Такое же состояние вещества достигается внутри планет-гигантов или белых карликов
Немецкие физики сжали тонкую проволоку до экстремальных давлений порядка 800 мегаатмосфер при помощи короткоимпульсного лазера джоулевского класса. Эта работа поможет исследовать состояния вещества во внутренних слоях планет-гигантов или белых карликов. Статья об этом исследовании опубликована в журнале Nature Communications.
Чтобы лучше понимать процессы, происходящие внутри планет-гигантов или небольших звезд, физики ищут способы экспериментального изучения состояния вещества в экстремальных условиях. Обычно для этих целей используют наносекундные лазеры с многокилоджоульной энергией. Однако такие эксперименты ограничены низкой частотой повторений и требуют сложных многолучевых установок. Новой платформой для изучения вещества в экстремальных условиях может стать мощнейший рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL), который запустили в 2017 году, в комбинации с мощным оптическим лазером.
Именно такую методику использовала группа ученых под руководством Хуана Линьэня (Lingen Huang) и Тома Тончиана (Toma Toncian) из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф в своей новой работе. Ученые смогли создать цилиндрическую ударную волну в тонкой проволоке при помощи однолучевого лазера, при этом давление внутри образца достигло порядка 800 мегаатмосфер. Для этого исследователи использовали оптический лазер ReLaX класса Джоуль мощностью 100 тераватт для облучения медных проволок толщиной 25 микрон, создавая цилиндрическую ударную волну, которая двигалась к оси проволоки. С помощью фазоконтрастной визуализации с рентгеновским излучением от рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL физики отслеживали ударную волну в реальном времени с беспрецедентной точностью. Это позволило ученым наблюдать, как волна распространяется и сжимает материал практически в девять раз.
Экспериментальные результаты совпали с предсказанием гидродинамического моделирования, проведенного учеными. Симуляции и экспериментальные данные подтвердили, что удар возникал в результате абляционного нагрева от лазера, за которым последовала сходящаяся цилиндрическая ударная волна. Как отметили ученые, методика может применяться не только для медных проволок, но и для изучения других материалов, которые важны для астрофизических исследований, таких как углерод и железо.
По словам физиков, эта методика открывает возможность для того, чтобы исследовать условия, которые существуют, например, во внутренних слоях Юпитера или в оболочках белых карликов.
Помимо экспериментальных методов, ученые активно развивают компьютерные модели, чтобы предсказывать поведение вещества в экстремальных условиях. Например, мы писали, как такую модель ученым удалось создать для описания электронного газа.
Источник: https://nplus1.ru/

В современном мире лазеры применяются в самых разных отраслях. Создание микролазеров, генерирующих красный и синий свет, уже давно не является проблемой. Однако уже многие годы научное сообщество пытается достичь зеленого света в микролазерах. Ученые из Национального института стандартов и технологий (США) разработали новое лазерное устройство, способное излучать свет не только зеленого, но и оранжевого и желтого цветов. Из чего состоит устройство, как именно оно работает, и какого может быть его практическое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Компактные видимые лазеры являются большой пользой для очень многих разработок, от лазерного освещения и дисплеев до медицинской диагностики и квантовых технологий. Хотя в области синей и красной длин волн был достигнут прогресс, нехватка эффективных и компактных источников зеленого лазера, также известная как проблема «зеленой зоны» («green gap») (1a), по-прежнему остается. Полупроводниковые лазеры III-V обеспечивают убедительное сочетание эффективности и малого размера, но они требуют ватт входной мощности и часто (особенно на длинах волн «зеленой зоны») не обладают спектральной чистотой, необходимой для приложений с высокой когерентностью. Инжекционная синхронизация диодных лазеров Фабри-Перо с микрорезонаторами высокой точности может улучшить когерентность, но выходные длины волн ограничены доступностью лазеров накачки и до сих пор плавно перестраиваются всего в пределах нескольких ГГц. На 1a показано сравнение различных коммерческих решений проблемы зеленой зоны, расположенные по размеру и диапазону длин волн.

Другой способ получения зеленого лазерного света — через нелинейные оптические процессы. Это стратегия, принятая в большинстве отраслей промышленности, и она предлагает приемлемый путь к масштабируемости через фотонную интеграцию, поскольку малые оптические объемы способствуют эффективному нелинейному взаимодействию (коммерческие приборы, использующие объемные оптические компоненты, обычно имеют размер ≈ 1 м3). Например, нелинейные микрорезонаторы могут генерировать частотные гармоники лазеров накачки ближнего инфракрасного диапазона для получения видимого света, хотя и с ограниченной возможностью настройки длины волны. В качестве альтернативы, широко разделенные оптические параметрические колебания Керра (OPO от optical parametric oscillation) являются потенциально эфективным подходом к генерации видимого света путем четырехволнового смешения (FWM от four-wave mixing), например, из накачки ближнего инфракрасного диапазона.

В последние годы исследовался OPO на основе FWM в оптических микрорезонаторах (авторы исследования называют такие устройства «μOPO»). В этих системах энергия от монохроматического лазера накачки с частотой νp передается в сине-смещенную сигнальную волну (νs) и смещенную в красную сторону холостую волну (νi), как показано на 1a. Видимые μOPO могут работать с пороговыми мощностями на уровне милливатт и показали эффективность преобразования накачки в боковую полосу до 15%. На 1b представлено сравнение рабочих длин волн и спектральных разделений (νs-νi), описанные в нескольких исследованиях μOPO. Важно, что были описаны частоты сигнала в зеленом спектре, но самая высокая частота, описанная до сих пор, составляет ≈ 548,9 ТГц, что на ≈ 14.6 ТГц меньше края зеленой зоны. Кроме того, выходная мощность и длина волны μOPO чувствительны к внешним параметрам, таким как температура, мощность накачки и расстройка резонатора накачки, а также к геометрии микрокольца. Эти чувствительности имеют тенденцию расти пропорционально разделению μOPO (νs-νi) и, следовательно, представляют собой серьезную проблему для μOPO, нацеленных на более полное покрытие зеленой зоны.

В рассматриваемом нами сегодня руде ученые использовали μOPO для доступа ко всей зеленой зоне, достигая наивысшей частоты ≈ 563.51 ТГц, увеличивая доступ к длине волны на ≈ 14.2 нм по сравнению с предыдущим рекордом и повышая надежность в отношении изменений параметров. Используя всего четыре устройства, возможно выборочно генерировать >150 μOPO, каждый с уникальной частотой сигнала зеленой зоны, которая отделена от своего ближайшего соседа примерно на свободный спектральный диапазон микрорезонатора (FSR от free spectral range). Этот прорыв стал возможен благодаря новой конструкции дисперсии, в которой подложка частично вытравлена, так что большая часть микрорезонатора покрыта воздухом.

Продолжение статьи: https://habr.com/ru/companies/ua-hosting/articles/840478/

Учёные из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф разработали новый метод измерения электронных сгустков в лазерно-плазменных ускорителях, что может значительно продвинуть эту технологию, сообщает SciTechDaily. Лазерно-плазменные ускорители считаются перспективным компактным инструментом для ускорения частиц. Они могут заменить километровые традиционные ускорители и сделать такие установки доступными даже для университетских лабораторий. Однако для создания рентгеновских лазеров на свободных электронах необходимо точно контролировать параметры электронных сгустков. Новый метод измерения, разработанный учеными, позволяет детально анализировать сверхкороткие электронные сгустки размером всего несколько микрометров. Метод основан на пропускании электронных сгустков через тонкую металлическую фольгу, что вызывает когерентное оптическое переходное излучение. Анализируя это излучение, можно точно реконструировать форму и структуру электронных сгустков. Вода может испаряться без нагрева, но потребуется нечто иное Применение нового метода позволило исследователям изучить различные способы инжекции электронов в плазменный пузырь и показать, что разные методы инжекции дают существенно различающиеся формы сгустков. Это открывает возможности для более точного контроля параметров электронных пучков, что критически важно для создания ярких и стабильных источников света на основе лазеров на свободных электронах.
Источник:
https://sciencexxi.com/

Поглощая фотоны закрученного определённым образом света, атом перенимает эту закрученность, обнаружили учёные из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге. Статья об их открытии вышла в Physical Review, сообщила пресс-служба Российского научного фонда в четверг.
Поток закрученных частиц отличается формой волнового фронта — условно говоря, он похож на винт мясорубки или спираль штопора. Обычно этого эффекта добиваются, пропуская частицы через дифракционные решётки. Но для пучков высоких энергий этот метод непригоден — период решётки слишком мал, что не позволяет применять его на мощных ускорителях.
В ИТМО предположили, что при взаимодействии света с атомом фотоны должны передавать ему свою волновую функцию, то есть закрученность.
«Поскольку квантовое состояние света — это некоторая информация, то при любом взаимодействии света без потерь с некой системой эта информация должна сохраниться. Мы выяснили, что если передача этой информации невозможна электрону напрямую, то почти вся информация, которая была сохранена в фотоне, переходит к центру масс атома», — пояснил ведущий научный сотрудник физического факультета Станислав Батурин.
Такой подход позволяет разработать метод воздействия на атомы светом для передачи им информации. Для практической реализации достаточно несложной доработки лазера.
«В перспективе наше исследование поможет лучше понять, как работают различные законы сохранения в процессах со структурированным светом — например, как квантовое состояние света преобразуется при поглощении фотона электроном в атоме, помещённым в ловушку, или как передаётся закрученность от фотона электрону в процессе его выбивания из вещества», — добавил учёный.
Методику ждёт экспериментальная проверка на ускорителе частиц или на специальной установке для спектроскопии. Если выкладки подтвердятся, она найдёт применение в микроскопии, квантовой томографии, квантовых вычислениях и телекоммуникации.
Источник: https://www.newsinfo.ru/

Тысячи частиц света могут слиться в нечто вроде «суперфотона» при определенных обстоятельствах. Исследователи из Германии смогли воздействовать на бозе-конденсат при помощи крошечных «литейных форм». В результате они получили решетчатую структуру из четырех точек света, образующих квадрат. В будущем их можно будет применять для хорошо защищенного обмена информацией.
Когда большое количество частиц света охлаждают до крайне низких температур и прячут в ограниченном пространстве, они внезапно становятся неотличимы друг от друга и ведут себя как единый суперфотон. Физики называют его бозе-конденсатом. Обычно он выглядит как смазанное пятно света, пишет Phys.org.
Ученые из Университета Бонна сумели нанести на бозе-конденсат простую решетчатую структуру. Для этого они создали крошечный контейнер с зеркальными боковыми стенками, наполненный раствором красителя. Возбужденные лазерным лучом молекулы красителя испускают фотоны, которые отскакивают от стенок. Сначала фотоны относительно теплые, но по мере столкновения с молекулами они охлаждаются и, в конце концов, приходят в состояние конденсата, образуя супер-фотон.
Чаще всего зеркальные поверхности, служащие для получения бозе-конденсата, делают идеально ровными, но в этот раз ученые намеренно создали небольшие выемки. Они выполняют роль своего рода формочек, меняющих структуру конденсата. Так получилось четыре зоны, в которых конденсат скапливался чаще всего, как если бы в дне сосуда с водой было четыре углубления. Однако, в отличие от воды, суперфотон не обязательно будет делиться на четыре части. Если расположить углубления достаточно близко друг к другу, он останется единым бозе-конденсатом.
Это свойство можно будет использовать, например, для создания квантовой запутанности. Если свет в одном углублении меняет свое состояние, это повлияет и на свет в других углублениях. Эта взаимосвязь между фотонами — основное требование защищенного обмена информацией между несколькими участниками.
«Нарочно меняя форму отражающих поверхностей, теоретически возможно получить бозе-конденсаты, разделенные на 20, 30 и более ячеек, — пояснил Редманн. — Это позволит нам сделать связь между множеством участников непроницаемой. Наше исследование впервые показало, как намеренно создавать нужные паттерны эмиссии для определенных задач».
Команда австралийских физиков изучала поведение гибридных частиц со свойствами вещества и света в конденсатах Бозе — Эйнштейна. И обнаружила у них свойства, не вписывающиеся ни в одну из существующих теорий.
Источник: https://hightech.plus/

Красноярские учёные модифицировали перовскитный солнечный элемент с помощью фотонного кристалла и золотой нанорешётки. Это позволило повысить эффективность устройства на 35%. Результаты исследования опубликованы в журнале Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки.
Перовскитные солнечные элементы представляют собой одну из самых перспективных и быстро развивающихся технологий в области солнечной энергетики. Их название происходит от минерала перовскита (титанат кальция), который был впервые открыт в 1839 году на Урале. Как основу современных перовскитных солнечных элементов всё чаще используют металлоорганические соединения, основанные на йодиде метиламмония и йодиде свинца. Основным преимуществом перовскитных солнечных элементов является их высокая эффективность при сравнительно низкой стоимости производства. Эффективность этих элементов давно превысила 25%, что делает их конкурентоспособными с традиционными кремниевыми солнечными панелями. Кроме того, процесс их изготовления может быть более простым и дешёвым. Перовскиты можно наносить на поверхность с использованием простых методов, таких как сплошное осаждение из раствора.
Учёные Красноярского научного центра СО РАН оценили эффективность перовкситного солнечного элемента, модифицированного фотонным кристаллом и золотой нанорешёткой.
«Фотонными кристаллами называют среды, в которых показатель преломления изменяется в пространстве с периодом, сопоставимым с длиной волны света. В результате в спектральном составе прошедших через кристалл световых волн образуются пробелы, которые называют запрещёнными зонами. Их появление означает, что в этом спектральном диапазоне свет не может войти в фотонный кристалл или выйти из него. Фотонные кристаллы легли в основу нанофотонных устройств, таких как миниатюрные лазеры, фотодетекторы, сенсоры. Они также активно применяются и в солнечных элементах», — поясняет Дмитрий Пыхтин, инженер лаборатории фотоники молекулярных систем Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Благодаря высокому коэффициенту отражения в пределах запрещённой зоны, почти 100% излучения, падающего на фотонный кристалл, отражается и проходит через слой перовскита повторно. Добавление золотой нанорешётки в структуру солнечного элемента позволяет возбудить особое состояние света, которое называется таммовский плазмон-поляритон.
«Таммовский плазмон-поляритон — это состояние света, локализованное на границе двух отражающих сред. В предложенном солнечном элементе в качестве зеркал выступают фотонный кристалл и решётка золотых нанополос. Параметры структуры были подобраны таким образом, чтобы всё падающее на него излучение поглощалось в фоточувствительном слое перовскита, что приводит к повышению эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую», — пояснил кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН Рашид Бикбаев.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Источник: https://ksc.krasn.ru/

Физики из Университета Пердью совершили прорыв, заставив левитировать наноразмерные алмазы и раскрутив их в вакууме до 1,2 миллиарда оборотов в минуту. Этот эксперимент, опубликованный в журнале Nature Communications, может пролить свет на одну из самых труднодостижимых проблем в физике: объяснение гравитации в квантовых терминах.
В исследовании участвовали алмазы шириной 750 нанометров, в которых были созданы «дефекты с вакансией азота, способные удерживать квантовую информацию». Используя поверхностную ионную ловушку из сапфировой пластины с золотым покрытием, команда левитировала наноалмазы в вакуумной камере и вращала их с невероятной скоростью.
Ударив по алмазам зеленым лазером, команда наблюдала излучение красного света, что позволило им прочитать спиновые состояния электронов внутри дефектов. Одновременно инфракрасный лазер измерял вращение алмазов.
Эти наблюдения дают критически важные данные о том, как спин алмазов влияет на содержащуюся в них квантовую информацию.
Источник:
https://www.ferra.ru/

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета впервые в мире измерили дисперсию показателя преломления перовскита MAPbI3 — перспективного полупроводника для применения в диодах и лазерах — при температуре, близкой к абсолютному нулю. Исследование выполнено на базе лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, созданной в рамках программы мегагрантов Министерства науки и высшего образования РФ. Результаты исследования опубликованы в The Journal of Physical Chemistry C.
Перовскиты — это материалы с химической формулой ABX3. Их способность взаимодействовать со светом определяется составом, то есть тем, атомы каких элементов используются в качестве A, B и X. Кристаллы перовскитов, содержащих в качестве X атомы галогенов, например йода, брома или хлора, называются галогенидными. В настоящее время активно развиваются способы их применения в различных устройствах, таких как солнечные элементы и фотодетекторы, диоды или лазеры.
Один из таких материалов — перовскит MAPbI3 — эффективный поглотитель и излучатель света. Так, важным параметром перовскитов является показатель преломления в так называемой области прозрачности — в той области энергий, где материал не поглощает свет. Этот показатель напрямую зависит от энергии света, а потому непостоянен, а важную роль в поглощении и излучении света играют экситоны: квазичастицы, «мигрирующие» по материалу.
Физики Санкт-Петербургского университета изучили оптические свойства MAPbI3 при низких температурах (от температуры жидкого гелия и выше) вблизи края поглощения, где его свойства определяются экситонами особенно сильно и остаются малоизученными.
«Мы провели эксперимент по измерению спектра отражения перовскита MAPbI3 при температуре -269 °C (или 4 K по шкале Кельвина). То есть мы разделили спектр отраженного от материала света на спектр падающего света и получили спектр коэффициента отражения материала, который связан с показателем преломления. Таким образом, впервые удалось измерить дисперсию показателя преломления перовскита MAPbI3 в области прозрачности вблизи экситонного резонанса при температуре 4 K. Также мы измерили температурную зависимость этой дисперсии вплоть до температуры 80 К», — рассказала инженер‑исследователь лаборатории кристаллофотоники СПбГУ Анна Самсонова.
Она отметила, что в некоторых исследованиях показатель преломления перовскитов в области прозрачности принимается за константу. Однако ученые СПбГУ считают, что необходимо учитывать дисперсию показателя преломления перовскитов при расчете параметров устройств на их основе. Это особенно важно при низких температурах, где присутствует сильное взаимодействие света с экситонами, поскольку оно приводит к быстрому изменению показателя преломления вблизи экситонного резонанса.
Результаты проведенного исследования помогут понять границы применения указанного перовскита, а также его поведение в некоторых нестандартных условиях.
Исследование выполнено в лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, созданной в рамках мегагранта Министерства науки и высшего образования РФ № 075−15−2022−1112, на оборудовании ресурсных центров СПбГУ «Нанофотоника» и «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ.
Источник: https://spbu.ru/

Он поможет обучаться большим оптическим нейросетям
Китайские физики разработали полностью прямой метод машинного обучения для оптических нейросетей. Ученые проверили его экспериментально, обучив оптическую нейросеть, характеристики которой не уступают самым современным сетям заданного размера. Статья опубликована в журнале Nature.
Нейросети прочно вошли в нашу жизнь, помогая решать самые разнообразные задачи, от сортировки LEGO до анализа данных физических экспериментов. Однако с увеличением сложности задачи и увеличением размера сети возрастают потребности в вычислительных ресурсах и необходимом времени для ее обучения. Ученые считают, что при помощи оптики и фотоники можно создать оптические нейросети, которые реализуют широкополосные и высокоэффективные вычисления.
Настройка и обучение фотонных сетей требует тщательного моделирования, а требуемые вычислительные ресурсы растут экспоненциально в зависимости от сложности задачи. Поэтому ученые стремятся создать эффективные нейронные сети на месте. Этому, в свою очередь, мешает метод обратного распространения ошибки, используемый для обучения нейросетей. Для его применения оптические сети должны быть идеально откалиброваны и выровнены, что весьма трудоемко. Поэтому нынешние реализации оптических и фотонных нейронных сетей сильно ограничены размером и областью применения.
Группа ученых под руководством Фан Лу (Lu Fang) и Дай Цюнхай (Qionghai Dai) из Университета Цинхуа в Пекине предложила новый метод полностью прямого машинного обучения для оптических нейросетей на месте в свободном пространстве и интегрированных оптических системах. Физики заменили обратное распространение световой волны для ошибки на прямую передачу ошибки в пространственно симметричной оптической системе. Ученые показали математически, что такая замена реализуема и взаимооднозначна. Значения, полученные на выходе системы для распространения ошибки, затем используются для вычисления градиента и обновления показателей преломления системы — весов нейронов оптической сети. После того как показатель преломления в расчетной области сойдется, систему можно использовать для целевых приложений.
Для экспериментального подтверждения работоспособности метода ученые реализовали несколько примеров оптических нейросетей. На стандартном датасете MNIST, содержащем базу данных образцов рукописных цифр, однослойная оптическая нейросеть показала индекс структурного сходства более 97 процентов. А оптический классификатор из восьми слоев, обучавшийся определять предметы одежды на датасете Fashion-MNIST, показал точность 92,5 процента. Этот показатель значительно превысил точность оптического классификатора, который обучали на основе компьютерной модели, и приблизился к теоретическим показателям идеального классификатора.
Ученые полагают, что новый метод обучения оптических нейросетей откроет путь к безмодельному высокопроизводительному самостоятельному проектированию оптических систем и самообучающейся физике, а также даст возможность создания крупномасштабного высокоэффективного физического искусственного интеллекта.
Источник:
https://nplus1.ru/

Крошечные датчики движения есть во всех современных смартфонах и умных часах. Если нужна большая точность — например, в самолетах или кораблях — размер сенсора увеличивается до грейпфрута. Если же нужно повысить точность настолько, чтобы свести к минимуму зависимость от спутниковой навигации, такой датчик заполнит кузов грузовика. При помощи микрочипа, созданного по технологии кремниевой фотоники, американские ученые смогли собрать миниатюрно устройство для атомной интерферометрии — сверхточного метода измерения ускорения. Это еще один шаг на пути к появлению «квантового компаса», прибора для навигации в отсутствии спутникового позиционирования.
Для того чтобы сделать датчик движения одновременно и высокоточным, и миниатюрным, специалисты из Сандийских национальных лабораторий использовали компоненты кремниевых фотонных микрочипов и технологию атомной интерферометрии. В статье журнала Science Advances они описали новый, производительный кремний-фотонный модулятор — устройство, управляющее светом на микрочипе.
Обычно атомный интерферометр по размерам занимает небольшую комнату. А в полном квантовом компасе, или квантовом инерциальном измерительном приборе таких интерферометров шесть. Тем не менее, ученые нашли способ снизить требования по массе, размеру и потребляемой энергии. Они уже заменили большой и энергоемкий вакуумный насос на вакуумную камеру размером с авокадо и уместили несколько компонентов внутри единственного жесткого блока.
Новый модулятор — центральный элемент лазерной системы на микрочипе. Он достаточно надежный, чтобы выдерживать серьезные вибрации, и, как пишет Science Daily, сможет заменить аналогичную лазерную систему размером с холодильник.
Лазеры выполняют различные задачи в атомных интерферометрах, а модуляторы меняют частоту лазеров под различные задачи. Однако, модуляторы часто создают нежелательные боковые полосы частот. Новый модулятор снижает уровень боковых полос на беспрецедентное значение — 47,8 дБ. Таким образом, интенсивность помех уменьшилась почти в 100 000 раз.
Помимо размеров устройства и помех разработчики снизили и себестоимость атомного интерферометра. Сейчас один только модулятор стоит более $10 000, а в лазерной системе интерферометров их несколько. Миниатюрные кремний-фотонные чипы обойдутся существенно дешевле. Сотни модуляторов можно разместить на одной 8-дюймовой пластине.
Канадская компания разработала рентабельную инерциальную оптическую систему, сравнимую по точности с авиационными навигационными датчиками. Технология One Silicon Chip Photonics обещает точную аэронавигацию без подключения к GPS — в десять раз точнее, чем используемые в современных БПЛА инерциальные измерительные модули МЭМС.
Источник:
https://hightech.plus/