Содержание
Сибирские физики создали уникальный источник спин-поляризованных электронов
18 октября 2022
09:26
Ольга Мурая
Вадим Русецкий, сотрудник лаборатории физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН.
Фото В. Трифутин/ ИФП СО РАН.
Разработка может улучшить работу коллайдеров. Кроме того, результаты исследований представляют интерес для использования в электронной спектро- и микроскопии, а также для создания электронных устройств нового поколения
Исследователи из Института физики полупроводников СО РАН (ИФП СО РАН) совместно со специалистами из других организаций разработали новый стабильный источник спин-поляризованных электронов.
Он более долговечен, чем существующие аналоги, при этом его квантовая эффективность (мера световой чувствительности) и спиновая поляризация электронов (процент электронов с одинаковым спином) выше.
Новый источник спин-поляризованных электронов представляет собой мультищелочной фотокатод. Это тонкий полупроводниковый слой, «производящий» электроны с одинаковым спином (поляризованные) при облучении лазером.
Количество спин-поляризованных электронов, которые «вырабатывает» фотокатод, специалисты называют степенью его поляризации. Она на данный момент составляет 50%. Исследователи рассчитывают модифицировать полупроводниковое соединение, чтобы повысить поляризацию до 100%. Поляризация 50% означает, что у 75% электронов одинаковый спин.
Это устройство можно будет использовать на строящемся в Сарове коллайдере «Супер чарм-тау фабрика» уже когда степень поляризации источника составит 60%.
Напомним, что у электрона есть масса, заряд и спин. Люди научились управлять движением электрона с помощью электрического поля, влияющего на заряд.
По этому принципу работает большинство электронных устройств: компьютеры, телефоны, прочая техника. Учёные предполагают, что управление спином приведёт к созданию принципиально новых спинтронных устройств, которые будут более быстрыми и энергоэффективными.
При этом надёжные источники и детекторы спин-поляризованных электронов имеют не только прикладное применение. Они нужны и для фундаментальных исследований: экспериментов на ускорителях заряженных частиц, коллайдерах. В России для этого создаётся электрон-позитронный коллайдер «Супер чарм-тау фабрика». Аналогичная установка строится в Китае.
Поляризованные электроны востребованы и в самых крупных международных проектах — к примеру, линейном коллайдере в Японии ILC (International Linear Collider), или китайском двухкольцевом коллайдере CEPC (The Circular Electron Positron Collider).
Главный научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, доктор физико-математических наук Иван Александрович Кооп сообщает, что до сих пор в экспериментах на циклических и линейных ускорителях применялись только арсенид-галлиевые источники.
Учёный добавил, что мультищелочные катоды обещают быть менее требовательными к вакуумным условиям и к присутствию в остаточном газе нежелательных примесей.
Результаты работы российских учёных были опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
технологии
наука
физика
коллайдер
электроника
электрон
новости
Россия
Ранее по теме
Сверхсовременные технологии для лечения рака разрабатывают в Дубне
Физическая аномалия, преследующая учёных, — новая элементарная частица?
Новую элементарную частицу нашли на лабораторном столе
Фурсенко рассказал о строительстве в Сарове лазерной установки мирового уровня
На Земле появилось место, где холоднее, чем в открытом космосе
Три новых установки класса MegaScience появятся в России
Нобелевская премия по физике — 2018 • Алексей Левин • Новости науки на «Элементах» • Нобелевские премии, Физика
2 октября Шведская королевская академия наук объявила о присуждении очередной Нобелевской премии по физике — «за революционные изобретения в области лазерной физики» (“for groundbreaking inventions in the field of laser physics”).
Новыми лауреатами стали американец Артур Эшкин, француз Жерар Муру и канадка Донна Стрикленд. Эшкин отмечен за изобретение оптических пинцетов и применение их для изучения биологических систем. Муру и Стрикленд получили премию за разработку метода генерирования сверхкоротких оптических импульсов чрезвычайно высокой интенсивности.
Лауреаты нынешнего года были награждены за работы более чем тридцатилетней давности. Соответственно, все они далеко не молоды. Артуру Эшкину, который до 1992 года возглавлял отдел физической оптики и электроники Лабораторий Белла (Bell Labs), за месяц до присуждения премии исполнилось 96 лет. Он оказался самым старым из обладателей этой награды за всю ее историю и, более того, первым и пока единственным, получившим ее на десятом десятке жизни (за исключением Леонида Гурвича, который в 2007 году, в возрасте 90 лет, стал лауреатом не собственно Нобелевской премии, а премии имени Нобеля по экономике). Кстати, отец Эшкина, Исадор Ашкенази, в царское время перебрался в США из Одессы.
Профессору парижской Политехнической школы и заслуженному профессору в отставке Мичиганского университета Жерару Муру 74 года, а его бывшей аспирантке, а ныне младшему профессору (associate professor) канадского Университета Уотерлу Донне Стрикленд в мае следующего года исполнится шестьдесят. Так что достижения всех троих ученых, ныне отмеченные стокгольмским ареопагом, давно превратились в научную классику.
Официальные формулировки заслуг новых лауреатов показывают, что речь идет о прикладных исследованиях с четко выраженной технологической направленностью. Последний раз подобное случилось в 2014 году, когда троих японских ученых наградили за изобретение (опять изобретение!) синих светодиодов. В 2015, 2016 и 2017 годах Нобелевские премии по физике присуждали за фундаментальные исследования.
Премиями 2014 и 2018 годов отмечены работы по физической оптике, в последние десятилетия сильно обогатившие и чистую физику, и технологии. Что до трудов Эшкина, Муру и Стрикленд, то у них есть конкретный общий стержень.
Замечательные изобретения этих ученых сильно расширили практическое применение давления света, которое стало возможным благодаря прогрессу квантовых оптических генераторов — лазеров. Именно это их и объединяет.
Гипотеза о существовании светового давления отнюдь не нова — на будущий год ей исполнится полтысячи лет. Впервые она появилась в книге Иоганна Кеплера “De Cometis Libelli Tres”, увидевшей свет в 1619 году. С помощью этой гипотезы Кеплер объяснил, почему хвосты комет направлены не к Солнцу, а в противоположную сторону. В целом его догадка оказалась верной (с тем уточнением, что кометные хвосты формируются и под воздействием солнечного ветра). В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл показал, что существование светового давления (как и давления любого электромагнитного излучения) непосредственно следует из уравнений электродинамики. В 1899–1901 годах формулу Максвелла для величины давления света подтвердили (в прецизионных и очень трудоемких экспериментах!) профессор Московского университета Петр Николаевич Лебедев и американские физики Эрнст Фокс Николс (Ernest Fox Nichols) и Гордон Ферри Халл (Gordon Ferrie Hull).
Давление обычного света чрезвычайно мало. Сила, с которой солнечный свет отталкивает нашу планету, в шестьдесят триллионов раз меньше солнечного притяжения. Не случайно в 1905 году английский физик Джон Генри Пойнтинг (John Henry Poynting) в президентском послании Британскому физическому обществу отметил, что эксперименты по определению величины светового давления продемонстрировали крайнюю малость этого эффекта, «исключающую его из рассмотрения в земных делах». И вплоть до появления лазеров этот вывод оставался совершенно справедливым.
Как известно, лазерный свет обладает такими замечательными свойствами, как исключительная спектральная чистота (то есть возможность генерировать практически идеальное монохроматическое излучение) и высокая пространственная когерентность. Поэтому лазерный луч можно сфокусировать в пятно диаметром лишь немного больше одной длины волны. При мощности лазерного излучателя лишь в несколько ватт можно получить интенсивность излучения, в тысячи раз превышающую общую интенсивность видимого спектра Солнца.
Отсюда, в частности, следует, что с его помощью в принципе может разогнать очень мелкие частицы до ускорений, в миллион больших ускорения свободного падения у земной поверхности. И это всего лишь одно из гигантского разнообразия мыслимых приложений.
Артур Эшкин оценил уникальные возможности лазеров практически сразу после их изобретения. С начала 1960-х он провел в Белловских лабораториях множество остроумных экспериментов, результатом которых стало появление световых ловушек, надежно удерживающих мельчайшие объекты различной природы. Эти исследования заняли четверть века — первая статья Эшкина и его сотрудников с описанием оптического пленения диэлектрических частиц величиной от десятков нанометров до десятков микрометров появилась в 1986 году (A. Ashkin et al., 1986. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles). Интересно, что она уместилась на трех журнальных страницах — основополагающие научные работы нередко бывают очень компактными.
Световые ловушки Эшкина со временем назвали оптическими пинцетами (или лазерными пинцетами, optical tweezers, laser tweezers).
В последующие годы эта технология сильно усовершенствовалась, и ее возможности значительно расширились. Лазерные пинцеты не только удерживают микро- и нанообъекты, но могут передвигать их, поворачивать и резать на части. Они широко применяются в молекулярной биологии, геномике, вирусологии и много где еще. Важнейшей областью применения оптических пинцетов стало лазерное охлаждение нейтральных атомов до сверхнизких температур. За эти работы бывший сотрудник Эшкина и один из соавторов его знаменитой статьи Стивен Чу (Steven Chu) со своим соотечественником Уильямом Филлипсом (William Daniel Phillips) и французским физиком Клодом Коэн-Таннуджи (Claude Cohen-Tannoudji) стали Нобелевскими лауреатами 1997 года.
Если Артур Эшкин обязан лауреатством методу манипулирования микрообъектами с помощью лазерного света, то Жерар Муру и Донна Стрикленд, если можно так выразиться, действовали в более серьезном энергетическом масштабе. Они разработали чрезвычайно эффективный способ увеличения мощности лазерных импульсов (см.
: В погоне за петаваттами, «Элементы», 10.10.2018). Чтобы его оценить по достоинству, необходимо углубиться в прошлое.
История лазерных технологий началась в мае 1960 года, когда сотрудник исследовательского центра фирмы Hughes Research Laboratories Теодор Майман (Theodore Maiman) запустил первый лазер на искусственном рубине. Спустя полгода в лабораториях корпорации IBM заработал инфракрасный лазер на фториде кальция с добавкой ионов урана, построенный Питером Сорокиным (Peter Sorokin) и Миреком Стивенсоном (Mirek Stevenson) — правда, он действовал при температуре жидкого водорода и практического значения не приобрел. В декабре 1960 года исследователи из Белловских Лабораторий Али Джаван (Ali Javan), Уильям Беннетт (William Bennett) и Дональд Хэрриот (Donald R. Herriott) продемонстрировали первый в мире газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсюду применяется и сейчас. После этого началась всемирная гонка, целью которой стало создание новых лазеров, которая не закончилась по сей день.
Я уже отметил, что сфокусированный лазерный свет обеспечивает очень высокую интенсивность излучения. В начале 1960-х годов она составляла 1010 ватт/см2, а через десять лет увеличилась на пять порядков. Однако потом рост ее замедлился, и эта тенденция сохранялась вплоть до середины 1980-х. Ситуация радикально изменилась в 1985 году, когда сотрудники Лаборатории лазерной энергетики Рочестерского университета Жерар Муру и Донна Стрикленд (тогда они работали в США) опубликовали трехстраничную (история повторяется!) статью с описанием своего метода (D. Strickland, G. Mourou, 1985. Compression of amplified chirped optical pulses). Мощность лазерных импульсов вновь пошла в рост и сейчас достигла уже 1023 ватт/см2.
Суть их метода можно описать буквально тремя предложениями. Ультракороткий лазерный импульс пропускают через пару дифракционных решеток, которые на несколько порядков растягивают его во времени (в своих первых экспериментах Муру и Стрикленд использовали для этого оптоволоконный кабель, но решетки оказались эффективней).
В результате пиковая энергия электрических полей лазерного импульса падает настолько, что он проходит через оптический усилитель (для этого обычно используют сапфир, допированный ионами титана), не нарушая его кристаллической структуры. Многократно усиленный импульс пропускают еще через пару дифракционных решеток, и они сжимают его до исходной протяженности. На выходе получается очень короткий импульс чрезвычайно высокой интенсивности (рис. 4). Уже первые эксперименты по применению этого метода привели к созданию пикосекундных лазерных систем тераваттной мощности. Дальнейшее оказалось делом техники — и, конечно, изобретательности.
Область применения ультракоротких сверхмощных лазерных импульсов чрехзвычайно обширна. Достаточно упомянуть, что она простирается от экспериментов в области фундаментальной физики до хирургического лечения близорукости и астигматизма.
В заключение еще одна любопытная деталь. Донна Стрикленд в своем университете возглавляет группу, запнимающуюся сверхбыстрыми лазерами.
В 1997 году она получила должность assistant professor, и за прошедшие годы поднялась лишь на единственную ступеньку в университетской иерархии. Когда 2 октября корреспондент Би-Би-Си спросил ее, почему она не стала полным профессором, новый Нобелевский лауреат ответила: “I never applied.” Такой вот человек!
См. также:
В погоне за петаваттами, «Элементы», 10.10.2018.
Алексей Левин
Нобелевская премия по физике 2018 г. — Новые достижения в области лазерных технологий
Этот пост является частью серии статей о научных исследованиях, которые привели к присуждению Нобелевских премий в этом году. Официальная церемония вручения Нобелевской премии состоится в Стокгольме 10 декабря 2018 года. биологии, а половину совместно Донне Стрикленд и Жерару Муру за их исследования новых методов создания интенсивных лазерных импульсов, которые изменили производственные и медицинские процедуры.
Эта премия является последней в серии наград, присуждаемых за достижения в области лазерных технологий, которые демонстрируют, что лазеры продолжают быть волной будущего.
Лазеры были впервые разработаны в 1960 году, и с тех пор они произвели революцию в научных инструментах, медицинских процедурах и производстве, среди многих других приложений. Вот как появились два достижения, отмеченные Нобелевской премией 2018 года, и как они используются сегодня.
Артур Ашкин, Донна Стрикленд и Жерар Муру, лауреаты Нобелевской премии по физике 2018 г., © Peter Badge/typos 1 in coop. Встречи с Нобелевским лауреатом Линдау
Захваченные частицы
Лазеры генерируют интенсивный узкий луч одноцветного света с волнами, выровненными по направлению, частоте и фазе. Частицы света, называемые фотонами, путешествуют внутри этих волн и создают оптические силы, когда сталкиваются с объектом и рассеиваются.
В 1970 году Артур Ашкин, один из лауреатов премии по физике этого года, использовал эти силы, чтобы втянуть микрочастицу в лазерный луч и заманить ее внутрь. В конце концов, он также приостановил действие вируса и живой клетки. Его техника, получившая название «оптический пинцет», с тех пор стала ключом к изучению кинетики и механики клеточных моторов и компонентов.
Вот как работает оптический пинцет:
Когда Ашкин впервые поместил частицу микронного размера в лазерный луч, он заметил, что частица втягивается в центр луча, где интенсивность была наибольшей. Он понял, что два типа оптических сил удерживают частицу в луче. Поступательное движение фотонов подтолкнуло частицу в направлении лазерного луча. Давление этого излучения было достаточно сильным, чтобы левитировать микрочастицы внутри вертикального лазерного луча.
Вторая сила, та, что подтолкнула частицу к центру луча, также удерживает ее внутри луча. Эта градиентная сила возникает из-за того, что интенсивность лазера слабее на краях луча и максимальна в центре. Фокусировка луча с помощью линзы создает очень крутой градиент интенсивности, так что сила градиента становится сильнее, чем та, которая толкает частицы вперед в луче. После того, как Ашкин и его коллеги добавили линзу к своему оптическому пинцету, они улавливали в воде частицы диаметром от 10 мкм до 25 нм.
Экспериментируя с улавливанием различных видов частиц, Эшкин понял, что может улавливать вирус или бактериальную клетку. Он изменил систему, чтобы использовать инфракрасный лазер вместо зеленого, и тогда он мог ловить даже живые клетки. Благодаря работе Ашкина над биологическими системами оптический пинцет теперь широко используется в биофизике и клеточной биологии. Новаторские биофизические эксперименты с оптическим пинцетом включают в себя прикрепление белка под названием «кинезин» к шарику, захваченному оптическим способом. Внутри клеток кинезин переносит молекулярный груз по клеткам, перемещаясь по нитям, называемым микротрубочками. Используя оптический пинцет, исследователи сделали первые измерения длины каждого шага кинезина.
Повышение интенсивности
Донна Стрикленд и Жерар Муру разделили вторую половину Нобелевской премии по физике 2018 года за их метод повышения интенсивности ультракоротких лазерных импульсов таким образом, чтобы не расплавить компоненты лазера.
Их подход привел к промышленному и медицинскому применению лазеров, включая точное производство и хирургию глаза.
В течение первых 25 лет разработки лазеров исследователи выяснили, как создавать сверхкороткие импульсы лазерного света, но интенсивность этих импульсов была ограничена. Они могли усиливать только наноджоули энергии в каждом импульсе до уровня миллиджоулей, потому что более интенсивные импульсы повреждали усиливающий материал и компоненты лазера.
Одним из способов увеличения интенсивности импульса было увеличение диаметра луча для рассеивания его интенсивности. Однако для этого требовалось большое и дорогостоящее оборудование, которое могли разместить только национальные исследовательские институты. Кроме того, эти лазеры могли производить только несколько импульсов в день, потому что им требовалось время для охлаждения между выстрелами.
В 1985 году Стрикленд и Муру описали метод решения этой проблемы. Вдохновленные радарными технологиями, они решили уменьшить пиковую мощность лазерного импульса, сначала увеличив его длину волны на несколько порядков.
Тогда они могли усиливать волну, не повреждая материал. Наконец, они сжали волну, чтобы восстановить ее первоначальные свойства. Через два года после демонстрации усиления чирпированных импульсов они изменили компоненты системы и усилили наноджоульные импульсы до энергии в джоулях — увеличение на девять порядков.
После разработки усиления чирпированных импульсов исследователи использовали его для передачи все более коротких и интенсивных лазерных импульсов. Эти импульсы объединились для создания мощных лазеров в доступных инструментах. Ученые-исследователи теперь могут приобретать настольные лазеры мощностью в тераватты — пиковую мощность больших лазеров раньше можно было найти только в научно-исследовательских институтах. В настоящее время институты используют петаваттные лазеры, и по крайней мере 50 петаваттных лазеров работают, строятся или планируются по всему миру. Объект Extreme Light Infrastructure Beamlines, проект, возглавляемый Муру и строящийся в Праге, Чешская Республика, будет иметь лазерную систему мощностью 10 ПВт.
Эти сверхбыстрые лазерные импульсы высокой интенсивности открыли новые области исследований в физике, включая изучение вещества в конденсированной фазе и динамики электронов внутри атомов.
Интенсивные лазерные импульсы также имеют практическое применение в прецизионном производстве и медицинских процедурах. Менее интенсивные импульсы могут термически обрабатывать материал, в то время как более интенсивные импульсы могут резать, вырезать или протыкать его. Короткие, интенсивные лазерные импульсы также необходимы для хирургии глаза LASIK, когда врачи изменяют внешнюю оболочку глаза пациента, чтобы исправить проблемы со зрением, которые обычно требуют ношения очков или контактных линз.
Дополнительное примечание: Узнайте больше об увлекательном мире лазерных технологий в тематической группе в нашей медиатеке.
Нобелевская премия по физике 2018 года: инструменты из света, «оптический пинцет» и мощные лазерные импульсы
Нобелевская премия по физике в этом году присуждена трем ученым за создание так называемых «инструментов из света».
.
Артуру Ашкину, который в свои 96 лет стал старейшим ученым, когда-либо удостоенным Нобелевской премии, приписывают изобретение так называемого «оптического пинцета». На самом деле это технология, а не физический инструмент, эти «пинцеты» широко используются для выделения и исследования очень маленьких частиц, таких как отдельные атомы, нити ДНК или биологические клетки.
Жерар Муру и Донна Стрикленд, получившие вторую половину премии, разработали метод, который позволил генерировать наиболее интенсивные лазерные импульсы, которые сейчас используются в самых разных научных и медицинских целях, в том числе в глазных операциях.
Стрикленд, 59-летний канадский ученый, стала теперь только третьей женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике, после Марии Кюри в 1903 году и Марии Гёпперт Майер в 1963 году. ее работа в сотрудничестве с ее научным руководителем Муру была описана в самой первой научной статье, которую она опубликовала еще в декабре 19.85.
Истории только для подписчиков
Просмотреть все
Подпишитесь сейчас менее чем за 4 рупии в день
ПРОЧИТАТЬ | Познакомьтесь с лауреатами Нобелевской премии по физике 2018 года
«Оптический пинцет» Ашкина тоже был разработан в середине 1980-х годов.
Фактически, с тех пор несколько ученых были удостоены Нобелевской премии за работу, проделанную над разработанной им технологией, но сам Ашкин до сих пор оставался в стороне.
Эшкин, американец, работал над лазерными импульсами с тех пор, как они были впервые получены в 1960. Световые лучи, производимые лазером — это устройство, а не сам луч — имеют единую частоту (цвет) и высокую интенсивность, а значит и большую мощность.
В течение нескольких лет было широко известно, что свет может оказывать давление на объекты, на которые он падает. Но это давление было недостаточно большим, чтобы иметь какой-либо наблюдаемый эффект, который ученые могли бы измерить. Развитие лазерных лучей благодаря их высокой мощности открыло новые возможности. Ашкин впервые показал, что эти световые лучи действительно можно использовать для перемещения очень маленьких объектов. Он обнаружил, что сферы микрометрового размера, которые он использовал для своих экспериментов, были притянуты к центру светового луча, где интенсивность света или количество световых частиц в луче было наибольшим.
Реклама
На протяжении многих лет, тщательно манипулируя световым лучом и используя различные виды линз, Ашкин мог управлять движением сферы или других мелких частиц и даже создавать своего рода ловушку, в которой частица содержался. Это было похоже на выделение этих маленьких частиц для специального наблюдения. Это то, что стало называться «пинцет», где один или несколько лучей света могли изолировать и удерживать очень маленькие частицы, такие как атом, для изучения учеными.
До работы Ашкина такие мелкие частицы не могли быть выделены и исследованы. Выделение отдельных частиц помогает ученым понять поведение отдельных атомов или клеток вместо изучения среднего поведения совокупности таких частиц. К 1986 году «оптический пинцет» был достаточно развит, чтобы останавливать и улавливать отдельные атомы. Примерно в это же время он случайно также поймал бактерии в свой «пинцет», а затем показал, что с помощью определенного вида инфракрасного света бактерии могут быть пойманы или изолированы без какого-либо вреда для них.
В наши дни «оптический пинцет» является стандартным оборудованием в лабораториях по всему миру и используется для изучения различных областей, включая биологические процессы отдельных белков, ДНК или других клеток.
Реклама
В то время как Ашкин использовал лазерные лучи для совершенно новых вещей, Муру и Стрикленд расширили возможности самого светового луча. Лазеры излучают свет с очень короткими интервалами, порядка микро- или наносекунд или даже меньше. Мощность светового луча или его интенсивность измеряется энергией, которую он переносит в секунду. Таким образом, чем короче временной интервал, в котором создавался импульс, тем выше была мощность.
В течение нескольких лет после изобретения лазера лабораторные настольные лазеры начали достигать мощности около гигаватт (10 в степени 9). Но после этого было достигнуто состояние пиковой мощности. Более интенсивные световые импульсы не могли быть получены без повреждения усиливающего материала.
Муру и Стрикленд нашли выход.
Они увеличили продолжительность импульсов перед усилением света, чтобы интенсивность снизилась. Тогда свет мог бы усиливаться нормально. После усиления импульс можно было сжать до его первоначальной продолжительности, упаковав гораздо больше световых частиц в очень маленьком пространстве, тем самым увеличив интенсивность на несколько порядков.
С помощью этого метода Муру и Стрикленд смогли увеличить интенсивность светового луча почти в миллион раз за один раз. С тех пор ученые развили эту технологию дальше, так что современный лазер может производить световые лучи с мощностью порядка петаватт (10 в степени 15), и предпринимаются усилия по установке лазеров, которые могут быть еще выше.
В настоящее время в Индии есть два лазера, производящих лучи мощностью 100 тераватт (10 в степени 12). Центр передовых технологий Раджа Раманна в Индоре находится в процессе установки двух петаваттных систем, а еще одна, вероятно, будет установлена в Хайдарабаде.
Реклама
Такие высокие интенсивности чрезвычайно полезны во многих научных контекстах.