«Девушку с жемчужной сережкой» нарисовали наностолбиками с изменяемой яркостью
Физики создали микроструктуру из наностолбиков, с помощью изменения формы и пространственной ориентации которых можно регулировать не только цвет, но и яркость проходящего сквозь них света. Изменяемая интенсивность излучения каждого «пикселя» в такой структуре позволила ученым работать со светотенью и получать реалистичные глубокие изображения. В качестве примера исследователи воссоздали «Девушку с жемчужиной сережкой» — знаменитую картину нидерландского художника Яна Вермеера. Как сообщают авторы статьи, опубликованной в журнале Optica, такая техника позволяет создавать фотографичные изображения чрезвычайно малых размеров с плавным смешением цвета, а в будущем технологию можно будет использовать при оптоволоконной передаче информации.
Ученые уже давно научились использовать наноструктуры для окрашивания попадающего на них света: в подобных устройствах регулирование размеров структур приводит к изменению резонансной частоты, на которой они излучают. В большинстве случаев это работает благодаря плазмонным резонансам в металлических наноструктурах, но недавно физики смогли использовать для этого и диэлектрические метаматериалы, принцип работы которых основан на резонансах в процессе рассеяния Ми. Однако такие технологии не предполагают изменения яркости конечного излучения, а работа со светотенью необходима для создания реалистичных изображений.
Теперь же исследователи из Китая и США при участии Пончэн Хо (Pengcheng Huo) из Нанкинского университета научились изменять яркость проходящего сквозь наноструктуру света и создавать с помощью этого детализированные изображения. В качестве холста ученые использовали метаповерхность — набор эллиптических наностолбиков из диоксида титана на плоской подложке из диоксида кремния. Структуру создали с помощью электронной литографии с последующим атомно-слоевым осаждением, что позволило ученым крайне точно регулировать размер и форму напыляемых наноструктур.
Каждому «пикселю» конечного изображения соответствовали пять наностолбиков трех разных размеров: два столбика с большой и малой осью в 250 и 50 нанометров, еще два — с осями в 320 и 80 нанометров, и последний — в 440 и 170 нанометров. Самые маленькие в сечении столбики при попадании на них белого света светились синим, средние — зеленым, а самый большой — красным, а высота наноструктур была равна 600 нанометрам.
В процессе изготовления физики рассчитывали и меняли угол между осью каждого наностолбика и направлением поляризации падающего на структуру белого света. Подобные эллиптические наноструктуры поляризуют излучение, а значит, таким образом ученые могли менять интенсивность свечения каждого из наностолбика и плавно переходить между цветами и их яркостью, вплоть до полного затемнения.
Для демонстрации такого способа формирования изображений на наномасштабе физики посветили на метаповерхность белым поляризованным светом, и получили точную (за исключением размера) копию «Девушки с жемчужиной сережкой» Яна Вермеера. Размер изображения не превысил двух квадратных миллиметров, а цвета и тени картины были достаточно близки к оригиналу. Несмотря на такую художественность демонстрации, разработанная технология может использоваться и в прикладных целях: к примеру, для регулирования яркости и длин волн излучения при оптоволоконной передаче информации.
Наноструктуры могут использоваться не только для изменения цвета или интенсивности излучения, но и для его фокусировки: ранее мы рассказывали о том, как физики с помощью металинзы сфокусировали свет во всем видимом диапазоне. А с помощью нанесения на стекло нанотекстур, похожих на описанные выше наностолбики, химики сделали его прозрачнее.
Никита Козырев
Для этого их разнесли более чем на 30 метров
Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха с коллегами из нескольких стран смогли впервые провести проверку неравенств Белла без лазеек с помощью сверхпроводящих кубитов. Для этого они разнесли криостаты на 30 метров и добились очень короткого (не более 50 наносекунд) времени считывания. Все вместе это позволило гарантировать, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на результаты проверки. Исследование опубликовано в Nature. Эйнштейну не нравилась вероятностная интерпретация квантовой механики. Вместе с Подольским и Розеном он в 1935 году написал статью с описанием парадокса — мысленного эксперимента с двумя разнесенными частицами, квантовая связь между которыми якобы нарушала принцип причинности. В 1964 году Джон Белл предложил математический способ, как с помощью неравенств доказать, на самом ли деле квантовая механика управляется вероятностными законами, или в ее основе лежат некие, еще не понятые физиками скрытые параметры. Экспериментальная проверка неравенств Белла началась лишь спустя десятилетия, подтвердив ошибочность теории скрытых параметров. Подробнее об этой истории мы писали в материале «Бог играет в эти игры», посвященному Нобелевской премии по физике 2022 года. Проверка неравенств Белла — это не единомоментный процесс. Каждая следующая экспериментальная реализация оставляла небольшие лазейки, которыми можно было бы объяснить опыт, не отказываясь от локальной теории скрытых переменных. Но с 2015 года физикам наконец-то удалось закрыть их все, сначала с помощью дефектов в алмазе, затем фотонов и плененных атомов. Теперь же очередь дошла и до проверок без лазеек на сверхпроводящих кубитах. Это случилось благодаря Зимону Шторцу (Simon Storz) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и его коллегам из Испании, Канады, США, Франции и Швейцарии. Им удалось провести проверку для кубитов, разнесенных более, чем на 30 метров. Благодаря такому большому расстоянию и высокой скорости считывания физики показали, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на исход проверки, даже двигаясь от одного кубита к другому на световой скорости. С самых первых белловских экспериментов физики находили и закрывали множество лазеек. Например, недостатком эксперимента на фотонах долгое время было малое число запутанных пар. Из-за этого всегда можно было утверждать, что набранная статистика отражает лишь свойства некоторого подмножества от полного множества, в котором неравенства выполняются. Однако в конечном счете гипотезу о скрытых параметрах можно отвергнуть, если гарантировать, что никакой скрытый сигнал — во всяком случае, на световой или досветовой скорости — не успеет передаться от одного измерения до другого. Для этого кубиты должны быть достаточно далеко, а время считывания должно быть достаточно коротким. Наконец, физики обязаны накопить приличную статистику измерений, прежде чем делать выводы. Решению этих технических задач для сверхпроводящей платформы была посвящена работа авторов. Такие кубиты основаны на способности тока находится в суперпозиции направлений течения в сверхпроводящем контуре. Для их запутывания необходимо передавать между кубитами микроволновые фотоны, причем канал их передачи также должен находится при сверхнизких температурах. Ученые справились со своей задачей, разместив свои криостаты в подземных помещениях. Ключом к успеху стало достижение времени считывания, равного 50 наносекундам, со степенью совпадения 98 процентов. Расчеты показали, что, достаточно будет разделить события проверки кубитов 33 метрами. В этом случае у физиков остается запас в 10 наносекунд, которого достаточно, чтобы закрыть лазейку — скрытый сигнал не успеет повлиять на результат. Чтобы минимизировать разрушение запутанности, переносимой микроволновыми фотонами по волноводу, физики упаковывали последний в 30-метровую трубу, в которой поддерживали температуру 50 милликельвин. Сами кубиты содержались при температуре в 20 милликельвин. Всего ученые провели четыре последовательных эксперимента, в каждом из которых было более миллиона тестов. В результате статистический параметр неравенства оказался равен S = 2,0747 ± 0,0033 — другими словами, неравенства Белла нарушаются со значимостью в 22 стандартных отклонения. Помимо самого факта белловской проверки без лазейки, работа авторов прокладывает технологический путь к построению распределенных квантовых сетей на основе сверхпроводящих кубитов. Недавно мы рассказывали об аналогичных успехах для ионных кубитов — там квантовую запутанность передали на 230 метров.