Учёные Международного центра исследований глаза (ICTER) совершили прорыв в области двухфотонного зрения, открыв новые перспективы для офтальмологической диагностики и технологий виртуальной и дополненной реальности (VR / AR). Двухфотонное зрение — это явление, при котором человеческий глаз может воспринимать сверхкороткие импульсы инфракрасных лазеров, поглощая два фотона одновременно. Этот процесс позволяет регистрировать инфракрасный свет как различные цвета, хотя он находится за пределами видимого диапазона спектра.
Команда ICTER разработала метод определения яркости двухфотонных зрительных стимулов. Ранее это было возможно только для видимого света, но теперь ученые смогли выразить яркость двухфотонных стимулов в фотометрических единицах (кд/м^2) для инфракрасного диапазона.
«Наш метод позволил связать яркость двухфотонных стимулов с новой физической величиной, связанной с воспринимаемой яркостью: двухфотонным ретинальным освещением. Это открывает дверь к дальнейшему изучению и разработке приложений этого явления в медицинской диагностике и технологиях дополненной и виртуальной реальности», — объясняет аспирантка Оливия Качкос из группы ICTER.
Исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Biomedical Optics Express, показало, что яркость двухфотонного стимула может достигать почти 670 кд/м^2 в безопасном для глаза диапазоне мощности лазера. Это стало возможным благодаря соотношению между мощностью инфракрасного луча и мощностью видимого луча, которое было отрегулировано таким образом, что оба воспринимались как имеющие одинаковую яркость.
«Целью нашего исследования была разработка воспроизводимого метода определения яркости стимулов для двухфотонного зрения. Стандартные методы не позволяют сделать это за пределами видимого спектра света, но наше исследование открывает путь к достижению этой цели», — говорит доктор технических наук Катажина Комар.
Новый подход также позволит сравнивать яркость двухфотонных стимулов с традиционными дисплеями, основанными на стандартном однофотонном зрении. Это имеет ключевое значение для разработки будущих технологий, таких как двухфотонные ретинальные дисплеи, которые могут быть использованы в очках дополненной реальности или в передовых диагностических инструментах, таких как двухфотонная микропериметрия.
«Наше исследование подчеркивает нелинейную природу двухфотонного зрения, что согласуется с предыдущими исследованиями. Мы задокументировали двукратную повторяемость измерений, сделанных на фоне с яркостью 10 кд/м^2, что имеет решающее значение для разработки будущих технологий», — добавляет профессор Мацей Войтковски.
Работа представляет собой значительный шаг вперёд в понимании двухфотонного зрения и его потенциальных применений в медицине и технологиях.
Источник: https://www.ixbt.com/

Ученые ИТМО первыми в мире разработали метод закручивания электронов с помощью луча лазера. Новая методика открывает перспективы для проведения экспериментов с закрученными электронами в коллайдерах, что раньше считалось невозможным. Открытие позволит узнать больше о структуре и поведении протонов и нейтронов, из которых состоит ядро атома, а также природе кварков — одних из мельчайших известных на сегодня частиц материи. Результаты исследования были опубликованы в статье в журнале Physical Review A.
Электроны проявляют себя и как частицы, и как волны, а значит, могут принимать разные формы, из-за чего меняются их свойства. Одна из возможных «фигур», в которую «трансформируется» электрон, — винт. Частица закручивается вокруг самой себя по спирали. Именно такие электроны физики и называют закрученными. Такие частицы уже использовали в экспериментах на электронных микроскопах. Но ученые надеются изучить их свойства и в экспериментах в ускорителях — установках, где электроны под действием электрических и магнитных полей разгоняются до гораздо больших энергий, то есть движутся быстрее и с большей силой воздействуют на окружающие частицы. Эти исследования позволят расширить наши знания о материи.
Обычно электроны закручивают с помощью специальных решеток. Частицы проходят через нее и принимают форму «винта». Однако этот метод работает только с не очень быстрыми электронами. В ускорителях электроны движутся значительно быстрее «обычных», поэтому и закрутить их «стандартным» способом не получится. Для этого нужно использовать решетку с периодом, расстоянием между серединами соседних щелей, меньше атома. Этого не позволяют уже фундаментальные физические и технологические ограничения.
Ученые ИТМО предложили способ закручивать электроны еще до того, как они попадают в ускоритель, и параллельно с этим уже закрученными «загонять» их в установку. Для этого луч лазера сначала пропускают через «закручивающую» фотоны решетку. После эти закрученные частицы света проходят через кристаллы и становятся ультрафиолетовыми. Затем фотоны «ударяют» по металлической пластинке и «выбивают» из нее электроны, передают им «свойство закрученности» и проталкивают в ускоритель. По расчетам физиков, такой метод будет работать в любых условиях: как в идеальных, когда атом находится на оси луча лазера и закрученность «передается напрямую» с тем же значением, так и в реальных, когда передача закрученности происходит с «погрешностями» сразу нескольким атомам, разбросанным в определенной области.
«Под закрученным электроном мы подразумеваем одну частицу. Но это лишь в теории, в реальности мы наблюдаем за “пучком” таких частиц. И чтобы как можно точнее отследить свойство каждой, необходимо “запустить” в коллайдер максимально мало электронов. Иначе они будут взаимодействовать друг с другом и терять “индивидуальные” характеристики. В итоге мы получим ту же классическую систему. Однако размер “пучков”, то есть количество электронов, мы можем регулировать с помощью повышения или понижения интенсивности луча лазера. Размер же каждого отдельного электрона — с помощью длины волны. Поэтому эти эксперименты нужно проводить в режиме маленьких токов, чтобы электроны “влетали” в коллайдер по одному и сохраняли крайне слабое взаимодействие», — объясняет один из авторов исследования, магистрант ИТМО Илья Павлов.
Эксперименты с закрученными электронами позволят узнать больше о том, как «собираются» протоны и нейтроны внутри ядра атома, как они взаимодействуют с другими частицами. Кроме того, ученые предполагают, что благодаря новым данным, полученным в ходе экспериментов, им удастся приблизиться к пониманию природы кварков.
Сейчас главная цель ученых — протестировать метод на практике. Коллеги физиков ИТМО из Объединенного института ядерных исследований в Дубне работают над установкой для эксперимента — устанавливают решетку на лазер, «подводят» его к ускорителю электронов и налаживают систему «связи» между ними. «Запустить» закрученные электроны в ускоритель планируется до начала следующего года. Кроме того, исследователи намерены продолжить теоретическую работу. В усложненной модели метода будет учитываться факт передачи энергии от света не только электрону, но и ядру атома. Так модель станет более точной и приближенной к реальным условиям.
Исследование проводилось в рамках гранта РНФ группой ученых из ИТМО под руководством доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника физического факультета ИТМО Дмитрия Карловца кандидатом физико-математических наук Алисой Чайковской и магистрантом ИТМО Ильей Павловым.
Источник: https://news.itmo.ru/

У двустворчатых моллюсков рода Corculum есть фотосинтезирующие симбионты — одноклеточные водоросли, живущие в мягких тканях моллюска под раковиной. В раковине есть прозрачные окошки, через которые проникает необходимый симбионтам свет. Как выяснилось, эти окошки представляют собой волоконно-оптические кабели, сделанные из длинных и очень тонких кристаллов арагонита, ориентированных перпендикулярно поверхности раковины. Это первый известный случай использования оптоволоконных кабелей живыми организмами. Арагонитовые световоды не только проводят свет, но и способны проецировать изображения с высоким разрешением, хотя едва ли это зачем-то нужно моллюску или его симбионтам. Волоконная оптика моллюска хорошо пропускает световые волны, пригодные для фотосинтеза, но задерживает большую часть потенциально вредного ультрафиолетового излучения. На некоторых раковинах под оптоволоконными окошками есть также арагонитовые линзы, позволяющие свету глубже проникать в населенные симбионтами ткани моллюска.
Представители многих групп животных живут в симбиозе с фотосинтезирующими организмами, такими как цианобактерии и одноклеточные водоросли. Примеры фотосимбиозов известны у губок, книдарий, плоских червей, асцидий, моллюсков и даже некоторых позвоночных (см. J. M. Clavijo et al., 2018. Polymorphic adaptations in metazoans to establish and maintain photosymbioses).
Двустворчатые моллюски часто вступают с одноклеточными водорослями в оппортунистические (необязательные) симбиотические отношения. Однако облигатный, то есть обязательный фотосимбиоз развился у них, насколько известно, только дважды, причем оба раза — у представителей семейства Cardiidae (сердцевидок). Первый случай — гигантские двустворки из подсемейства Tridacninae. Второй случай, менее известный, но не менее интересный — асимметричная двустворка Corculum cardissa и несколько близких видов из подсемейства Fraginae. По-английски этих моллюсков называют heart cockles, а по-русски — «разбитое сердце». Эти небольшие (размером всего в несколько сантиметров) моллюски встречаются в теплых морях на глубине от 0,5 до 10 м. В их мягких тканях живут симбиотические динофлагелляты Symbiodinium corculorum.
Одна из задач, которую должно решать каждое животное, зависящее от фотосинтезирующих симбионтов, состоит в обеспечении их достаточным количеством света. Симбионты двустворок живут в мантии, жабрах и других частях моллюска, отгороженных от света раковиной. Двустворки строят раковины из двух форм карбоната кальция — кальцита и арагонита в разных комбинациях. Кристаллическая структура раковин отличается разнообразием и сложностью. Как правило, свет плохо проходит сквозь раковину, хотя есть впечатляющие исключения (см. Placuna placenta).
Тридакны и разбитое сердце решают задачу освещения симбионтов по-разному. Крупные тридакны просто приоткрывают свои могучие створки, чтобы свет мог проникнуть в населенные симбионтами ткани. Маленькое разбитое сердце избавлено от такой необходимости благодаря многочисленным мелким окошкам (участкам повышенной прозрачности) на верхней стороне раковины.
Группа американских биологов решила разобраться в устройстве этих окошек. Для начала исследователи измерили прозрачность верхней и нижней стороны раковины для света с разной длиной волны. Оказалось, что верхняя сторона, благодаря окошкам, неплохо пропускает фотосинтетически активное излучение (с длиной волны от 400 до 700 нм), но задерживает большую часть потенциально вредного ультрафиолетового (300–400 нм). Нижняя сторона раковины, лишенная окошек, малопрозрачна как для ультрафиолета, так и для видимого света. Это согласуется с гипотезой о том, что окошки — адаптация, позволяющая обеспечить симбионтов светом для фотосинтеза и одновременно защитить их от вредного ультрафиолета.
Кристаллическая структура окошек оказалась крайне необычной. Окошки, как выяснилось, состоят из множества очень тонких (толщиной около 1 мкм) и длинных кристаллов арагонита, ориентированных параллельно друг другу и перпендикулярно поверхности раковины. Эти кристаллы работают как оптические волокна, переносящие свет благодаря полному внутреннему отражению. Каждое окошко фактически представляет собой волоконно-оптический кабель.
Как и положено световодам, окошки не просто проводят свет, но и проецируют изображения, причем довольно качественно — с разрешением 100 линий на миллиметр. Маловероятно, что это зачем-то нужно моллюскам или их симбионтам, но все-таки в будущем стоит проверить, нет ли у разбитого сердца каких-нибудь фоторецепторов, ассоциированных с окошками.
Кроме того, на некоторых раковинах под оптоволоконными окошками имеются арагонитовые выпуклости, похожие на линзы. Исследователи предполагают, что это действительно конденсирующие линзы, помогающие свету глубже проникнуть в нашпигованные симбионтами ткани моллюска. Правда, пока не понятно, почему эти линзы есть только у некоторых, но не у всех раковин Corculum.
Авторы подчеркивают, что окошки в раковинах разбитого сердца — это пока единственный пример оптоволоконного кабеля в живой природе. Возможно, этот способ сделать прозрачной раковину из карбоната кальция редко используется эволюцией, потому что он снижает прочность раковины. Тем более, что существуют и другие способы, как показывает пример упомянутой выше «стеклянной устрицы» Placuna placenta. Ее прозрачные створки, использовавшиеся когда-то вместо стекла, сделаны не из волокон, перпендикулярных поверхности, а из пластинок, ориентированных параллельно поверхности. Такое инженерное решение позволяет сделать раковину из карбоната кальция прозрачной без серьезного ущерба для прочности. Однако эволюция — слепой часовщик, не способный ничего просчитать наперед, и хватающийся, как правило, не за оптимальное решение, а за первое подвернувшееся.
Источник: Dakota E. McCoy, Dale H. Burns, Elissa Klopfer, Liam K. Herndon, Babatunde Ogunlade, Jennifer A. Dionne & Sönke Johnsen. Heart cockle shells transmit sunlight to photosymbiotic algae using bundled fiber optic cables and condensing lenses // Nature Communications. 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-53110-x.
Александр Марков

Источник: https://elementy.ru/

Его создание ускорит разработку новых беспроводных систем связи, приборов медицинской диагностики и различных сенсоров для изучения космоса, отметил Центр научной коммуникации МФТИ
Российские физики разработали квантово-каскадный лазер, способный постоянно вырабатывать когерентное терагерцовое излучение в широком диапазоне длин волн, от 3,1 до 3,9 ТГц. Его создание ускорит разработку новых беспроводных систем связи, приборов медицинской диагностики и различных сенсоров для изучения космоса, сообщил Центр научной коммуникации МФТИ.
«Создание квантово-каскадных лазеров является крайне сложной технологической задачей. На сегодняшний день небольшое число технологически развитых стран в состоянии решать эту задачу. Почти все этапы создания таких лазеров требуют «рекордов» и под силу лишь топ-командам. Это касается и разработки зонных дизайнов, и выверенного роста полупроводниковых гетероструктур», — пояснил заведующий лабораторией квантово-каскадных лазеров МФТИ Рустам Хабибуллин, чьи слова приводит Центр научной коммуникации вуза.
За последние годы физики создали несколько квантово-каскадных лазеров, способных вырабатывать пучки терагерцовых волн, однако большинство из них способно вырабатывать лишь очень короткие импульсы излучения из-за того, что они быстро нагреваются до опасно высоких температур. Российские ученые разработали новую конструкцию подобного лазера, которая решила проблему перегрева путем снижения плотности тока примерно на порядок.
Как отмечают ученые, исследователям удалось осуществить это благодаря реализации идеи одного из основоположников квантовой электроники Александра Прохорова. Он еще в 1965 году предложил использовать два фотонов и два квантовых перехода для выработки лазерного излучения, что в теории позволяет повысить эффективность работы лазера. Воплощение этой идеи на практике оказалась очень нетривиальной задачей, которую лишь недавно удалось решить российским физикам.
«Здесь я выделю наших коллег из ФТИ имени Иоффе, которым удалось слой за слоем вырастить 160 переходов-усиливающих модулей, каждый из которых содержит четыре квантовые ямы с толщинами слоев от 3 до 7 нанометров. Длительность роста таких сложных структур превышает 10 часов, и в течение этого времени нужно «выдержать» толщины и состав полупроводниковых слоев с точностью 1-2%», — добавил Хабибуллин.
Как показали последующие опыты с этими структурами из арсенида галлия и арсенида алюминия и галлия, созданные учеными лазеры были способны постоянно вырабатывать терагерцовые лучи милливаттной мощности в широком диапазоне частот и температур. В перспективе, это позволит создать новые типы излучателей для медицинских приборов, систем передачи данных и различные сенсоры для космических зондов и спускаемых аппаратов, подытожили ученые.
О квантово-каскадных лазерах
Квантово-каскадные лазеры представляют собой особый тип излучателей когерентного излучения, в которых свечение вырабатывается за счет переходов электронов между слоями двух разных полупроводниковых материалов с особо подобранными физическими и квантовыми характеристиками. Первая идея по созданию подобного излучателя была сформулирована советскими физиками еще в 1971 году.
Источник: https://nauka.tass.ru/

Команда ученых создала лазер, который генерирует самые мощные сверхкороткие импульсы, установив новый мировой рекорд. Средняя мощность импульсов составляет 550 Вт, что на 50% выше предыдущего достижения.
Ультракороткие импульсы длительностью менее пикосекунды (миллионная доля миллионной доли секунды) генерируются с частотой пять миллионов импульсов в секунду. Они имеют пиковую мощность 100 мегаватт, что можно сравнить с кратковременной работой 100 000 пылесосов. Разработка имеет широкий спектр применений, включая обработку материалов и наблюдение за сверхбыстрыми процессами на уровне аттосекунд (миллиардная доля миллиардной доли секунды).
Команда Келлер работает над усовершенствованием дисковых лазеров с короткими импульсами более 25 лет, используя для этого кристаллический диск с атомами иттербия толщиной всего 100 микрометров. Процесс разработки был сложным и сопровождался множеством трудностей, например, поломками лазерных компонентов. Однако каждая проблема приводила к новым открытиям, что позволило создать более надежные и мощные лазеры для промышленности.
Прорыв стал возможен благодаря двум ключевым инновациям.
Была создана специальная система зеркал, которая усиливает свет, пропуская лазерный луч через диск несколько раз, не нарушая стабильности. Также использовалось уникальное зеркало SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror), изобретенное Урсулой Келлер 30 лет назад. SESAM отражает свет с высокой интенсивностью, позволяя лазеру генерировать короткие импульсы вместо непрерывного луча. Ранее для получения мощных импульсов требовалось усиливать их вне лазера, что создавало шум и усложняло точные измерения. Команде Келлер удалось достичь высокой мощности непосредственно внутри лазера, обеспечив более чистую и эффективную систему.
Источник: https://terrnews.com/