия» неопределенность одной из характеристик светового поля (например, его амплитудной компоненты) может стать меньше стандартного квантового предела за счет увеличения неопределенности другой (фазовой компоненты). Исходные фотоны как бы «одеваются» взаимодействием, превращаясь в квазичастицы с измененной частотой. Затем, оставшиеся после сжатия члены в гамильтониане были устранены с помощью оператора смещения, который, как следует из названия, «сдвигает» квантовое состояние поля в фазовом пространстве (пространстве его амплитудных и фазовых компонент), не меняя его формы.
После этих преобразований исследователи проанализировали, как начальное когерентное состояние лазерного поля эволюционирует во времени. Оказалось, что под влиянием взаимодействия со свободными электронами поле переходит в более сложное смещенное сжатое когерентное состояние. Его параметры смещения и сжатия зависят от времени, от параметров ξ и η, а также от импульсов электронов. Поскольку электроны рождаются с определенным распределением по импульсам, для получения наблюдаемых характеристик поля было проведено усреднение по этому распределению, что ввело в рассмотрение еще один параметр модели, χ (хи), характеризующий это распределение.
Расчеты, проведенные Андриановым и Толстихиным, выявили ряд новых эффектов.
Прежде всего, было предсказано рождение неклассических состояний света. Это такие состояния, которые не имеют аналога в классической физике. Одним из ярких признаков неклассичности является субпуассоновская статистика фотоотсчетов: если измерять число фотонов, приходящих на детектор, то их разброс (дисперсия) может быть меньше среднего числа. Авторы рассчитали соответствующий параметр δ: если δ < 0, то поле неклассическое. Оказалось, что δ действительно может становиться отрицательным!
Критическую роль здесь играет параметр η и особенно его фаза, которая зависит от соотношения размера газовой мишени и длины волны лазера. Если пренебречь протяженностью мишени, этот эффект формирования неклассических состояний в данной модели не проявляется так ярко.
Еще одним захватывающим предсказанием стало то, что функция Вигнера поля – его своеобразный квантовый «портрет» в фазовом пространстве – может приобретать сложную негауссову, кольцеобразную структуру.
Для обычного когерентного состояния функция Вигнера представляет собой простой симметричный гауссов «холм». Взаимодействие со свободными электронами «размазывает» этот холм в кольцо, что является явным свидетельством перехода в негауссово состояние. Формирование такой структуры также критически зависит от параметров η и ξ, становясь более выраженным при их увеличении.
Самое важное в этой работе – это демонстрация того, что взаимодействие со свободными электронами, неизбежно присутствующими в экспериментах с сильными полями, является существенным и ранее недооцененным механизмом изменения квантового состояния самого лазерного поля. Этот эффект необходимо учитывать наравне с уже известными влияниями генерации высоких гармоник и надпороговой ионизации для построения полной квантовой картины взаимодействия света с веществом.
Евгений Андрианов, старший научный сотрудник и доцент кафедры теоретической физики имени Л. Д. Ландау МФТИ, так прокомментировал полученные результаты: «Наше исследование открывает удивительную картину: даже сверхмощный лазерный импульс, который мы привыкли считать почти классической волной, оказывается чутко реагирует на созданное им же облако свободных электронов, его квантовая природа претерпевает глубокие трансформации. Мы показали, что эти электроны – не просто «побочный продукт» ионизации, но также способны «сжимать» свет и придавать его квантовому портрету, функции Вигнера, причудливую кольцеобразную форму. Нами двигал не просто академический интерес. Понимание и умение управлять такими неклассическими и негауссовыми состояниями света открывает прямые пути к новым квантовым технологиям, от более мощных квантовых компьютеров до защищенных систем связи».
Работа российских ученых имеет большое значение не только для фундаментальной физики, но для практических приложений, в первую очередь в области квантовых технологий. Так, сжатые состояния являются ключевым ресурсом для квантовых вычислений с непрерывными переменными (например, для создания универсальных квантовых вентилей), а негауссовы состояния (такие как предсказанные состояния с кольцеобразной функцией Вигнера) могут быть использованы для достижения квантового вычислительного преимущества. Предложенный механизм может стать новым способом их генерации. Кроме того, понимание как различные параметры (плотность газа, интенсивность и длина волны лазера, геометрия взаимодействия) влияют на конечное состояние поля, может позволить целенаправленно «конструировать» желаемые квантовые состояния сильных световых полей.
Сделанное открытие показывает дорогу для целого ряда новых исследований. Предстоит провести экспериментальную проверку предсказаний, измерив статистику фотоотсчетов и реконструировав функцию Вигнера лазерного поля после его взаимодействия с ионизованным газом в условиях, предсказанных теорией. Также важной задачей является создание единой теории, которая бы одновременно учитывала влияние на квантовое состояние поля всех трех ключевых процессов: генерацию высоких гармоник, надпороговую ионизацию и взаимодействие со свободными электронами. Перспективно исследование более сложных систем, например, расширение модели на случай многомодовых лазерных полей или взаимодействия с электронами в других средах, таких как твердые тела. Не менее важен теоретический поиск оптимальных экспериментальных условий для целенаправленной генерации конкретных типов неклассических состояний света. Наконец, требуется более детальное изучение квантовой запутанности, которая может возникать между световым полем и коллективным состоянием свободных электронов.
Исследование опубликовано в прошлом году журнале Physical Review A и отдельно отмечено редакцией (Editors’ Suggestion). Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
Источник: https://naked-science.ru/
В современном мире, где высокоскоростные коммуникации и миниатюрная электроника становятся все более распространенными, ученые из Национального университета Сингапура (NUS) и Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) предложили революционный способ управления светом, основанный на геометрии самой материи. В их исследовании «Нелинейно-оптические резонансы при баллистическом перемещении электронов», опубликованном в журнале ACS Nano, показано, что баллистические электроны — движущиеся подобно крошечным бильярдным шарам — могут генерировать нелинейные оптические сигналы без использования мощных лазеров или сложных материалов.
Идея заключается в том, что при правильной наноформировке структуры можно направлять электроны так, чтобы удваивать частоту падающего света. Для этого используют оптические резонаторы в форме галстуков-бабочек, которые направляют электроны через узкие переходы. Гладкие поверхности резонаторов обеспечивают зеркальное рассеяние электронов, что позволяет им асимметрично перемещаться и генерировать свет с удвоенной частотой — вторую гармонику. Такой эффект достигается при значительно меньших напряженностях поля — в 1000–10 000 раз ниже, чем требуется по традиционным методам.
Работа демонстрирует, как пересмотр инструментов физики плазмы может привести к новым открытиям в нанофотонике, расширяя возможности управления светом на наноуровне. В будущем такие технологии могут стать основой для компактных, энергоэффективных устройств следующего поколения.Автор: Аида Амирова
Источник:
https://naavtotrasse.ru/
У обновленной версии также увеличилась точность распознавания, отметили в пресс-службе Самарского университета имени Королева
Ученые Самарского университета имени Королева изменили конструкцию созданного ранее экспериментального образца аналоговой фотонной вычислительной системы, увеличив его энергоэффективность и точность обработки данных. Об этом сообщили в пресс-службе вуза.
"Ученые Самарского университета имени Королева создали и испытали модернизированный вариант экспериментального образца аналоговой фотонной вычислительной системы. <…> У обновленной версии увеличились энергоэффективность вычислений и точность распознавания, при этом конструкция прибора несколько упростилась", - говорится в сообщении.
Ученые создали в 2023 году экспериментальный образец аналоговой фотонной вычислительной системы, которая способна обрабатывать видеоданные в сотни раз быстрее, чем современные цифровые нейросети на основе традиционных полупроводниковых компьютеров. Установка анализирует данные, в том числе полученные гиперспектрометрами - устройствами, которые "видят" реальность в многоканальном спектральном отображении и обнаруживают объекты, невидимые для обычных средств наблюдения. При этом максимальная точность распознавания объектов доведена почти до 98%. Ученые готовятся к выпуску предсерийного образца вычислителя.
При модернизации установки ученые применили фазовый ввод оптического сигнала. "Оказалось, что он не хуже традиционного амплитудного, а по ряду задач даже намного лучше. Благодаря изменениям удалось значительно - примерно на 50%, то есть в полтора раза - повысить общую энергоэффективность устройства. <…> Снизилось количество ошибок, точность распознавания увеличилась примерно на 1%. Применив фазовый ввод, мы убрали некоторые элементы конструкции, связанные с обработкой интенсивности оптического сигнала. Конструкция стала проще, отсюда и меньше возможных источников ошибок при вычислениях", - пресс-служба приводит слова профессора кафедры технической кибернетики Самарского университета, доктора физико-математических наук Романа Скиданова.
При фазовом вводе в вычислителе происходит фазовая модуляция фронта электромагнитной волны, несущей изображение анализируемого объекта. Данные об этом изображении кодируются уже не интенсивностью света, а фазой волны. Достигнутая энергоэффективность же говорит не об экономии электричества, а об эффективности вычислений - одном из ключевых параметров для вычислительных устройств, пояснили в университете.
Ранее ученые представили модернизированную версию вычислителя на территории технопарка "Саров" в рамках визита председателя правительства России Михаила Мишустина и при участии президент Российской академии наук Геннадия Красникова, генерального директора госкорпорации "Росатом" Алексея Лихачева, научного руководителя Национального центра физики и математики (НЦФМ) Александра Сергеева.
О фотонном вычислителе
Фотонная вычислительная система предназначена для обработки видеоданных: анализа поступающего в систему видеопотока и практически мгновенного нахождения и распознавания заданных объектов и изображений в режиме реального времени. Гиперспектральные съемка и дистанционное зондирование Земли представляют каждый пиксель полученного изображения в виде спектра, за счет чего позволяют обнаруживать объекты, невидимые для других средств наблюдения. Установка может распознавать и классифицировать заданные объекты в видеопотоке почти со скоростью света - в сотни раз быстрее современных цифровых нейросетей на основе полупроводниковых компьютеров,
Проект реализуется в рамках научной программы НЦФМ. Исследования по данному проекту финансируются со стороны Министерства науки и высшего образования РФ и госкорпорации "Росатом".
Источник: https://nauka.tass.ru/
В России учёные создали мощнейший источник синхронизированного суперконтинуума
Группа российских исследователей предложила инновационный способ создания когерентного светового излучения суперконтинуума с расширенным диапазоном. Ключевым элементом метода является усиление связанных ансамблей ультракоротких импульсов, известных как солитонные молекулы.
Впервые продемонстрирована выдающаяся эффективность солитонных молекул, позволившая сгенерировать когерентный сверхширокополосный спектр излучения в диапазоне длин волн от 1400 до 1700 нм. Для реализации данной цели использовался волоконный лазер на основе эрбия, генерирующий от 3 до 10 взаимосвязанных импульсов с продолжительностью 509 фс и промежутком 2,64 пс, при этом удалось обойтись без применения дорогостоящих высоконелинейных волокон.
Достигнутая мощность лазерного излучения составила 152 мВт, что в три раза превосходит результаты предыдущих экспериментов, при этом сохраняется превосходное качество формы импульсов. Это достижение открывает перспективы для создания компактных и стабильных источников света, необходимых в оптической прецизионной технике, микрохирургии и квантовых технологиях. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics and Laser Technology при финансовой поддержке Российского научного фонда
Источник: https://togliatti24.ru/
Он пригоден для использования в системах оптической связи за счет того, что он способен излучать в дальней части инфракрасного диапазона, традиционно применяемой для передачи данных
Японские физики разработали первый поверхностный лазер на базе индиевых квантовых точек, который пригоден для использования в системах оптической связи за счет того, что он способен излучать в дальней части инфракрасного диапазона, традиционно применяемой для передачи данных. Об этом сообщила пресс-служба Национального института информации и коммуникационных технологий (NICT).
«Вертикальные поверхностно-излучающие лазеры обладают очень интересными свойствами для их применения в системах связи, однако в прошлом их использованию мешало то, что данный тип лазеров работает в ближней части ИК-спектра, на длинах волн в 850-940 нм. Специалистам NICT впервые в мире удалось создать подобный лазер, работающий на стандартной в системах связи длине волны в 1550 нм», — говорится в сообщении.
Эта технология была разработана группой японских физиков под руководством заведующего лабораторией технологий оптического доступа NICT Наокацу Ямамото при изучении свойств квантовых точек, состоящих из атомов индия и мышьяка. Они представляют собой наночастицы, чьи размеры, структура и форма подобраны таким образом, что они ведут себя как искусственный атом.
Благодаря этому квантовые точки способны взаимодействовать с волнами света, поглощать их и преобразовать в другие формы колебаний. В прошлом, физики уже создавали поверхностные лазеры на базе этих наноструктур, однако все подобные устройства работали на слишком коротких длинах волн для их практического использования. Ученые обнаружили, что этот параметр можно скорректировать, если расположить квантовые точки в несколько слоев на подложке из фосфида индия.
Подобный набор искусственных атомов, разделенных сверхтонкими прослойками из соединения индия, алюминия, галлия и мышьяка, вырабатывает импульсы инфракрасного излучения на длине волны в 1550 нм при подпитке квантовых точек при помощи электричества. Новый лазер обладает очень компактными размерами и при этом он вырабатывает мало тепла и способен излучать даже при очень низкой силе тока, пропускаемой через электроды.
Как надеются ученые, разработанная ими технология значительным образом удешевит производство излучателей для оптических систем связи, а также позволит сделать их более компактными и даст инженерам возможность встраивать подобные системы в интегральные схемы и прочие чипы, применяемые при производстве различной бытовой и промышленной электроники. Это откроет дорогу для создания нового поколения оптических систем связи, способных работать при высоких температурах окружающей среды на большой скорости, подытожили ученые.
Источник: https://nauka.tass.ru/
Канадская Xanadu совершила важный шаг в разработке надежного, отказоустойчивого квантового компьютера. Специалисты компании разработали первые устойчивые к ошибкам фотонные кубиты на интегральной схеме. Квантовые состояния, созданные в ходе эксперимента, используют несколько фотонов для хранения информации в устойчивом к ошибкам формате. Эти состояния допускают детерминированные логические операции при комнатной температуре и идеально подходят для сетей с использованием стандартной оптоволоконной связи.
Новое достижение Xanadu базируется на недавнем успехе в разработке «Авроры», 12-кубитного универсального фотонного квантового компьютера со всеми ключевыми компонентами для работы в сети и масштабирования. Платформа на базе интегральной схемы использует волноводы из нитрида кремния, изготовленные на пластинах диаметром 300 мм, детекторы, разрешающие число фотонов с эффективностью более 99%, а также индивидуальную оптическую сборку собственной разработки.
Квантовые состояния, полученные в этом эксперименте, известны как состояния GKP и состоят из суперпозиций множества фотонов для кодирования информации в отказоустойчивой форме — необходимое требование для функциональных квантовых компьютеров будущего. Эти состояния позволяют выполнять логические операции с использованием детерминированных, совместимых с комнатной температурой методов, и чрезвычайно хорошо подходят для сетевых соединений между чипами с использованием стандартных волоконных соединений.
«Состояния GKP, в некотором смысле, являются оптимальным фотонным кубитом, поскольку они позволяют использовать логические вентили и коррекцию ошибок при комнатной температуре и выполнять относительно простые, детерминированные операции, — сказал Закари Вернон, технический директор Hardware в Xanadu, в пресс-релизе. — Эта демонстрация является важным практическим достижением, демонстрирующим наши успехи в снижении потерь и улучшении производительности при изготовлении чипов, проектировании компонентов и эффективности детекторов».
Следующий шаг компании будет нацелен на минимизацию оптических потерь. Он необходим для повышения точности состояний GKP и соответствия требованиям полной отказоустойчивости.
Возможность выполнять основные операции преобразования, не опасаясь сбоев, — важное условие появления производительных квантовых компьютеров. Международная группа исследователей разработала полный комплект квантовых вентилей, базовых элементов квантового компьютера, с низкой вероятностью ошибки. В некоторых условиях она достигает 0,001%.
Источник: https://hightech.plus/
Ученые ИТМО разработали теоретическую модель для визуализации динамических сверхбыстрых процессов в излучении света частицами — и предсказали новые квантовые явления. Все существующие методы позволяют описывать эти явления лишь в статике, что значительно ограничивает возможности исследователей и упрощает наши представления о мире. Разработанная модель поможет узнать больше о природе атома, повысить эффективность экспериментов в ускорителях и создать более точные устройства для космической отрасли и биомедицины. Результаты работы были опубликованы в Communications Physics.
Одна из главных проблем современной физики — преодоление ограничений принципа квантовой неопределенности. Принцип гласит, что частицы, у которых есть импульс и энергия, делокализованы в пространстве — разбросаны по всей вселенной и существуют вечно. У частиц же в конкретной точке пространства и времени невозможно определить величину импульса и энергии. Поэтому для изучения процессов с частицами, таких как излучение, рассеяние или распад, физики «наделяют» их определенными энергиями и импульсом. Однако в рамках такого подхода нельзя рассматривать эти явления в динамике и проводить эксперименты, когда регистрирующая аппаратура находится близко к области наблюдаемого процесса.
Ученые ИТМО предложили метод, который позволяет преодолеть эти ограничения. Они разработали модель для описания процессов с частицами на базе концепции формализма фазового пространства в квантовой теории поля. При таком подходе предполагается, что частица обладает определенными средними импульсом и энергией и находится в определенной точке пространства и времени в среднем. Так удается анализировать излученную заряженной частицей энергию в реальных пространстве и времени, предсказывать и визуализировать посредством математических моделей более точную картину развития этого процесса.
В основе разработанной модели — многоступенчатые математические расчеты, в том числе работа с квантовой функцией Вигнера. Эффективность метода ученые продемонстрировали на примере анализа излучения Вавилова-Черенкова — свечения заряженной частицы в прозрачной среде, когда она развивает скорость выше скорости света. Физики также предсказали несколько новых квантовых явлений. Исследователи определили конечное время и расстояние формирования фотона излучения Вавилова-Черенкова, конечное время длительности вспышки излучения и квантовый сдвиг времени прихода фотона в детектор, отличный от предсказанного классической теорией. При этом ученые отметили, что фотон может прийти в детектор как позже предсказанного классической — неквантовой — теорией времени, так и раньше.
«Предсказанные нами временные эффекты лежат в области аттосекунд — одна миллиардная доля от одной миллиардной секунды — и это характерные интервалы для процессов атомной физики. Если проводить аналогию, секунда грубо настолько же больше аттосекунды, насколько возраст нашей Вселенной больше секунды. Подобные процессы лишь недавно стали доступны для изучения с появлением продвинутых методов лазерной физики. Излучение Вавилова-Черенкова привлекло внимание ученых еще в 1930 годы, но квантовая динамика формирования процесса в реальных пространстве и времени так и ни теоретически, ни экспериментально не была изучена. Хотя на протяжении почти 90 лет это явление активно применяют в разных сферах: от физики космических лучей, физики ускорителей и детекторов до биомедицинской диагностики. Наша модель впервые позволила провести такой анализ», — отмечает один из авторов исследования, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Дмитрий Карловец.
Разработанная модель позволит узнать больше о природе взаимодействия атомов и частиц, таких как электроны, нейтроны и протоны, и о динамике происходящих с ними процессов в веществе. В перспективе это поможет в развитии приложений излучения Вавилова-Черенкова, включая разработку новых материалов и более точных и мощных электронных устройств, биомедицинского оборудования и космических технологий. Кроме того, благодаря этому подходу можно повысить эффективность экспериментов в физике высоких энергий, сделать их более стабильными и точными, заранее предсказав поведение частицы в ускорителе.
Пока ученые применили модель для описания частного случая — излучения Вавилова-Черенкова. Однако разработанный ими метод универсален и может быть использован для визуализации любых динамических процессов с частицами. В планах физиков — продемонстрировать это и изучить с помощью нового подхода другие квантовые явления.
Типичные секции линейных ускорителей электронов или протонов, где генерируют излучение Вавилова-Черенкова. Фото предоставлено учеными
Исследование проводили при грантовой поддержке РНФ — проект № 23-62-10026.
Источник: https://news.itmo.ru/
В лазерном ускорении ионов используются интенсивные лазерные вспышки, которые нагревают электроны твердого тела до огромных температур и разгоняют их до экстремальных скоростей. Сегодня они применяются в медицинских аппаратах для уничтожения раковых клеток, в обработке полупроводниковых материалов и в визуализации. Однако для облучения твердых тел необходимы массивные и мощные лазерные системы. Индийские ученые нашли способ использовать во благо недостатки лазерных импульсов. Они разработали метод генерации протонов с энергией в несколько МэВ импульсами со слабой интенсивностью.
Для разогрева и разгона электронов в твердых телах необходимы мощные системы интенсивного лазерного ускорения ионов. Такие лазеры обычно могут генерировать несколько вспышек в секунду, не более, иначе возникает перегрев и повреждение лазерных компонентов. Поэтому лазерные ускорители ионов используются только в крупных экспериментальных установках, что ограничивает их применение на практике. В университетских лабораториях можно встретить небольшие, но намного менее производительные лазеры, пишет EurekAlert.
Ученые из Института фундаментальных исследований Хайдерабада преодолели этот разрыв между размером и мощностью, разработав лазеры в несколько миллиджоулей, способные генерировать мегавольтные протоны импульсами с частотой в тысячу раз в секунду. Для этого они поставили себе на службу хорошо известные недостатки схем лазерного ускорения ионов — так называемые преимпульсы. Это небольшие всплески лазерной энергии, предшествующие интенсивному лазерному импульсу. Они возникают в лазерных системах из-за различных дефектов.
Процесс ускорения ионов основан на предпосылке, что один интенсивный лазерный импульс нагревает цель. Однако предварительные импульсы преждевременно изменяют поверхность твердого тела, часто даже разрушая тонкие элементы, присутствующие на них. Для подавления преимпульсов часто используют дополнительное оборудование, которое увеличивает сложность и ограничивает масштабируемость всей системы.
Вместо того чтобы удалять преимпульс, ученые придумали, как поставить себе на службу его особенности.
Эксперимент показал, что преимпульс формирует полую полость в жидкой микроскопической капле, создавая плазму низкой плотности. На такой плодородной почве лазерные импульсы возбуждают пару гигантских волн в плазме. Эти волны имеют тенденцию быстро разрушаться по мере перемещения, высвобождая всплески электронов. Электроны в конечном итоге отвечают за эффективное ускорение протонов до сотен киловольт. Работая со скоростью тысячи раз в секунду и используя лазерные импульсы с энергией миллиджоулей, такой подход обеспечивает эффективное ускорение ионов.
Новый метод, не требующий экстремальной интенсивности лазера или подавления преимпульсов, открывает путь к появлению в университетских лабораториях настольных высокочастотных лазерных ускорителей ионов.
Физики из США впервые показали, как тепло перемещается — или, скорее, не перемещается — между веществами в состоянии плазмы с высокой плотностью энергии. Результаты исследования позволят разработать новые эксперименты по управляемому термоядерному синтезу с использованием лазеров.
Источник: https://hightech.plus/
Ученые Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» в Санкт-Петербурге разработали микролазеры диаметром 5–8 микрометров. Они работают при комнатной температуре, не требуют охлаждения и могут встраиваться в микросхемы. В создании микролазеров участвовали также специалисты из Научно-технологического центра микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН, Института физики им. Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН. Исследование опубликовано в «Письмах в Журнал технической физики».
«Микролазеры очень компактные, а потому имеют большие перспективы применения в самых разных устройствах. Это и фотонные чипы для передачи информации, и высокочувствительные сенсоры для обнаружения каких-нибудь газов, и устройства типа “лаборатория на чипе”, когда на маленьком чипе можно разместить функционал целой лаборатории, например, для регулярного анализа крови при помощи микропроб», — рассказывает старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге Эдуард Ильмирович Моисеев.
Разработка микролазеров размером 5—8 микрометров, что сопоставимо с диаметром эритроцита — задача непростая, требует сложных расчетов и высокой точности производства. В отличие от простых источников света, лазеры усиливают излучение внутри резонатора — структуры, в которой свет многократно отражается и усиливается. И чем компактнее лазер, тем сложнее удержать свет внутри него так, чтобы он многократно отражался, усиливался и не терял энергию, что важно для его работы.
«Излучение очень сложно удержать в таком маленьком объеме как микролазер, и для этого мы применили ряд решений. Одно из них — это эффект шепчущей галереи. Суть его такова: с давних времен люди заметили, что в соборах или храмах слова, негромко сказанные у одной стены, отчетливо слышны у стены в другом конце здания. То есть акустические колебания распространяются с малыми потерями по определенным траекториям — вдоль вогнутых стен здания. В случае с оптикой данный эффект позволяет свету многократно отражаться внутри микролазера, благодаря чему потери минимизируются», — объясняет Э.И. Моисеев.
Для зарождения света в микролазерах используют кристаллы, причем они должны быть очень высокого качества. Иначе микроскопические дефекты могут снизить эффективность генерации света. Исследователи использовали слоистую кристаллическую структуру из соединений индия, галлия, азота и алюминия, выращенную на кремниевой подложке.
«Когда мы говорим «кристалл», мы подразумеваем материал с упорядоченным расположением атомов в пространстве с минимальным количеством дефектов. Нам же нужно было создать кристаллическую структуру из большого количества слоев различных соединений. Для этого использовался метод газофазной эпитаксии, который позволил создать условия, при которых каждый атом располагался в заданном месте кристаллической решетки», — поясняет Э.И. Моисеев.
Кроме того ученые добавили ступенчатый буферный слой для компенсации механического напряжения между кремнием и слоями. Он также снижает утечки излучения в подложку, которые все равно происходят и могут повлиять на работу прибора. Стоит отметить, что данный микролазер функционирует при комнатной температуре и не нуждается в системах охлаждения.
В настоящее время ученые продолжают исследования с целью создать микролазер с рекордными характеристиками.
«Мы привыкли работать в системе материалов таких, как алюминий, галлий, мышьяк, индий. То есть, это излучение в инфракрасном диапазоне от 1000 до 1300 нанометров. Теперь мы хотим освоить и коротковолновую область спектра, когда длина волны микролазера будет 360 нанометров, а потом и 260 нанометров. И над этим мы сейчас активно работаем», — рассказал Э.И. Моисеев.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.
Информация взята с портала «Научная Россия» https://scientificrussia.ru/
Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции (Chalmers University of Technology) разработали усилитель лазерного луча, который по обычным оптическим линиям связи способен передать в 10 раз больше данных, чем современные передатчики. Решение представляет собой каскад волноводов спиральной формы, а весь процесс усиления сводится к базовым свойствам нелинейной оптики.
Скорость фотонов ограничена скоростью света в среде, и отправить их быстрее для увеличения скорости передачи данных — это бросить вызов нашей Вселенной. Природу можно обмануть расширением полосы передачи, но за годы использования оптики, казалось бы, инженеры выжали из неё всё.
Учёные из Швеции разработали инженерное решение, способное в масштабах чипа увеличить полосу пропускания от стандартного лазерного источника света с 30 нм до 300 нм. Для этого они воспользовались так называемым четырёхволновым смешивание (Four-Wave Mixing, FWM). Это нелинейный оптический процесс, при котором четыре электромагнитные волны с различными частотами взаимодействуют в среде с сильной нелинейностью: в оптических волокнах, кристаллах или других нелинейных средах. Этот процесс приводит к генерации новых волн с частотами, которые являются комбинациями частот исходных волн.
За счёт образования фотонов с новыми длинами волн ширина полосы пропускания увеличивается. Это всё было хорошо известно до появления новой разработки. Исследователи из Швеции смогли миниатюризировать схему, воссоздав её на нитриде кремния. Схема представляет собой каскад волноводов спиральной формы. Спирали дают возможность увеличить путь фотонов на предельно малой площади, что необходимо для завершения всех необходимых преобразований для появления фотонов с расширенным спектром длин волн. Тем самым можно значительно увеличить число каналов усиления на небольшом участке чипа.
В своём исследовании учёные показали работу усилителя в диапазоне длин волн от 1400 до 1700 нм — коротковолновый инфракрасный диапазон. Следующим этапом исследования станет проверка работы в других диапазонах длин волн, таких как видимый свет (от 400 до 700 нм) и более широкий диапазон инфракрасного света (от 2000 до 4000 нм).
Согласно заявлению, новый усилитель имеет множество потенциальных областей применения, включая медицинскую визуализацию, голографию, спектроскопию и микроскопию. Миниатюризация технологии может также сделать лазеры для световых приложений более компактными и доступными по цене.
«Небольшие изменения в конструкции позволят усиливать также видимый и инфракрасный свет, — поясняют разработчики. — Это означает, что усилитель можно будет использовать в лазерных системах для медицинской диагностики, анализа и лечения. Большая полоса пропускания позволяет проводить более точный анализ и визуализацию тканей и органов, что способствует более раннему выявлению заболеваний».
Источник:
https://3dnews.ru/
Сотрудники лаборатории фотоники и органической электроники Центра биофотоники Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН разработали метод создания новых прозрачных УФ-отверждаемых материалов на основе эпокси-акрилатных композиций с добавками наночастиц SiO2. Эти добавки позволяют регулировать физические свойства материалов, не изменяя их структуру и способ синтеза.
Разработанные материалы применены в качестве прозрачного (в диапазоне 400—800 нм) фоторезиста с субмикронным разрешением (~1 мкм) и пониженной температурой дубления. Подобные системы играют ключевую роль в создании высокоэффективных фотоконверсионных плёнок на основе квантовых точек и люминофоров, используемых в OLED-дисплеях нового поколения.
Разработан подход к синтезу гибридных материалов на основе эпокси-акрилатных (ЕА) составов и наночастиц диоксида кремния (SiO2). В качестве основы синтеза ЕА выбран нетоксичный и наиболее экономичный компонент отечественных промышленных эпоксидных смол, производимых тоннажным химическим синтезом.
Полученные материалы обладают высокой прозрачностью в видимом диапазоне (выше 98 %), узкой полосой УФ-отверждения (350–390 нм). Модификация ЕА наночастицами диоксида кремния (размером 10–30 нм и с оптическим поглощением меньше 4% в видимом диапазоне) в качестве функциональной добавки позволила регулировать динамическую вязкость в диапазоне от нескольких мПа۰с до 10 Па۰с и показатель преломления от 1,43 до 1,55. Такой подход позволяет получать тонкоплёночные покрытия (на рисунке сверху) с заранее заданными свойствами (толщиной, оптическим пропусканием) и упрощает внедрение в существующие отечественные производства микроэлектроники, в которых используются преимущественно зарубежные материалы.
Эпокси-акрилатные составы были исследованы в качестве прозрачного фоторезиста. Установлено, что EA обладают разрешением ~1 мкм (на рисунке внизу) и низкой температурой дубления фоторезиста при 100 °С, а также термостойкостью до 200 °С. Данные характеристики принципиально важны в производственных процессах современных OLED микродисплеев и устройств фотовольтаики на основе перовскитных соединений.
«Разработанные эпокси-акрилатные составы решают проблему отсутствия отечественных прозрачных покрытий для оптоэлектронных устройств. Гибридные материалы с добавлением SiO2 обладают потенциалом для применения в качестве герметизирующих слоёв для влагочувствительных компонентов, а технология их синтеза легко масштабируется для промышленного внедрения и соответствует экологическим стандартам», — отметил руководитель исследования, заведующий Лабораторией фотоники и органической электроники Центра биофотоники ИОФ РАН доктор физико-математических наук Денис Чаусов.
Внедрение этих материалов в производство российской микроэлектроники ускорит переход к самостоятельному производству критически важных компонентов и усилит конкурентоспособность на рынке.
Работа опубликована в журнале Progress in Organic Coatings.
Источник: https://www.gpi.ru/