СМИ о нас

24 октября в 13:00 портал «Научная Россия» при участии РАН проведет пресс-тур в Физический институт им. П.Н. Лебедева (ФИАН) ― главный научно-исследовательский центр страны в области физики, «родовое гнездо» семи нобелевских лауреатов.

Заведующий криогенным отделом института, разработчик Евгений Иванович Демихов представит МРТ-установку ФИАН, которая уже готова к вводу в производство и сможет в ближайшее время заменить импортные МРТ-аппараты по всей России. Директор института член-корреспондент РАН Николай Николаевич Колачевский расскажет об отличительных особенностях новой установки и ответит на вопросы гостей.

Отечественный аппарат, созданный в ФИАН, не требует использования жидкого гелия ― это отличает его от импортных аналогов и позволяет на 30% сократить расходы на обслуживание такой установки.

«Это очень сложная технология. Такой прибор можно сравнить разве что со спутником, который запускают в космос. Наше пространственное разрешение 0,5 мм позволяет диагностировать большую часть всех существующих патологий», ― говорит Евгений Иванович Демихов.

Участники пресс-тура смогут поближе познакомиться с одной из самых многообещающих разработок российских ученых в области импортозамещения.

https://scientificrussia.ru/articles/rossijskaa-mrt-ustanovka-gotova-k-proizvodstvu-v-nasej-strane

Ученые Физического института имени П.Н. Лебедева РАН создали новый тип магнитного материала — химический магнит, чьи магнитные свойства меняются, если в нем протекает окислительно-восстановительная реакция. Это поможет создать новые нано- и микромоторы для прикладных задач, например, для целевой доставки лекарств с помощью нанороботов. Статья, описывающая результаты эксперимента, опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

«Мы провели серию экспериментов с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, и показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой “пловец” работает как магнит», — говорит первый автор статьи, ведущий научный сотрудник Лаборатории активных коллоидных систем ФИАН, доктор наук Борис Кичатов.

Магнитные свойства металлов очень разнообразны. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладают ферромагнетики. При комнатной температуре ферромагнитные свойства демонстрируют железо, кобальт и никель. Остальные металлы — парамагнитные или диамагнитные материалы. Если робот сделан из парамагнетика или диамагнетика, то в неоднородном магнитном поле на него будет действовать более слабая магнитная сила, чем в случае использования ферромагнитных металлов. Но можно ли повысить эффективную магнитную восприимчивость роботов, изготовленных их парамагнитных и диамагнитных металлов? Ответ на этот вопрос удалось получить авторам статьи.

В последние годы ученые активно исследуют методы разработки нано- и микророботов, которые могут перемещаться в жидкостях, в частности, внутри клеток и в кровеносных сосудах. Такие роботы могут иметь различную форму и приводиться в движение как внешними источниками энергии, так и использовать топливо, добываемое из окружающей среды.

Для приведения в движение плавающих нанороботов могут использоваться двигатели, основанные на разных физических эффектах. Это могут быть, например, электрофорез, реактивная сила при газогенерации, воздействие электрических, магнитных, акустических полей или света. Использование магнитных полей — один из наиболее перспективных методов перемещения таких «пловцов».

Ученые ФИАН создали робота, части которого были изготовлены из парамагнитных или диамагнитных металлов с разными электрохимическими потенциалами, которые играли роль анода и катода. Затем робот помещали на поверхность жидкого электролита. Фактически подобный робот представлял собой плавающую батарейку.

В системе начиналась окислительно-восстановительная реакция, при этом по корпусу робота двигались электроны, а в растворе электролита — ионы, возникала петля с током, и этот контур представлял собой элементарный магнит.

«В неоднородном магнитном поле на любую петлю с током действует магнитная сила, и на “пловца” при протекании химической реакции начинает действовать дополнительная магнитная сила — иными словами, можно сказать, что магнитная восприимчивость такого робота возрастает по сравнению с магнитной восприимчивостью металлов, из которых он был изначально изготовлен», — рассказывает Борис Кичатов.

Далее ученые перемещали над «пловцом» постоянный магнит из неодима, железа и бора, создавая тем самым неоднородное магнитное поле. Так в процессе эксперимента они оценили максимальную высоту магнита над «пловцом», при которой он мог двигаться вместе с магнитом. Оказалось, что критическое расстояние, на котором действуют магнитные свойства «пловца», составляет 14 миллиметров.

Чтобы доказать, что петля тока играет ключевую роль в возникновении химического магнетизма, ученые провели эксперимент с пластиной, полностью изготовленной из цинка. Они сравнивали ее движение в неоднородном магнитном поле, то есть под воздействием постоянного магнита, на поверхностях воды и раствора сульфата меди. Несмотря на то что между цинком и раствором сульфата меди шла реакция, на такого «пловца» не действовала дополнительная магнитная сила. Фактически химическая реакция не оказывала влияния на эффективную магнитную восприимчивость «пловца», так как в этом случае не возникает петли тока.

«Когда магнитная восприимчивость робота была низкой, он просто не двигался за этим магнитом. Так мы доказали, что при протекании химических реакций магнитная восприимчивость материала может вырасти на порядок величины. Фактически мы в некоторой степени приблизили магнитные свойства парамагнитного металла к показателям ферромагнетиков. Конечно, такие преимущества не возникают в природе “бесплатно”. Дополнительный магнетизм обусловлен протеканием химических реакций, и как только реакция прекращается, система приходит в состояние равновесия и химический магнетизм вырождается», — говорит Борис Кичатов.

Ученые экспериментировали с разными парами металлов, тем самым изменяя разность потенциалов на электродах, и выяснили, что это приводит к изменению тока и, следовательно, магнитной восприимчивости. Например, индий, как и цинк, является диамагнитным металлом. Однако в электрохимическом ряду он расположен ближе к меди, чем к цинку. Благодаря этому максимальное расстояние между «пловцом» и магнитом, при котором «пловец» все еще движется вместе с магнитом, у робота на основе сплава In–Cu оказывается меньше, чем у Zn–Cu.

Кроме того, ученые установили, что магнитные свойства химического магнита можно регулировать за счет изменения концентрации сульфата меди в растворе и вариаций температуры. Влияние обоих факторов обусловлено их воздействием на скорость протекания химических реакций, от которой, в свою очередь, зависит ток, протекающий через плавающего робота.

В перспективе, полагают ученые, такие химические магниты можно будет использовать для производства микро- и наномоторов, которые могут под действием магнитного поля перемещаться по кровеносным сосудам и доставлять лекарство в нужное место, а также решать другие прикладные задачи. Если уменьшить таких роботов до наноразмера и диспергировать их в химически реагирующей жидкости, то в будущем можно создать суспензию, магнитные свойства которой возникают лишь при протекании в системе химических реакций. Такие магнитные жидкости могут служить основой для создания различных биосенсоров.

Источник информации и фото: отдел по связям с общественностью ФИАН  Информация взята с портала «Научная Россия»

Ученые Физического института имени П.Н. Лебедева РАН создали новый тип магнитного материала — химический магнит, чьи магнитные свойства меняются, если в нем протекает окислительно-восстановительная реакция. Это поможет создать новые нано- и микромоторы для прикладных задач, например, для целевой доставки лекарств с помощью нанороботов. Статья, описывающая результаты эксперимента, опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

«Мы провели серию экспериментов с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, и показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой “пловец” работает как магнит», — говорит первый автор статьи, ведущий научный сотрудник Лаборатории активных коллоидных систем ФИАН, доктор наук Борис Кичатов.

Магнитные свойства металлов очень разнообразны. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладают ферромагнетики. При комнатной температуре ферромагнитные свойства демонстрируют железо, кобальт и никель. Остальные металлы —  парамагнитные или диамагнитные материалы. Если робот сделан из парамагнетика или диамагнетика, то в неоднородном магнитном поле на него будет действовать более слабая магнитная сила, чем в случае использования ферромагнитных металлов. Но можно ли повысить эффективную магнитную восприимчивость роботов, изготовленных их парамагнитных и диамагнитных металлов? Ответ на этот вопрос удалось получить авторы статьи.

В последние годы ученые активно исследуют методы разработки нано- и микророботов, которые могут перемещаться в жидкостях, в частности, внутри клеток и в кровеносных сосудах. Такие роботы могут иметь различную форму и приводиться в движение как внешними источниками энергии, так и использовать топливо, добываемое из окружающей среды.

Для приведения в движение плавающих нанороботов могут использоваться двигатели, основанные на разных физических эффектах. Это может быть, например, электрофорез, реактивная сила при газогенерации, воздействие электрических, магнитных, акустических полей или света. Использование магнитных полей — один из наиболее перспективных методов перемещения таких «пловцов».

Ученые ФИАН создали робота, части которого были изготовлены из парамагнитных или диамагнитных металлов с разными электрохимическими потенциалами, которые играли роль анода и катода. Затем робот помещали на поверхность жидкого электролита. Фактически подобный робот представлял собой плавающую батарейку.

В системе системе начиналась окислительно-восстановительная реакции, при этом по корпусу робота двигались электроны, а в растворе электролита — ионы, возникала петля с током, и этот контур представлял собой элементарный магнит.

Схема химической реакции в биметаллической пластине

«В неоднородном магнитном поле на любую петлю с током действует магнитная сила, и на “пловца” при протекании химической реакции начинает действовать дополнительная магнитная сила — иными словами, можно сказать, что магнитная восприимчивость такого робота возрастает по сравнению с магнитной восприимчивостью металлов, из которых он был изначально изготовлен»,  — рассказывает Борис Кичатов.

Далее ученые перемещали над «пловцом» постоянный магнит из неодима, железа и бора, создавая тем самым неоднородное магнитное поле. Так в процессе эксперимента они оценили максимальную высоту магнита над «пловцом», при которой он мог двигаться вместе с магнитом. Оказалось, что критическое расстояние, на котором действуют магнитные свойства «пловца», составляет 14 миллиметров.

Чтобы доказать, что петля тока играет ключевую роль в возникновении химического магнетизма, ученые провели эксперимент с пластиной, полностью изготовленной из цинка. Они сравнивали ее движение в неоднородном магнитном поле, то есть под воздействием постоянного магнита, на поверхностях воды и раствора сульфата меди. Несмотря на то, что между цинком и раствором сульфата меди шла реакция, на такого пловца не действовала дополнительная магнитная сила. Фактически химическая реакция не оказывала влияния на эффективную магнитную восприимчивость пловца, так как в этом случае не возникает петли тока.

«Когда магнитная восприимчивость робота была низкой, он просто не двигался за этим магнитом. Так мы доказали, что при протекании химических реакций магнитная восприимчивость материала может вырасти на порядок величины. Фактически мы в некоторой степени приблизили магнитные свойства парамагнитного металла к показателям ферромагнетиков. Конечно, такие преимущества не возникают в природе “бесплатно”. Дополнительный магнетизм обусловлен протеканием химических реакций, и как только реакция прекращается, система приходит в состояние равновесия и химический магнетизм вырождается», — говорит Борис Кичатов.

Ученые экспериментировали с разными парами металлов, тем самым изменяя разность потенциалов на электродах, и выяснили, что это приводит к изменению тока, и, следовательно, магнитной восприимчивости. Например, индий, как и цинк, является диамагнитным металлом. Однако в электрохимическом ряду он расположен ближе к меди, чем к цинку. Благодаря этому максимальное расстояние между пловцом и магнитом, при котором пловец все еще движется вместе с магнитом, у робота на основе сплава In–Cu оказывается меньше, чем у Zn–Cu.

Кроме того, ученые установили, что магнитные свойства химического магнита можно регулировать за счет изменения концентрации сульфата меди в растворе и вариаций температуры. Влияние обоих факторов обусловлено их воздействием на скорость протекания химических реакций, от которой, в свою очередь, зависит ток, протекающий через плавающего робота.

В перспективе, полагают ученые, такие химические магниты можно будет использовать для производства микро- и наномоторов, которые могут под действием магнитного поля перемещаться по кровеносным сосудам и доставлять лекарство в нужное место, а также решать другие прикладные задачи. Если уменьшить таких роботов до наноразмера и диспергировать их в химически реагирующей жидкости, то в будущем можно создать суспензию, магнитные свойства которой возникают лишь при протекании в системе химических реакций. Такие магнитные жидкости могут служить основой для создания различных биосенсоров.

Источник: ФИАН

ТАСС, 13 октября. Физики из России создали новый магнитный материал, чьи свойства меняются в зависимости от того, какие типы химических реакций протекают внутри этого вещества. Этот "химический магнит" можно использовать для создания наномоторов для микроскопических роботов будущего, сообщила в четверг пресс-служба Физического института РАН (ФИАН).

"Мы провели серию экспериментов с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, и показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой объект работает как магнит. В результате этого магнитная восприимчивость такого робота возрастает по сравнению с магнитной восприимчивостью металлов, из которых он был изначально изготовлен", - рассказал ведущий научный сотрудник ФИАН (Москва) Борис Кичатов, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

За последние 10 лет ученые создали десятки различных молекулярных наномашин, в том числе щипцы, системы точечной доставки лекарств и даже примитивные компьютеры и роботы-"трансформеры". Быстрый прогресс в этой области привел к тому, что в 2016 году Нобелевская премия по химии была присуждена Бену Феринге, Фрейзеру Стоддарту и Жану-Пьеру Соважу за разработку и синтез молекулярных машин.

Их дальнейшая разработка осложнена тем, что сложность сборки больших наноструктур растет очень быстро, а внесение изменений в их устройство и управление их работой оказались еще более сложными задачами. Еще одним препятствием для создания и использования полноценных нанороботов является то, что пока исследователям не удалось создать надежные и предсказуемо работающие наномоторы.

Магнитный мотор для нанороботов

Кичатов и его коллеги сделали большой шаг в сторону решения этой проблемы. Им удалось разработать новый магнитный материал, чьими свойствами можно управлять при помощи окислительно-восстановительных реакций. Это позволяет использовать его для создания регулируемых наномоторов.

Как отмечают исследователи, данный материал представляет собой пластину, состоящую из двух соединенных друг с другом пластин из двух разных металлов - цинка и меди, обычно не проявляющих магнитной активности. Эта активность внутри пластинок из цинка и меди возникает в результате того, что при погружении в электролит через них начинает двигаться электрический ток в результате запуска гальванической реакции.

Причиной ее возникновения является то, что цинк и медь обладают очень разным электрохимическим потенциалом, в результате чего взаимодействия цинка и меди с электролитом приводят к тому, что цинк окисляется, а медь восстанавливается. Этот процесс сопровождается появлением замкнутой "петли" электрического тока, вырабатывающей магнитное поле.

Появление этого поля позволяет управлять движением нанороботов, в которые встроена подобная комбинация из двух металлов, при помощи внешних постоянных магнитов и химических реакций. В дополнение к этому данный эффект можно использовать для создания наноскопических аналогов электромоторов, а также лекарств и сенсоров, активирующихся только в определенной химической среде, подытожили ученые.

https://nauka.tass.ru/nauka/16043669

Со 2 по 6 октября на базе Дальневосточного отделения РАН прошла 20-я Азиатско-Тихоокеанская конференция по фундаментальным проблемам опто- и микроэлектроники APCOM-2022, посвященная 100-летию Н.Г. Басова. Конференция собрала большое количество известных специалистов в области оптоэлектроники, лазерной физики, микроэлектроники и смежных приложений.

Участники конференции

В приветственной лекции выдающуюся роль академика Басова в развитии лазерной физики в мире и в становлении научных школ ДВО РАН отметил председатель организационного комитета APCOM, вице-президент РАН, академик Ю.Н. Кульчин.

От Физического института им. П.Н. Лебедева РАН с приветственным словом выступил руководитель Троицкого обособленного подразделения ФИАН, член-корреспондент РАН А.В. Наумов. Он представил научные и технологические проекты ТОП ФИАН – научного наследия лауреата Нобелевской премии по физике 1964 года, академика Николая Геннадиевича Басова. Новое для ТОП ФИАН научное направление, связанное с флуоресцентной наноскопией одиночных молекул и квантовых точек, было представлено в приглашенном докладе А.В. Наумова "Fluorescence nanoscopy of single molecules and quantum dots".

По итогам конференции будет опубликован специальный тематический выпуск журнала Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics.

Информация и фото предоставлены отделом по связям с общественностью ФИАН

https://scientificrussia.ru/articles/fian-na-apcom-2022

Российские ученые предложили способ, который позволяет изменять окраску алмазов. Облучая искусственные кристаллы лазером, они смогли точечно обесцветить их за счет влияния на структуру оптически активных центров (центров окраски). Описанный подход в перспективе позволит не только изменять цвет, а значит, и ювелирную ценность алмазов, но также разработать метки для контроля за оборотом драгоценных камней.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах журнала Carbon.

Последние десятилетия синтетические алмазы стали отличной альтернативой природным — особенно в области оптоэлектроники и спинтроники. Это связано прежде всего с тем, что свойства синтетических кристаллов можно очень широко изменять, например, сделать их практически идеально чистыми. В этом случае в них предельно мало самых простых (одноатомных и двухатомных) оптически активных центров из атомов азота, в том числе центров окраски. Кроме того, можно изменять их структуру и цвет сколько угодно и там, где это нужно, например, при помощи лазера.

Иногда бывает необходимо выполнить обратную задачу — избавиться от центров окраски видимого диапазона и, таким образом, обесцветить кристалл. Сотрудники Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва), ООО «ВЕЛМАН» (Новосибирск), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и «ИТЭР-Центр» (Москва) продемонстрировали, как можно это сделать.

«Мы воздействовали лазерными импульсами на алмазы красного цвета торговой марки Imperial Red Diamonds, лабораторно выращенные под действием высоких температур и давления, — так называемые HPHT-алмазы. Импульсы были очень короткими — всего триллионная доля секунды — и с ультрамалой энергией, но облучали кристалл с большой частотой повторения, так что за несколько минут маленькая точка претерпевала десятки миллионов бережных лазерных воздействий», — объясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Кудряшов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и заведующий Лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН.

Обработка вызывала точечное, хорошо заметное невооруженным взглядом обесцвечивание. Исследователи проверили свойства соответствующих участков по тому, как они взаимодействуют с разным светом — от ультрафиолетового до среднего инфракрасного. Анализ полученных в результате спектров показал, что обработанные участки существенно хуже поглощают излучение видимого и среднего инфракрасного диапазона, которое обычно «съедают» оптически активные одноатомные и двухатомные азотные центры, а значит, последних стало намного меньше.

Поскольку воздействие оказалось успешным, авторы задались фундаментальным вопросом: за счет каких процессов удалось избавиться от оптически активных центров. Поскольку лазерное воздействие локальное, но довольно интенсивное, можно предположить два сценария. С одной стороны, центры могли разрушиться (диссоциировать) непосредственно под действием лазерного излучения. С другой стороны, они могли соединиться друг с другом (агрегировать) с участием лазерно-генерированных дефектов углеродной решетки алмаза. В обоих случаях оптические свойства алмазов меняются.

Дополнительно исследовались спектральные особенности фотолюминесценции, а именно то, как светились обработанные участки в ответ на воздействие излучением зеленой и синей части спектра. Эксперименты показали, что увеличилось содержание более крупных азотных центров окраски, обладающих поглощением в невидимой для глаза ультрафиолетовой части спектра. При этом уменьшались концентрации одно- и двухатомных азотных центров, которые поглощают во всей видимой области спектра.

Художественная иллюстрация локального обесцвечивания искусственных алмазов. Источник: Carbon

Ученые предположили, что с каждым импульсом происходило незначительное локальное повреждение алмазной структуры. Его причина заключается в ионизации атомов углерода и их смещении в поры решетки с образованием вакансий (пустот) и междоузлий. Поскольку структурно-чувствительная спектроскопия комбинационного рассеяния света не показала даже незначительных изменений в углеродной решетке, такие дефекты решетки не накапливаются, а активно взаимодействуют с азотными центрами и присоединяются к ним или же вызывают их агрегацию с соседними центрами. Этот новый процесс является обратным по отношению к ранее обнаруженному этими же исследователями распаду азотных центров под действием лазерно-генерированных вакансий в природных алмазах.

«Наше исследование продемонстрировало, как с помощью лазеров можно изменить окраску, а значит, и свойства искусственного алмаза. Варьируя режимы облучения, мы можем изменить как цвет всего камня, так и создать незаметные глазу, но фиксируемые приборами микрокодировки внутри алмаза. Это очень важно для разработки инновационных способов контроля за оборотом искусственных алмазов», — рассказывает Сергей Кудряшов.

В сотрудничестве с соавтором статьи Виктором Винсом, доктором физико-математических наук, сотрудником ООО «ВЕЛМАН», исследователи планируют инновационные разработки на базе разработанной для синтетических алмазов технологии.

https://www.nanonewsnet.ru/news/2022/fiziki-obestsvetili-iskusstvennyi-almaz-pri-pomoshchi-sveta

Фото: Индикатор

Российские ученые предложили способ, который позволяет изменять окраску алмазов. Облучая искусственные кристаллы лазером, они смогли точечно обесцветить их за счет влияния на структуру оптически активных центров (центров окраски). Описанный подход в перспективе позволит не только изменять цвет, а значит, и ювелирную ценность алмазов, но также разработать метки для контроля за оборотом драгоценных камней. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах журнала Carbon.

Последние десятилетия синтетические алмазы стали отличной альтернативой природным — особенно в области оптоэлектроники и спинтроники. Это связано прежде всего с тем, что свойства синтетических кристаллов можно очень широко изменять, например, сделать их практически идеально чистыми. В этом случае в них предельно мало самых простых (одноатомных и двухатомных) оптически активных центров из атомов азота, в том числе центров окраски. Кроме того, можно изменять их структуру и цвет сколько угодно и там, где это нужно, например, при помощи лазера.

Иногда бывает необходимо выполнить обратную задачу — избавиться от центров окраски видимого диапазона и, таким образом, обесцветить кристалл. Сотрудники Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва), ООО «ВЕЛМАН» (Новосибирск), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и «ИТЭР-Центр» (Москва) продемонстрировали, как можно это сделать.

«Мы воздействовали лазерными импульсами на алмазы красного цвета торговой марки Imperial Red Diamonds, лабораторно выращенных под действием высоких температур и давления — так называемые HPHT-алмазы. Импульсы были очень короткими — всего триллионная доля секунды — и с ультрамалой энергией, но облучали кристалл с большой частотой повторения, так что за несколько минут маленькая точка претерпевала десятки миллионов бережных лазерных воздействий», — объясняет руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Кудряшов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник и заведующий Лабораторией лазерной нанофизики и биомедицины ФИАН.

Обработка вызывала точечное, хорошо заметное невооруженным взглядом обесцвечивание. Исследователи проверили свойства соответствующих участков по тому, как они взаимодействуют с разным светом — от ультрафиолетового до среднего инфракрасного. Анализ полученных в результате спектров показал, что обработанные участки существенно хуже поглощают излучение видимого и среднего инфракрасного диапазона, которое обычно «съедают» оптически активные одноатомные и двухатомные азотные центры, а значит, последних стало намного меньше.

Поскольку воздействие оказалось успешным, авторы задались фундаментальным вопросом: за счет каких процессов удалось избавиться от оптически активных центров. Поскольку лазерное воздействие локальное, но довольно интенсивное, можно предположить два сценария. С одной стороны, центры могли разрушиться (диссоциировать) непосредственно под действием лазерного излучения. С другой стороны, они могли соединиться друг с другом (агрегировать) с участием лазерно-генерированных дефектов углеродной решетки алмаза. В обоих случаях оптические свойства алмазов меняются.

Дополнительно исследовались спектральные особенности фотолюминесценции, а именно то, как светились обработанные участки в ответ на воздействие излучением зеленой и синей части спектра. Эксперименты показали, что увеличилось содержание более крупных азотных центров окраски, обладающих поглощением в невидимой для глаза ультрафиолетовой части спектра. При этом уменьшались концентрации одно- и двухатомных азотных центров, которые поглощают во всей видимой области спектра.

Ученые предположили, что с каждым импульсом происходило незначительное локальное повреждение алмазной структуры. Его причина заключается в ионизации атомов углерода и их смещении в поры решетки с образованием вакансий (пустот) и междоузлий. Поскольку структурно-чувствительная спектроскопия комбинационного рассеяния света не показала даже незначительных изменений в углеродной решетке, такие дефекты решетки не накапливаются, а активно взаимодействуют с азотными центрами и присоединяются к ним или же вызывают их агрегацию с соседними центрами. Этот новый процесс является обратным по отношению к ранее обнаруженному этими же исследователями распаду азотных центров под действием лазерно-генерированных вакансий в природных алмазах.

«Наше исследование продемонстрировало, как с помощью лазеров можно изменить окраску, а значит, и свойства искусственного алмаза. Варьируя режимы облучения, мы можем изменить как цвет всего камня, так и создать незаметные глазу, но фиксируемые приборами микро-кодировки внутри алмаза. Это очень важно для разработки инновационных способов контроля за оборотом искусственных алмазов», — рассказывает Сергей Кудряшов.

В сотрудничестве с соавтором статьи Виктором Винсом, доктором физико-математических наук, сотрудником ООО «ВЕЛМАН» исследователи планируют инновационные разработки на базе разработанной для синтетических алмазов технологии.

https://news.rambler.ru/science/49474467-fiziki-obestsvetili-iskusstvennyy-almaz-pri-pomoschi-sveta/

Как современные физики доказали, что гении тоже могут ошибаться, совершили вторую квантовую революцию и открыли для человечества новые возможности.

В этом году лауреатами Нобелевской премии по физике стали француз Ален Аспе, американец Джон Клаузер и австриец Антуан Цайлингер. В формулировке Нобелевского комитета указано, что эти учёные отмечены «за эксперименты с запутанными фотонами, которые продемонстрировали нарушение неравенств Белла и дали начало квантовой информатике». Что запутало эти фотоны, чем важна квантовая информатика и какую практическую пользу эти работы приносят человечеству, рассказывает Николай Колачевский, член-корреспондент РАН, директор Физического института им. П.Н. Лебедева.

Илл.: John Jost and Jason Amini/Nist, Science 2009

– Николай Николаевич, что такое квантовая запутанность и почему говорят, что физикам удалось распутать Вселенную?

– Для обывателя вопрос квантовой запутанности чрезвычайно непрост. Уже сто лет он будоражит умы учёных. Начался он в двадцатые годы прошлого столетия с так называемого парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена, или ЭПР-парадокса. Изначально споры вокруг парадокса носили скорее философский характер, но именно тогда появилась квантовая механика, многие постулаты которой плохо поддаются изучению. Там мало простых ньютоновских аналогов. Мы живем в ньютоновском мире, мыслим ньютоновскими категориями, а квантовая механика оперирует вероятностями, которые могут быть отрицательными, и перепутанностью, которую очень сложно осознать в рамках привычных нам физических представлений.

Если пытаться нарисовать этот парадокс очень грубо, то суть его в следующем: если мы возьмём частицу с нулевым спином, которая может распасться на две частицы, то возможны два варианта – левая окажется со спином минус одна вторая, а правая плюс одна вторая, либо наоборот. Мы не знаем, какой выпадет вариант. Природа не определилась, какая из частиц окажется в том или ином месте. Других вариантов нет, поскольку законы сохранения энергии должны работать. Представим, что одна частица улетит на Венеру, а другая на Марс. Математически всё это описывается в одну строчку и называется белловским состоянием. Это и есть состояние запутанности.

– Оно запутано, именно потому что мы не знаем, куда что улетело?

– Да, именно так. Это был мысленный, гипотетический эксперимент, в результате которого учёные сделали вывод: эти частицы сохраняют состояние запутанности, но если мы получим возможность увидеть, что одна из частиц имеет спин плюс одна вторая, то спин другой частицы, как мы понимаем, равен минус одна вторая. Должна быть строгая корреляция между одним и другим событиями.

Если вернуться в привычный ньютоновский мир, то можно представить, что у нас есть коробка с двумя ботинками – правым и левым. Допустим, мы разрезали эту коробку пополам, и один ботинок отправили на Марс, другой на Венеру, и мы не знаем, где какой ботинок находится. Если, находясь на Марсе, мы видим, что ботинок правый, значит, на Венере должен быть левый. Но квантовая запутанность гораздо тоньше и сложнее: мы можем с этим правым ботинком провести какую-то операцию – например, попытаться переделать его в левый.

– А такое возможно?

– Да, поскольку мы говорим о квантовом состоянии. При этом вторая частица должна симметрично повторять то, что происходит с первой. Иначе говоря, кажется, что происходит обмен информацией, причем происходит мгновенно.

– Со скоростью света?

– Не совсем так. Скорость света, хоть и велика для нас, имеет конечное значение, а здесь речь идет о мгновенно отклике. Именно в этом и состоит парадокс. Возможности проверить эту историю экспериментально не было, поэтому парадокс оставался неразрешимым.

– Слышала, что Эйнштейн отвергал квантовую механику, и на этом был построен его принципиальный спор с Нильсом Бором...

– Да, отсюда и родилось знаменитое выражение Эйнштейна, что Бог не играет в кости, которое означает, что не может быть случайного результата, эта корреляция задана заранее, предопределена; существует некое пространство скрытых переменных, которое определяет результат, а нам только кажется, что это происходит случайным образом.

Фактически до 1980-х годов этот вопрос находился под завесой тайны, а сегодняшние Нобелевские лауреаты с использованием состояния запутанных фотонов начали проводить тесты, чтобы как-то проверить этот парадокс.

– Раньше такое было невозможно?

– И невозможно, и подвергать сомнению авторитет Эйнштейна считалось чем-то неприличным. Но в итоге выяснилось, что, действительно, две частицы в квантовой механике оказываются очень сильно коррелированы, и если я совершаю операцию над одной, то вторая зеркально повторяет это действие. Измерения четко это демонстрируют. Тесты так называемого неравенства Белла приводят к тому, что если я ставлю эксперимент над квантовой системой, то результат измерения должен быть больше суммы вероятностей – условно, больше двойки. А если квантовая природа случайна и существует эйнштейновский мир скрытых переменных, то эта величина оказывается меньше двойки. Возникает неравенство, которое в одном случае подтверждается, в другом нарушается.

Это долгая, насыщенная история, в которой было много оппонентов, не согласных с доказательствами, считавших, что попытка опровержения взглядов Эйнштейна сама по себе крамольна. Однако неоспоримая фундаментальная ценность этой работы в том, что наши трое коллег экспериментально подтвердили довольно простые постулаты квантовой механики. На бумаге они выглядят как совсем несложные математические выражения, показывающие, что нет никаких скрытых переменных, и природа именно так себя ведёт.

– Значит, неверно расхожее утверждение, что нет ничего случайного? Случайность существует?

– Да, существует. Запутанные частицы сохраняют корреляцию на больших расстояниях, что открывает новые колоссальные возможности – телепортация, передача квантовой информации, квантовые вычисления.

– Всегда есть люди, скептически настроенные по отношению к Нобелевке. Вы считаете, что в данном случае всё заслужено?

– Безусловно. Нобелевские награды часто критикуют за отсутствие практических приложений, но в данном случае это точно не так. Здесь есть глубокий философский смысл: интересное фундаментальное ядро коллеги смогли развить экспериментально, объяснив и подтвердив запутанность, которая, как отмечалось, на бумаге записывается очень просто.

– То есть, история оказалась не такой уж запутанной?

– Она действительно запутанная. То, что сегодня в этом направлении делается, находится на грани фантастики. Удалось доказать существование связи между удалённым частицами, в то время как световой сигнал не успевает распространиться от одной частицы к другой. Они друг про друга «знают» быстрее, чем световые импульсы успевают дойти.

– Каким же образом им это удаётся? Ведь мы привыкли думать, что ничего быстрее света в природе не существует.   

– Механизм этого процесса нам пока непонятен. Тут есть над чем работать. При этом сами эксперименты могут быть очень яркими: так, недавно учёные захватили два атома на расстоянии десятков километров друг от друга, перепутали их, с помощью фотонов их «связали», а потом, совершая операции над одним атомом, как бы крутя «левый ботинок», они увидели, что правый тоже крутится.

Как это происходит, каким образом природе это удается, человечество ещё не разобралось, но то, что это происходит именно так, как предписывает квантовая механика, не вызывает сомнений. Это означает, что мы можем брать частицу, изменять её спектр, временные характеристики, какие-то свойства, а вторая откликнется, хотя она давно улетела на другой конец города, страны, земного шара.

– Или на другую планету. Знаю, что в руководимой вами лаборатории оптики сложных квантовых систем ведутся подобные исследования. В чём они заключаются?

– Несколько лет назад мы подключились к исследованиям по квантовым вычислениям. В России реализуется дорожная карта по квантовым вычислениям, которую курирует Росатом, и мы стали одной из научных групп, нацеленных на решение этих задач. Мы проводим свои исследования на основе ионов и видим, что операция над одной частицей напрямую влияет на состояние другой, и всё это также базируется на запутанности. Квантовая операция в ионном или фотонном компьютере – это продукт запутывания двух частиц.

У нас есть очень красивый эксперимент, когда ионы выстраиваются в цепочку. В простейшем понимании, один ион – это один кубит. Две соседних частицы с помощью лазерных импульсов и кулоновского взаимодействия, как два шарика на пружинке, запутываются между собой, и мы получаем состояние, о котором я говорил. Мы работаем на самом современном уровне, но основываясь на тех пионерских работах, которые были сделаны предшественниками. Кстати, в 2015-м году у нас в ФИАНе выступал Антуан Цайлингер с докладом на тему квантовой запутанности. Алан Аспе был у нас в 2018-м. Это было невероятно интересное общение.

– Чем ваши исследования оригинальны?

– Я говорил о том, что один ион – это один кубит. Но дело в том, что количество ионов, которые можно удержать в ловушке, сейчас обычно не превышает 50. Тут мы упираемся в техническое ограничение. Мы предложили и реализовали экспериментально, что можно записать в ион не один кубит, а несколько. Внутри одной частицы заключено несколько регистров квантовой информации, и они тоже взаимодействуют. Оригинальность наших работ как раз в том, что мы работаем не с кубитами, а с так называемыми куквартами, когда в одной частице задействовано четыре уровня. Это совершенно новое направление. Мы предложили оригинальную систему в ионе иттербия, больше никто в мире с такой не работает. А с такими сложными многоуровневыми системами работает всего три группы в мире.

Второе – совместно с Квантовым центром идёт работа в области оптимизации квантовых алгоритмов, чтобы с помощью минимального количества операций прийти к интересной реализации. Здесь мы тоже стали одними из идеологических лидеров в мире.        

– Какие конкретные прикладные возможности всё это открывает?

– Здесь есть два направления, и оба активно развиваются. Первое – это квантовая коммуникация. Идея в том, что мы можем передавать зашифрованную информацию через состояние одиночных фотонов без возможности её перехватить. Это абсолютно защищённые каналы, базирующиеся на теореме запрета клонирования, известной в квантовой механике. Сегодня уже существуют каналы квантового шифрования, в том числе и в России. Здесь перепутанные состояния стали важнейшей веткой развития. Есть источники перепутанных состояний фотонов – фактически лазерные чипы, почти микросхемы, в которых один фотон идёт одному получателю, другой – другому, когда они обмениваются абсолютно защищёнными ключами. Эти технологии активно используются, например, в банковской сфере.

– Но что это даст обычным людям — не военным, не банкирам?

– В наше время очень мало кто не имеет отношения к банковской системе. Когда мы суём свою карточку в банкомат, происходит обмен цифры-ключа. Безопасность перевода денег базируется исключительно на качестве шифрования. Никто не хочет, чтобы с его счета «увели» деньги, не так ли? Точно так же, как никто не хочет, чтобы вашими персональными данными владели случайные люди, как, увы, нередко происходит. Развитие методов шифрования с помощью одиночных фотонов – это спасение. Для обывателя важен и вопрос безопасного подключения к Интернету, и вопрос защиты персональных данных – все эти вопросы сегодня обостряются, как никогда.      

Второе направление, которое тоже активно развивается, как раз то, чем занимается моя лаборатория – квантовые вычисления. Практической пользы человечеству оно ещё не принесло, хотя ожидания очень большие. Это и телепортация, и квантовые операции, и многое другое.

– Когда я слышу слово «телепортация», сразу представляю себе фантастический фильм, где человек заходит в кабину, нажимает кнопку и тут же оказывается в совершенно другом месте. Тут же возникают разного рода опасности, как когда-то было показано в американском фильме ужасов «Муха». Как вы думаете, такое в принципе будет когда-нибудь возможно?

– Здесь идёт некоторое передергивание терминов. В фантастических произведениях идёт речь о телепортации материальных субстанций, что в принципе невозможно. Как говорил Михайло Ломоносов, «ежели где-то что-то прибыло, то где-то что-то убыло».   

– А Фридрих Энгельс сказал, что «ничто не исчезает и не появляется вновь»...

– Всё верно. Закон сохранения энергии этому препятствует. Правильно говорить о передаче состояний. Мы понимаем, что отражение в зеркале – это не сам человек, но его чёткий, детальный образ. Поэтому мы говорим именно о телепортации квантовых состояний, когда мы можем с одного атома записать на другой точную информацию о нём.

Это, конечно, чудо – то, что уже сегодня мы можем на расстояние в сотни километров передавать волновую функцию, используя это для разного рода задач. Очень большие ожидания связаны с квантовыми компьютерами, когда квантовую информацию можно будет передавать с одного компьютера на другой. Такие компьютеры не смогут обмениваться информацией по Интернету, как происходит сейчас, им нужны специфические каналы связи, чтобы обмениваться квантовыми состояниями. Это вопрос нескольких десятилетий. Не прямо сейчас, но это обязательно будет.

Мы сейчас даже не можем себе представить, какие ещё перспективы это откроет, но они огромны. Сегодня мы говорим о второй квантовой революции, когда мы научились работать с отдельными фотонами, в то время как первая революция полностью изменила технологический уклад человечества.

Автор: Наталия Лескова

https://www.nkj.ru/open/46527/

Со 2 по 6 октября на базе Дальневосточного отделения РАН прошла 20-я Азиатско-Тихоокеанская конференция по фундаментальным проблемам опто- и микроэлектроники APCOM-2022, посвященная 100-летию Н.Г. Басова. Конференция собрала большое количество известных специалистов в области оптоэлектроники, лазерной физики, микроэлектроники и смежных приложений.

В приветственной лекции выдающуюся роль академика Басова в развитии лазерной физики в мире и в становлении научных школ ДВО РАН отметил председатель организационного комитета APCOM, вице-президент РАН, академик Ю.Н. Кульчин. 

От Физического института им. П.Н. Лебедева РАН с приветственным словом выступил руководитель Троицкого обособленного подразделения ФИАН, член-корреспондент РАН А.В. Наумов. Он представил научные и технологические проекты ТОП ФИАН – научного наследия лауреата Нобелевской премии по физике 1964 года, академика Николая Геннадиевича Басова. Новое для ТОП ФИАН научное направление, связанное с флуоресцентной наноскопией одиночных молекул и квантовых точек, было представлено в приглашенном докладе А.В. Наумова "Fluorescence nanoscopy of single molecules and quantum dots". 

По итогам конференции будет опубликован специальный тематический выпуск журнала Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics.

Источник: ФИАН

https://www.atomic-energy.ru/news/2022/10/10/129084