Эффект шепчущей галереи усилил взаимодействие света и электронов
Немецкие ученые смогли увеличить эффективность поглощения электронами лазерного излучения. Для этого электронный пучок пропустили через оптический резонатор с эффектом шепчущей галереи, в котором накапливалась энергия лазерных импульсов. Статья опубликована в журнале Nature.
Людям с древних времен известен эффект шепчущей галереи. Было замечено, что в соборе Святого Петра в Риме шепот, произнесенный у стены, отлично слышен по кругу зала, но не в его центре. Это происходит за счет того, что звуковые волны отражаются от округлых стен, а не поглощаются ими. Таким образом можно направлять и сохранять не только звук, но и свет: оптический резонатор высокой добротности может сохранять в себе фотон более сотни микросекунд.
Электрон — элементарная частица с малой массой и отрицательным зарядом, которая может не только находиться в веществе, но и быть свободной. Если свободный электрон обладает энергией более 200 тысяч электронвольт, то он движется с околосветовой скоростью. В этом случае происходит совпадение его скорости со скоростью фаз света и электроны начинают поглощать энергию фотонов. На эффекте поглощения электронами энергии света основана одноименная спектроскопия, при которой через освещаемый предмет пропускают пучок электронов одной энергии и изучают оптические свойства глядя на то, как свет повлиял на энергетический разброс в разных точках.
Офер Кфир (Ofer Kfir) из Гёттингенского университета и его коллеги существенно усилили взаимодействие электронов и света за счет увеличения плотности фотонов. Для этого они использовали оптический эффект шепчущей галереи, где в роли отражающих стен выступили сферы из кварцевого стекла диаметром два и пять микрон. Снаружи сферы освещались лазером с длиной волны 800 нанометров, которая попадала в ловушку из границ кварца. Этот же принцип лежит в основе оптоволокна, только его стекло вытянутое, а не замкнутое.
Затем сферы облучали импульсами электронов с энергиями более 200 тысяч электронвольт. За счет совпадения скорости электронов со скоростью фаз света и за счет большой плотности фотонов вдоль границ сферы фотоны эффективно передают энергию электронам, после чего они прилетают на регистратор с большим энергетическим разбросом.
При облучении двухмикронных сфер пучком электронов с энергиями около 700 тысяч электронвольт максимальный прирост энергии составил около 300 электронвольт, из чего следует, что удельное ускорение равно примерно 1,4 миллиарда электронвольт на метр. Это открытие существенно расширяет возможности влияния на электроны при помощи света, что может найти применение в микроскопии, спектроскопии, а так же в исследованиях квантовой механики.
Ранее при помощи света удалось запутать узлы квантовой памяти на расстоянии 50 километров друг от друга. Кроме того, в 2017 году ученые пронаблюдали столкновение фотона с фотоном.
Василий Зайцев
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.