Пассивный ИК-визор различил «цвета»
Ученые сделали инфракрасный визор ближнего диапазона, который использует генерацию второй оптической гармоники. В отличие от других пассивных ИК-визоров, прибор на основе фосфида галлия позволяет различать инфракрасные «цвета». Кроме того, он физически прочен и дешев в производстве, согласно статье, опубликованной в ACS Nano.
Для того, чтобы что-то увидеть в инфракрасном диапазоне, необязательно брать камеру или тепловизор, некоторые материалы делают ИК-лучи видимыми человеческому глазу без использования внешнего питания. Например, можно использовать люминофор, который поглощает ближнее инфракрасное излучение, а сам за счет антистоксова сдвига испускает видимый свет. Возможны и другие принципы: так, китайские ученые сделали двухслойную пластинку-визор. Первый ее слой вырабатывает электричество под действием ближнего инфракрасного изучения, а второй состоит из органических светодиодов, и чем сильнее инфракрасное излучение, тем ярче горят диоды. Таким образом, если подсветить предмет инфракрасным прожектором и посмотреть на него через эту пластинку, то он будет видим даже в полной темноте.
Однако, у этих методов есть ряд недостатков. Во-первых, используемые материалы непрозрачны для ИК-излучения. Во-вторых, и люминофор, и светодиоды полностью слепы к инфракрасным «цветам». Даваемое ими изображение монохромно, то есть, волны разной длины выглядят одинаково.
Владимир Федоров (Vladimir V. Fedorov) из Академического университета имени Жореса Алферова и его коллеги сделали ИК-визор на основе фосфида галлия, который переводит инфракрасное излучения в видимое за счет генерации второй оптической гармоники (ГВГ). Благодаря этому нелинейному оптическому эффекту некоторые материалы заставляют пары фотонов сливаться, в результате чего появляется один новый фотон, но с удвоенной энергией. Поскольку энергия фотона обратно зависима от длины волны, то получается, что материал, способный к ГВГ, переизлучает свет на удвоенной частоте. Хотя, как правило, когда говорят о ГВГ, имеют в виду операции с видимым светом, некоторые материалы могут объединять волны в диапазоне до двух тысяч нанометров, что соответствует ближнему ИК-спектру.
Способность нанопроволок из фосфида галлия к ГВГ в ближнем инфракрасном диапазоне была обнаружена более десяти лет назад. Однако их производство было дорогим и, что самое главное, был неизвестен способ создания из них макроскопических структур. Авторы новой работы нарастили на кремниевой подложке методом молекулярно-пучковой эпитаксии вертикально стоящие нанопроволоки толщиной около 150 нанометров и длиной 12 микрон. После этого обычно для отделения отдельных ворсинок от субстрата требуется сложный и трудоемкий процесс травления их основания, но исследователи придумали, как обойтись без него. Они покрыли стоящие нанопроволки силиконовой резиной (ПДМС), после чего оторвали ее от подложки вместе с ворсинками. Оказалось, что фосфид галлия достаточно прочен и гибок, чтобы выдержать механические нагрузки при отрывании.
В результате у ученых в руках оказалась в руках тонкая прозрачная пластика-визор, поперек плоскости которой стояли густо расположенные ворсинки, способные к ГВГ. На испытаниях ученые облучали ее 50-милливаттным лазером, в диапазоне от 800 до 1300 нанометров. Для каждой из этих частот композит эффективно переводил инфракрасные импульсы на удвоенную частоту, от 400 до 650 нанометров соответственно, делая их явно видимыми.
В отличие от большинства других конструкций, этот ИК-визор не прерывает инфракрасный луч, а лишь слегка ослабляет его. Кроме того, силиконовая резина водостойка и очень прочна, что делает прибор надежным в использовании. Но самая заметная особенность ИК-визора на ГВГ — визуализация спектральных различий внутри ИК-диапазона, что позволяет глазу фиксировать его «цвета». Ученые оценивают, что стоимость изделия составит около одного доллара на квадратный сантиметр.
Ближнее ИК-излучение не следует путать со средним — тем, которое фиксируют тепловизоры. Предметы комнатной температуры сами по себе не являются источниками коротковолнового инфракрасного излучения, и для съемки в нем нужна подсветка. Подробно о том, как человечество использует ИК-камеры ближнего диапазона читайте в материале «Невидимый нам свет».
Василий Зайцев
Для этого потребуется собрать вместе несколько сферических слоев с магнитооптическими свойствами
Физики из ИТМО при участии нобелевского лауреата Франка Вильчека численно нашли параметры метаматериала, чей магнитооптический отклик повторяет отклик гипотетических аксионов, если бы они существовали в реальности. Работа ученых открывает дорогу к экспериментам с эмерджентной аксионной электродинамикой. Исследование опубликовано в Physical Review B. Термин «аксион» для новых гипотетических частиц ввел впервые нобелевский лауреат Франк Вильчек (Frank Wilczek), назвав их так в честь стирального порошка — он предполагал, что эти частицы помогут «очистить» квантовую хромодинамику от трудностей, связанных с нарушением CP-симметрии. Сегодня аксионы остаются одними их главных кандидатов на темную материю, и их активно ищут как по астрофизическим данным, так и в наземных экспериментах. В физике, однако, существует и другой подход к исследованию частиц или явлений, которые были предсказаны, но не обнаружены приборами. Он основан на создании особым образом спроектированных сред, элементарные возбуждения в которых (квазичастицы) ведут себя подобно предполагаемым частицам. Ярчайшим примером этого принципа можно назвать исследование майорановских частиц, которые физики активно рассматривают в качестве кандидатов для элементной базы квантовых компьютеров. Аксионоподобные возбуждения (или эмерджентные аксионы) тоже были обнаружены — их нашли в магнитных твердых телах, однако там амплитуда их сигнала довольно небольшая. Однако, в метаматериалах эта ситуация может измениться — это показали Максим Горлач (Maxim A. Gorlach) и его коллеги из ИТМО при участии самого Франка Вильчека. Их работа также посвящена поиску аксионоподобных возбуждений. Ученые обратили внимание на то, что, существуй аксионы на самом деле, они проявят себя в виде дополнительных членов в уравнении Максвелла. С другой стороны, точно такие же члены можно воспроизвести с помощью правильного дизайна среды. Авторы численно показали это на примере магнитного диполя, окруженного аксионной средой. Им удалось подобрать метаматериал, состоящий из сферических слоев магнитооптического вещества и найти параметры, при которых возбуждение поля при таких условиях эквивалентно полям с реальными аксионными эффектами. Важной особенностью проведенных расчетов стало то, что предсказанная учеными константа взаимодействия с эмерджентными аксионами оказалась не только достаточно велика, но и поддавалась управлению за счет добавления или убавления слоев — в предыдущих исследованиях такой возможности не было. В работе физиков структура продемонстрировала аксионный отклик в микроволновой и терагерцовых областях. По мнению ученых, их моделирование открывает дорогу к созданию компактных установок для проверки свойств аксионной электродинамики. Ранее мы рассказывали, что в немецком исследовательском центре DESY стартовал эксперимент ALPS II, призванный обнаружить превращение фотонов в аксионы.