Это позволит оперативно настраивать работу этих приборов, а также компенсировать дефекты в режиме реального времени, манипулируя жидкими кристаллами при помощи электрического поля
МОСКВА, 20 января. /ТАСС/. Исследователи из России и Белоруссии разработали подход, позволяющий гибко управлять работой и поведением различных экзотических датчиков и прочих оптических устройств, построенных на базе принципов так называемой неэрмитовой фотоники. Об этом сообщил Центр научной коммуникации МФТИ.
"На данном этапе мы не ставили перед собой задачу разработать конкретные практические приложения. Тем не менее, предложенный принцип можно сравнительно легко осуществить путем интегрирования анизотропной среды, например, жидкого кристалла, в существующие неэрмитовые оптические системы", - пояснил главный научный сотрудник МФТИ Александр Шалин, чьи слова приводит Центр научной коммуникации вуза.
Как объясняют ученые, в последние годы физики со всего мира активно разрабатывают высокочувствительные сенсоры, поглотители излучения, лазеры и оптические переключатели, основанные на базе так называемой неэрмитовой фотоники. Так ученые называют особые оптические среды, поведение которых можно описать при помощи математических методов, разработанных в рамках квантовой теории.
Отличительной особенностью этих сред является то, что в них могут возникать так называемые исключительные точки. Так ученые называют особые области пространства, где спонтанным образом нарушается баланс между поглощением и усилением излучения. В результате этого поведение системы кардинально меняется, и она начинает необычно сильно реагировать на внешние возмущения, чем можно пользоваться при разработке различных детекторов и оптических аналогов транзисторов.
Для этого, как отмечают ученые, необходимо управлять или образованием и поведение исключительных точек, или же тем, как с ними взаимодействует вся остальная часть прибора. Ученые обнаружили, что подобный контроль можно осуществить, если встроить в разрабатываемый оптический прибор две прослойки жидких кристаллов или других материалов, чьи оптические свойства зависят от того, в каком направлении распространяется через них свет.
Интеграция двух слоев подобных материалов в фотонный прибор позволяет гибко управлять положением и числом критических точек, существующим внутри этого устройства. Это позволит оперативно настраивать работу этих приборов, а также компенсировать дефекты в режиме реального времени, манипулируя жидкими кристаллами при помощи электрического поля. Схожим образом, как считают физики, можно управлять исключительными точками при помощи прослоек из магнитооптических материалов.
Источник: https://nauka.tass.ru

Несмотря на то, что светодиодные лампы бьют по КПД обычные лампы накаливания, американские инженеры обратились к этой проверенной временем технологии и разглядели в ней огромный потенциал для передовой фотоники и оптики. Закрутив обычную вольфрамовую нить на микро- и наноуровне, они изготовили новую лампочку, которая дает эллиптически поляризованный свет, в сто раз более яркий.
Поляризованный свет — волны света, осциллирующие в определенном направлении. Прямой солнечный свет обычно рассеивается во всех направлениях, но когда он падает на поверхность воды, то отражается линейно, и кажется глазу очень ярким пятном. Для таких случаев выпускают специальные солнцезащитные очки от горизонтально поляризованного света. Обычные лампы накаливания излучают неполяризованный или линейно поляризованный свет.
Другой тип поляризованного света — поляризованный эллиптически, при котором складываются два линейно поляризованных колебания с разными амплитудами и фазами. Как выяснили исследователи из Университета Мичигана, если источник излучения определенным образом закручен на микро- и наноуровне, и длина витка совпадает с длиной волны излучаемого света, излучение черного тела тоже оказывается закрученным.
Увеличение яркости в 100 раз по сравнению с другими подходами — главное преимущество этой технологии. Мало того, излучаемый свет включает более широкий спектр длин волн. Ученые уже догадываются, как использовать эти особенности, в частности, при создании лазера на закрученном свете.
Применение такому свету может найтись в робототехнике, точнее, в машинном зрении. С его помощью автономные системы смогут лучше различать объекты, чем при рассеянном свете. Они смогут получать больше информации благодаря повышению контрастности изображения. Или в материаловедении и медицинской диагностике.
Потенциал для технологий связи тоже значителен, пишет New Atlas. Поляризованный свет уже используется в волоконно-оптических линиях передачи. Возможность с такой точностью управлять поляризацией света может привести к увеличению скорости и безопасности передачи данных.
Лампочку накаливания собрали пару лет назад инженеры из США из нанотрубок. Они поглощают тепло, излучая свет. Такие лампочки накаливания можно использовать в фотонике, а также для производства сенсоров и оптических компонентов компьютеров будущего.
Источник:
https://hightech.plus/

Алмаз, который часто славится своей непревзойденной твердостью и прозрачностью, стал исключительным материалом для мощной электроники и квантовой оптики нового поколения. Алмаз можно сделать таким же электропроводящим, как металл, путем введения примесей, например, бора. Исследователи из Университета Кейс Вестерн Резерв и Университета Иллинойса Урбана-Шампейн обнаружили еще одно интересное свойство алмазов с добавлением бора, известных как легированные бором алмазы. Это открытие может проложить путь к созданию новых типов биомедицинских и квантовых оптических устройств — более быстрых, эффективных и способных обрабатывать информацию так, как не могут классические технологии. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Ученые обнаружили, что алмазы, легированные бором, демонстрируют плазмоны — волны электронов, которые движутся при попадании на них света, — что позволяет управлять электрическими полями и усиливать их в нанометровом масштабе. Это важно для передовых биосенсоров, наноразмерных оптических устройств, а также для улучшения солнечных батарей и квантовых приборов.
Ранее было известно, что алмазы, легированные бором, проводят электричество и становятся сверхпроводниками, но не обладают плазмонными свойствами. В отличие от металлов или даже других легированных полупроводников, алмазы, легированные бором, остаются оптически прозрачными. «Алмаз продолжает сиять, — сказал Джузеппе Странджи, профессор физики, — как в буквальном смысле, так и в качестве маяка для научных и технологических инноваций. По мере того как мы вступаем в эру квантовых вычислений и коммуникаций, подобные открытия приближают нас к использованию всего потенциала материалов на их фундаментальном уровне».
«Понимание того, как легирование влияет на оптический отклик полупроводников, таких как алмаз, меняет наше представление об этих материалах», — сказал Мохан Санкаран, профессор ядерной, плазменной и радиологической инженерии в инженерном колледже Грейнджера в Иллинойсе.
Плазмонные материалы, которые воздействуют на свет в наномасштабе, очаровывали людей на протяжении веков, еще до того, как были поняты их научные принципы. Яркие цвета в средневековых витражах получаются благодаря металлическим наночастицам, встроенным в стекло. Когда через них проходит свет, эти частицы генерируют плазмоны, которые создают определенные цвета. Наночастицы золота кажутся рубиново-красными, а наночастицы серебра – ярко-желтыми. Это древнее искусство подчеркивает взаимодействие между светом и материей и вдохновляет на современные открытия в области нанотехнологий и оптики.
Алмазы, состоящие из прозрачных кристаллов элемента углерода, могут быть синтезированы с использованием небольшого количества бора, соседствующего с углеродом в периодической таблице. Бор содержит на один электрон меньше, чем углерод, что позволяет ему принимать электроны. По сути, бор открывает в материале периодическую электронную «дыру», которая увеличивает способность проводить ток. Решетка алмаза, легированного бором, остается прозрачной, с голубым оттенком. (Знаменитый бриллиант Хоупа имеет голубой цвет, потому что содержит небольшое количество бора).
Благодаря другим уникальным свойствам — химической инертности и биологической совместимости — алмаз, легированный бором, потенциально может применяться в тех областях, где другие материалы не могут быть использованы, например, для медицинской визуализации, высокочувствительных биочипов или молекулярных датчиков.
Автор Анна Щербакова Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)

«Эта работа может привести к первой экспериментальной реализации фотонных кристаллов времени, что позволит использовать их в практических целях и, возможно, изменит отрасли промышленности», — говорит Виктор Асадчий.
Международная исследовательская группа впервые создала реалистичные фотонные кристаллы времени – экзотические материалы, которые экспоненциально усиливают свет. Этот прорыв открывает захватывающие возможности в таких областях, как связь, визуализация, сенсорика, и закладывает основы для более быстрых и компактных лазеров, датчиков и других оптических устройств. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.
«Эта работа может привести к первой экспериментальной реализации фотонных временных кристаллов, что приведет к их практическому применению и потенциально изменит индустрию. От высокоэффективных усилителей света и передовых датчиков до инновационных лазерных технологий – это исследование бросает вызов границам того, как мы можем управлять взаимодействием света и материи», – говорит доцент Виктор Асадчий из Университета Аалто (Финляндия).
Фотонные временные кристаллы представляют собой уникальный класс оптических материалов. В отличие от традиционных кристаллов, которые имеют пространственно повторяющиеся структуры, фотонные временные кристаллы остаются однородными в пространстве, но демонстрируют периодические колебания во времени. Это отличительное свойство создает «импульсные разрывы», или необычные состояния, когда свет замирает внутри кристалла, а его интенсивность растет по экспоненте с течением времени. Чтобы понять особенность взаимодействия света в фотонном временном кристалле, представьте себе луч, проходящий через среду, которая переключается между воздухом и водой квадриллионы раз в секунду – удивительное явление, которое бросает вызов традиционному пониманию оптики.
Одно из потенциальных применений фотонных кристаллов времени – наносенсорика.
«Представьте, что мы хотим обнаружить присутствие маленькой частицы, например, вируса, загрязнителя или биомаркера для таких заболеваний, как рак. При возбуждении частица будет излучать крошечное количество света с определенной длиной волны. Фотонный временной кристалл может улавливать этот свет и автоматически усиливать его, обеспечивая более эффективное обнаружение с помощью существующего оборудования», – говорит Асадчий.
Создание фотонных временных кристаллов для видимого света долгое время оставалось сложной задачей из-за необходимости чрезвычайно быстрого, но одновременно масштабного изменения свойств материала. На сегодняшний день наиболее продвинутая экспериментальная демонстрация фотонных кристаллов времени, разработанная членами той же исследовательской группы, была ограничена гораздо более низкими частотами, такими как микроволны.

В последней работе команда предлагает, используя теоретические модели и электромагнитное моделирование, первый практический подход к созданию «истинно оптических» фотонных кристаллов времени. С помощью массива крошечных кремниевых сфер ученые предсказывают, что особые условия, необходимые для усиления света, которые ранее были невозможными, наконец, могут быть достигнуты в лаборатории с помощью известных оптических методов.
Автор Анна Щербакова
Источник: https://scientificrussia.ru/

Разрешение при этом достигло петагерцового диапазона
Немецкие физики измерили электрические поля в жидкой фазе с высокой точностью и петагерцовым разрешением. Они использовали фемтосекундный лазер и электрооптическую выборку для измерения откликов. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.
Ученые широко используют лазерное количественное определение состава образцов без использования специализированных меток. Для точных спектроскопических измерений обычно образец необходимо изолировать от помех окружающей среды и здесь основную проблему для исследователей представляет вода. Вода покрывает около 70 процентов земного шара, проникает в измерительные приборы через атмосферу и из-за сильного сечения поглощения света в видимом и среднем инфракрасном диапазоне доминирует над другими, более тонкими, характеристиками поглощения, возникающими от других молекул. Более того, избыточная поглощенная водой энергия может оставаться в образце в виде тепловой энергии, ограничивая неинвазивный анализ. Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые используют спектроскопию в ближнем инфракрасном диапазоне и фурье-спектроскопию. Однако чувствительность этих методов остается ограниченной из-за фоновых сигналов.
Группа физиков под руководством Хание Фаттахи (Hanieh Fattahi) из Института физики света Общества Макса Планка использовала мощные фемтосекундные лазерные импульсы для возбуждения молекул и электрооптическую выборку для измерения откликов. Ультракороткие импульсы генерировали в два этапа. Сначала физики при помощи лазера генерировали импульсы с энергией около 20 микроджоулей и частотой около мегагерца и сжимали их с 255 до 25 фемтосекунд при помощи спектрального расширения на основе фазовой модуляции в заполненных аргоном однокольцевых фотонных кристаллических волокнах. Затем ученые дополнительно сжимали импульсы в аналогичном волокне за счет эффекта самокомпрессии. Такая схема помогла генерировать яркие синхронизированные импульсы, обеспечивая высокую чувствительность и минимизацию шумов.
Чтобы зафиксировать отклик молекул на эти импульсы с высокой точностью, исследователи применили электрооптическую выборку, которая позволяет разрешить циклы электрического поля света путем преобразования его спектральной полосы пропускания в более высокие частоты. Это позволило физикам применить кремниевые детекторы для широкополосного обнаружения в ближнем инфракрасном диапазоне.
Эксперименты показали, что метод способен измерять вибрации молекул воды и этанола в жидкой фазе с беспрецедентной чувствительностью. Авторы статьи смогли четко разделить отклики молекул в жидкости от длительных сигналов, исходящих от молекул окружающего воздуха с разрешением в петагерцовом диапазоне. Это позволило зарегистрировать даже слабые резонансные отклики, такие как колебательные моды молекул этанола при концентрациях вплоть до 4,13 микромоль.
Спектроскопия используется в различных научных областях. Например, ранее мы писали, как спектроскопия помогла измерить красноту мякоти яблок.
Источник: https://nplus1.ru/

Ученые Сколковского института науки и технологий, Варшавского университета и Исландского университета показали, что с помощью оптических методов можно возбуждать и «перемешивать» экситон-поляритонный конденсат, излучающий линейно поляризованный свет, направление оси поляризации которого совпадает с направлением его вынужденного вращения. Внешнее манипулирование спинами с помощью магнитных или оптических полей составляет основу для широкого спектра приложений — от магнитно-резонансной томографии до когерентного управления состояниями в квантовых вычислениях.
Вращение линейной поляризации излучаемого света находится в прямом соответствии с перемешиванием спина поляритона. Скорость такой модуляции по времени может достигать гигагерцового диапазона за счет сверхскоростной динамики поляритонной системы. Ученые установили факт возникновения такой прецессии только при определенном резонансном состоянии внешнего «перемешивания» c внутренними параметрами системы. Результаты исследования ученых опубликованы в журнале Optica.
Одним из наиболее эффективных способов управления спинами является ларморовская прецессия, которая возникает у магнитного материала, помещенного в поперечное магнитное поле, вследствие чего его спины начинают стабильно вращаться (прецессировать) вокруг линий магнитного поля с частотой, пропорциональной величине воздействующего на них поля.
«Использование дополнительного радиочастотного магнитного поля, находящегося в резонансе с частотой прецессии, приводит к появлению резонансного отклика исследуемой системы (например, ядерного (ЯМР) или электронного (ЭМР) магнитного резонанса), который можно измерять и использовать. Яркий пример такого использования — визуализация тканей организма человека в медицинских аппаратах МРТ», — отметил соавтор исследования Степан Барышев, научный сотрудник Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха.
Ученые-физики из Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха открыли аналогичный традиционному ЯМР эффект в так называемом «жидком свете» — поляритонных конденсатах. Примечательно, что для получения этого эффекта использовались не магнитные поля, а только оптические.
Исследователями Сколтеха был открыт эффект резонанса в случае полностью оптической накачки спиновой прецессии в микрорезонаторах при криогенных температурах. В предыдущих исследованиях группа ученых Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха под руководством профессора Павлоса Лагудакиса показала, что в микрорезонаторных поляритонах характерное энергетическое расщепление, возникающее под воздействием лазерного возбуждения с эллиптической поляризацией, выполняет функцию магнитного поля.
В результате возникает самоиндуцированная ларморовская прецессия спина поляритонных конденсатов. Используя разработанную в лаборатории новую методику гигагерцового вращения поляритонного конденсата, ученые получили эффект гигагерцовой спиновой прецессии с высокой фазовой стабильностью. Аналогично традиционному ЯМР, спиновая прецессия возникает только в тех случаях, когда частота вращения находится в резонансе с частотой самоиндуцированной ларморовской прецессии.
«Важно отметить, что при возникновении резонанса поляритонная спиновая прецессия демонстрирует крайне длительное время дефазировки спина — 174 нс, что в двадцать раз больше ранее зарегистрированных значений. Этот показатель свидетельствует об исключительно высокой стабильности прецессии. Резонанс наблюдался при изменении различных параметров системы, таких как частота вращения, эллиптичность поляризации и мощность накачки лазера», — продолжил Степан Барышев.
Ученые также разработали строгую численную модель, воспроизводящую результаты экспериментальных исследований. Кроме того, исследователям впервые в поляритонных конденсатах удалось по форме наблюдаемого спинового резонанса определить время спиновой когерентности T2, равное 320 пс. T2 — важный временной показатель с точки зрения возможных применений поляритонов, поскольку он характеризует возможную скорость манипуляции спином поляритона и позволяет сравнивать поляритоны с другими физическими системами.
Открытый учеными механизм резонанса создает новые интересные возможности для разработки инновационных спинтронных устройств, позволяющих управлять источниками когерентного, нелинейного и закрученного света. Кроме того, новый механизм может быть полезен для создания источника когерентного света с вращающейся на гигагерцовой частоте линейной поляризацией. Возможность управления высокоскоростными спинами также открывает перспективы для создания инновационных методов зондирования и квантовых систем с непрерывными переменными на основе поляритонных конденсатов. Полученные результаты могут также обеспечить возможность когерентного управления спиновым состоянием конденсата по аналогии с традиционными методами ЯМР, а в перспективе — использования нового метода при комнатных температурах с применением материалов с более стабильными экситонными резонансами.
Экспериментальная часть исследования выполнялась в Центре фотоники и фотонных технологий Сколтеха. В состав исследовательской группы Сколтеха помимо первого автора статьи, выпускника Сколтеха Ивана Гнусова, вошли научный сотрудник Степан Барышев, старший преподаватель Сергей Аляткин, младший научный сотрудник Кирилл Ситник и профессор Павлос Лагудакис. Значительный вклад в теоретическую часть работы внес доктор Хельги Сигурдссон (Варшавский университет и Исландский университет).
Источник: https://naked-science.ru/

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/