Усиление света, очистка воды и квантовые вычисления. Топ разработок российских ученых

Российские физики создали «зеркальную комнату» размером с пылинку — она усиливает свет в сотни раз и может находить маркеры рака в капле крови. А учёные из Петрозаводска превратили арктический мох в мощный фильтр для очистки воды от тяжёлых металлов и нефти.

Мы продолжаем рассказывать о последних достижениях российской науки. На этот раз речь пойдёт о микрорезонаторах, которые работают как ловушка для света и помогают диагностировать болезни на ранней стадии; о сорбенте из северного мха, который сделает сточные воды чище; о «жидком свете», который запоминает информацию в сотни раз дольше обычного; о планарных ионных ловушках, которые позволят наращивать мощность квантовых компьютеров; и о новом законе отражения волн в двумерном мире, который меняет представления физиков о резонаторах. Подробнее обо всём рассказываем в нашем материале.

Микрорезонаторы ИТМО для усиления света в сотни раз

Специалисты Университета ИТМО разработали оптические микрорезонаторы на основе полистироловых сфер диаметром около пяти микрометров — тоньше человеческого волоса. На поверхность сфер нанесли светящиеся частицы двух типов, затем покрыли полимером и золотыми наночастицами. В результате получилась структура, способная не только удерживать и усиливать свет, но и генерировать его самостоятельно.

Принцип работы напоминает круглую зеркальную комнату: луч многократно отражается от стенок, набирает мощность и усиливается в сотни раз. Золотые наночастицы при этом подавляют лишний фон, делая полезный сигнал более чётким. Учёные могут менять характеристики излучения, меняя архитектуру слоёв, что открывает путь к созданию резонаторов с заданными свойствами.

Технология может найти применение в медицине — например, для выявления молекул-маркеров заболеваний в образцах крови. Также она пригодится для защиты продукции от подделок и в системах маркировки для микроэлектроники. Важно, что все компоненты нетоксичны, что позволяет использовать их для анализа биологических образцов. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда. В перспективе учёные планируют объединить эту разработку с предыдущими наработками и создать компактную систему «лаборатория на чипе» для обнаружения минимальных концентраций нужных молекул в сложных средах — от крови до нефтепродуктов.
 

Сорбент из арктических мхов, который очищает воду от тяжёлых металлов

Специалисты Петрозаводского государственного университета разработали новый фильтрующий материал на основе растительного сырья, собранного в Арктической зоне России. Полученный сорбент предназначен для удаления из природных и сточных вод тяжёлых металлов, фенольных соединений и нефтепродуктов.

Основой разработки стали сфагнумовые мхи. Учёные запатентовали технологию их физико-химической обработки, благодаря которой природное сырьё приобретает значительно более высокие сорбционные характеристики. Разработанный материал может применяться при дополнительной очистке поверхностных стоков, образующихся на промышленных и городских территориях. Кроме того, его планируют использовать для обработки производственных сточных вод перед их поступлением в водоёмы.

Для практического применения технологии исследователи ПетрГУ разработали специальные конструктивные и технологические решения. Они позволяют устанавливать фильтрующие модули с созданными сорбентами как на существующих объектах локальной очистки, так и в рамках их модернизации. Таким образом, природное сырьё Арктической зоны может получить практическое применение в экологических технологиях, связанных с очисткой загрязнённых вод.
 

«Жидкий свет», который запоминает информацию для фотонных компьютеров

Российские учёные обнаружили, что «жидкий свет» — набор из квазичастиц-поляритонов — можно использовать для долговременного хранения информации, передаваемой при помощи одиночных частиц света. Это позволяет создать память для фотонных компьютеров и сократить число преобразований между оптическими и электрическими сигналами в их работе.

Как пояснил руководитель научной группы в Российском квантовом центре Алексей Кавокин, отдельный поляритон существует очень недолго, но заданная световым сигналом поляризация сохраняется в конденсате в сотни раз дольше. «Это не означает, что система клонирует фотон со всеми его свойствами, но она запоминает поляризацию сколь угодно слабого светового импульса. Это подтверждает, что поляритонный конденсат можно рассматривать как возможную основу для оптической памяти».

Учёные из РКЦ, МФТИ и СПбГУ уже много лет проводят эксперименты с поляритонным конденсатом. В прошлом физики считали, что подобные структуры могут существовать лишь при температурах, близких к абсолютному нулю, однако российским и зарубежным учёным удалось показать, что они могут возникать и при комнатной температуре в некоторых материалах. Проведённые расчёты показали, что «жидкий свет» способен хранить информацию на протяжении нескольких сотен пикосекунд, что в сотни раз дольше типичного времени жизни одного поляритона. Это упростит архитектуру оптических вычислительных устройств и позволит снизить их энергопотребление.

Росатом освоил планарные ионные ловушки для квантовых компьютеров

Учёные Квантового проекта госкорпорации «Росатом» впервые в России продемонстрировали кубитные операции на планарных ионных ловушках. Освоение этой технологии позволит увеличивать мощность ионных квантовых компьютеров до уровня, необходимого для их практического применения.

Результат получили сразу две научные группы — группа ФИАН под руководством Ильи Семерикова и группа Российского квантового центра под руководством Кирилла Лахманского. В ФИАН продемонстрировали захват в планарные ловушки ионов иттербия-171, их перемещение вдоль чипа и однокубитные операции. В РКЦ работа велась с ионами кальция.

Планарные ловушки представляют собой тип электромагнитных ловушек, в которых электроды располагаются на плоскости — чипе. Такие устройства способны удерживать более 100 кубитов, позволяют интегрировать оптические элементы для манипулирования и считывания кубитов, а также создавать зоны с заданными свойствами для улучшения качества операций. Планарные ловушки позволяют перейти от работы с единой цепочкой ионов к более сложным конфигурациям из нескольких небольших массивов, между которыми можно перемещать ионы. Как отметил учёный Квантового проекта, «данный результат очень важен как с научной, так и с практической точек зрения».

Физики открыли новый закон отражения волн в двумерном мире

Исследователи из МФТИ совместно с коллегами из Института физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН, Саратовского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН и Венского технологического университета обнаружили аномалии в законе отражения для двумерных электромагнитных волн.

В основе многих привычных устройств — от зеркал до спутниковых антенн — лежит известное правило: угол падения равен углу отражения. Правила расчёта амплитуд отражённых волн были выведены в начале XIX века Огюстеном Френелем. Из формул Френеля следует, что фаза волны, отражённой от непоглощающей поверхности, может быть равна либо нулю, либо 180 градусам. Долгое время считалось, что френелевские законы отражения универсальны и применимы для любых волн.

Авторы исследования доказали, что для электромагнитных волн, распространяющихся вдоль двумерных полупроводников — так называемых двумерных плазмонов — отражение от препятствий сопровождается аномальной фазовой задержкой. Двумерный плазмон — электромагнитная волна, бегущая вдоль сверхтонкого полупроводника — приобретает задержку ⅛ от полного периода колебаний при отражении от металлического препятствия. Результат открывает возможность создания сверхкомпактных резонаторов нового типа. Результаты опубликованы в серии из двух научных работ.

Текст: Ирина Леонова