Хитросплетения светового луча

Тонкие розовые столбики с нанизанными на них моноатомными слоями.

Споры о природе света – что это: волна или поток корпускул, частиц – квантовая физика решила просто: свет – это одновременно и волны, и поток частиц («волновой пакет»). Несколько десятилетий все такого рода определения были занятием для досужих умов.

Но вот в последние годы развитие нанотехнологии дало экспериментаторам двумерные пленки моноатомной толщины, в которых квантовые эффекты проявляются особенно наглядно. Одним из последних достижений стали колонки высотой 120 нанометров (0,12 микрона), покрытые несколькими моноатомными слоями различных соединений – диселенида вольфрама (WSe2), трийод-хрома (CrI3) и гексанитрида бора (hBN). По мнению сотрудников Университета в г. Рочестер (США), им удалось наблюдать контролируемые экситоны, которые можно использовать как квантовое устройство для передачи информации с помощью света. Отчет об этой работе помещен в журнале Nature.

По ходу распространения светового луча электрическое и магнитное поля колеблются в перпендикулярных плоскостях. Одним из важнейших свойств электронов и атомных ядер считается их спин, или ось вращения вокруг собственной оси. Суточный «спин» Земли почти не зависит от ее вращения вокруг Солнца, а вот ядерные спины давно используются в магниторезонансной томографии. В аппаратах МРТ используется мощное магнитное поле, выстраивающее спины протонов (ядер водорода), исходно «смотрящие» вверх или вниз, в одном направлении.

Топологический инсулятор и распространение светового импульса в нем.

Полвека назад была сформулирована теория топологических изоляторов-инсуляторов, которые могут проводить ток в тонкой пленке на поверхности. В ноябре 2020 года в университете польского Ростока предложили новый изолятор подобного рода, включаемый нелинейно. Для этого пришлось синтезировать новый фотонный материал из переплетенных друг с другом волноводов. Это позволило защитить свет от внешних пертурбаций.

Это важно, потому что квантовые эффекты весьма сильно зависят от температуры: при удалении от абсолютного нуля температур нарушается когерентность квантовых состояний. Ученые надеются, что их материал найдет применение в квантовой оптике и фотонных изоляторах, а также поможет в создании полностью оптических процессоров (не греющихся вследствие отсутствия сопротивления) и самосовершенствующиеся нейронные сети.

Спины выстраиваются под действием магнитного поля.  Иллюстрация Physorg

ДНК в норме пребывает в двуцепочном состоянии. Это и использовали авторы, подцепив к одной из цепей флюоресцентный краситель RVF (диметиламинобензол), реагирующий на изменение вольтажа. Преимущество использования ДНК – она легко проникает в клетки, что в природе наблюдается при трансфекции (обмене между клетками фрагментами их генетического материала). Новый сенсор получил название Volt-air, и с его помощью было показано, что мембранный заряд может достигать 6 В.

Изменяя ионный состав, варьируя уровень кислородных радикалов, авторы смогли картировать внутриклеточный ландшафт, который меняется со старением клеток и их органелл. Флюоресцентная подсветка тем ярче, чем «здоровее» их составляющие. Этот эффект позволит использовать вольт-картирование для быстрой оценки веществ, воздействующих на клетки и их органеллы.