Физики провели химическую реакцию между отдельными атомами щелочных металлов
Американские физики разработали способ получения индивидуальных молекул из отдельных атомов щелочных металлов. Для этого ученые предложили использовать лазерные ловушки, с помощью которых атомы натрия и цезия сталкивались между собой с образованием молекул NaCs в возбужденном энергетическом состоянии. В дальнейшем подобный метод может быть расширен и на другие атомы для получения сложных молекулярных кубитов для квантовых вычислительных систем, пишут ученые в статье в Science.
Обычно химическая реакция представляет собой случайный статистический процесс: в системе содержится много молекул одного из реагентов, много молекул — другого, они сталкиваются между собой случайным образом, что приводит к образованию определенного количества нужного вещества. Чтобы отойти от вероятностной природы этого процесса, ученые обычно понижают энергию системы, проводя реакции между отдельными атомами в вырожденных квантовых системах при температурах, близких к абсолютному нулю. Чтобы добиться максимального контроля над атомами во время химической реакции и проследить за тем, как при этом меняется их энергетическая структура, ученые вообще предлагают проводить индивидуальные реакции между отдельными атомами. Такой подход позволит получать необходимые молекулярные структуры и точно управлять их свойствами. Тем не менее, достаточно точных методов для проведения таких процессов на данный момент практически нет.
Группа американских физиков из Гарвардского университета под руководством Ни Кан-Куэна (Kang-Kuen Ni) разработала прибор, который позволяет контролируемо проводить индивидуальную химическую реакцию между двумя отдельными атомами щелочных металлов. Для этого ученые предложили использовать систему из двух оптических ловушек, каждая из которых управляет отдельным атомом. Например, в той системе, которая была представлена в работе, авторы использовали лазер с длиной волны 700 нанометров — для охлаждения атома натрия, и лазер с длиной волны 976 нанометров — для охлаждения атома цезия. При этом нахождение атомов в таких лазерных ловушках можно подтвердить даже с помощью флуоресцентных оптических методов.
Когда каждый из атомов захвачен своим лазерным пинцетом, их перемещают в общую дипольную ловушку, после чего атомы сталкиваются друг с другом с нужной скоростью. При этом, однако, далеко не всегда происходит образование молекулы: после столкновения в зависимости от его параметров возможно четыре состояния: когда оба атома разлетаются из области захвата, когда в лазерной ловушке остается один из атомов (или цезия, или натрия) или когда оба атома оказываются в общей ловушке, образуя молекулярную структуру.
Вероятность образования молекулы в результате столкновения атомов натрия и цезия составила 33 процента. С помощью спектроскопических методов ученые проанализировали энергетические характеристики полученной молекулы, в частности, структуру уровней сверхтонкого спинового расщепления. Оказалось, что в случае успешного столкновения происходит реакция фотоассоциации, при которой образуется молекула NaCs в возбужденном состоянии. Необходимая для этого мощность излучения составила три киловатта на кубический сантиметр. Полученные энергетические характеристики образованной молекулы и вероятности ее образования были подтверждены с помощью численных расчетов из первых принципов с учетом спин-орбитального взаимодействия.
Исследователи отмечают, что предложенная ими технология превосходит по степени контроля альтернативные подходы (сканирующая туннельная микроскопия) и использовать ее можно, в том числе, для проведения реакций с участием большего количества атомов. Полученные при этом молекулы могут оказаться полезными, например, в качестве кубитов — элементов для передачи и хранения информации в квантовых электронных устройствах.
Более традиционные методы для совершения операций с отдельными атомами — сканирующая туннельная или атомно-силовая микроскопия. Например, именно с помощью атомно-силового микроскопа физикам удалось измерить силы, возникающие между различными атомами, и их электроотрицательность.
Александр Дубов
А также измерит расстояние до них
Американские ученые разработали технологию пассивного теплового зрения HADAR, которая по инфракрасному изображению получает информацию о температуре, материалах и текстуре поверхности объектов, их излучательной способности, а также умеет измерять расстояние. Технология позволяет в ночных условиях получать изображение, сопоставимое по качеству со стереоскопическими изображениями, получаемыми обычными RGB камерами при дневном освещении. Статья опубликована в журнале Nature. Для автономной навигации и взаимодействия с людьми роботам и беспилотникам нужна информация об окружении, которую они получают с помощью камер, лидаров, сонаров или радаров. Однако обычные камеры зависят от условий освещенности и плохо работают в ночное время и при плохой погоде. Кроме этого информация, получаемая с камер не содержит физического контекста, что может приводить к некорректной работе нейросетевых алгоритмов автопилота, который, к примеру, не может отличить настоящего человека от манекена. Активные сенсоры, такие как лидары и радары, при резком росте их числа начинают взаимно влиять друг на друга. Выходом могло бы стать использование в условиях недостаточной видимости камер, работающих в инфракрасном диапазоне. Однако из-за так называемого «эффекта призрачности» получаемые тепловизором изображения обычно выглядят как пятна без четкой текстуры. Это связано с тем, что поверх отражающихся от объекта инфракрасных лучей, которые несут информацию об особенностях его рельефа, накладывается его собственное тепловое излучение, которое засвечивает эту полезную информацию. Группа ученых под руководством Зубин Джакоб (Zubin Jacob) из Университета Пердью смогла справиться с этой проблемой. Они разработали технологию под названием HADAR (акроним от слов heat-assisted detection and ranging), которая с помощью машинного обучения извлекает из изображений, полученных в инфракрасном диапазоне, информацию о температуре объектов, излучательной способности материалов, из которых они состоят, а также их физической текстуре. Кроме того, технология позволяет определять расстояние до объектов на изображении. Выделение информации о собственном излучении объектов позволяет избавиться от «эффекта призрачности» и получить информацию о текстуре. Для этого авторы используют данные из библиотеки материалов, которая содержит информацию об их излучательной способности. Инфракрасное изображение фиксируется с помощью гиперспектральной камеры, после чего данные поступают на вход нейросетевой модели, которая производит декомпозицию исходных данных, выделяя из них информацию о температуре, собственном излучении и текстуре. Для обучения алгоритма исследователи использовали как настоящие изображения, полученные с помощью камеры, так и множество сгенерированных трехмерных сцен. Возможности технологии демонстрирует одна из сцен, на которой при слабом освещении запечатлен автомобиль черного цвета и человек, рядом с которым установлен вырезанный из картона портрет Альберта Эйнштейна в натуральную величину. Изображения, полученные с помощью обычной камеры, лидара и HADAR затем использовали для определения объектов с помощью алгоритма распознавания изображений. На изображении, полученном с помощью обычной камеры, алгоритм ошибочно распознал двух людей, приняв картонную фигуру за человека. На данных, полученных лидаром, оказалось невозможно определить автомобиль. При этом HADAR смог выделить все составляющие сцены, а также определить, что одна из человеческих фигур имеет сигнатуру краски на поверхности, а вторая покрыта тканью. Созданная технология может значительно улучшить системы автономной навигации беспилотных транспортных средств и роботов, дополнив уже существующие системы или даже заменив их. HADAR позволяет определять объекты и измерять расстояние по данным, полученным в ночное время, так же хорошо, как это делают традиционные системы компьютерного зрения, которые используют данные с камер в условиях дневного освещения. По словам авторов работы, в дальнейшем им предстоит решить проблему высокой стоимости оборудования для гиперспектральной съемки и невысокой производительности алгоритма. Сейчас процесс получения изображений и их обработки занимает минуты, но для работы в режиме реального времени это время необходимо сократить. Ранее мы рассказывали, как физики создали лидар, способный распознать метровые детали с рекордного расстояния в 45 километров в условиях высокого шума и слабого сигнала.