Квантовые эффекты сулят создание совершенно немыслимых устройств

Белый луч лазера, «составленный» из трех основных – красного, зеленого и синего. Иллюстрация Physorg

Сегодня ученые и технологи бьются над переходом от систем Wi-Fi к Li-Fi, или световой безволоконной коммуникации со скоростью передачи сигнала как минимум в 10 раз больше. Добиться этого они надеются с помощью белого лазера, который после долгих поисков создан на основе цинка, селена и сульфата кадмия. Он выдает три базовых спектра – красный, зеленый и синий. Об этом достижении сообщает журнал Nature Nanotechnology. По мнению авторов этой статьи, работающих в Аризонском университете, их устройство станет качественно новой альтернативой голубым светодиодам (LED), за которые в 2014 году дали Нобелевскую премию.

По другую сторону Атлантики сотрудники университетов Регенсбурга и Марбурга с помощью аттосекундного лазера (10–18 с) «выбили» электроны атомов. При этом освобожденные электроны взаимодействуют друг с другом и генерируют сверхкороткие, фемтосекундные (10–15 с) всплески. Немцы, опубликовавшие свои результаты в журнале Nature, считают, что им удалось преодолеть «хрупкость» квантовых состояний. Это позволяет «эксплуатировать» их в будущих световых чипах. (В нынешних для контроля электронов используются электрические поля с образованием тепла, из-за чего, например, ноутбуки не могут стать «пленочными».)

Большие надежды исследователи возлагают на плазмонику. Устройства этого типа используют интересный квантовый эффект – стремление поверхностных электронов «каплей слиться с массами», формируя общие колебания в результате улавливания световых фотонов. Квантовые эффекты, как известно, начинают проявляться лишь при использовании наночастиц, технология получения которых сложна. В Калифорнийском университете Беркли (США) впервые получили «жидкие» плазмоны на поверхности одностенных углеродных нанотрубок (SWNT – Single-Walled NanoTubes) диаметром не более нанометра.

Яркие пики энергии взаимодействующих электронов на гребне световой полуволны. Иллюстрация Physorg

Для измерения плазмонов ученые использовали инфракрасный лазер, который нагревает нанотрубку, лежащую на подложке из нитрида бора (BN). Тепловая деформация и рассеяние падающих фотонов определялись с помощью иглы микроскопа атомной силы (AFM – Atomic Force Microscope). Комбинация двух технологий позволила увидеть череду «каплевидных» плазмонов сходного диаметра и с равными промежутками между ними. Полученные данные говорят о высокой степени управляемости поведения плазмонов, что позволяет надеяться на использование нанотрубок в световых чипах быстрой связи и принципиально новых устройствах оптической микроскопии повышенного разрешения и четкости.

Известно, что сверхточной настройкой лазер обязан своей оптической полости-резонатору, образуемой стенками кристалла или двух зеркал. Но роль полостей могут выполнять и полистироловые наночастицы, а также капельки масла или клеточных жиров с добавлением флюоресцентных красителей. Возможность создания мягких (soft) и плотных (solid) лазеров в клетках печени, мышц и подкожной жировой клетчатки показали сотрудники Исследовательского института Любляны, работавшие вместе с коллегами из Гарварда. Их отчет опубликован в журнале Nature Photonics.

Ученые вводили капельки масла с красителем в клетки подкожного жира свиньи, после чего к коже подводили оптоволокно от лазера. В результате клетки начинали ярко «зажигать». Мышечные и особенно печеночные клетки активно «пожирали» частицы полистирола и после подачи света начинали ярко светиться. Авторы пишут, что с помощью клеточных лазеров можно «навесить» на каждую из триллиона клеток, составляющих наш организм, разноцветные теги, что позволит увидеть миграцию иммунных клеток к очагу воспаления и метастазирование при раке, циркуляцию клеток плода в крови будущей матери и многое другое.

Внутри клеток изменение формы капель свидетельствует о стрессе, связанном с функцией белков и обменными процессами в диапазоне, измеряемом сотнями пиконьютонов на квадратный микрон («пико» – это 10–12). Подобного разрешения сегодня не дает ни один из известных методов.