Ученые, работающие в Национальной ускорительной лаборатории (SLAC), создали рентгеновский лазер с самыми короткими и чистыми импульсами, реализовав предсказание, сделанное 45 лет назад, и открыв дверь новым возможностям науки.

Для создания первого в мире атомного рентгеновского лазера исследователи нацелили рентгеновское излучение от Linac Coherent Light Source (LCLS), лазера на свободных электронах, на капсулу с неоновым газом.

«Рентгеновские лучи позволяют нам проникнуть в мир атомов и молекул, - сказала Нина Рорингер (Nina Rohringer), возглавляющая исследование. – Мы считаем, что ученые будут использовать этот новый тип лазера для многочисленных исследований, таких как обнаружение деталей химических реакций или наблюдение в работе биологических молекул. Чем короче импульсы, тем большие скорости изменений мы можем наблюдать, чем чище излучение, тем более отчетливо мы можем видеть детали».

Чтобы создать атомный лазер, мощный рентгеновский импульс от LCLS, в миллиард раз ярче, чем получаемые ранее, выбил электроны с внутренних орбит многочисленных атомов неона в капсуле. При заполнении свободных состояний примерно один из 50 атомов отвечал излучением фотона в рентгеновском диапазоне с очень короткой длиной волны. Эти фотоны затем стимулировали соседние атомы неона излучать рентгеновские лучи, создавая эффект домино, который усилил излучение лазера в 200 млн раз.

Хотя и LCLS, и неоновая капсула оба являются лазерами, они генерируют свет различным образом и излучают свет с разными характеристиками. В LCLS высокоэнергетические электроны проходят через переменные магнитные поля, генерируя рентгеновское излучение, импульсы которого ярче и мощнее. Импульсы атомного лазера в восемь раз короче и их цвет (частотный состав) более чистый, что позволяет различать детали сверхбыстрых реакций.

В будущих экспериментах Нина Рорингер намерена попытаться создать рентгеновский лазер с более короткими импульсами и высокой энергией на базе кислорода, азота или газообразной серы.

Луч от LCLS приходит из нижнего левого угла (зеленый) и ударяет в атомы неона (в центре). В некоторых случаях внешний электрон занимает вакантное место на внутренней орбите и испускает коротковолновый высокоэнергетический фотон (желтый свет, исходящий из атома вверху справа)

Исследователи достигли успеха в объединении квантовых вычислений и квантовой криптографии и показали, что может быть достигнута идеальная защита облачных вычислений на основе принципов квантовой механики. Они провели экспериментальную демонстрацию квантовых вычислений, в которой входные данные, их обработка и выходные данные остались неизвестными квантовому компьютеру. Эксперимент был выполнен интернациональной командой ученых в венском Center for Quantum Science and Technology (VCQ).

Предполагается, что схема использования квантовых компьютеров будет аналогичной облачным вычислениям: несколько удаленных серверов, расположенных в специализированных центрах квантовых вычислений будут сохранять и обрабатывать данные. Очевидная проблема заключается в том, чтобы сделать глобализованные вычисления безопасными и сохранить конфиденциальность пользовательских данных.

Последнее исследование показало, что квантовые компьютеры могут решить эту проблему. «Квантовая физика решает одну из ключевых проблем в распределенных вычислениях. Она может сохранить конфиденциальность данных, когда пользователь взаимодействует с удаленными вычислительными центрами», - сказала Стефани Барц (Stefanie Barz), первый автор статьи.

Ученые венской исследовательской группы экспериментально продемонстрировали концепцию «слепых квантовых вычислений»: они впервые выполнили квантовое вычисление, в котором пользовательские данные оставались зашифрованными. Экспериментальная демонстрация использовала для шифрования фотоны.

Процесс происходил следующим образом. Пользователь приготавливает кубиты в состоянии, известном только ему, и посылает их квантовому компьютеру. Квантовый компьютер выполняет зацепление кубитов в соответствии со стандартной схемой. Фактическое вычисление основывается на измерении: обработка квантовой информации реализуется простыми измерениями кубитов. Пользователь разрабатывает инструкции по измерению отдельного состояния каждого кубита и посылает их квантовому серверу. В конечном счете результаты вычислений посылаются обратно пользователю, который может их интерпретировать. Даже если квантовый компьютер или перехватчик пытаются прочитать кубиты, они не получат полезную информацию без знания начального состояния.

Риунок показывает кластер зацепленных кубитов, допускающих квантовую обработку на удаленном сервере, при этом содержание и результат серверу не виден

Терагерцевый передатчик, разработанный в Техническом университете (TU) Дармштадта, показал наивысшую частоту, когда-либо достигнутую микроэлектронными устройствами. Новое устройство имеет очень небольшие размеры и оперирует при комнатной температуре, что открывает ему дорогу к новым приложениям, например, неразрушающему контролю материалов или в медицинской диагностике.

Одним из недостатков традиционных передатчиков и приемников терагерцевого излучения является их размеры и стоимость. Однако ситуация может вскоре измениться, поскольку команда физиков и инженеров из TU, возглавляемая д-ром Михаилом Фейгиновым (Michael Feiginov), разработала резонансный туннельный диод (RTD) для генерирования тарагерцевого излучения размером меньше 1 кв. мм, технология производства которого мало отличается от традиционного для полупроводников. Более того, их инновационный трансмиттер установил рекорд частоты для микроэлектронных устройств – 1,111 ТГц. Такая частота позволит достичь лучшего пространственного разрешения при испытании материалов и анализа.

Сердцем резонансного туннельного диода является двухбарьерная структура, внутри которой встраивается квантовая яма. Квантовая яма представляет собой очень тонкий слой арсенида индия-галлия, помещенный между парой барьерных слоев арсенида алюминия толщиной несколько нм. Эта двухбарьерная структура плюс квантовомеханический эффект обеспечивают, что электромагнитные волны, генерируемые внутри терагерцевого осциллятора, будут многократно усиливаться. Это означает, что осциллятор будет излучать непрерывные электромагнитные волны с терагерцевыми частотами.

Наверное, все помнят цирковой трюк, когда фокусник поднимает цилиндр, а под ним оказывается цыпленок, затем опускает его и снова поднимает – а цыпленка уже нет. Исследователи из Корнельского университета проделали нечто подобное. Они продемонстрировали «временную шапку-невидимку», правда, на очень малой шкале, при передаче данных с помощью пучка света. Здесь трюк заключался в том, чтобы создать щель в пучке света в то время, когда происходит событие, а затем сшить пучок вместе.

Исследователи создали, по их определению, временные линзы, которые могут манипулировать сигналами и фокусировать их во времени, аналогично тому, как стеклянные линзы фокусируют свет в пространстве. Они использовали технику, называемую четырехволновое смешивание, в которой два пучка света, «сигнала» и «накачки» посылаются вместе через оптоволокно. В результате взаимодействия двух пучков изменяется длина волны сигнала. Что создать временную щель, исследователи сначала скачком увеличили длину волны сигнала, а затем скачком уменьшили ее.

Затем пучок пропускался через другой очень длинный, вытянутый оптический кабель. Свет, проходящий через прозрачный материал, немного замедлялся, при этом уменьшение скорости зависело от длины волны. Так, свет с меньшей длиной волны двигался быстрее, создавая щель. В момент наличия щели экспериментаторы создавали короткую вспышку света с более длинной волной, которая приводила бы к кратковременной импульсной помехе в выходящем пучке.

Затем расщепленный пучок пропускался через оптоволокно с различной композицией, сконструированным так, чтобы замедлять свет с меньшей длиной волны сильнее, чем с большей. Сигнал с большей длиной волны достигал сигнала с меньшей, ликвидируя щель. Наконец, другой четырехволновой смеситель приводил обе части обратно к исходной длине волны, и пучок появлялся без следа того, что где-то была щель, и признаков постороннего сигнала.

Временная длина щели составляла 15 пс и, по заверению ученых, может быть увеличена до 10 нс. Такая технология могла бы найти применение при передаче данных по оптоволокну и их обработке. Например, она может позволить вставить аварийный сигнал без прерывания основного потока данных.

«Этот метод требует оптического ответа от материала, который не существует. Теперь мы сделали это для одномерного случая. Расширение его на двумерный, а в конечном счете, и на целую сцену, вполне реально», - сказал проф. Александр Гаета (Alexander Gaeta).

 Лазерный луч проходит через «расщепляющую время линзу» -специально сконструированный волновод, который скачком увеличивает длину волны света, а затем скачком ее понижает. Сигнал затем проходит через фильтр, который замедляет длинные волны, создавая щель, в которую можно «спрятать» событие. Второй фильтр работает обратно первому, позволяя «сшить» пучки без следа их расщепления

Наименьший из когда-либо созданных на кремнии проводников – высотой всего один атом и шириной четыре атома – был продемонстрирован командой исследователей из Университета Нового Южного Уэльса, Мельбурнского университета и Университета Пердью.

Эксперименты показали, что у проводника довольно низкое сопротивление, несмотря на то что он более чем в 20 раз тоньше традиционных медных проводников в микропроцессорах.

Бент Уэбер (Bent Weber), аспирант из Университета Нового Южного Уэльса отметил, что он поражен тем, что закон Ома все еще справедлив для проводника, сконструированного из атомов. Инновация австралийской группы заключалась в том, что они построили цепь последовательно атом за атомом взамен традиционного метода получения проводников на кремнии. Группа построила устройство, размещая атомарно тонкие слои фосфора на кремнии, и обнаружила, что при плотной упаковке примеси фосфора проводники шириной всего четыре атома проводят ток так же хорошо, как металл.

Целью исследователей было разработка будущих квантовых компьютеров, в которых для вычислений используются единичные атомы. «Мы стоим на пороге создания транзисторов из индивидуальных атомов, - сказала Мишель Симмон (Michelle Simmons), директор Центра квантовых вычислений. – Но мы понимаем, чтобы построить практический квантовый компьютер межсоединения и цепи также должны быть уменьшены до атомной шкалы».

Изображение, полученное с помощью компьютерной симуляции, показывает электронную плотность по мере того как электроны перемещаются слева направо

Химики решили проблему, которой насчитывалось 84 года. Те же принципы, которые позволяют фигуристу вращаться быстрее, прижимая руки к туловищу, были использованы исследователями Мичиганского государственного университета (MSU) для понимания, как молекулы передают энергию в своей среде после поглощения света.

Сохранение момента количества движения является фундаментальным свойством природы. В 1927 г. было высказано предположение, что этот принцип может быть применим к химическим реакциям, но ясной демонстрации этого не удавалось получить.

Джим Маккаскер (Jim McCusker), химик из MSU, впервые продемонстрировал, что такой эффект действительно имеет место, и предложил, как ученые могут использовать его для управления и предсказывания пути развития химических реакций в общем.

«Идея плавала на поверхности в течение десятилетий и неявно подразумевалась в разных контекстах, но не было предложено химической системы, которая могла бы ее подтвердить или опровергнуть, - сказал д-р Маккаскер. – Наш результат не только подтверждает правильность идеи, но позволяет нам начать рассматривать химические реакции в полностью другой перспективе».

Эксперимент включал приготовление двух близко связанных молекул, которые были специально сконструированы для химической реакции, известной как флуоресцентный резонансный перенос энергии. При поглощении света система предрасполагается, чтобы передавать энергию от одной части молекулы к другой.

Команда Маккаскера заменила один из атомов хрома молекулы на атом кобальта. Это изменило свойства молекулы и остановило реакцию. Отсутствие любого определяемого переноса энергии в молекуле, содержащей атом кобальта, подтвердило гипотезу.

«То, что мы успешно проделали, является контрольно-проверочным экспериментом, - сказал д-р Маккаскер. – Можно легко вообразить, как использовать эти идеи для других химических процессов».

Исследователи полагают, что достигнутые результаты могут оказать влияние на различные области, включая молекулярную электронику, биологию и энергетику посредством разработки новых типов химических реакций.

             Д-р Маккаскер и научный сотрудник Дон Го (Dong Guo)

Помещая реальные и виртуальные объекты на пути полета летучих мышей, ученые из университетов Бристоля и Мюнхена выявили новые детали работы их эхолокаторов. Они обнаружили, что размеры больших объектов мыши определяют не по интенсивности отраженного сигнала, а по «звуковой апертуре», углам, под которыми эхо приходит в их уши.

Как известно, летучие мыши излучают ультразвук для ориентации в пространстве. Информация о находящихся впереди объектах поступает в виде отраженного сигнала. Например, эхо от больших объектов сильнее, чем от малых. Однако анализ отраженных собственных сигналов в какофонии эхо от сородичей представляется довольно трудной задачей для слуховой системы мыши.

Исследователи из Бристоля и Мюнхена захотели узнать, способны ли мыши использовать эхолокацию, находясь в «толпе» других мышей. Команда засняла на пленку пути полета сотен летучих мышей 13 разных разновидностей, когда они влетали из пещеры, и затем поместили небольшие объекты на их пути.

«Видео ясно показало искривления путей полета после размещения объектов. Это значит, что мыши были способны использовать эхолокацию в этих трудных условиях, чтобы определить объект размером 5х8 см и найти безопасный путь», - сказал д-р Холгер Герлитц (Holger Goerlitz) из Бристольской школы биологии.

Но как мыши определяют размеры объектов по эхосигналам? Чтобы определить, используют ли они интенсивность в качестве информации о размерах, команда применила в качестве источника эха виртуальные объекты, симулируя их размер с помощью источника ультразвука. Этот метод записывает излучение пролетающих мышей и в реальном времени симулирует эхо объектов, которые реально отсутствуют. Используя этот метод впервые для диких мышей, исследователи могли манипулировать одним параметром – интенсивностью – и изучать эффект восприятия размера объектов.

Хотя размер виртуальных объектов, то есть интенсивность эха, был в десять раз больше, чем небольших реальных объектов, используемых ранее, мыши не изменяли пути полета.

По мнению д-ра Герлитца, результаты показали, что у виртуальных объектов отсутствует критический параметр, дающий информацию о их размерах. Ученые полагают, что летучие мыши используют другой эхопараметр, кроме интенсивности: звуковую апертуру, которая дает углы распределения отраженного звука. Это было подтверждено в следующем лабораторном опыте с использованием массива громкоговорителей.

Воспринимая интенсивность и звуковую апертуру эха от объектов, слуховая система летучих мышей может оценивать их особенности и вырабатывать решение.

Наложение 20 видео, показывающих пути полета мышей мимо громкоговорителя, использованного в качестве виртуального объекта

Ответ на один из наиболее волнующих вопросов в физике элементарных частиц, кажется, достаточно близок: ученые из ЦЕРН наблюдали первый признак бозона Хиггса и теперь верят, что они вскоре будут способны доказать существование этой частицы. Это последний отсутствующий элемент в Стандартной модели, объясняющей структуру материи.

«Мы в самом деле могли наблюдать первое экспериментальное доказательство существования бозона Хиггса, но еще слишком рано  делать определенные заявления», - сказал проф. Фолкер Бюшер (Volker Büscher) из Института физики при университете Йоханнеса Гутенберга в Майнце, Германия. «И если эксперимент окажется корректным, анализ данных впервые предоставит информацию о массе бозона Хиггса», - добавил проф. Стефан Таппрогге (Stefan Tapprogge).

Бозон был предсказан 50 лет назад и назван в честь британского физика Питера Хиггса. С тех пор ученые во всем мире его ищут. Его открытие объяснит происхождение масс всех элементарных частиц.

«На данный момент мы можем сделать два утверждения, - сказал проф. Бюшер. – Первое, если бозон Хиггса действительно имеет предполагаемые характеристики, то его масса должна быть между 115 и 131 ГэВ – это окно намного меньше, чем год назад. Второе, мы обнаружили очень интригующие дополнительные события, которые могли бы послужить первым прямым экспериментальным доказательством бозона Хиггса с массой 125 ГэВ».

Бозон Хиггса был предсказан в 1954 г. Согласно Стандартной модели, он наделяет массой другие элементарные частицы. Из Стандартной модели следует, что Вселенная наполнена полем Хиггса. В зависимости от силы взаимодействия элементарных частиц с бозоном Хиггса, они будут иметь ту или иную массу. Если недостающую частицу действительно откроют, это не только подтвердит теорию, но также будет начальной точкой для развития новой области исследования.

Иллюстрация протон-протонного столкновения, которое может породить частицу Хиггса, записанное на детекторе ATLAS. Вскоре после своего рождения бозон Хиггса распадается на четыре частицы, которые были обнаружены детектором

Фундаментальная проблема, стоящая перед наукой 70 лет, наконец, решена. Международная команда исследователей открыла тонкий электронный эффект в магнетите, самом магнитном материале из всех встречающихся в природе минералов. Эффект вызывает резкое изменение проводимости при очень низких температурах.

Свойства магнетита (магнитного железняка) известны уже более чем 2000 лет и послужили основой концепций магнитов и магнетизма. В течение десятилетий материал служил базисом для исследований в области магнитной записи и хранения данных.

В 1939 г. голландский ученый Эверт Вервей (Evert Verwey) открыл, что электрическая проводимость магнетита резко снижается при низких температурах – примерно при 125 К (-150 °С) металлический минерал превращается в изолятор. Несмотря на многие попытки, вплоть до недавнего времени суть этого перехода оставалась нераскрытой.

Команда ученых облучила мощным рентгеновским излучением небольшой кристалл магнетита при очень низкой температуре. Эксперимент был проведен Европейской лаборатории синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле. Результаты позволили понять тонкую перестройку химической структуры минерала. Электроны захватывались внутрь группы из трех атомов железа, и были неспособны переносить электрический ток. «Мы решили фундаментальную проблему в понимании исходного магнитного материала, на котором основывались все наши знания о магнетизме, – сказал проф. Поль Аттфилд (Paul Attfield) из Центра по изучению экстремальных состояний. – Эти сведения о структуре магнетита и его поведении помогут в разработке электронных и магнитных технологий будущего».

Новый тип квантового бита, называемого «кубит со скользящей фазой» (phase-slip qubit), изобретен исследователями из RIKEN Advanced Science Institute (ASI). Он позволил впервые в мире экспериментально продемонстрировать когерентное квантовое скольжение фазы (CQPS).

Эффект квантового скольжения фазы заключается в изменении фазы сверхпроводящего тока на 2π на джозефсоновском переходе, вызванном (изменении), в свою очередь, квантовой флуктуацией фаз. Этот неординарный результат проливает свет на неуловимый феномен, чье существование предполагалось длительное время, но никогда в действительности не наблюдалось.

Исследователи давно знали об интригующей теоретической параллели эффекту Джозефсона, в которой изолятор и сверхпроводник меняются местами: если электрические заряды проходят от одного сверхпроводящего слоя к другому через изолятор, то магнитный поток совершает квантовый переход от одного изолятора к другому через сверхпроводящий слой (рис. 1).

                                                 Рис. 1

Квантовое туннелирование электронов в переходе Джозефсона заменяется в этой параллели когерентным скольжением фазы, квантовой переменной, играющей в сверхпроводящих цепях дуальную роль электрическому заряду.

Когерентное квантовое скольжение фазы как явление долгое время ограничивалось только теорией. В статье, опубликованной в Nature, Олег Астафьев с коллегами из ASI и NEC Smart Energy Research Laboratories сообщили о первом прямом наблюдении CQPS в тонкой сверхпроводящей проволоке из окисла индия. Проволока вставлялась в бóльшую сверхпроводящую петлю, чтобы образовать новое устройство, называемое кубит со скользящей фазой, с сверхпроводящим слоем (тонкой проволокой), помещенным между изолирующими слоями пустого пространств (рис. 2).

    
                                             Рис. 2

Регулируя проникновение магнитного потока через эту петлю при одновременном сканировании излучением микроволновой частоты, исследователи обнаружили запрещенную зону в кривой энергии для двух состояний потока системы (рис. 3) в точном соответствии с предсказанием теории. Эта зона является результатом квантовомеханического эффекта, в соответствии с которым два состояния не могут занимать один энергетический уровень, принуждая их туннелировать через сверхпроводящий слой – и посредством квантового скольжения фазы в тонкой проволоке – избежать этого.

                                               Рис. 3