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

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

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

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

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

Ученые из Сколтеха, МПГУ и других научных организаций обнаружили новый класс дефектов в алмазе, которые могут быть полезны для технологий квантовой обработки информации и измерения температуры на расстоянии со сверхвысоким пространственным разрешением, в том числе внутри живых клеток.
Исследование опубликовано в виде письма в журнале Physical Review B. Центрами окраски называют дефекты с определенными свойствами в прозрачном кристалле, в частности в алмазе. Физически центры окраски представляют собой различные конфигурации инородного атома, например азота или другого элемента таблицы Менделеева, в кристаллической решетке алмаза и одной или нескольких вакансий — отсутствующих атомов углерода.
Название «центры окраски» связано с оптическими свойствами этих дефектов. Алмаз сам по себе прозрачен для видимого света, в то время как центры окраски обладают привлекательной с точки зрения технологических применений способностью поглощать и эффективно переизлучать свет (флуоресцировать) в узком частотном диапазоне, то есть четко определенного цвета. Кроме того, важным свойством является возможность эффективного излучения одиночных фотонов. Существует ряд технологий, для которых возможность генерировать одиночные фотоны в узком спектральном диапазоне весьма полезна.
На манипуляциях с одиночными фотонами завязаны приложения в квантовой оптике и квантовой информатике. В частности, такое излучение может применяться в квантовой криптографии — в теории это наиболее безопасный вариант передачи информации. Отправитель и получатель обмениваются зашифрованными посланиями и ключами для их декодирования. При этом ключи должны передаваться по защищенному каналу, и некоторые протоколы их передачи требуют эффективного источника одиночных неразличимых фотонов. То есть характеристики излучаемых фотонов — поляризация, «цвет» и так далее — должны совпадать с высокой точностью.
Другая ценная особенность центров окраски: в зависимости от того, какова температура среды, в которой они оказались, излучение меняется строго определенным образом. Грубо говоря, по цвету их излучения можно точно оценить температуру в точке, где находится алмаз с соответствующим дефектом. Таким образом, получая наноалмазы с центрами окраски, ученые создают крошечные термометры удаленного действия с высоким температурным и пространственным разрешением: они измеряют температуру точно и на очень малом пространственном масштабе. В частности, уже существуют исследования, в которых с помощью таких кристаллов с дефектами регистрировали изменения температуры и изучали особенности теплопроводности внутри биологических клеток.
«Центры окраски в алмазе известны ученым и активно исследуются уже около 30 лет. Новый класс дефектов, который мы обнаружили, обладает наиболее привлекательными оптическими свойствами по сравнению с другими широко известными дефектами в алмазах: дело в том, что бо́льшая часть излучения обнаруженных центров окраски приходится на крайне узкий спектральный диапазон, примерно в 10 раз уже, чем у известных ранее. Этот факт в сочетании с довольно высокой стабильностью и интенсивностью излучения говорит о том, что с их использованием можно проводить локальные измерения температуры с повышенной точностью», — прокомментировал результаты исследования его первый автор, аспирант Сколтеха Артур Нелюбов.
Ученый добавил, что у открытых коллективом центров окраски есть еще одно любопытное свойство — узкополосное возбуждение. Они не только излучают свет в узком диапазоне, но и поглощают его тоже выборочно. То есть даже центры окраски одного класса немного отличаются друг от друга, и при желании к ним можно обращаться адресно. Например, в биологии есть метод экспериментального исследования образцов — мультицветная визуализация — для которого алмазы с такими дефектами будут весьма полезны в качестве специфических, нетоксичных, нерадиоактивных биомаркеров.
Пока научному коллективу не удалось точно идентифицировать природу данных центров. При этом ученые охарактеризовали их и показали наличие у них ряда характерных особенностей.
«В кристаллы на этапе синтеза не было преднамеренно внедрено никаких примесей, и тем не менее описанные в нашей статье центры окраски были обнаружены в образцах из трех разных партий чистых микроалмазов, — рассказал Нелюбов. — Алмазы произведены методом высоких температур и давлений с использованием адамантана в качестве прекурсора. Для подтверждения наличия таких же дефектов в алмазах естественного происхождения и в изготовленных иными методами нужны дополнительные исследования».
Также в планы дальнейших исследований научного коллектива входит изучение оптических свойств открытых центров окраски при очень низких температурах. Как раз таким образом можно получить больше информации о структуре энергетических уровней, и, следовательно, строить теории о происхождении данных дефектов.
По словам ученых, открытие стало возможным благодаря разработке нового экспериментального метода. Авторам работы удалось совместить два типа микроскопии: сканирующую электронную микроскопию и люминесцентную спектро-микроскопию.
«Такой подход позволил нам маркировать представляющие наибольший интерес микроалмазы с центрами окраски и проводить серии экспериментов на разных установках с одними и теми же микрокристаллами. Концентрации обнаруженных дефектов в алмазах были крайне малы, и обнаружить их получилось только благодаря сверхвысокой чувствительности используемых установок. Таким образом, в роли объектов рассмотрения преимущественно выступали одиночные примесные центры. Благодаря этому мы смогли собрать статистику, провести подробный анализ свойств и охарактеризовать новый класс излучателей в алмазе», — пояснил Нелюбов.
Помимо ученых из Сколковского института науки и технологий и Московского педагогического государственного университета, в исследовании принимали участие сотрудники трех институтов Российской академии наук: Института спектроскопии, Института физики высоких давлений и Физического института имени П. Н. Лебедева.
Источник: https://naked-science.ru/

Физики преодолели электронный шум и обеспечили генерацию квантовым источником света фотонов с заданной частотой с помощью дефектов в алмазе. Физики из Университета имени Гумбольдта в Берлине впервые генерировали и регистрировали фотоны со стабильными частотами, испускаемые азото-замещенными вакансиями в алмазных наноструктурах. Технология подойдет для развития квантового интернета.
Ученые интегрировали отдельные кубиты (квантовые биты) в оптимизированные алмазные наноструктуры. Они в тысячу раз тоньше человеческого волоса и позволяют направленно передавать излучаемые фотоны по оптоволокну.
NV-центр или азото-замещенная вакансия — это один из дефектов алмаза, который возникает при удалении из кристаллической решетки атома углерода и связывании образовавшейся вакансии с азотом. В предыдущих исследованиях ученые показали, что такие вакансии можно использовать в качестве источника одиночных фотонов.
Но при изготовлении наноструктур поверхность материала повреждается на атомарном уровне, а свободные электроны создают неконтролируемый шум для генерируемых световых частиц. Он вызывает флуктуации частоты фотонов, препятствуя успешным квантовым операциям, таким как запутывание.
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи использовали алмазный материал с относительно высокой плотностью атомов азота в кристаллической решетке. Исследование показало, что в таком материале можно генерировать фотоны со стабильными частотами. Хотя физика этого процесса до конца непонятна и требует дополнительного изучения, ученые полагают, что большое количество азото-замещенных вакансий защищает квантовый источник света от электронного шума на поверхности наноструктуры.
Чтобы обеспечить передачу данных с приемлемыми скоростями связи на большие расстояния в квантовой сети, все фотоны должны собираться в оптических волокнах и передаваться без потерь. При этом все они должны иметь одинаковый цвет (одну и ту же частоту). Исследование подтверждает возможность передавать данные без шумов. Более того, с помощью этой технологии текущие скорости связи между распределенными квантовыми системами в перспективе могут быть увеличены более чем в 1 000 раз.
Источник: https://hightech.fm/

Физики научились лучше управлять свойствами экситонов — квазичастиц, способных излучать и поглощать свет определенных длин волн. Контролируя спектр и интенсивность излучения экситонов, можно создавать нанолазеры или компоненты для оптических компьютеров, которые будут быстрее и производительнее, чем обычные.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Light: Science & Applications.
В полупроводниках — материалах, способных при определенных условиях проводить ток, — электроны (отрицательно заряженные частицы) могут переходить в возбужденное состояние и «отрываться» от ядер атомов, вокруг которых они изначально были расположены. Такой переход может происходить, например, при освещении, высоких температуре и давлении. На месте электронов при этом образуются так называемые «дырки», которые несут положительный заряд. Поскольку «плюс» и «минус» притягиваются, электрон не может далеко «убежать» от своей дырки и, находясь очень близко — на расстоянии в миллион раз меньше сантиметра, — определенным образом с ней взаимодействует. Такую пару в физике принято называть экситоном.
Экситоны способны поглощать и излучать свет в определенных диапазонах, а эти свойства можно использовать, например, в солнечных элементах, преобразующих свет в электричество, или в нанолазерах. Последние, в свою очередь, перспективны как компоненты оптических компьютеров, которые для работы используют вместо обычной электроники излучающие наноустройства. Однако, чтобы соответствующие приборы работали точно, нужно уметь управлять длиной волны и интенсивностью излучения экситонов.
Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) с коллегами из Южной Кореи и США исследовали поведение экситонов в двумерных полупроводниках, то есть таких материалах, толщина которых составляет всего несколько атомов. Использованные авторами полупроводники состояли из двух слоев: верхний содержал вольфрам и селен, а нижний, помимо этих элементов, еще включал молибден. В таких двумерных материалах экситоны существуют при комнатной температуре и атмосферном давлении, благодаря чему на их основе можно создавать устройства, не требующие особых труднодостижимых условий работы. С другой стороны, двухслойный полупроводник удобнее, чем однослойный, потому что экситоны в нем «живут» в миллионы раз дольше — вплоть до нескольких микросекунд, которых достаточно для того, чтобы передавать сигналы в оптоэлектронных устройствах.
Интересно, что в двухслойных материалах экситоны есть как в каждом из слоев, так и между ними. Межслойные частицы возникают, когда возбужденный электрон из одного слоя «перепрыгивает» в другой, а дырка от него остается в изначальном месте. Свойства таких экситонов — длина волны и интенсивность излучения — очень чувствительны к тому, как слои взаимно расположены, в частности, к расстоянию между ними.
Чтобы определить, как расстояние между слоями образца влияет на свойства экситонов, исследователи точечно — на площади порядка нескольких нанометров (в сотни тысяч раз меньшей миллиметра) — сжали образец с помощью специального золотого зонда. Такой зонд не только создавал давление, в десять тысяч раз превышающее атмосферное, но еще и отдавал собственные электроны, с которыми взаимодействовали экситоны. В результате спектр излучения материала сдвинулся в коротковолновую область. Это объясняется тем, что слои полупроводника взаимодействовали сильнее, чем без давления, а межслойные экситоны образовали комплексы с электронами, поступившими от золотого зонда, и в результате поменяли свои оптические свойства.
Этот эксперимент показал, что управлять свойствами экситонов можно, подбирая расстояние между слоями полупроводника и подавая на материал дополнительные электроны. Благодаря этому устройства, излучающие или поглощающие свет за счет экситонов, можно будет очень точно настраивать на определенную длину волны.
«Умея управлять свойствами экситонов, можно создавать оптоэлектронные компоненты, излучающие или поглощающие свет в очень маленькой области пространства — порядка нанометра, — что недостижимо с помощью обычной оптики. Такие технологии нужны, например, при создании процессоров для компактных оптических компьютеров, которые смогут работать на порядки быстрее обычных. В дальнейшем мы планируем исследовать поведение экситонов в динамике, то есть в определенных временных промежутках, что позволит лучше понять свойства этих квазичастиц в двумерных полупроводниковых структурах», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Василий Кравцов, кандидат наук (PhD), ведущий научный сотрудник физического факультета Университета ИТМО.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Транзисторы, усиливающие электрические сигналы, не совершенны: они теряют тепловую энергию и ограничивают скорость передачи сигнала, что понижает их производительность. Разработка российско-корейской команды — «наноэкситонный транзистор» на основе гетероструктурных полупроводников с экситонами внутри и между слоями — преодолевает ограничения современных транзисторов. С ним обработка огромных объемов данных со скоростью света при минимуме теплопотерь станет реальностью.
Стремительно развивающаяся технология искусственного интеллекта требует все больших объемов данных для обучения моделей. Результаты исследования специалистов из Пхоханского университета науки и технологии под руководством профессора Василия Кравцова из Университета ИТМО открывают возможность появления оптического компьютера, который поможет в обработке огромного количества информации.
Экситоны — квазичастицы, отвечающие за эмиссию света в полупроводниках. Они считаются ключевым компонентом в разработке светоизлучающих элементов нового поколения, которые благодаря возможности свободного обмена между светом и веществом в электрически нейтральном состоянии будут вырабатывать меньше тепла и станут источниками света для квантовых информационных технологий. Существует два типа экситонов в полупроводниковой двухслойной гетероструктуре, состоящей из двух различных монослоев полупроводников: внутрислойные экситоны с горизонтальной ориентацией и межслойные экситоны с вертикальной ориентацией.
Оптические сигналы, которые излучают два типа экситона, обладают различными физическими свойствами. Это значит, что выборочный контроль двух оптических сигналов позволяет разработать двухбитный экситонный транзистор. Однако до сих пор было трудно контролировать внутри- и межслойные экситоны в наноразмерном пространстве из-за негомогенности полупроводниковых гетероструктур и низкой световой эффективности в межслойных экситонах вдобавок к дифракционному пределу света.
В предыдущем исследовании команда ученых предложила технологию контроля экситонов в наноразмерном пространстве, пишет EurekAlert. Новая работа описывает возможность дистанционного контроля над плотностью и светимостью экситонов без физического контакта с экситонами. Наиболее существенное преимущество этого метода, сочетающего фотонный нанорезонатор с пространственным модулятором света, в минимизации физического ущерба материалу полупроводника. Вдобавок, наноэкситонный транзистор может использоваться для обработки огромных объемов данных со скоростью света, при минимизации теплопотери.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Исследователи использовали фотонные чипы и метаповерхность для управления несколькими лазерными лучами одновременно.
Инженеры из Национального института стандартов и технологий США разработали устройства в масштабе чипа для одновременного управления цветом, фокусом, направлением движения и поляризацией нескольких лучей лазерного света. Технология подойдет для создания портативных датчиков и квантовых устройств.
Традиционные оптические системы, которые позволяют управлять даже одним лазерным лучом, представляют масштабную конструкцию размером с обеденный стол. На нем размещается множество линз, поляризаторов, зеркал и других устройств. Для создания портативных датчиков и квантовых компьютеров потребуются миниатюрные чипы.
Исследователи объединили две технологии на уровне микросхем: интегральные фотонные схемы, которые используют крошечные прозрачные каналы и другие микрокомпоненты для направления света; и источник нетрадиционной оптики, известный как оптическая метаповерхность. Такие поверхности состоят из стеклянных пластин с миллионами крошечных структур высотой всего в несколько сотен миллиардных долей метра, которые манипулируют свойствами света без необходимости в громоздкой оптике.
В серии экспериментов исследователи продемонстрировали, что один фотонный чип выполнял работу 36 оптических компонентов, одновременно контролируя направление, фокус и поляризацию (плоскость, в которой световая волна колеблется при движении) 12 лазерных лучей, разделенных на четыре различных цвета. Также они показали, что крошечный чип может направлять два луча разных цветов, чтобы те шли параллельно. Это необходимо для создания атомных часов.
Исследователи отмечают, что они продолжают работать над полноценной оптической системой на базе чипа. Пока лазерный свет еще недостаточно мощен, чтобы охладить атомы до сверхнизких температур, необходимых для миниатюрных усовершенствованных атомных часов.
Источник: https://hightech.fm/