21 июня — это день, когда предлагается «показать свои полосы» (Show Your Stripes Day), ежегодное мероприятие, призванное привлечь внимание к изменению климата. Полосы представляют собой узор из синих и красных полос, который отражает рост средней температуры поверхности за последние 150 лет. Этот дизайн появился на плакатах, галстуках и зданиях. Теперь организаторы Show Your Stripes добавили новые полосы, которые демонстрируют недавние изменения температуры в верхних слоях атмосферы и в глубоком океане. Они также подготовили полосы, которые показывают ожидаемые изменения температуры в зависимости от сценариев будущих выбросов.
Идея климатических полос
Идея климатических полос возникла в 2018 году, когда Эд Хокинс, учёный-климатолог из Университета Рединга в Великобритании, был приглашён выступить на книжном фестивале. Организаторы мероприятия попросили о менее техническом изображении климатических данных, чем обычные графики.
Вдохновлённый одеялом на климатическую тематику, которое связала его коллега из Рединга, Элли Хайвуд, Хокинс разработал простой узор из полос с характерной сине-красной цветовой палитрой. «Синий естественно ассоциируется с холодом, а красный — с жарой», — говорит Хокинс. «Когда я вывел этот узор на экран на фестивале, я мог сказать по глазам людей, что они всё поняли».
Применение узора
Первый узор из полос использовал локальные данные о температуре из города, где проходил фестиваль. Но ту же цветовую схему можно применить к данным из других городов, а также к планете в целом (зайдите на сайт [Show Your Stripes](https://showyourstripes.info/), чтобы создать узор для конкретного места). Глобальный узор из полос (рис. 1) основан на более чем миллиарде отдельных измерений температуры. В этом узоре температуры ниже и выше средней температуры представлены синим и красным цветами соответственно, причём средняя температура рассчитана за период с 1961 по 2010 год.
Идея полос быстро стала вирусной. Несколько телевизионных метеорологов начали включать полосы в свои передачи. Дизайн был использован профессиональной футбольной командой и моделями на модном показе. Люди наносили полосы на автомобили и книги, проецировали их на здания и другие памятники. Несколько полосатых вещей демонстрируются на [Show Your Stripes](https://showyourstripes.info/showcase), а также на сайте [Climate Central](https://www.climatecentral.org/stripes-information), некоммерческой группы учёных-климатологов и коммуникаторов.
«Дизайн прост, широко привлекателен и лёгок для понимания», — говорит Бернадетт Вудс Плаки, главный метеоролог Climate Central. «Он открывает климатические дискуссии так, как другие вещи этого не делают». Она говорит, что 21 июня был выбран в качестве дня «покажи свои полосы», потому что это начало лета и время наступления многих экстремальных погодных явлений. «Этот день действительно является моментом, чтобы помочь привлечь внимание к серьёзности изменения климата и тому, что можно с этим сделать», — говорит Плаки.
Хокинс, Вудс Плаки и их коллеги теперь применили формат полос к другим климатическим данным, в частности, к глобальным изменениям температуры в атмосфере и океане (рис. 2). Измерения охватывают период с 1960 по 2024 год. Океанические полосы разделены по глубине, доходя до 1500 м ниже поверхности. Температура воды с годами повысилась, что отражает тенденцию к потеплению на суше.
Новый способ управления световыми сигналами в оптических устройствах
Исследователи в Китае экспериментально продемонстрировали новый способ управления светом в оптических устройствах. Они смогли заставить свет организовываться в определённые паттерны импульсов, циркулируя в паре оптических волоконных петель, используя версию явления, называемого неэрмитовым скин-эффектом (NHSE), которое было предсказано, но ранее не наблюдалось.
Неэрмитов скин-эффект
В стандартной теории поведения электронов в металлическом кристалле периодическая атомная структура приводит к так называемым волнам Блоха — квантовым состояниям электронов, которые распространяются по всему кристаллу. Но в последние годы теоретики обнаружили удивительные результаты для сценария, в котором предполагается, что частица, такая как электрон, прыгает между соседними узлами в периодической решётке асимметрично — например, прыжок вправо более вероятен, чем прыжок влево. Квантовые состояния частицы становятся локализованными на краю или поверхности решётки, а не распространяются по ней. Эта локализация и есть NHSE.
Демонстрация эффекта
В 2020 году исследователи продемонстрировали NHSE со светом, а не с электронами. Они использовали оптическую волоконную схему, состоящую из двух петель разной длины, которые проходили через общий оптический ответвитель. Эта схема создала «временную фотонную решётку» — последовательность световых импульсов, равномерно расположенных во времени, с интервалом, определяемым разницей во времени распространения по двум петлям. Асимметричное «перемещение» было создано за счёт различных условий потерь и усиления для уровня сигнала в каждой петле, что позволило импульсам переключаться между петлями асимметрично.
Представляя эту временную решётку как решётку в пространстве, центральные импульсы в поезде можно рассматривать как интерфейс между двумя областями с разной асимметрией, и команда обнаружила, что независимо от того, где начинался импульс, он всегда двигался к этому интерфейсу.
Теперь Бин Ван и его коллеги из Хуачжунского университета науки и технологий в Китае продемонстрировали версию эффекта, которая проявляется в нелинейных условиях, то есть когда интенсивность света в оптической среде не просто пропорциональна энергии в начальном импульсе. Нелинейности позволяют распространяться самоподдерживающимся «одиночным» волнам (солитонам). В отличие от обычных световых импульсов, эти волны нелегко рассеиваются или диспергируются внутри оптического носителя, поэтому они потенциально более устойчивы и, следовательно, полезны для передачи и обработки фотонной информации.
Применение нелинейного NHSE
Ван и его коллеги создали нелинейный отклик в волоконных петлях, отделив часть света в каждом волокне и отправив его в усилительную схему, которая затем взаимодействовала с исходными импульсами и модифицировала их. Используя одну часть сигнала для модификации другой части, можно добиться нелинейности. Таким образом, исследователи могли контролировать и настраивать силу нелинейности — что редко возможно, когда нелинейность возникает из-за некоторого свойства оптического носителя.
Нелинейный NHSE проявлялся как концентрация интенсивности в определённых импульсах поезда. При некоторых условиях нелинейности солитон появляется в импульсах в начале или в конце («кромки») поезда, в то время как при других условиях он может переместиться в середину («объём»).
Ван говорит, что эта способность контролируемо ограничивать свет в определённых положениях в импульсном поезде может быть использована в оптических переключателях. Чтобы проиллюстрировать это потенциальное применение, команда разработала оптический маршрутизатор с несколькими выходными портами, которые можно было открывать в определённый момент, чтобы пропустить некоторый элемент временной решётки импульсов. Какой из этих временных портов получит солитон, можно было контролировать, изменяя силу нелинейности.
Улучшение считывания квантового состояния атомов
Будущие квантовые технологии, основанные на атомах, потребуют быстрых и надёжных способов считывания квантового состояния атома. Но технические ограничения означают, что текущие методы часто оказываются слишком медленными, слишком подверженными ошибкам или и тем и другим.
Теперь Цзянь Ван и его коллеги из Университета науки и технологий Китая продемонстрировали метод считывания, который обеспечивает беспрецедентную скорость и точность. Ключевое нововведение этого подхода — техника повышения скорости излучения фотонов атомом.
Принцип считывания
Обычно считывание атомов включает в себя направление лазерного света на захваченный атом, который может находиться в одном из двух квантовых состояний. Если атом находится в «тёмном» состоянии, он не будет реагировать на свет. Но если он находится в «светлом» состоянии, он поглотит свет и затем испустит фотоны. Детектор фотонов затем можно использовать для определения состояния атома. Скорость и точность этого считывания ограничены количеством фотонов, которые атом излучает за заданное время, когда он находится в светлом состоянии.
Ван и его коллеги поместили захваченный атом в оптический вариант эхо-камеры: так называемую микрополость Фабри-Перо. Резонансная частота этой структуры была настроена так, чтобы соответствовать частоте излучаемых атомом фотонов, что повысило скорость излучения атома за счёт явления, известного как эффект Перселла. Исследователи детектировали до 18 миллионов фотонов в секунду по сравнению с несколькими миллионами в предыдущих экспериментах. С этим улучшением команда достигла рекордной точности считывания (99,985% за 9 микросекунд) и рекордной скорости считывания (всего 200 наносекунд для точности 99,1%).