Учёные Калифорнийского технологического института (Калтех) разработали новый способ управления отдельными атомами при помощи оптического пинцета из лазерного света и создания состояния гиперзапутанности. Это, возможно, поспособствует появлению новых форм квантовых вычислений и достижений в квантовом моделировании, которые помогут ответить на некоторые фундаментальные вопросы физики.

Источник изображений: caltech.edu

Позволяющий манипулировать отдельными атомами квантовый пинцет учёные Калтеха используют уже несколько десятилетий — он помог им обеспечить квантовую коррекцию и описать метод создания самых точных в мире часов. Одной из сопутствующих проблем в этом процессе традиционно было естественное движение атомов, которое вносит в квантовую систему шум и ошибки. В новом исследовании учёные показали, как это свойство можно обратить во благо.

В последнем проекте они использовали это движение для создания гиперзапутанных групп атомов. Обычная квантовая запутанность предполагает, что две и более частиц синхронизированы, и одно из свойств остаётся у них одинаковым на огромных расстояниях. У атомов в состоянии гиперзапутанности одинаковыми оказываются сразу несколько свойств. В ходе эксперимента физики Калтеха связали как состояния движения, так и электронные состояния (меру уровня внутренней энергии атома) в паре атомов. «Это позволяет нам кодировать больше квантовой информации на атом. Получается больше запутанности с меньшими ресурсами», — прокомментировали достижение авторы проекта.

Чтобы добиться этого состояния гиперзапутанности, учёным пришлось охладить нейтральный атом одного из щелочноземельных металлов при помощи метода, предусматривающего «обнаружение и последующую коррекцию тепловых двигательных возбуждений» — его движение почти полностью остановили. На следующем этапе атомы заставили колебаться как маятники в двух разных направлениях одновременно, создав тем самым состояние суперпозиции, при котором частица принимает противоположные значения свойств сразу. Далее эти колеблющиеся атомы запутали с парами, соответствующими их движению, и перевели в состояние гиперзапутанности, внеся электронные состояния.

Целью эксперимента было определить пределы, в рамках которых можно контролировать атомы. «Мы, по сути, строим ящик с инструментами. Мы знали, как управлять электронами в атоме, а теперь узнали, как управлять внешним движением атома в целом — как будто атом — это игрушка, которую ты освоил полностью», — рассказали учёные. Они сделали вывод, что в гиперзапутанность можно включать новые состояния или свойства, и это может использоваться на практике: в квантовых технологиях, вычислениях, моделировании и точных измерениях.

Учёные из Калифорнийского технологического института (Caltech) создали стенд для изучения материалов для солнечного (светового) паруса, потенциально способного доставить зонды к другим звёздам и системам. Делать миниатюрные зонды мы уже научились, но с парусами проблема. К ним предъявляются достаточно жёсткие требования, что вызывает необходимость проведения глубоких научных изысканий. Созданный в США стенд для тестирования материалов поможет пройти этот путь.

Источник изображений: Caltech

Идея использовать световой парус и толкающие его мощные лазеры с Земли или из космоса окончательно сформировалась в 2016 году, когда супруги Юрий и Юлия Мильнеры финансировали проект The Breakthrough Initiatives, заручившись поддержкой всемирно известного физика Стивена Хокинга (Stephen Hawking). Научные работы по проекту возглавил Калифорнийский технологический институт. Создание на базе Калтеха платформы для тестирования материалов для световых парусов стало логическим продолжением работ в той сфере.

Для исследователей было важным отсечь тепловое влияние на образцы лазерного луча — внешнего привода паруса — от создаваемого им теплового излучения, а также от внешних помех. Сила светового давления лазера в составе стенда настолько мала (она и космосе-то будет сравнительно небольшая), что на измерениям мешал даже простой разговор рядом с установкой. В конечном итоге с использованием аргонового лазера удалось создать платформу в вакуумной камере, которая позволяла бы фиксировать воздействие фотонов на материал образцов.

«При разработке мембраны, которую в конечном итоге можно было бы использовать в качестве светового паруса, возникает множество проблем. Она должна выдерживать нагрев, сохранять форму под давлением и устойчиво перемещаться вдоль оси лазерного луча, — говорят учёные. — Но прежде чем мы сможем приступить к созданию такого паруса, нам нужно понять, как материалы реагируют на воздействие лазерного излучения. Мы хотели знать, можем ли мы определить силу, действующую на мембрану, просто измерив её движение. Оказывается, мы можем».

Для оценки смещения образцов паруса под воздействием светового давления были использованы два луча — опорный и измеряющий отклонения. Для этого учёные собрали в микроскопе интерферометр. Почему в микроскопе? Размеры образцов составляют всего 40 × 40 мкм, поэтому для работы с ними без микроскопа не обойтись.

Образец фиксируется в раме на пружинных растяжках. Образец можно поворачивать под нужным углом к лазерным лучам, имитируя различные условия полёта и манёвров, а также получая информацию о распределении силы, которая оказывает на парус световое давление. Очевидно, в полёте парус может менять угол по отношению к толкающему его лучу. Важно возвращать его на курс, что, кстати, можно делать автоматически, если использовать метаматериалы на внутренней поверхности паруса, которые, например, будут придавать ему обратное вращение для возвращения на курс просто под давлением света.

Создаваемое лазером давление на крошечную мембрану из нитрида кремния сместило его на несколько пикометров. Ранее нитрид кремния уже рассматривался в качестве перспективного материала для светового паруса. Новая работа показала, что его свойства можно буквально изучать под микроскопом, собирая полный набор данных, необходимых для будущей реализации масштабного проекта.

Кстати, не обязательно лететь к Альфе-Центавра. Небольшой зонд с солнечным парусом уже сегодня мог бы послужить науке, оказав помощь в поиске девятой планеты в Солнечной системе где-то на её далёких окраинах, на что намекают множество косвенных фактов. И это была бы удивительная история.

Примерно год назад американский спутник SSPD-1 впервые передал энергию с орбиты на Землю. Спутниковая платформа Momentus Vigoride российского бизнесмена Михаила Кокорича несла на себе три экспериментальных модуля в области выработки и получения энергии из космоса. Самым значимым из них стал блок по передаче микроволновой энергии с орбиты на наземный приёмник. Это было первое такого рода испытание, и оно увенчалось успехом.

Художественное представление миссии. Источник изображения: Mmdi/Getty Images

Эксперимент стартовал в январе 2023 года. На проведение одних исследований потребовались дни или недели, а другие затянулись на месяцы. Сейчас настал срок первых публикаций по проведённым экспериментам и время узнать интересные подробности.

На платформе Momentus Vigoride были размещены модули DOLCE, ALBA и MAPLE. Самый внушительный из них — это DOLCE. Это система автоматического развёртывания полей солнечных батарей на орбите. В перспективе, если создание солнечных электростанций в космосе для передачи энергии на Землю станет реальностью, солнечные фермы должны разворачиваться самостоятельно из достаточно компактных конструкций, помещающихся в обтекатели ракет. Это будут сегменты со сторонами в сотни метров.

Модуль DOLCE — это лишь первый шаг в этом направлении. Он не несёт солнечных панелей. Это лишь голый каркас со сторонами 1,8 м. Целью эксперимента была проверка способности конструкции развернуться в космосе, а камеры должны были снять этот процесс. Эксперимент признан удачным, а его проведение можно увидеть на видео ниже. В далёком будущем подобные модули будут разворачиваться и дрейфовать по орбите. Они не будут крепиться один к одному. Вместо этого на каждом углу площадки-панели будут установлены двигатели ориентации для выбора лучшего освещения. Сложная система управления будет следить за Солнцем и соседними модулями, чтобы они не перекрывали друг другу свет от звезды и караваном кружили по орбите.

Модуль ALBA представлял собой коллекцию из 32 миниатюрных фотоэлектрических панелей. Что хорошо работает на Земле, может не подойти для открытого космоса, поэтому учёные Калтеха отобрали наиболее перспективные образы для проверки их в условиях космоса в течение года. От части образцов отказались ещё до старта. Например, была идея создавать миниатюрные фотоприемники с линзами, чтобы увеличить сбор солнечного света и повысить мощность фотоприёмников. Но в итоге от этого отказались ввиду необходимости строгой ориентации подобных систем в сторону Солнца.

Крайне перспективными признаны фотопанели из арсенида галлия. Они очень тонкие и при этом высокоэффективные, а вес для космических систем всегда на вес золота. Также они могут быть лучше приспособлены для развёртывания по типу парусов, что важно для автоматических конструкций будущих орбитальных электростанций. Оказался интересен для космоса и перовскит. На Земле он подвержен влаге и быстро теряет свои свойства. В космосе влаги нет, поэтому перовскитные панели меньше подвержены деградации, хотя в открытом пространстве полно других воздействий на материалы.

Эксперимент MAPLE (Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment) был центральным в программе испытаний, но он был разбит на две фазы. Во-первых, он продемонстрировал возможность специализированной электроники работать в условиях космоса. Во-вторых, он обеспечил передачу мощности на Землю. Платформа управления должна была суметь поменять прицеливание по передаче энергии с космических объектов на наземные и наоборот. Также в космосе проверялась беспроводная передача энергии, но на короткую дистанцию — от стенки до стенки внутри модуля MAPLE. В отличие от других подобных разработок, созданная в Калтехе платформа отличается компактностью, лёгкостью и гибкостью, что может в будущем изменить подход к космической электронике. Будущие интернет-спутники могут стать многократно легче и дешевле, чем современные спутники сети Starlink, например.

Модуль MAPLE изнутри. Разнесённые пустым пространством приёмник и передатчик энергии и светодиод, подтверждающий передачу энергии. Источник изображения: Caltech

Что касается передачи энергии на Землю в эксперименте MAPLE, то разработчики говорят скорее о регистрации сигнала, чем о передаче мощности. Передающая фазированная антенная решётка была небольшая и поэтому она не могла сфокусировать микроволновый луч на небольшой площади. Сигнал разошёлся по большой площади на Земле, но смог попасть на приёмный антенный комплекс на крыше одного из кампусов Калтеха. Фактически разработчики зафиксировали уровень сигнала, сравнимый со спутниковой передачей, чем подтвердили расчётные характеристики опытной платформы. Это с трудом можно назвать передачей энергии из космоса. Тем не менее, система работала так, как от неё ожидали, а остальное приложится, хотя путь предстоит долгий.

Науке давно известен туннельный эффект, когда частицы преодолевают энергетический барьер, не имея для этого энергетических оснований. Это явление из квантового мира, которое нашло широкое применение в электронике. Теперь учёные расширили возможности туннелирования до группового поведения частиц, что стало повторением опыта 100-летней давности на квантовом уровне. Оказалось, группы электронов могут подталкивать одна другую к коллективному туннелированию.

Образец «квантового» материала для эксперимента. Источник изображения: Lance Hayashida/Caltech

В 1919 году немецкий физик Генрих Баркгаузен (Heinrich Barkhausen) поставил опыт, впоследствии названный его именем. На примере помещённого в катушку ферромагнитного материала он показал, что в процессе внешнего воздействия на материал происходит скачкообразное изменение его намагниченности. В процессе опыта Баркгаузена в подсоединённом к катушке громкоговорителе, например, возникал треск, когда к ферромагнетику подносили магнит. Намагниченность отдельных доменов затрагивала соседние, и это распространялось как лавина и, в то же время, скачками, пока материал полностью не становился намагниченным.

Учёные из Калтеха (Технологического института Калифорнии) решили обнаружить такой же эффект на квантовом уровне без внешних воздействий чисто за счёт квантовых явлений. Фактически это была проверка на спонтанное групповое туннелирвоание. Они поместили в катушку такой ферромагнитный материал, как литий-гольмий-иттрий фторид, и охладили его до температуры вблизи абсолютного нуля. Катушка нужна была для измерения напряжения, которое там возникнет в случае, если в материале начнёт меняться намагниченность.

После старта эксперимента учёные начали регистрировать скачки напряжения, аналогичные по природе шумам Баркгаузена. Это указало на то, что квантово-механическое туннелирование отдельных электронов привело к групповому или совместному туннелированию частиц.

«Классически каждая из мини-лавин, в которых группы спинов меняют направление, происходит сама по себе, — говорят авторы работы. — Но мы обнаружили, что благодаря квантовому туннелированию две лавины синхронизируются друг с другом. Это результат взаимодействия двух больших групп электронов друг с другом, и благодаря своему взаимодействию они производят эти изменения. Этот эффект совместного туннелирования стал неожиданностью».

Открытие даёт надежду на создание квантовых датчиков и других электронных приборов. Фактически квантовые явления в виде группового взаимодействия электронов можно использовать как макрообъекты, что упростит эксперименты в области квантовой физики и позволит использовать эти явления в обычной электронике и не только.

Инженеры Калтеха (Калифорнийского технологического института) сообщили о создании миниатюрного лазера с блокировкой мод (MLL), схема которого оптимальна для генерации сверхкоротких импульсов. Лазер настолько мал, что поместится в микросхему. Такое решение поможет совершать точнейшие измерения в микромире, что найдёт применение в атомных часах и в аналитических приборах, и даже может найти применение в смартфонах.

Источник изображения: Alireza Marandi

«Наша цель — совершить революцию в области сверхбыстрой фотоники, превратив большие лабораторные системы в системы размером с чип, которые можно будет массово производить и применять в полевых условиях, — заявил физик Цюши Го (Qiushi Guo) из Калифорнийского технологического института и Городского университета Нью-Йорка. — Мы хотим не только уменьшить размеры, но и обеспечить удовлетворительные характеристики этих сверхбыстрых лазеров на чипе».

Для точного измерения физических и химических явлений в мельчайших масштабах необходим лазер, обладающий идеальным сочетанием мощности и точности. Большинство лазеров, способных справиться с этой задачей, громоздки, дороги и потребляют много энергии. Новая разработка помещается на кончике пальца, тогда как до этого речь шла о конструкциях размером с лабораторный стол.

Потенциально такие лазеры могут использоваться для самых разных целей: от медицинской визуализации до атомных часов и навигации без помощи GPS. Задача была вместить конкретную схему в достаточно миниатюрные размеры, чтобы лазер на её основе помещался в сумку или даже карман.

Созданный учёными Калтеха миниатюрный лазер — это лазер с блокировкой мод или MLL, который создаёт чрезвычайно быстрые лазерные импульсы за счёт синхронизации фазы. Речь идёт об импульсах длиной в фемтосекунды. Быстрые лазерные импульсы позволяют проводить наблюдения на меньших масштабах и за объектами, которые движутся быстрее, например, за атомами в молекуле. Такие установки в настоящее время в самом лучшем исполнении и с хорошей мощностью довольно большие и требуют значительного количества энергии для работы.

Для создания миниатюрного MLL-лазера учёные использовали такой материал, как ниобат лития в тонкоплёночном исполнении (TFLN). Благодаря ему стало возможным использовать внешние радиочастотные электрические сигналы для точного управления лазерными импульсами. Для создания сверхмалого лазера этот материал был объединен со специальным типом полупроводника, совместимого с TFLN.

Результаты оказались впечатляющими: лазер способен выдавать импульс длиной 4,3 пикосекунды в ближней инфракрасной области с пиковой мощностью около 0,5 Вт. Лазер также оказался универсальным с точки зрения настройки режимов работы, что обещает помочь с его переносом в портативные устройства, которые, правда, ещё предстоит разработать.

«Это достижение открывает путь к использованию сотовых телефонов для диагностики глазных заболеваний или анализа продуктов питания и окружающей среды на наличие кишечной палочки и опасных вирусов, — обещают разработчики. — Это также может позволить использовать атомные часы в масштабе микросхемы, что позволит осуществлять навигацию в условиях, когда GPS скомпрометирована или недоступна».

Компании Apple и Broadcom, с одной стороны, и Калифорнийский технологический институт (Калтех), с другой, смогли урегулировать патентный спор, связанный с технологией Wi-Fi, который продолжался с 2016 года. Выступавшая истцом сторона Калтеха отозвала свои претензии без права инициировать повторное разбирательство.

Первоначально истец заявлял, что оборудованные чипами Broadcom миллионы iPhone, iPad, умных часов и других устройств Apple нарушают его патенты, связанные с технологией Wi-Fi. По итогам первого раунда разбирательств институту присудили компенсацию на общую сумму $1,1 млрд: $837,8 млн от Apple и $270,2 млн от Broadcom. Суд апелляционной инстанции назвал сумму компенсации «юридически необоснованной», отклонив утверждение, что и Apple, и Broadcom должны были лицензировать у Калтеха одни и те же чипы.

Далее дело разбирал суд присяжных, который постановил, что Apple и Broadcom всё-таки нарушили два принадлежащих институту патента. Слушания были назначены на июнь этого года, но их перенесли на неопределённый срок. В августе стороны сообщили суду, что сумели найти точки соприкосновения для урегулирования претензий, но подробностей не раскрыли.

Описанное в патентах решение является основополагающим для реализации стандартов Wi-Fi 802.11n и 802.11ac, хотя изначально оно и не предназначалось для Wi-Fi. Недавно аналогичные претензии Калтех урегулировал с Samsung, а дела в отношении Microsoft, Dell и HP пока находятся на рассмотрении.

Калифорнийский технологический институт разработал робота-трансформера Multi-Modal Mobility Morphobot (M4) размером с радиоуправляемую модель, способного менять форму и способ передвижения. Когда того требует окружающая обстановка, он может ехать, лететь или «идти».

Источник изображения: Nature

Робот собран специалистами из электронных компонентов, двигателей и небольшого компьютера, принимающего решения — какую именно форму M4 должен принять в тот или иной момент. Команда технических специалистов оснастила робота колёсами, которые способны за считаные секунды превращаться в подобие роторов квадрокоптера.

Судя по публикации в журнале Nature, робот может вставать на два колеса для «ходьбы», в то время как два других в этом случае снова работают в качестве роторов, поддерживая конструкцию в вертикальном положении — например, он может лучше разглядеть то, что находится впереди или преодолевать сложный ландшафт, передвигаться по которому на четырёх колёсах будет проблематично.

Источник изображения: Nature

Сообщается, что при разработке робота учёные вдохновлялись образцами из мира животных — например, сурикатами и моржами. Как сообщается в публикации, модель построена на платформе Jetson Nano — доступном миниатюрном варианте компьютера NVIDIA, разработанном для робототехники.