Новый держатель образцов даёт учёным больше контроля над сверхнизкими температурами, позволяя изучать, как материалы приобретают свойства, полезные для квантовых компьютеров
Учёные теперь могут надёжно охлаждать образцы почти до абсолютного нуля в течение более 10 часов, делая снимки с разрешением до уровня отдельных атомов с помощью электронного микроскопа. Новая возможность стала доступна благодаря держателю образцов, охлаждаемому жидким гелием, разработанному группой учёных и инженеров из Мичиганского университета и Гарвардского университета.
Обычные приборы обычно могут поддерживать такую экстремальную температуру, около –423 °F (20 градусов выше абсолютного нуля) в течение нескольких минут, максимум — нескольких часов. Но для получения изображений материалов-кандидатов для передовых технологий в атомном разрешении требуется более длительное время.
К таким материалам относятся сверхпроводники, проводящие электричество без тепловых потерь, квантовые компьютеры, которые потенциально работают в миллионы раз быстрее обычных компьютеров для некоторых вычислений, а также нейроморфные компьютеры, которые улучшают скорость и эффективность, имитируя человеческий мозг. Такие материалы-кандидаты обычно не проявляют своих странных и полезных свойств, если они не находятся в экстремально холодном состоянии.
«Когда атомы становятся настолько холодными, они мало двигаются, и это радикально меняет поведение материала», — сказал Роберт Ховден, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Мичиганском университете и автор соответствующей статьи, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Происходит много действительно интересных вещей. Металлы могут стать изоляторами или сверхпроводниками, и мы можем разрабатывать кубиты и новую компьютерную память на их основе», — сказал он. «Если мы хотим понять, как возникают эти свойства, нам нужно наблюдать за материалами при таких низких температурах в течение всего эксперимента».
Ультраплоская оптика: новый шаг в миниатюризации камер
Камеры присутствуют повсюду. Более двух веков эти устройства становятся всё более популярными и доказали свою полезность, став неотъемлемой частью современной жизни.
Сегодня они используются в самых разных приложениях — от смартфонов и ноутбуков до систем безопасности и наблюдения, автомобилей, самолётов и спутников, снимающих Землю с большой высоты. И поскольку общая тенденция к миниатюризации механических, оптических и электронных продуктов продолжается, учёные и инженеры ищут способы создания меньших по размеру, более лёгких и энергоэффективных камер для этих технологий.
Ультраплоская оптика была предложена в качестве решения этой инженерной задачи, поскольку она является альтернативой относительно громоздким линзам, используемым в камерах сегодня. Вместо использования изогнутой линзы, изготовленной из стекла или пластика, многие ультраплоские оптики, такие как металлические линзы, используют тонкую плоскую пластину микроскопических наноструктур для управления светом, что делает их в сотни или даже тысячи раз меньше и легче, чем обычные линзы камер.
Но есть одна большая проблема. Тип оптического искажения, известный как «хроматическая аберрация», ограничивает способность ультраплоской оптики создавать высококачественные цветные изображения, когда оптика имеет большую апертуру — отверстие в линзе, которое пропускает свет в камеру.
Группа исследователей из UW ECE и факультета компьютерных наук Принстонского университета показала, что камера, содержащая большую апертуру и ультраплоскую оптику, может записывать высококачественные цветные изображения и видео, сравнимые с тем, что можно получить с помощью обычной линзы камеры. Эта работа опубликована в Nature Communications.
Ультраплоская оптика, разработанная исследовательской группой, представляет собой металлическую линзу толщиной всего в один микрон. При закреплении на поддерживающей подложке её толщина составляет всего 300 микрон — примерно ширину четырёх человеческих волос, выложенных рядом.
В целом, это в сотни раз меньше и тоньше стандартной рефракционной линзы. Поэтому, когда эта металлическая линза заменяет обычную линзу камеры или набор линз, экономия в объёме, весе и времени работы батареи может быть существенной.
Эта ультраплоская оптика может быть применена практически к любой камере и будет особенно полезна для любых систем визуализации, ограниченных размером или весом. Камеры смартфонов и ноутбуков являются одними из первых приложений для этой металлической линзы, но она может быть применена и во многих других технологиях, таких как автомобили, дроны или спутники, которым нужны лёгкие системы визуализации. Даже медицинские инструменты, такие как эндоскопы и ангиоскопы, могут извлечь выгоду из более компактных систем, которые может обеспечить эта ультраплоская оптика, позволяя врачам видеть глубже внутри тела для диагностики и лечения заболеваний.