Нелинейная оптическая динамика
Нелинейная оптическая динамика — это реакция света на взаимодействие с материалами при высоких интенсивностях источников света. Она имеет огромное значение в современной фотонике и находит применение в различных областях, включая лазеры, усилители, модуляторы и датчики.
В последние годы нелинейные оптические эффекты, такие как эффект Керра и электрооптический эффект, нашли применение в оптических гребёнках на основе микрорезонаторов или «микрогребёнках». Эти компактные устройства, интегрированные на чипах, производят спектр равноудалённых линий с помощью монохроматического лазерного источника, открывая путь для достижений в частотной метрологии, обработке сигналов, оптическом вычислении и телекоммуникациях.
Взаимодействие свободных электронов с светом
Исследователи добились значительных успехов в понимании взаимодействия свободных электронов со светом в электронной микроскопии. Они достигли замечательного контроля над манипулированием электронами с помощью света и генерацией света от электронов, что потенциально облегчает передовую электронную микроскопию и спектроскопию, формирование электронного пучка, когерентную модуляцию и зондирование, диэлектрическое лазерное ускорение, аттосекундную группировку электронов и источники света, управляемые электронами.
Фотонные структуры могут помочь регулировать взаимодействие между свободными электронами и светом, а наноструктурированные металлические интерфейсы и плазмонные наночастицы обеспечивают взаимодействие электрон-фотон через поверхностные плазмон-поляритоны.
Недавно разработанные оптические микрорезонаторы на чипе с высоким коэффициентом качества (Q) позволили глубже изучить взаимодействие электрон-фотон. Однако эти демонстрации в основном используют линейный отклик резонатора, упуская из виду богатую нелинейную оптическую динамику высоко-Q микрорезонаторов.
Международная команда исследователей
Международная команда исследователей под руководством доктора Юйцзя Ян и профессора Тобиаса Дж. Киппенберга из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны, Швейцария, и профессора Клауса Роперса из Института Макса Планка по мультидисциплинарным наукам, Германия, всесторонне обобщила достижения в области взаимодействия электрон-фотон в электронных микроскопах в 2024 году. Основное внимание было уделено их прорывной работе по связыванию свободных электронов с нелинейными оптическими состояниями в интегрированных фотонных микрорезонаторах. Их исследование было опубликовано в IEEE Photonics Journal.
Взаимодействие свободных электронов с нелинейными оптическими состояниями
«Мы связали пучки свободных электронов в просвечивающем электронном микроскопе с разнообразными пространственно-временными оптическими формами, связанными с когерентными или некогерентными микрогребёнками, синтезированными с помощью оптических параметрических колебаний. В частности, мы продемонстрировали сверхбыструю модуляцию электронного пучка с помощью фемтосекундных временных солитонов на чипе внутри микрорезонатора», — подчёркивает доктор Ян.
Спорт и физика
Мало спорта более захватывающего, чем бейсбольный плей-офф, но за каждым броском стоит увлекательная история физики. От гравитации до вращения — наука, формирующая игру, может быть столь же увлекательной, как и действие на поле.
Когда Мировая серия возвращается в Торонто для игры №6, праворукий питчер Кевин Госсман выйдет на поле. Его лучший бросок — сплиттер, внескоростной бросок, который выглядит как обычный фастбол, но движется медленнее и падает более резко, прежде чем пересечь пластину.
Физики рассматривают полёт бейсбола как пример движения снаряда. Траектория мяча зависит от нескольких сил: силы тяжести (тянущей мяч вниз), силы сопротивления (замедляющей мяч при движении по воздуху) и силы Магнуса (которая заставляет мяч изгибаться, если он вращается во время движения).
Так почему же сплиттер так трудно отбить? Начните со скорости. Средняя скорость фастбола Госсмана составляет 95 миль в час (или 42,5 метра в секунду). Поскольку расстояние от насыпи питчера до домашней базы составляет 18,4 метра, это означает, что фастболу Госсмана требуется 430 миллисекунд, или менее половины секунды, чтобы достичь отбивающего.
В отличие от этого, сплиттер, который движется со средней скоростью 85 миль в час (или 38,0 м/с), занимает 490 миллисекунд. Эта разница в 60 миллисекунд может показаться небольшой, но её достаточно, чтобы отличить страйк от базового удара.
Для сравнения, типичный замах для удара по мячу высшей лиги занимает примерно 150 миллисекунд. Это включает в себя время, необходимое глазу отбивающего, чтобы сформировать картину мяча, покидающего руку питчера, для его мозга, чтобы обработать эту информацию и отправить сигналы мышцам рук, ног и туловища, и для мышц, чтобы ответить и взмахнуть битой.
Это означает, что у отбивающего есть примерно четверть секунды, чтобы оценить траекторию подачи и решить, бить или нет. Учитывая, что для моргания человеческого глаза требуется примерно 100 миллисекунд, удивительно, что отбивающие вообще могут ударить по какому-либо мячу высшей лиги.
Второй секрет сплиттера — падение. Все бейсбольные подачи падают по пути к домашней базе из-за силы тяжести, которая заставляет бейсбольный мяч (или любой объект в свободном падении) ускоряться вниз. Если бы на мяч не действовали другие силы, фастбол Госсмана упал бы примерно на 92 сантиметра по пути к домашней базе, а его сплиттер упал бы примерно на 115 сантиметров.
Однако на практике есть ещё одна важная сила, действующая на мяч, — сила Магнуса. Она возникает из-за вращения или спина объекта (например, бейсбольного мяча) при прохождении через жидкость (например, воздух). Вращение мяча заставляет воздух двигаться быстрее с одной стороны, чем с другой. На стороне, вращающейся в том же направлении, что и поток воздуха, скорость воздуха увеличивается; на противоположной стороне она замедляется. Эта разница в скорости воздуха создаёт дисбаланс давления, генерируя силу, действующую перпендикулярно траектории мяча.
Это пример принципа Бернулли, того же явления, которое создаёт подъёмную силу, когда воздух проходит вокруг крыла самолёта. В случае фастбола питчер создаёт сильный обратный спин, подтягивая назад указательный и средний пальцы при выпуске мяча. Это вращение приводит к восходящей силе, которая заставляет мяч падать гораздо меньше, чем под действием одной только силы тяжести. Чем быстрее вращение, тем сильнее становится эта подъёмная сила.
Фастбол Госсмана обычно падает на 25–30 сантиметров по пути к домашней базе — менее трети падения «мёртвого мяча» без вращения. На сплиттере он меняет хват, чтобы резко уменьшить количество обратного вращения, ослабляя силу Магнуса и позволяя мячу упасть гораздо дальше, примерно на 50–75 сантиметров, прежде чем он достигнет пластины. В результате получается подача, которая не достигает отбивающего, когда или где он ожидает её увидеть.
По мере того как «Синие жуки» приближаются к третьему титулу Мировой серии (их первому за 32 года), сплиттер Госсмана предлагает пример того, как физика может повлиять на результаты в элитном спорте. Понимание науки, стоящей за подачей, открывает новый способ оценить игру.
Эта статья была опубликована в The Conversation под лицензией Creative Commons.