Превращения экситонов в плазмоны и наоборот позволили создать компоненты будущих фотонных компьютеров


Настанет то время, когда наши компьютеры в буквальном смысле станут работать со скоростью света. Это станет возможным благодаря использованию технологий нанофотоники, технологий, позволяющих управлять светом на наноразмерном уровне. И некоторых достижений в этой области удалось добиться ученым из Центра физики интегрированных наноструктур (Center for Integrated Nanostructure Physics, CINAP) Института фундаментальных наук (Institute for Basic Science, IBS). Эти ученые создали несколько ключевых компонентов, в которых самым оптимальным способом скомбинированы наилучшие стороны электроники и фотоники, и которые станут одними из базовых элементов фотонных компьютеров будущих поколений.

Фотонные компьютеры - это вычислительные устройства, носителем информации внутри которых является свет. За счет этого такие компьютеры будут работать гораздо быстрее традиционных электронных компьютеров, но для того чтобы фотонные компьютеры стали практичными, требуется разработка технологий управления светом на наноразмерном уровне. Однако, когда дело касается размеров элементов, существенно меньших, чем длина волны используемого света, возникает целый ряд трудностей. И решить некоторые из этих трудностей можно использовав так называемые поверхностные плазмоны. Плазмоны являются колебаниями облаков свободных электронов, возникающих при падении света на поверхность некоторых металлов, в частности, золота, серебра и алюминия. А используя эти плазмоны можно обойти ограничения дифракционного предела и создать действительно миниатюрные оптические компоненты.

Ученые IBS использовали серебряные нанопровдники и двухмерные полупроводниковые материалы, такие, как дисульфид молибдена (MoS2), и на их базе создали три компонента, фототранзисторы, оптические мультиплексоры и датчики оптических сигналов. Все эти устройства работают, благодаря явлению, называемому взаимопревращением плазмон-экситон-плазмон.

Свет, падающий на поверхность серебряных нанопроводников, помещенных сверху слоя дисульфида молибдена, становится причиной возникновения поверхностных плазмонов, энергия которых приводит к возникновению в дисульфиде молибдена экситона, квазичастицы, состоящей из электрона, связанного с электронной дыркой. Этот экситон, пройдя по дисульфиду молибдена некоторое расстояние, превращается назад в плазмон на поверхности серебряного нанопроводниа и излучает свет с другой длиной волны. К примеру, если устройство освещается светом зеленого лазера, то излучаемый им свет будет красным.

Фототранзистор и датчики оптических сигналов, основанные на взаимопревращениях плазмонов и экситонов имеют достаточно простую структуру. А оптический мультиплексор, расщепляющий свет на несколько составных частей, является более сложным устройством, изготовленным из трех или большего числа различных двухмерных полупроводниковых материалов. Каждый из этих материалов излучает свет строго определенной длины волны и мультиплексор может расщепить луч фиолетового света на лучи синего, зеленого и красного света, к примеру.

Кроме этого, движение и превращение экситонов в плазмоны может быть преобразовано в электрические сигналы, что позволяет использовать такие устройства в качестве быстродействующих и высокочувствительных оптических датчиков.

"Новизна данной технологии заключается именно в цепочке преобразования света в плазмоны, плазмонов в экситоны и так далее в обратном порядке. Это стало возможным, благодаря использованию гибрида нанопроводников и двухмерных полупроводниковых материалов" - рассказывает профессор Хюн Сеок Ли (Hyun Seok Lee), - "Используя все это мы уже создали несколько базовых нанофотонных элементов и в будущем этот список может быть дополнен новыми элементами, позволяющими управлять светом определенным образом".

Источник

Ученые CERN впервые провели измерения оптических спектральных характеристик атомов антивещества


В статье, опубликованной в журнале Nature, ученые, работающие в рамках программы ALPHA, предоставили результаты первых в истории измерений оптических спектральных характеристик атомов антивещества. Данное достижение демонстрирует высокий уровень развития современных технологий, используемых в высокоточных исследованиях антиматерии, и это все является результатом 20 лет работы по изучению антиматерии группой Европейской организации ядерных исследований CERN.

"Используя свет лазера, нам удалось увидеть, что поведение атомов антиводорода подобно поведению атомов обычного водорода, и это поведение подчиняется одним и тем же законам физики в обоих случаях" - рассказывает Джеффри Хэнгст (Jeffrey Hangst), сотрудник научной группы ALPHA, - "Определение этого факта всегда являлось основной целью исследований антивещества".

Напомним нашим читателям, что атомы состоят из электронов, вращающихся вокруг ядра. Когда предварительно возбужденный светом электрон переходит с более высокой, более энергетической орбиты на более низкую, он излучает фотон света со строго определенной длиной волны. Фотоны, излученные различными электронами при их переходах с различных орбит на более низкие, формируют спектр света, уникальный для атома каждого химического элемента. И спектроскопия является достаточно мощным исследовательским инструментом, используемым в физике, химии, астрономии и других областях. При помощи спектрального анализа можно идентифицировать атомы вещества, определить состав сложных молекул, а анализ спектра света далеких звезд позволяет определить их химический состав.

Водород, имеющий единственный протон в качестве ядра и единственный электрон, является самым распространенным химических элементом во Вселенной, который хорошо изучен учеными. Его антипод, антиводород, состоящий из антипротона и позитрона, изучен не так хорошо. Трудность заключается в том, что любая антиматерия превращается во вспышку энергии при контакте с обычной материей, и, вследствие этого, изучение антиматерии связано с рядом трудностей различного плана.

Данные о спектральных характеристиках атомов антиводорода, полученные учеными эксперимента ALPHA, позволило впервые в истории сравнить спектральные характеристики водорода и антиводорода. Это сравнение, с учетом диапазона имеющихся данных и инструментальной погрешности измерений, не выявило различий в спектральных линиях водорода и антиводорода. И все это полностью укладывается в рамки Стандартной Модели, которая определяет, что спектральные линии атомов вещества и их антиподов должны совпадать полностью.


Оборудование эксперимента ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) использует средства Замедлителя антипротонов (CERN Antiproton Decelerator). Оно позволяет синтезировать атомы антиводорода, поместить и удерживать их в специальной магнитной ловушке в течение некоторого времени, давая ученым возможность произвести свои эксперименты.

"Манипуляции с антипротонами и позитронами производятся достаточно легко, так как они являются электрически заряженными частицами" - рассказывает Джеффри Хэнгст, - "Но когда мы получаем нейтральный атом антиводорода, все становится намного сложнее. И нам пришлось спроектировать особую ловушку, которая использует тот факт, что атом водорода имеет слабовыраженные магнитные свойства".

Антиводород в установке ALPHA получается путем смешивания облака плазмы, состоящей из 90 тысяч антипротонов, с облаком позитронов. В результате этого получается около 25 тысяч атомов антиводорода за один раз. И заманить в ловушку получается только 14 атомов антиматерии из всего этого количества. Но и такое количество является существенным достижением, предыдущие технологии позволяли улавливать всего 1-2 атома за один раз.

Ловушка с заключенными в ней атомами антиводорода освещается лучом лазерного света со строго определенной частотой. При этом ученые получают возможность наблюдать за электронными переходами 1S-2S. Состояние 2S атома водорода является одним из самых стабильных и ему соответствует узкая спектральная линия, особенно хорошо подходящая для произведения высокоточных измерений.

В ближайшем будущем ученые эксперимента ALPHA планируют поднять точность производимых ими измерений. Это будет использоваться не только для проверки и подтверждения достоверности Стандартной Модели. В случае обнаружения каких-либо различий между свойствами вещества и антивещества, это сможет дать подсказку относительно ответа на вопрос, куда делась вся антиматерия, которая возникла в равном количестве с обычной материей в момент Большого Взрыва.


Источник

Технология сверхзвукового напыления - новое слово в производстве гибкой и прозрачной электроники


Гибкая и прозрачная электроника является одним из главных направлений в разработке электронных устройств нового поколения, устройств, которые можно полностью интегрировать прямо в одежду или в предметы повседневного обихода. Самым традиционным способом изготовления гибкой электроники является печать элементов на основании при помощи специальных чернил, но исследователи из университета Иллинойса в Чикаго и Корейского университета разработали новый способ изготовления прозрачных токопроводящих пленок, которые смогут стать основой тончайших дисплеев, способные сворачиваться в рулоны, и другой гибкой электроники.

Для создания токопроводящей пленки исследователи создали коллоидный водный раствор, наполнителем которого являются серебряные нанопроводники. Это раствор был распылен при помощи так называемое сопла Лаваля, сопла, сужение которого напоминает сужение у песочных часов. Такие сопла широко используются в реактивных двигателях, но в данном случае размер этого сопла составлял всего несколько миллиметров.

Сужение сопла ускоряло содержащую нанопроводники жидкость до сверхзвуковых скоростей. За время полета в воздухе жидкость успевает испариться, а нанопроводники, ударяясь о поверхность основания, сплавляются друг с другом за счет тепла, выделяющегося от трения и от энергии удара


"Скорость в 400 метров в секунду является идеальной для такого процесса" - рассказывает Александр Ярин, профессор из университета Иллинойса, - "Если скорость будет слишком высока, к примеру, 600 метров в секунду, нанопроводники будут разрушены еще в полете. А если скорость будет слишком низкой, то энергии столкновения и трения будет недостаточно для получения высокой температуры, которая сплавляет проводники друг с другом".

Использованные исследователями нанопроводники имеют длину около 20 микрон и толщину, в 1000 раз меньшую толщины человеческого волоса. Это означает, что свет видимого диапазона проходит сквозь сетку из таких нанопрводников практически без потерь. А пленка, покрытая такой сеткой, остается прозрачной как стекло, но все же способна эффективно проводить электрический ток.

Сетка из нанопроводников может напыляться сверхзвуковым способом на поверхность стекла, пластика вне зависимости от сложности формы этой поверхности. Производительности одного сопла хватает для покрытия 100 квадратных сантиметров поверхности всего за 30 секунд времени. Будучи нанесенной на поверхность эластичного основания, сетка из нанопроводников способна выдержать растяжение в семь раз по отношению к ее первоначальной длине.

Источник

Ученые выяснили, что самая яркая сверхновая является на самом деле черной дырой, "пожирающей" звезду


В свое время мы рассказывали о том, что в 2015 году ученые-астрономы обнаружили космическое явление, которое было принято за самый яркий взрыв сверхновой звезды. Яркость этого объекта в 20 раз превосходила яркость суммарного свечения всех звезд Млечного Пути, однако, результаты новых наблюдений указывают на то, что объект, получивший название ASASSN-15lh, совершенно не имеет никакого отношения к взрыву сверхновой. Свет от этого объекта содержит четкие "подписи" того, что это является большой и быстро вращающейся черной дырой, интенсивно "пожирающей" материю подобной Солнцу звезды.

Данные, указывающие на природу объекта ASASSN-15lh, были собраны при помощи множества наземных и космических телескопов, включая космический телескоп Hubble Space Telescope и телескоп Very Large Telescope Европейской южной обсерватории, расположенный в обсерватории Паранал в Чили. Собранные данные показали, что за девять месяцев, прошедшие после воображаемого взрыва сверхновой, температура объекта ASASSN-15lh существенно увеличилась, как и увеличилось количество излучаемого им ультрафиолетового света. Такое явление говорит о том, что случай 2015 года вряд ли является сверхъярким взрывом сверхновой.

Произведя более тщательный спектральный анализ излучаемого объектом ASASSN-15lh света, ученые обнаружили характерную подпись звезды, во многом подобной нашему Солнцу, движущейся по круговой орбите возле сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре окружающей галактики. При этом, черная дыра для того, чтобы она смогла "разорвать" звезду, находящуюся за пределами ее горизонта событий, должна вращаться с достаточно большой скоростью, т.е. относиться к классу черных дыр Керра (Kerr black hole). Такие черные дыры являются достаточно редкими и ученым известно на сегодняшний день всего лишь с десяток случаев разрушения близлежащих звезд черными дырами Керра.

Исследователи полагают, что вспышка, зарегистрированная в 2015 году, произошла тогда, когда части остатков звезды, подвергавшейся периодическому разрушению, столкнулись друг с другом и провалились через горизонт событий черной дыры, масса которой минимум в 100 раз превышает массу Солнца. Этот процесс привел к выбросу огромного количества энергии, к яркой вспышке, которую астрономы ошибочно приняли за взрыв сверхновой звезды ASASSN-15lh.

В пользу вышеприведенных фактов говорит еще то, что сверхъяркие взрывы сверхновых происходят, как правило, в активных галактиках, в недрах которых идут интенсивные процессы формирования новых звезд. Объект же ASASSN-15lh был обнаружен в пассивной "красной" галактике, наполненной старыми звездами, в которой интенсивность формирования новых звезд идет очень и очень низкими темпами.

"В течение нескольких последних лет мы изучили множество вспышек от случаев периодического разрушения звезд черными дырами" - рассказывает Иэйр Аркэви (Iair Arcavi), астроном из обсерватории Las Cumbres Observatory, - "Объект ASASSN-15lh во многом подобен тому, что мы видели ранее. Но у него имеется и ряд кардинальных отличий, которые послужили причиной нашей первоначальной ошибки. Оказывается, что события, связанные со звездами и черными дырами, более разнообразны, чем мы считали ранее".


Источник

Создан крошечный датчик, способный уловить речь, сердцебиение и другие звуки, возникающие внутри тела человека


Исследователи из Колорадского университета в Боулдере и Северо-Западного университета создали крошечный и мягкий акустический датчик, который, будучи приложенным к поверхности кожи, может улавливать даже малейшие колебания, вызываемые сердцебиением и другими процессами в теле человека. Помимо контроля параметров жизнедеятельности и здоровья человека, этот датчик, способный улавливать звуки речи человека, может быть использован в качестве средства для голосового управления носимыми электронными приборами, элементами "умной" одежды и т.п.

Сигналы колебаний акустического диапазона от человеческого тела новое устройство улавливает при помощи так называемой "эпидермальной электроники". В состав этой электроники, элементы которой, как можно догадаться из ее названия, прикладываются непосредственно к коже, могут быть включены электроды, через которые можно производить запись сигналов электрокардиограммы.

В настоящее время созданный учеными датчик подключается к внешней системе сбора и накопления данных при помощи тонкого кабеля. Но в будущем будет совсем нетяжело оснастить его собственным источником энергии и системой беспроводной связи, превратив все это в полностью автономное устройство.


Такие беспроводные датчики станут очень полезными устройствами при работе людей в шумных местах, к примеру, внутри производственных помещений или на поле битвы. Собираемые ими акустические речевые сигналы будут в меньшей степени подвержены искажениям от внешних источников, а возможность мониторинга основных параметров жизнедеятельности организма человека позволит удаленно следить за состоянием каждого рабочего или солдата.

Голосовые сигналы, получаемые акустическими датчиками, могут быть использованы военнослужащими или гражданскими лицами для голосового управления действиями роботов, транспортных средств и беспилотных летательных аппаратов. Помимо этого, такие датчики могут существенно увеличить качество работы систем распознавания и трансляции речи, которые обычно используются людьми с нарушениями речевого аппарата.

И в заключении следует отметить, что созданные исследователями опытные образцы акустических датчиков прошли испытания с участием группы пожилых людей-добровольцев, страдающих различными видами сердечнососудистых заболеваний. Высокая чувствительность датчика позволила исследователям не только услышать посторонние шумы в сердце, но и услышать шумы, создаваемые потоком крови, огибающим кровяные сгустки, образующиеся в кровеносной системе некоторых пациентов.


Источник