Последние новости
Главная / Наука / Пространственно-временные волновые пакеты: Свет нового класса лазера бросает вызов фундаментальным законам физики

Пространственно-временные волновые пакеты: Свет нового класса лазера бросает вызов фундаментальным законам физики

Пространственно-временные волновые пакеты: Свет нового класса лазера бросает вызов фундаментальным законам физики

Ученым удалось создать лазер совершенно нового класса, луч света которого не подчиняется некоторым фундаментальным законам физики и оптики. Лучи света этого лазера, которые ученые окрестили термином «пространственно-временные волновые пакеты» (spacetime wave packets), подчиняются каким-то особым правилам отражения и преломления. И эти новые правила можно будет в будущем поставить на службу людям в области коммуникационных технологий в первую очередь.

Из школьного учебника физики нам известно, что свет движется с различной скоростью в среде различных материалов. И чем больше плотность материала, через который проходит свет, тем с меньшей скоростью он, свет, движется в объеме этого материала. Наглядной демонстрацией этого принципа, который называется законом Снеллиуса, является ложка, опущенная в стакан с водой. За счет разницы между плотностями воздуха и воды кажется, что ложка «сломана» на границе контакта воздуха и воды.

Однако, лучи света нового лазера полностью игнорируют закон Снеллиуса. Более того, эти лучи не подчиняются второму из фундаментальных законов — принципу Ферма, который определяет, что свет всегда распространяется по самому короткому пути.

«Лучи пространственно-временных волновых пакетов могут быть настроены так, что они не изменят свою скорость или даже аномально ускорятся, проходя из менее плотного материала в более плотный материал» — пишут исследователи — «При помощи этого явления можно будет сделать так, что два импульса, излученные в разные моменты времени, окажутся в одной точке пространства одновременно, или так, что излученные в один момент импульсы окажутся в двух различных точках пространства одновременно».

Такие возможности, которые открывает нам использование пространственно-временных волновых пакетов, может иметь очень серьезные последствия для телекоммуникационной области. Ученые приводят в качестве примера синхронную отсылку сообщений с самолета на две субмарины, находящиеся на одной глубине, но на разном удалении от самолета.

С первого взгляда может показаться, что технология пространственно-временных волновых пакетов противоречит ряду ключевых законов классической физики, но ученые утверждают, что на самом деле все происходит в полном соответствии со Специальной теорией относительности. Ведь данная технология не оперирует собственно колебаниями электромагнитных волн фотонов света, а контролирует скорость, с которой движутся максимумы колебаний волн света. И делается это при помощи устройства, называемого пространственным оптическим модулятором, который реорганизовывает энергию каждого импульса света, «переплетая» его некоторые свойства в пространстве и времени.

«Пространственно-временное преломление света ломает многие из известных нам законов и принципов» — пишут исследователи, — «Но в качестве компенсации этого оно, это явление, дает нам массу новых возможностей для управления распространением света и некоторых его свойств».

Смотрите также

Ученым впервые удалось добиться взаимодействия между двумя пространственно-временными кристаллами

Ученым впервые удалось добиться взаимодействия между двумя пространственно-временными кристаллами

Ученым, впервые в истории науки, удалось засвидетельствовать взаимодействие между двумя материальными образованиями, которые находятся в особом квантовом состоянии, известном под названием «пространственно-временные кристаллы». Результаты данного достижения могут стать основой новых технологий обработки квантовой информации из-за того, что структура пространственно-временных кристаллов остается стабильной и сохраняет свою последовательность, невзирая на изменяющиеся условия окружающей среды. И именно эта стабильность сможет обеспечить надежную работу процессоров мощных квантовых компьютеров, состоящих из сотен и тысяч квантовых битов, кубитов.

Напомним нашим читателям, что пространственно-временные кристаллы практически не имеют ничего общего с обычными кристаллами, которые состоят из соединенных друг с другом атомов, формирующих повторяющуюся в пространстве решетчатую структуру. Теоретическую возможность существования пространственно-временных кристаллов обосновал в 2012 году Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek), а уже в 2016 году ученым удалось создать и наблюдать поведение частиц первого реального пространственно-временного кристалла.

Частицы, из которых состоят пространственно-временные кристаллы, находятся в постоянном движении, они колеблются, вращаются и перемещаются в разных направлениях. Но, несмотря на такое сложное движение, через строго определенные промежутки времени структура всего кристалла возвращается к своей исходной форме, невзирая на любые внешние воздействия.

Международная группа ученых из университетов Ланкастера и Йельского университета, Великобритания, университета Аальто, Хельсинки, создала пространственно-временные кристаллы в среде гелия-3, редкого изотопа гелия, в ядре которого не хватает одного нейтрона. Сверхтекучий гелий-3 был охлажден до температуры в одну десятитысячную градуса выше точки абсолютного нуля (0.0001K или -273.15 градуса Цельсия). И в получившейся после такого охлаждения сверхтекучей жидкости (супержидкости) ученым удалось индуцировать два кристалла, которые слегка «затрагивали» друг друга.

Заглянув в объем супержидкости при помощи специализированного оборудования, ученые увидели, что два кристалла взаимодействуют друг с другом. Частицы одного кристалла, не нарушая его структуры, постоянно перетекают в другой пространственно-временной кристалл и через некоторое время возвращаются назад в процессе, известном под названием эффекта Джозефсона (Josephson effect).

И в заключение следует отметить, что у пространственно-временных кристаллов имеется очень большой потенциал для их практического применения. При их помощи могут быть созданы новые атомные часы, имеющие точность, близкую к максимально возможному теоретическому пределу, на основе таких кристаллов могут быть созданы высокоточные гироскопы и масса других вещей, где пространственно-временные кристаллы будут выступать высокостабильными источниками эталонных сигналов.

Ученым впервые удалось добиться взаимодействия между двумя пространственно-временными кристаллами

Ученым, впервые в истории науки, удалось засвидетельствовать взаимодействие между двумя материальными образованиями, которые находятся в особом квантовом состоянии, известном под названием «пространственно-временные кристаллы». Результаты данного достижения могут стать основой новых технологий обработки квантовой информации из-за того, что структура пространственно-временных кристаллов остается стабильной и сохраняет свою последовательность, невзирая на изменяющиеся условия окружающей среды. И именно эта стабильность сможет обеспечить надежную работу процессоров мощных квантовых компьютеров, состоящих из сотен и тысяч квантовых битов, кубитов.

Напомним нашим читателям, что пространственно-временные кристаллы практически не имеют ничего общего с обычными кристаллами, которые состоят из соединенных друг с другом атомов, формирующих повторяющуюся в пространстве решетчатую структуру. Теоретическую возможность существования пространственно-временных кристаллов обосновал в 2012 году Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek), а уже в 2016 году ученым удалось создать и наблюдать поведение частиц первого реального пространственно-временного кристалла.

Частицы, из которых состоят пространственно-временные кристаллы, находятся в постоянном движении, они колеблются, вращаются и перемещаются в разных направлениях. Но, несмотря на такое сложное движение, через строго определенные промежутки времени структура всего кристалла возвращается к своей исходной форме, невзирая на любые внешние воздействия.

Международная группа ученых из университетов Ланкастера и Йельского университета, Великобритания, университета Аальто, Хельсинки, создала пространственно-временные кристаллы в среде гелия-3, редкого изотопа гелия, в ядре которого не хватает одного нейтрона. Сверхтекучий гелий-3 был охлажден до температуры в одну десятитысячную градуса выше точки абсолютного нуля (0.0001K или -273.15 градуса Цельсия). И в получившейся после такого охлаждения сверхтекучей жидкости (супержидкости) ученым удалось индуцировать два кристалла, которые слегка «затрагивали» друг друга.

Заглянув в объем супержидкости при помощи специализированного оборудования, ученые увидели, что два кристалла взаимодействуют друг с другом. Частицы одного кристалла, не нарушая его структуры, постоянно перетекают в другой пространственно-временной кристалл и через некоторое время возвращаются назад в процессе, известном под названием эффекта Джозефсона (Josephson effect).

И в заключение следует отметить, что у пространственно-временных кристаллов имеется очень большой потенциал для их практического применения. При их помощи могут быть созданы новые атомные часы, имеющие точность, близкую к максимально возможному теоретическому пределу, на основе таких кристаллов могут быть созданы высокоточные гироскопы и масса других вещей, где пространственно-временные кристаллы будут выступать высокостабильными источниками эталонных сигналов.

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

Группа ученых из университета Индианы, США, и Копенгагенского университета, Дания, преодолев несколько серьезных проблем, разработала технологию производства того, что можно назвать самым ярким флуоресцентным материалом на сегодняшний день. Более того, этот новый материал может эффективно выступать в роли наполнителя для красок и полимерных материалов, открывая возможности для создания элементов солнечных батарей следующего поколения, лазеров и многого другого.

Главная из проблем, которые были упомянуты в первом абзаце, заключается во взаимном влиянии флуоресцентных частиц, которые помещаются внутрь твердого тела или жидкого состава. Эти частицы располагаются хаотически, и большинство переизлучаемых ими фотонов света поглощается частицами, расположенными в непосредственной близости. Более того, если частицы касаются друг друга, то часть энергии поглощенного фотона света отбирается другой частицей. И все это, в свою очередь, снижает уровень флуоресценции, другими словами, краски и твердые материалы выглядят более тускло, чем они могли быть при «правильном» расположении частиц красителя.

Решением этой проблемы стали специальные макроциклические молекулы, имеющие форму звезды, которые не дают соприкасаться и взаимодействовать молекулам флуоресцентного вещества. Состав из этих макро-звезд был подмешан в краситель, и после этого в растворе образовались так называемые ионные изоляционные решетки. Эти решетки могут быть выращены в виде кристаллов, высушены и размолоты в порошки, которые, в свою очередь, могут быть нанесены тонким слоем на поверхности или включены в состав прозрачных полимерных материалов, придавая им соответствующий цвет.

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

В новой технологии есть некоторые особенности. Ранее ученые уже пытались использовать макроциклические молекулы для подобной цели, но в этих попытках ученые использовали цветные молекулы. Сейчас же ученые использовали бесцветные версии таких молекул, что позволило частицам флуоресцентного красителя работать «на полную мощность» за счет наличия свободного пространства между ними.

У новых сверхярких материалов, по мнению ученых, имеется масса областей применения, включая сбор солнечной энергии, лазеры, технологии отображения информации, материалы с «переключаемыми» оптическими свойствами и т.п. И в ближайшем времени ученые планируют продолжить работу над новыми материалами с целью адаптации их производства под условия, специфичные для каждой конкретной области применения.

«Пока мы еще не знаем всех пределов возможностей этих материалов, которые относятся к совершенно новому классу» — пишут исследователи, — «В ближайшее время мы проведем некоторые исследования, которые принесут нам понимание того, как на самом деле работают эти материалы. После чего мы станем способны управлять их свойствами еще на этапе проектирования производства других вещей, в состав которых будут входить наши сверхяркие материалы».

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

Группа ученых из университета Индианы, США, и Копенгагенского университета, Дания, преодолев несколько серьезных проблем, разработала технологию производства того, что можно назвать самым ярким флуоресцентным материалом на сегодняшний день. Более того, этот новый материал может эффективно выступать в роли наполнителя для красок и полимерных материалов, открывая возможности для создания элементов солнечных батарей следующего поколения, лазеров и многого другого.

Главная из проблем, которые были упомянуты в первом абзаце, заключается во взаимном влиянии флуоресцентных частиц, которые помещаются внутрь твердого тела или жидкого состава. Эти частицы располагаются хаотически, и большинство переизлучаемых ими фотонов света поглощается частицами, расположенными в непосредственной близости. Более того, если частицы касаются друг друга, то часть энергии поглощенного фотона света отбирается другой частицей. И все это, в свою очередь, снижает уровень флуоресценции, другими словами, краски и твердые материалы выглядят более тускло, чем они могли быть при «правильном» расположении частиц красителя.

Решением этой проблемы стали специальные макроциклические молекулы, имеющие форму звезды, которые не дают соприкасаться и взаимодействовать молекулам флуоресцентного вещества. Состав из этих макро-звезд был подмешан в краситель, и после этого в растворе образовались так называемые ионные изоляционные решетки. Эти решетки могут быть выращены в виде кристаллов, высушены и размолоты в порошки, которые, в свою очередь, могут быть нанесены тонким слоем на поверхности или включены в состав прозрачных полимерных материалов, придавая им соответствующий цвет.

Cоздан самый яркий из существующих флуоресцентных материалов

В новой технологии есть некоторые особенности. Ранее ученые уже пытались использовать макроциклические молекулы для подобной цели, но в этих попытках ученые использовали цветные молекулы. Сейчас же ученые использовали бесцветные версии таких молекул, что позволило частицам флуоресцентного красителя работать «на полную мощность» за счет наличия свободного пространства между ними.

У новых сверхярких материалов, по мнению ученых, имеется масса областей применения, включая сбор солнечной энергии, лазеры, технологии отображения информации, материалы с «переключаемыми» оптическими свойствами и т.п. И в ближайшем времени ученые планируют продолжить работу над новыми материалами с целью адаптации их производства под условия, специфичные для каждой конкретной области применения.

«Пока мы еще не знаем всех пределов возможностей этих материалов, которые относятся к совершенно новому классу» — пишут исследователи, — «В ближайшее время мы проведем некоторые исследования, которые принесут нам понимание того, как на самом деле работают эти материалы. После чего мы станем способны управлять их свойствами еще на этапе проектирования производства других вещей, в состав которых будут входить наши сверхяркие материалы».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *