Текст уведомления здесь

Предложена концепция «топологического лазера»

Физики из США и Израиля выдвинули принципиально новую концепцию лазера на основе топологических изоляторов. Он будет отличаться от обычных лазеров рядом преимуществ — например, устойчивостью к помехам и дефектам.
Добавить в закладки
Комментарии

«Топологические изоляторы» — это новый класс материалов, предсказанный теоретически и открытый экспериментально в 2007—2008 годах. От обычных изоляторов они отличаются своеобразной симметрией волновой функции электронов, обусловленной наличием некоторых сохраняющихся величин — так называемых топологических инвариантов (откуда и происходит их название). Это приводит к тому, что на поверхности такого изолятора электроны могут существовать в особенных состояниях, характеризующихся тремя связанными свойствами: 1) спин этих электронов согласован с направлением их движения, 2) они располагаются внутри запрещенной зоны изолятора, что делает возможной передачу электрического тока, 3) эти электроны не могут рассеиваться на примесях, дефектах, неоднородностях поверхности и т.д. — говорят, что их движение «топологически защищено».

В результате топологический изолятор внутри своего объема ведет себя как обычный изолятор, однако его тонкий приповерхностный слой обладает очень высокой проводимостью. Причем его невозможно разрушить загрязнением или повреждением структуры поверхности. Эти свойства вызывают большой интерес к топологическим изоляторам и попытки использовать их в спинтронике, для создания квантовых компьютеров и в других областях.

Однако до сих пор приложения топологических изоляторов не включали нелинейные системы с усилением, какими являются лазеры. Авторы новой работы впервые теоретически выдвинули эту идею и исследовали ее перспективы с помощью компьютерного моделирования будущих устройств.

Топологические изоляторы бывают двух типов: объемные (3D) и плоские (2D). В первом случае проводящей является поверхность материала, а во втором — край пленки, представляющий собой что-то вроде проволочной петли, ток по которой может течь либо по часовой стрелке, либо против. В исследовании рассматривались две модели топологического изолятора, представляющие собой двумерную сетку связанных микроскопических резонаторов. Когда на такую сетку подается энергия, расположенные на краю резонаторы начинают возбуждаться. При достижении некоторого порогового уровня накачки эти резонаторы формируют одну единую моду, которая начинает излучать фотоны одинаковой частоты, — устройство переходит в режим лазера.

Моделирование показало, что «топологическая защита» в новом типе лазеров приводит к более высокой эффективности и устойчивости к различным возмущениям. Если в обычном лазере выпадение всего одного резонатора будет вести к разрушению моды, то в топологическом этого не произойдет — мода как бы сама собой подстроится под новую конфигурацию.

Наконец, ранее не удавалось объединять несколько лазеров малой мощности в один. «Топологические лазеры» справляются с такой задачей: объединение двух таких сеток резонаторов будет обладать одной общей границей, которая будет генерировать одну моду.

Пока «топологический лазер» — лишь интересное теоретическое предложение. Однако учитывая скорость, с которой в последние годы развиваются различные приложения топологических изоляторов, его практической реализации вряд ли придется ждать долго.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Разработкой и исследованием топологических изоляторов занимаются и российские ученые.

Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Химики МГУ создали графеновых «наномедуз»

Сотрудники химического факультета МГУ синтезировали наночастицы графена, напоминающие по форме медуз.
Добавить в закладки
Комментарии

Графен — одна из модификаций углерода, отличающаяся от других форм строением и свойствами. Графен представляет собой двумерную решетку из шестиугольных ячеек. Прочность, теплопроводность и высокая электропроводность определили его важную роль во многих исследованиях химиков и физиков-наноэлектронщиков.

Химики МГУ синтезировали и модифицировали слоистые графеновые наночастицы. Полученные структуры размером менее 50 нанометров отличаются от обычных: слои графена загнуты по краям, которые модифицированы «хвостами» — функциональными группами атомов. Из-за очевидного внешнего сходства ученые назвали изделия «медузообразные графеновые наночешуйки».

Исходным реагентом служил гексан, который нагревали до 900 градусов в присутствии катализатора оксида магния. Образовавшийся нанографен обрабатывали азотной кислотой, благодаря чему края чешуек-наночастиц покрывались функциональными группами, содержащими атомы кислорода. Под действием аммиака при высокой температуре функциональные группы преобразуют в азотные «хвосты». Химики исследовали структуру с помощью комплекса физико-химических методов — различных видов спектро- и микроскопии.

Производные графена обладают очень развитой поверхностью, поэтому могут быть использованы в изготовлении электродов для суперконденсаторов и батарей. При этом модификация их поверхности атомами азота помогает варьировать электрохимические и сорбционные (поглотительные) свойства. [ ... ]

Читать полностью

Томский ученый выяснил, как кипят капли растворов

Ученый Томского политехнического университета показал, как происходит испарение водных растворов солей. Оказалось, что растворы солей испаряются совсем не так, как чистая вода, а в их испарении важную роль играет конвекция, что прежде не учитывалось.
Добавить в закладки
Комментарии

«Испарение воды регулирует теплообмен и в этом качестве используется, например, в биологии. Высококонцентрированные водные растворы соли применяются в химической промышленности и в энергетике, в абсорбционных тепловых насосах. При этом испарение многокомпонентных растворов, в том числе водных растворов солей, изучено слабо. Новые данные, полученные экспериментально, помогут скорректировать модели испарения и повысить эффективность технологических циклов в различных областях энергетики», — рассказал автор исследования, ведущий научный сотрудник кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов ТПУ Сергей Мисюра.

В процессе эксперимента ученый осаждал на рабочую поверхность капли воды и водных растворов солей — бромида лития, хлорида кальция и хлорида лития. Начальная температура капель была равна температуре окружающего воздуха, 21 °С, а испарение проводилось при нагреве стенки от 80 до 150 °С.

Оказалось, испарение капель раствора соли принципиально отличается от испарения капли воды при интенсивном пузырьковом кипении. Скорость испарения небольшой капли воды во времени более-менее постоянна. Капля солевого раствора ведет себя совсем не так. Во время кипения раствора меняется концентрация соли, и из-за этого процесс дробится на несколько временных отрезков, в каждом из которых меняется как скорость испарения, так и роль конвекции.

«Концентрация растворов постоянно изменялась, ведь вода испаряется, а соль остается. Эти изменения отражаются на геометрии самой капли и на физико-химических свойствах раствора. Колебания температуры внутри капли и на ее поверхности влияют на теплообмен между поверхностью стенки капли и воздухом. [ ... ]

Читать полностью

Российские ученые создали жидкие кристаллы для 3D-технологий

Ученые из Физического института РАН создали жидкие кристаллы, из которых можно сделать ЖК-дисплеи высокого качества для 3D-изображений.
Добавить в закладки
Комментарии

Жидкие кристаллы — особая форма материи, которая обладает свойствами как жидкого, так и твердого тела. Под действием электрического поля молекулы этого вещества различным образом ориентируются в пространстве, благодаря чему могут создавать пиксельное изображение. Открыты жидкие кристаллы были еще в конце XIX века, но только в середине XX столетия вернулся интерес к ним, когда ученые обнаружили важнейшее свойство — способность жидких кристаллов менять цвет под действием температуры.

Большинство современных ЖК-дисплеев (свыше 70%) делают из нематических жидких кристаллов. Они представляют собой параллельные нити, которые под воздействием электрического поля скользят вверх и вниз. У таких жидких кристаллов отсутствует порядок в расположении центра тяжести молекул, которые непрерывно скользят в направлении своих осей и вращаются вокруг них.

Нематики относительно медленно восстанавливают свое начальное состояние после прекращения электрического импульса — меняют свое положение не чаще 140—160 раз в секунду. Этого достаточно для 2D-дисплеев, но для создания трехмерных изображений нужна большая скорость.

Сотрудники ФИАН создали материал, принадлежащий к классу смектических ЖК с сегнетоэлектрическими свойствами. Смектические кристаллы устроены более сложным, «слоистым» образом. У сегнетоэлектриков же при определенной температуре происходит поляризация — смещаются заряды. Благодаря сочетанию этих свойств время реакции молекул на электрическое поле уменьшается в двадцать раз — с 1 миллисекунды до 50 микросекунд, а частота кадров на экране увеличивается до 3,2 тысячи в секунду. [ ... ]

Читать полностью