Линзы из жидких кристаллов обеспечили четырехмерную визуализацию
Физики описали и продемонстрировали возможность получения четырехмерных изображений при помощи массива микролинз из жидких кристаллов. Созданное устройство одновременно позволяет восстановить три пространственные координаты объектов в поле зрения, а также степень поляризации отраженного от них света. Предложенная схема может стать основой для нового вида дешевых сенсоров, пишут авторы в журнале ACS Nano.
Обычные камеры, как и глаза человека, получают двумерное изображение. Ощущение трехмерности создается за счет дополнительных средств: глубина резкости, саккады, бинокулярность, смена перспективы, обработка изображения и так далее. Однако возможно и получение истинно трехмерных изображений, которые содержат исчерпывающую информацию о положении всех запечатленных объектов по всем трем пространственным осям. Это реализовано во многих техниках микроскопии, таких как конфокальная микроскопия, Оптическая когерентная томография или атомно-силовая микроскопия.
Упомянутые техники используют сложное и дорогостоящее оборудование, обладают внутренними ограничениями, зачастую требуют получения нескольких кадров для восстановления трехмерного изображения и сложных методов компьютерной обработки, что замедляет получение результатов и уменьшает потенциал применения.
Вместе с тем свет обладает дополнительными характеристиками, в первую очередь, поляризацией, которые также важны во многих технических и природных обстоятельствах. Для регистрации поляризации также разработаны специальные камеры, но они также, как правило, объемны и дороги. Исключение составляют системы на основе пассивных поляриметров, но они только сейчас начинают появляться.
Комбинация трехмерного изображения и по крайней мере одного параметра поляризации позволила бы получать четырехмерные изображения, содержащие массу информации, полезной в контексте исследования материалов, навигации и при изучении взаимодействия живых существ. Однако пока что удобного устройства с такими возможностями не создано.
Китайские ученые под руководством Янь-Цин Лу (Yan-qing Lu) из Нанкинского университета предложили новый подход к созданию подобной камеры, основанный на массиве небольших линз, в которых в качестве преломляющей среды выступают жидкие кристаллы. Идея заключается в создании суперструктуры из небольших линз: от центра к краю увеличивается размер линз, что задает различные фокальные расстояния, а по кругу меняется ориентация жидких кристаллов, определяющая прозрачность для данной поляризации.
В результате становится возможным получать четырехмерное изображение по одному кадру: каждая микролинза строит собственное двумерное изображение, а положение наиболее резкого среди всех получаемых позволяет определить расстояние до объекта и степень поляризации. Физики подтвердили реализуемость идеи, создав соответствующую линзу. На данный момент устройство обладает ограниченными возможностями, но авторы отмечают, что их целью было лишь экспериментальное обоснование, при этом остается потенциал для оптимизации.
Ранее физики впервые получили динамически закрученный свет, записали два изображения на одной поверхности при помощи поляризации, обошли с ее помощью дифракционный предел, а также отучили зеркала изменять этот параметр.
Тимур Кешелава
В ловушку Пауля уместилось 105 ионов кальция
Австрийские физики смогли собрать в ловушке Пауля двумерный ионный кристалл, состоящий из 105 ионов кальция — это самый большой показатель на сегодняшний день. Кристалл был стабилен в течение нескольких секунд, также физикам удалось добиться охлаждения ионов в основное колебательное состояние и доступа к отдельным частицам. В перспективе это позволит существенно расширить квантовые вычисления и квантовые симуляции на ионных массивах. Исследование опубликовано в PRX QUANTUM. Массивы ионов, выстроенные в ловушках — это перспективная система для квантовых вычислений и квантовых симуляций. Ионы хороши тем, что взаимодействуют друг с другом сильно, а также позволяют удерживать себя электрическими и магнитными полями. За счет этого вычислители на ионах можно сделать компактнее. Одна из главный проблем этой технологии — масштабируемость. Рекордные 53 иона были собраны группой Монро еще в 2017 году, и дальнейший рост сталкивается с целым рядом технических трудностей. Их можно было бы преодолеть, собирая двумерные упорядоченные структуры. Такие эксперименты проводились, однако тогда физики не имели доступа к управлению отдельными ионами из-за особенностей удерживающих ловушек. Ситуация изменилась благодаря работе физиков из Инсбрукского университета. Ученые смогли собрать устойчивую двумерную структуру из 105 ионов кальция, удерживаемых монолитной радиочастотной ловушкой Пауля. Им также удалось перевести такой кулоновский кристалл в основное состояние по поперечным колебательным модам, что необходимо для реализации разнообразных протоколов запутывания. Большая трудность, которая встает на пути удержания двумерных массивов паулевой ловушкой — это высокая чувствительность ионов в неточности расположения ее элементов. Для борьбы с этой проблемой, физики использовали монолитный подход, в котором все элементы ловушки остаются частью одного твердого тела, а потому практически не смещаются относительно друг друга. Авторы изготавливали электроды таким образом, чтобы сформировать плоский анизотропный потенциал, из-за чего ионный кристалл принимал эллиптическую форму. Их установка давала лазерным лучам доступ к ионам в широком диапазоне углов, что позволило эффективно проводить манипуляции и визуализацию кристалла. В начале эксперимента физики подвергали лазерной абляции твердотельный кальциевый образец. Они облучали испущенные атомы ионизирующим лучом, после чего ионы попадали в область ловушечных потенциалов, где в течение минуты формировался кристалл. Ученые охлаждали его с помощью метода боковой полосы и метода электромагнитно-индуцированной прозрачности. В качестве кубитов авторы использовали несколько зеемановских подуровней. Для контроля отдельных ионов они фокусировали свет с помощью двухмерного акустооптического дефлектора. Оказалось, что время когерентности в таких кубитах может быть продлено до 370 миллисекунд при том, что сам кулоновский кристалл остается стабильным в течение нескольких секунд даже без лазерного охлаждения. Один из путей масштабирования квантовых вычислений на ионах — использовать кудиты вместо кубитов за счет нескольких уровней. Недавно мы рассказывали, как российские физики объединили два кукварта на основе ионов кальция и продемонстрировали на них универсальный набор квантовых операций.