Физики впервые увидели столкновение фотона с фотоном

Диаграмма Фейнмана для рассеяния фотона на фотоне. Сами фотоны не могут взаимодействовать друг с другом, так как они — нейтральные частицы. Поэтому один из фотонов превращается в пару частица-античастица, с которой и взаимодействует другой фотон.

Физики из коллаборации ATLAS впервые зарегистрировали эффект
рассеяния квантов света, фотонов, на фотонах. Этот эффект — одно из старейших
предсказаний квантовой электродинамики, он был описан теоретически более 70 лет
назад, но до сих пор не был обнаружен экспериментально. Интересно, что он
нарушает классические уравнения Максвелла, являясь чисто квантовым явлением.
Исследование было опубликовано на этой неделе в журнале Nature
Physics, однако препринт статьи вышел еще в феврале
2017 года. Подробности о нем сообщал портал «Элементы.ру»

Одно из главных свойств классической максвелловской
электродинамики — принцип  суперпозиции для
электромагнитных полей в вакууме. Он позволяет напрямую складывать поля от
разных зарядов. Так как фотоны — это возбуждения полей, то в рамках классической
электродинамики они не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо этого они должны
свободно проходить друг через друга.

Магниты детектора ATLAS

CERN

Квантовая электродинамика расширяет действие классической
теории на движение заряженных частиц с околосветовыми скоростями, кроме того
она учитывает квантование энергии полей. Благодаря этому в квантовой
электродинамике можно объяснить необычные явления, связанные с
высокоэнергетичными процессами — например, рождение из вакуума пар электронов и
позитронов в полях высокой интенсивности. 

В рамках квантовой электродинамики два фотона могут
столкнуться друг с другом и рассеяться. Но этот процесс идет не напрямую —
кванты света незаряжены и не могут взаимодействовать друг с другом. Вместо
этого происходит промежуточное образование виртуальной пары частица-античастица
(электрон-позитрон) из одного фотона, с которой и взаимодействует второй фотон.
Такой процесс очень маловероятен для квантов видимого света. Оценить это можно
из того, что свет от квазаров, удаленных на 10 миллиардов световых лет,
достигает Земли. Но с ростом энергии фотонов вероятность процесса с рождением
виртуальных электронов возрастает.

До сих пор интенсивности и энергий даже самых мощных лазеров
не хватало для того, чтобы увидеть рассеяние фотонов напрямую. Однако
исследователи уже нашли способ увидеть этот процесс косвенно, например, в
процессах распада одного фотона на пару более низкоэнергетичных квантов вблизи тяжелого
ядра атома.

Увидеть напрямую рассеяние фотона на фотоне удалось лишь в
Большом адронном коллайдере. Процесс стал различимым в экспериментах  после увеличения энергии частиц в ускорителе в
2015 году — с запуском Run
2. Физики коллаборации ATLAS исследовали процессы «ультрапериферийных» столкновений между
тяжелыми ядрами свинца, разогнанными коллайдером до энергий 5 тераэлектронвольт
на нуклон ядра. В таких столкновениях сами ядра не сталкиваются между собой
напрямую. Вместо этого происходит взаимодействие их электромагнитных полей, в
которых возникают фотоны огромных энергий (это связано с близостью скорости
ядер к скорости света).  

Событие рассеяния фотона на фотоне (желтые пучки)

CERN

Ультрапериферийные столкновения отличаются большой чистотой.
В них, в случае успешного рассеяния, возникает лишь пара фотонов с направленными
в разные стороны поперечными импульсами. В противоположность этому обычные
столкновения ядер образуют тысячи новых частиц-осколков. Среди четырех
миллиардов событий, собранных ATLAS
в 2015 году на статистике столкновений ядер свинца ученым удалось отобрать 13,
соответствующих рассеянию. Это примерно в 4,5 раза больше, чем фоновый сигнал,
который ожидали увидеть физики.

Схема процесса рассеяния в коллайдере. Два ядра пролетают вблизи — их электромагнитные поля взаимодействуют

The ATLAS Collaboration

Коллаборация продолжит исследовать процесс в конце 2018 года,
когда на коллайдере вновь пройдет сеанс столкновений тяжелых ядер. Интересно,
что именно детектор ATLAS оказался подходящим для поиска редких событий рассеяния фотонов на фотонах, хотя для анализа столкновений тяжелых ядер был специально разработан другой эксперимент — ALICE. 

Сейчас на Большом адронном коллайдере продолжается
набор статистики протон-протонных столкновений. Недавно ученые отчитались об
открытии на ускорителе первого дважды очарованного бариона, а еще весной физики
коллаборации ATLAS рассказали
о необычном избытке событий рождения двух бозонов слабого взаимодействия в
области высоких энергий (около трех тераэлектроновольт). Он может указывать на
новую сверхтяжелую частицу, однако статистическая значимость сигнала пока не
превышает трех сигма.

Владимир Королёв

Физики заставили фотоны влиять на прошлое: Наука и техника: Lenta.ru

Физики из Венского университета впервые реализовали на практике парадокс, описанный Ашером Пересом. Суть парадокса заключается в том, что на состояния запутанных частиц «влияют» решения из будущего. Статья ученых появилась в журнале Nature Physics, а ее препринт доступен на сайте arXiv.org.

Квантовые состояния частиц в отличие от их классических аналогов имеют вероятностную природу. Это означает, что, если у такой частицы было два классических состояния, то ее квантовое состояние может быть суперпозицией двух. То есть, при измерении с некоторой вероятностью p будет получаться одно состояние и с вероятностью 1-p — другое. Запутанными называются частицы, у которых состояния находятся в суперпозиции. Это означает, что измерение состояния одной, однозначно определяет состояние второй частицы.

Суть эксперимента, который был реализован в новой работе, заключается в следующем. Сначала берутся две пары запутанных фотонов и делятся между тремя участниками эксперимента — Виктором, Бобом и Алисой. Виктор оставляет себе по одному фотону из каждой пары, а остальные рассылает Бобу и Алисе. После этого последние выполняют измерения состояний фотонов, лишая их, в некотором смысле, квантовых свойств. Участники эксперимента даже, при желании, могут потом избавиться от этих частиц.

Вместе с тем, какой тип корреляции (взаимосвязи) между фотонами — классический или квантовый, то есть запутанный, — можно определить только после того, как Виктор решит, что ему делать с его фотонами. Он может их измерить по отдельности, а может запутать. Таким образом, по словам ученых, в некотором смысле квантовая механика способна «имитировать воздействие из будущего». Сам Перес пояснял этот парадокс тем, что, пока Виктор не выполнил измерение, фотонам Боба и Алисы просто нельзя присвоить корректно определенные квантовые состояния.

Природа квантовомеханических объектов позволяет физикам проделывать множество необычных вещей. Например, существует понятие квантовой телепортации. Под этим термином подразумевается передача квантового, то есть «неопределенного» состояния объекта. Для осуществления этого процесса требуется классический канал связи, поэтому телепортация происходит, вообще говоря, не «моментально».

Китайские ученые смогли мгновенно передать состояние фотонов на 1200 км

Команде ученых из Научно-технического университета Китая удалось разнести пару так называемых запутанных фотонов на рекордное расстояние – больше 1200 км. Эксперты говорят об этом эксперименте как о важном прорыве, который делает Китай пионером в использовании этого свойства материи и энергии. Кроме того, это может дать ему большое преимущество перед конкурентами в разработке защищенных от хакеров каналов коммуникаций.

Команда китайских исследователей использовала легкие частицы, или фотоны, чтобы создать мгновенную передачу информации между двумя наземными станциями, которые находятся на расстоянии более чем 1200 км друг от друга. Эксперимент ученых использует феномен квантовой механики, когда между двумя частицами устанавливается взаимосвязь (они называются запутанными фотонами). При этом все, что происходит с одной такой частицей, мгновенно отражается на физическом состоянии другой вне зависимости, как далеко они находятся друг от друга. Это называется квантовой телепортацией.

Использовать квантовые свойства мельчайших частиц для создания защищенной сети – сложная задача и с технической, и с научной точек зрения и для ее решения Китаю могут потребоваться годы, говорят исследователи в области кибербезопасности.

В августе 2016 г. Китай запустил первый спутник в мире, предназначенный для квантовой передачи информации на Землю. Разнесением пары запутанных фотонов занималась именно лаборатория этого спутника. Среди следующих задач – установка защищенного канала связи, полностью не уязвимого для хакеров.

На прошлой неделе в ежегодном докладе перед конгрессом Пентагон назвал запуск этого спутника Китаем «значительным шагом вперед в исследовании криптографии». В то же время сами США в изучении квантовых коммуникаций пока уделяют больше внимания исследованиям в области квантовых вычислений.

Описанный китайскими учеными процесс пока слишком медлен и сложен, чтобы использовать его для практических квантовых коммуникаций, сообщил WSJ Грегуар Риборди, соучредитель компании ID Quantique, занимающейся разработками в области квантовой криптографии. В то же время он допускает, что в случае запуска второго квантового спутника Китай в течение пяти лет сможет обеспечить безопасный канал передачи данных для своих посольств и госорганов по всему миру.

Перевел Кирилл Седов

Премия Золотой Фотон



Премия Золотой Фотон

×

ЗАКАЗАТЬ ЗВОНОК

×

Спасибо!

Ваша заявка отправлена

Что такое «Золотой Фотон»?

Евразийская премия «Золотой Фотон» по светотехнике
и электротехнике – главная независимая отраслевая премия
и признанный рупор качества на светотехническом
и электротехническом рынках.

Зачем нужен «Золотой Фотон»?

Цель Премии — помочь потребителям сориентироваться на высоко конкурентном рынке при выборе продукции или партнера в области светотехники и электротехники.

Чем «Золотой Фотон» поможет Вам?

Лауреаты и победители Премии «Золотой Фотон» — лучшие из лучших. Выбирая производителя, поставщика или подрядчика, ориентируйтесь на список победителей, и ваш выбор всегда будет правильным, обоснованным и эффективным.

Генеральный партнер

CSVT

CSVT — российская компания по производству светодиодных светильников, систем подвесных потолков и комплектующих.

Cтратегический партнер

Interlight Russia
Intelligent building Russia

Interlight Russia | Intelligent building Russia — Международная выставка освещения, систем безопасности, автоматизации зданий и электротехник

При поддержке

Информационные партнеры

Ученые выяснили, почему летящие из других галактик фотоны не добираются до Земли — Наука

ТАСС, 4 декабря. Международная команда исследователей, в состав которой вошел доцент Балтийского федерального университета (БФУ) Андрей Савельев, усовершенствовала компьютерную программу, которая помогает смоделировать поведение фотонов при взаимодействии с водородом в межгалактическом пространстве. Об этом сообщила в среду пресс-служба университета.

Результаты исследования, которое может стать полезным в проектах по ядерному синтезу, опубликованы в научном журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

«Во Вселенной существуют такие внегалактические объекты как блазары, которые интенсивно генерируют мощный поток гамма-излучения. Часть фотонов из этого потока долетает до Земли напрямую, а часть преобразуется в электроны, а потом снова превращается в фотоны и лишь тогда добирается до нашей планеты. Проблема в том, что математические расчеты говорят: до Земли должно долетать определенное количество фотонов, а по факту добирается гораздо меньше», — приводит пресс-служба слова Савельева.

Он обратил внимание, что на сегодняшний день наука имеет две версии происходящего. Первая заключается в том, что фотон, после того как превращается в электрон, отклоняется от своего пути, попадая в магнитное поле, из-за чего не долетает до Земли, даже снова преобразовавшись в фотон. Вторая версия объясняет поведение летящих к нашей планете частиц не их взаимодействием с электромагнитным полем, а контактом с водородом в межгалактическом пространстве, добавил Савельев.

«Между галактиками очень много водорода в состоянии плазмы, и наша статья рассказывает, как частицы взаимодействуют с этой плазмой. Существует специальная компьютерная программа, которая рассчитывает модели поведения частиц в межгалактическом пространстве. Мы усовершенствовали эту программу, рассмотрев несколько возможных вариантов развития событий при взаимодействии с плазмой», — рассказал ученый.

Пока расчеты невозможно проверить опытным путем, потому что люди еще не научились создавать на Земле экстремальные условия космоса, однако Савельев уверен, что со временем это станет возможным. «Плазма очень сложна для исследований, но человечество возлагает на нее большие надежды как на источник дешевой и очень мощной энергии. И наше исследование, возможно, будет полезно при разработке эффективного ядерного синтеза», — отметил ученый из БФУ.

гостиница Фотон | Домбай: отели и гостиницы Домбая

Гостиница «Фотон» (Домбай) находится в 30 м от маятниковой дороги. Недалеко расположены гостиницы «Старый Домбай» и «Россия». Рядом с отелем торговые ряды — рынок, с уникальной продукцией от местных жителей.
В комплексе «Фотон» есть небольшой 3D кинотеатр на 12 мест, зал работает не только для проживающих, а еще и для гостей поселка Домбай.
В отеле «Фотон» (Домбай): собственное кафе и бар, конференц зал, бильярд, сауна, автостоянка.

Номерной фонд отеля «Фотон»:

Гостиница «Фотон» (Домбай) — это 4-этажный корпус, рассчитанный на 20 номеров различного уровня комфортности, всего — 50 мест. Многие номера оборудованы балконами-лоджиями (застеклены).
Во всех номерах: ТВ, шкаф, холодильник, кровати, санузел (душ/ванна), фены.

Категории номеров:

• СТАНДАРТ 1-комнатный 1-местный (12 кв.м., 2 номера)

полутороспальная кровать, тумбочки, шкаф для одежды, телевизор, холодильник, застекленная лоджия (в 1 из номеров).
Ванная комната — унитаз, раковина, душевая, фен.
Дополнительное место = 1, кресло кровать, устанавливается в 1 номере.

• СТАНДАРТ 1-комнатный 2-местный (18 кв.м., 6 номеров)

двуспальная или раздельные кровати, тумбочки, шкаф для одежды, телевизор, холодильник, застекленная лоджия (не во всех номерах).
Ванная комната — унитаз, раковина, душевая, фен.
Дополнительное место = 1, кресло кровать/ односпальная кровать.

• УЛУЧШЕННЫЙ 1-комнатный 2-местный (20 кв.м., 6 номеров)

двуспальная или раздельные кровати, тумбочки, шкаф для одежды, телевизор, холодильник, застекленная лоджия (не во всех номерах).
Ванная комната — унитаз, раковина, душевая, фен.
Дополнительное место = 1, кресло кровать.

• ПОЛУЛЮКС 1-комнатный 2-местный (26/28 кв.м., 4 номера — 2 номера из них с балконом)

двуспальная кровать, диван, тумбочки, трюмо с зеркалом, шкаф для одежды, телевизор, холодильник, застекленная лоджия (не во всех номерах).
Ванная комната — унитаз, раковина, биде, душевая, фен.
Дополнительное место = 1, кресло кровать.

• ЛЮКС 2-комнатный 2-местный (50 кв.м., 2 номера)

Спальня — двуспальная кровать, шкаф для одежды, трюмо с зеркалом, телевизор, застекленная лоджия.
Гостиная — диван, стол, стулья, телевизор, холодильник, чайник.
Ванная комната — унитаз, раковина, биде, душевая, фен.
Дополнительное место = 2, диван.

Питание в гостинице «Фотон»:

Питание в отеле «Фотон» в Домбае организовано на базе попупансиона (завтрак/ужин).
Здание столовой расположено на втором этаже, имеется вход с улицы и вход через корпус по крытому переходу. Кафе предлагает гостям блюда домашней кухни.
В зале работает барная стойка, где представлено все многообразие спиртных напитков, чая, кофе, воды, соков.

Дети в «Фотон»:

Размещение с детьми любого возраста. Дети без предоставления места и питания до 3 лет — бесплатно.

Инфраструктура гостиницы «Фотон»:

На территории отеля «Фотон» в Домбае предоставляются следующие услуги:

• кафе — бар (2 этаж)
• сауна (цокольный этаж)
• бильярд (4 этаж)
• кинозал/ конференц зал на 12 человек
• Wi-Fi в местах общественного пользования (холл, кафе, часть номеров)
• экскурсионное бюро
• собственная котельная
• автостоянка на 12/14 машиномест

В зимний сезон:

• услуги инструктора
• лыжехранилище-сушка

Расстояние до подъемников от «Фотон», Домбай:

ККД (кресельная дорога) = 470 метров
МКД (маятниковая дорога) = 30 метров
ГКД (гондольная дорога) = 100 метров

Условия отеля «Фотон»:

• Проживание с животными не допускается.
• Курение допускается только на территории отеля.

Цены

Цены гостиницы «Фотон», Домбай

В инфракрасном диапазоне: российские учёные создали видеокамеру для регистрации фотонов

Российские исследователи разработали первый, пока ещё упрощённый прототип матрицы видеодетекторов одиночных частиц излучения, что позволит в дальнейшем создать специализированную видеокамеру для регистрации фотонов в инфракрасном диапазоне. Устройство предназначено для высокоточных измерений и настолько чувствительно, что способно улавливать даже очень слабый свет. Такие камеры можно будет применять в самых высокотехнологичных областях: при создании защищённых (квантовых) линий коммуникации, в том числе спутниковых каналов связи, при проектировании квантового компьютера на фотонах, а также в диагностических медицинских приборах.

Учёные лаборатории квантовых коммуникаций Национального исследовательского технологического университета МИСиС создали упрощённый прототип матрицы видеодетекторов фотонов в инфракрасном диапазоне. О разработке сообщает пресс-служба вуза.

Впервые однопиксельные детекторы (счётчики) одиночных фотонов на сверхпроводниках были созданы в начале 2000-х годов тем же коллективом учёных — командой главного научного сотрудника лаборатории Григория Гольцмана. Сейчас перед разработчиками стоит задача масштабировать эту технологию и создать видеокамеру для фотонов с матрицей на 1000 пикселей. В настоящее время создан простой прототип такой камеры, работающий с более скромной матрицей в восемь пикселей, на которой можно отработать все особенности технологии.

«Ещё Альберт Эйнштейн доказал, что фотон существует и регистрируется. Много лет использовались детекторы фотонов на электронных лампах, а затем и на полупроводниках. Однако такие устройства регистрировали свет только в видимом диапазоне. Наша технология впервые позволила работать на сверхпроводниках в инфракрасном диапазоне. Уже 16 лет мы продаём инфракрасные однопиксельные счётчики по всему миру, а теперь мы решили перейти к настоящей видеокамере», — рассказал в беседе с RT Григорий Гольцман.

По словам Григория Гольцмана, в отличие от бытовых видеокамер, специализированная для регистрации фотонов способна быстро улавливать очень слабый свет в инфракрасном диапазоне, что делает её «самой чувствительной камерой в мире».

Как отмечают разработчики, запрос на многопиксельные детекторы фотонов растёт вместе с развитием технологий. Новые камеры будут использоваться в оптоволоконных сетях в защищённых каналах связи для обеспечения безопасности передачи данных.

«Если злоумышленник попытается украсть какую-то информацию, закодированную с помощью фотонов, то он просто не сможет сделать это скрытно. Детекторы фотонов будут устанавливаться как у потребителя, так и у отправителя информации. И если информацию украли, то об этом станет известно со скоростью света», — пояснил Григорий Гольцман.

Разработчик приводит и другие примеры применения своих видеодетекторов. В частности, новые видеокамеры смогут «просвечивать» горную породу для поиска алмазов или обнаруживать крошечные раковые опухоли в организме.

Также, по мнению учёных, счётчики фотонов пригодятся в самых различных высокотехнологичных областях, где используется инфракрасная оптика, при проектировании квантового компьютера на фотонах и для связи с очень удалёнными космическими кораблями.

Сходство в повреждении рутением, вызванном фотонами с разной энергией: от видимого света до жесткого рентгеновского излучения

Основные моменты

•

Эксперименты показывают схожие абляционные кратеры в Ru, вызванные различными источниками света fs.

•

Поглощенная энергия локализуется вблизи поверхности Ru за счет оже-электронов.

•

Локализация энергии вызывает термомеханическую абляцию за счет ограничения напряжения.

•

Механизм повреждения при скользящем падении не зависит от энергии фотонов.

Аннотация

Проведены совместные экспериментальные и вычислительные исследования процессов разрушения тонких пленок рутения, индуцированных фемтосекундными лазерами с различной энергией фотонов. Мы представляем эксперимент с оптическим лазером в условиях нормального падения и сравниваем его с ранее описанными экспериментами в условиях скользящего падения с фотонами XUV и жесткого рентгеновского излучения, охватывающими широкий диапазон энергий фотонов. Анализ кратеров абляции в Ru показывает очень похожую морфологию кратеров и глубину около 10–20 нм для всех рассмотренных условий облучения.Моделирование взаимодействия легкого вещества выполняется с помощью нашего комбинированного метода Монте-Карло и двухтемпературной гидродинамики. Результаты моделирования показывают, что основной причиной возможной абляции является оже-распад дырок ядро-оболочка, образовавшихся после поглощения XUV и фотонов жесткого рентгеновского излучения вблизи поверхности рутения. Они приводят к созданию множества электронов с низкой энергией, которые, следовательно, высвобождают поглощенную энергию у поверхности, напоминая случай оптического облучения. Подобные распределения поглощенной энергии в верхней части рутения вызывают аналогичный термомеханический отклик и, следовательно, аналогичный процесс абляции.Наши результаты показывают, что такой механизм универсален в широком диапазоне энергий фотонов при скользящем падении, когда глубина поглощения фотонов меньше пробега фотоэлектронов.

Ключевые слова

Фемтосекундная лазерная абляция

Рентгеновские лазеры на свободных электронах

Моделирование методом Монте-Карло

Двухтемпературная гидродинамика

Тонкие пленки

Экстремальный ультрафиолет

Рекомендуемые статьи Авторы).Опубликовано Elsevier B.V.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Актинометрия в видимом свете и прерывистое освещение как удобные инструменты для изучения фоторедокс-превращений, опосредованных Ru (bpy) 3 Cl 2

Калибровка Ru (bpy)

₃ Cl _{2 Актинометр на основе}

Определение Φ фотохимической реакции требует способности измерять количество молекул, потребляемых или производимых в течение данного периода облучения, а также количество фотонов, поглощенных системой за тот же период. Здесь важно различать падающие и поглощенные фотоны, поскольку только фотоны, поглощенные образцом, могут вызвать химическое изменение.По этой причине Φ фотохимической реакции может быть определена уравнением (1).

Учитывая, что в большинстве случаев можно легко определить количество молей, потребленных или произведенных с помощью множества различных аналитических методов, все, что требуется для определения квантового выхода реакции, — это эйнштейны (т. Е. Моли фотонов), поглощенные образец во время облучения. Стандартный подход заключается в проведении экспериментов по актинометрии, в которых можно определить энергию, передаваемую конкретному образцу в определенном спектральном диапазоне и геометрии ¹⁸ . Хотя любую фотоактивную систему, квантовый выход которой известен, можно использовать в качестве актинометра, способность быстро и удобно определять количество прореагировавших молекул актинометра может действительно повлиять на полезность системы. Например, одним из наиболее широко используемых химических актинометров для длин волн УФ и видимого света до 500 нм является ферриоксалатный актинометр, в котором количество прореагировавших молекул можно легко определить с помощью спектрофотометрии в УФ-видимом диапазоне ¹⁹ .Однако у этой системы есть некоторые недостатки. Во-первых, необходимо синтезировать ферриоксалат калия, а во-вторых, необходимо добавить забуференный раствор фенантролина в качестве проявляющего агента. Дальнейшее согласование спектров с учетом спектра излучения источника света и спектра поглощения образца может быть сложной задачей и требует знакомства с актинометрическими методами. Таким образом, мы решили откалибровать наш актинометр Ru (bpy) ₃ Cl ₂ с использованием ферриоксалатного актинометра из-за воспроизводимой надежности ферриоксалатной системы в лабораторных условиях, когда инструменты для сопоставления фотона, поглощенного актинометром, и образца легко доступны. .

Для нашего актинометра Ru (bpy) ₃ Cl ₂ мы решили основать его на хорошо известной химии синглетного кислорода, используя окисление 1,9-дифенилантрацена (DPA) до его соответствующего эндопероксида (см.рис. 2а). Расход DPA можно легко контролировать с помощью спектрофотометрии в УФ-видимом диапазоне, поскольку DPA демонстрирует отчетливую линию поглощения при 372 нм, что позволяет легко количественно оценить реакцию. Важно отметить, что этот пик не скрывается широкой полосой поглощения от ³ MLCT Ru (bpy) ₃ Cl ₂ (λ _max = 454 нм), и любое перекрытие можно легко исправить, что позволяет легко количественное определение в присутствии фотосенсибилизатора (см. рис.2б). Кроме того, использование DPA в нашей системе актинометра видимого света дает еще одно дополнительное преимущество в том, что DPA не поглощает в области видимого света (см. Рисунок S1 SI). Поскольку Ru (bpy) ₃ Cl ₂ обычно возбуждается видимым светом в фотоокислительных процессах, возможные побочные реакции от прямого возбуждения DPA не являются проблемой.

Рисунок 2

Окисление DPA и актинометрический анализ.

( a ) Реакция 1,9-дифенилантрацена (DPA) с ¹ O ₂ с образованием его соответствующего эндопероксида.( b ) Спектры поглощения типичного актинометрического эксперимента, проведенного с Ru (bpy) ₃ Cl ₂ (0,19 мМ) и DPA (0,10 мМ) в ацетонитриле при облучении светодиодом 460 нм с вырезом 440 нм фильтр. Вставка: поглощение при 372 нм в зависимости от времени облучения, соответствующие данным из ( b ).

Типичный эксперимент с нашей системой актинометров Ru (bpy) ₃ Cl ₂ показан на рис. 2b. Как показано, потребление DPA за счет его окисления ¹ O ₂ , полученным из Ru (bpy) ₃ Cl ₂ , можно легко контролировать при 372 нм.Используя коэффициент экстинкции (ε) при 372 нм, который, по нашим измерениям, составляет 11100 M ⁻¹ см ⁻¹ (см. Рисунок S2 SI), концентрацию DPA, остающегося в образце, можно определить при любом заданном значении. время, используя закон Бера-Ламберта, который позволяет нам определить превращение DPA в соответствующий ему эндопероксид за заданное время облучения.

Чтобы определить Φ нашей системы актинометров, мы должны сначала определить интенсивность нашего источника света. Чтобы определить это значение, необходимо было выбрать актинометр с известным квантовым выходом на той же длине волны, что и наш источник света.Как упоминалось ранее, мы выбрали ферриоксалатную систему из-за ее известной надежности в требуемом диапазоне длин волн. Как оптическая плотность образца, так и актинометр согласовывались при 440 нм, и режекторный фильтр на этой длине волны использовался для упрощения спектрального перекрытия лампы и образца. Следует отметить, что этот фильтр использовался только для калибровки актинометра Ru (bpy) ₃ Cl ₂ и не нужен пользователям, использующим сам актинометр Ru (bpy) ₃ Cl ₂ . Единственное требование состоит в том, чтобы источник света не имел значительной эмиссии ниже 400 нм, чтобы избежать прямого возбуждения DPA.

Контролируя оптическую плотность ферриоксалатного комплекса при 510 нм с облученными и необлученными образцами, мы смогли рассчитать интенсивность падения нашего источника света, равную 6,5 × 10 ⁻⁹ эйнштейнов s ⁻¹ (см. Раздел F в СИ для расчета). Наконец, используя следующее уравнение:

, мы можем вычислить Φ нашей системы актинометра видимого света Ru (bpy) ₃ Cl ₂ , равную 0,019 ± 0,001 (исключая погрешность, присущую ферриоксалатному актинометру).Несмотря на то, что Φ нашего актинометра значительно ниже, чем у других систем видимого света, таких как система ферриоксалата, он обеспечивает то преимущество, что с ним легче работать по сравнению с другими химическими системами, поскольку наша система может выдерживать более длительное время облучения и более высокую интенсивности света, обычно используемые при фотоокислительных превращениях. Кроме того, не требуется проявляющий агент, как в случае ферриоксалатной системы. Наша система также состоит из всех коммерчески доступных реагентов, показывает линейную зависимость от мощности источника света (см. Рисунок S4 SI), и нет никаких проблем, касающихся специфичности длины волны, поскольку актинометр также является фотокатализатором.

Из-за низкой эффективности нашего актинометра Ru (bpy) ₃ Cl ₂ , мы решили исследовать кинетику системы с помощью методов лазерного импульсного фотолиза, чтобы помочь пролить свет за низкими значениями Φ (см. Рис. 3). . После определения констант бимолекулярного тушения для ключевых этапов механизма, уравнения (3) и (4) могут использоваться для расчета процента ³ ТЛКТ, закаленных кислородом, и процента ¹ O ₂ , закаленных кислородом. DPA в начальных условиях реакции.

Рисунок 3

Механическое исследование Ru (bpy) ₃ Cl ₂ Актинометрическая система.

( a ) Данные лазерного импульсного фотолиза из типичного эксперимента по бимолекулярному гашению для Ru (bpy) ₃ Cl ₂ и DPA. ( b ) Бимолекулярные константы скорости (k _q ) и ¹ O ₂ эффективность генерации ( f _Δ ^T ) всех механически ключевых этапов в нашей системе актинометров ^6,22 .( c ) Обобщенная схема реакции для актинометра на основе Ru (bpy) ₃ Cl ₂ . Обратите внимание, что крайние левые и правые реакции одинаковы, синглетный кислород образуется на разных этапах сенсибилизации.

Из бимолекулярных констант тушения на рис. 3 мы смогли вычислить с использованием уравнения (3), что при начальных условиях реакции 77% из ³ MLCT перехватываются кислородом, в то время как только 1,5% из ¹ Произведенный O ₂ перехватывается DPA (уравнение (4)).Хотя можно сделать вывод, что низкая Φ, полученная для нашего актинометра Ru (bpy) ₃ Cl ₂ , связана с низкой эффективностью тушения ¹ O ₂ с помощью DPA, учитывая эффективность тушения выше Φ нашего система слишком велика, даже без учета того факта, что только 57% от ³ Ru (bpy) ₃ Cl ₂ события закалки приводят к ¹ O ₂ поколения ²⁰ . Возможное объяснение более высокого, чем ожидалось, квантового выхода заключается в том, что ^* Ru (bpy) ₃ Cl ₂ действует как триплетный сенсибилизатор, производя ³ DPA, который, в свою очередь, может сенсибилизировать производство ¹ O ₂ (см. Раздел I SI).Используя уравнение (5), мы вычисляем, что 8,3% MLCT ³ перехватываются DPA. Учитывая длительный триплетный срок службы DPA (примерно 3 мс) ²¹ и то, что мы оцениваем ³ DPA гасит O ₂ со скоростью 3 × 10 ⁹ M ⁻¹ с ⁻¹ , ²² , применяя уравнение (6), мы находим, что 99,9% ³ DPA гасятся O ₂ . В сочетании с тем фактом, что эффективность для поколения ¹ O ₂ ( f _Δ ^T ) на ³ DPA составляет 100%, ^22,23 становится ясно, что этот вторичный путь к ¹ O ₂ может составлять более высокую, чем ожидалось, Φ.Также может быть важно учитывать, что образование ¹ O ₂ и его последующая реакция вовлекают те же реагенты во вторичном пути, хотя это не устраняет диффузионных требований, поскольку исходная пара является обеими триплетами, это может уменьшить их.

Важно отметить, что Φ для нашего актинометра в конечном итоге является экспериментальным значением, и дальнейшее обсуждение просто удовлетворяет наше любопытство и не влияет на значение 0,019, указанное выше.

Прерывистое освещение как стратегия цепной диагностики: пересмотренный метод RS

Хотя метод RS может быть не так популярен, как когда-то, остается очевидным, что многие в области фотоокислительного катализа понимают, что можно исследовать фото-инициируемую цепь реакция за счет использования прерывистого освещения.Однако, поскольку время жизни большинства цепей находится в субсекундной шкале времени, текущие попытки установить, задействует ли фотоокислительное преобразование цепь, путем тестирования эффекта включения и выключения источника света на временной шкале в несколько минут, тщетны. Как и следовало ожидать, более подходящим тестом для цепной реакции является метод RS, в котором используются световые импульсы от микросекунд до секунд.

Используя существующие светодиодные технологии, мы предусмотрели разработку метода RS нового поколения, в котором RS будет заменен импульсным светодиодом и не будут задействованы движущиеся части.Светодиод будет питаться от драйвера постоянного тока и управляться цифровым генератором задержки / импульсов. Дополнительные преимущества этой системы включают меньшую занимаемую площадь, цифровое управление длиной импульса, интенсивностью света и соотношением светового и темного цветов, что делает систему довольно универсальной и удобной для пользователя. Обратите внимание, что в традиционном RS отношение светлого к темному фиксировано, поскольку оно определяется конфигурацией открытых секторов во вращающемся колесе. Дополнительные сведения о конструкции устройства см. В SI.

Хотя эксперимент RS был и предназначен быть количественным, мы предполагаем, что он будет использоваться в большей степени как качественный или полуколичественный инструмент. Например, используя модифицированный RS-эксперимент, можно качественно определить реакцию как цепную, просто продемонстрировав нелинейную зависимость между конверсией и скоростью освещения образца, поскольку можно было бы ожидать, что скорость доставки фотонов не должна влиять на система, свободная от цепных реакций. Однако метод RS остается одним из самых простых способов экспериментального определения среднего времени жизни растущей цепи (τ _с ) ²⁴ .

τ _s цепи в установившемся режиме определяется уравнением (7).

Проблема заключается в том, что в большинстве условий скорость реакции измеряется в нестационарных условиях. Несмотря на то, что одним из основных преимуществ индуцированной светом радикальной реакции является способность мгновенно инициировать и прерывать образование радикалов простым включением или выключением источника света, все же остается период времени между инициированием цепи и реализацией устойчивое состояние, а также другой период времени между удалением света и истощением носителей цепи в результате реакций обрыва. В идеале можно определить τ _s путем измерения скорости реакции в течение заданного времени, по истечении которого освещение прекращается, однако, поскольку τ _s имеет тенденцию быть в миллисекундном масштабе времени, и количество конверсии в течение этого периода времени будет минимальный, точно измерить это значение сложно. Выполнение эксперимента RS делает это измерение жизнеспособным, поскольку можно усреднить результат по нескольким циклам включения-выключения. Для получения дополнительной информации об экспериментах RS см. Раздел K дополнительных данных.

Валидация новых методов актинометрии и RS: характеристика окисления бензгидрола

Для подтверждения полезности как актинометра на основе Ru (bpy) ₃ Cl ₂ , так и экспериментов с прерывистым освещением, было важно: используйте эти методы для характеристики известной цепной реакции. Ранее было показано, что в присутствии солей N -алкоксипиридия фотокатализируемое окисление бензгидрола до бензофенона превращается в цепную реакцию ²⁵ .Таким образом, мы решили, что окисление бензгидрола, катализируемое Ru (bpy) ₃ Cl ₂ в присутствии тетрафторбората 4-циано- N- метоксипиридиния, будет идеальной тестовой реакцией для нового актинометра и устройства прерывистого освещения ( Рис. 4A).

Рис. 4

Характеристика фотокаталитического окисления бензгидрола.

( a ) Схема реакции для Ru (bpy) ₃ Cl ₂ катализируемого окисления бензгидрола в присутствии 4-циано- N- метоксипиридиниевой соли.( b ) Преобразование бензгидрола в бензофенон как функция Log (период горения в миллисекундах [ t _на ]). Условия реакции: Ru (bpy) ₃ Cl ₂ (6 мМ), бензгидрол (30 мМ) и 4-циано- N- тетрафторборат метоксипиридиния (30 мМ) в ацетонитриле (3 мл) в кварцевой кювете. дегазировали аргоном и облучали светодиодом с длиной волны 460 нм.

После определения того, что предложенный нами метод окисления бензгидрола, катализируемого Ru (bpy) ₃ Cl ₂ , является термодинамически и кинетически возможным (см. Раздел N SI), мы начали наши исследования, чтобы охарактеризовать участие возможна цепная реакция с использованием наших недавно разработанных методов.В наших условиях реакции мы получаем 77,4% конверсии бензгидрола в бензофенон всего за 2 минуты облучения. Более подробную информацию о пробоподготовке и аппарате для облучения можно найти в разделе «Методы» и «SI». Чтобы определить Φ этой реакции, сначала необходимо было определить скорость, с которой 6,0 мМ раствор Ru (bpy) ₃ Cl ₂ поглощает фотоны при нашей геометрии и условиях облучения. Эта задача значительно упрощается с использованием нашего недавно разработанного актинометра на основе Ru (bpy) ₃ Cl ₂ .Просто выполнив описанный ранее актинометрический эксперимент с 6,0 мМ раствором Ru (bpy) ₃ Cl ₂ , мы подсчитали, что наш образец поглощает 1,53 × 10 ^-7 эйнштейнов с ^-1 . В связи с тем, что 6,0 мМ раствор приведет к неадекватному поглощению, как начальный, так и конечный растворы актинометра были соответственно разбавлены (примерно 30-кратное разбавление) перед регистрацией их поглощения при 372 нм. Однако необходимо учитывать это разведение при выполнении расчетов, поскольку оптическая плотность и концентрация прямо пропорциональны.Использование одинаковых молекул и концентраций в образце и актинометре устраняет проблемы, связанные со спектральным согласованием и согласованием лампы. Имея эту информацию, мы можем просто применить уравнение (1), чтобы найти, что конверсия 77,4%, полученная за 2 минуты облучения, соответствует квантовому выходу 4,21 после поправки на эффективность инициирования (см. Раздел O SI).

Для дальнейшей характеристики цепной реакции мы использовали наш модифицированный метод RS. Используя соотношение включения: выключения 1: 2, мы облучали 10 образцов, каждый в общей сложности 6 минут (время включения + выключения) с разной частотой вспышек. Результаты показаны на рис. 4b, на котором преобразование показано как функция журнала ( t _на ). Качественно тот факт, что рис. 4б демонстрирует нелинейную зависимость между конверсией и скоростью освещения образца, подтверждает, что действительно изучаемая реакция имеет цепной механизм. Количественно мы наблюдаем заметное изменение скорости преобразования между 5 и 100 мс, что указывает на то, что τ _s радикальной цепи находится где-то между этими двумя значениями.Срок службы цепи может быть приблизительно определен с помощью аппроксимации сигмоидальной кривой или простого графического определения точки, в которой наблюдается половина общего изменения скорости. В нашем примере (рис. 4б) это время соответствует 19 мс. Тот факт, что общее преобразование во время быстрого мигания ниже, чем наблюдаемое во время медленного мигания, отражает увеличенное количество событий обрыва, вызванных повышенной концентрацией распространяющихся радикалов.

Фотоэлектрохимическое восстановление CO 2 на триметаллических катализаторах Ru / Mn / Co на носителе TiO 2 анатаза при облучении видимым светом

32.

Попич Дж, Аврамов-Ивич М., Вукович Н. (1997) Восстановление диоксида углерода на электродах из оксида рутения и модифицированного оксида рутения в 0,5 М NaHCO ₃ . J Electroanal Chem 421: 105–110

Google Scholar

39.

Roche I, Scott K (2009) Наночастицы оксида марганца на углеродной основе в качестве электрокатализаторов реакции восстановления кислорода (orr) в нейтральном растворе.J Appl Electrochem 39: 197–204

CAS

Google Scholar

58.

Мэтью С., Кумар Прасад А., Беной Т., Ракеш П., Хари М., Либиш Т., Радхакришнан П., Нампори В., Валлабхан С. (2012) УФ-видимая фотолюминесценция наночастиц TiO ₂ , полученных гидротермальным методом . J Fluores 22: 1563–1569

CAS

Google Scholar

Оптика проточного цитометра | Thermo Fisher Scientific

В качестве платформы для анализа проточная цитометрия основана на опросе отдельных клеток лазерным светом и сборе результирующей флуоресценции и рассеяния.Система оптики управляет освещением и сбором света внутри прибора.

Примечание: Если вы не знакомы с основными концепциями флуоресценции или с фильтрами и источниками света в целом, мы настоятельно рекомендуем вам ознакомиться с модулем «Школа флуоресценции молекулярных датчиков — основы флуоресценции». Это поможет вам лучше понять содержание, обсуждаемое в этом разделе.

Компоненты оптической системы работают согласованно, направляя на ячейку свет с разными длинами волн и собирая данные (т. е. сторона и прямое рассеяние (а также излучение возбужденных флуорофоров) в форме испускаемых фотонов и преобразование этих фотонов в электрический сигнал — фототок — который поступает в электронную систему. Компоненты оптической системы включают источники возбуждающего света, линзы и фильтры, используемые для сбора и перемещения света вокруг инструмента, а также систему обнаружения, которая генерирует фототок.

Точка опроса: точка пересечения образца и лазера

Взаимодействие клеток с лазером происходит в точке опроса .Здесь клетки проходят в один ряд, где сфокусированный возбуждающий свет пересекает поток.

Самыми распространенными источниками возбуждающего света в приборах проточной цитометрии являются лазеры. Лазерный свет когерентный (имеет синхронизированную идентичную частоту волны), монохроматический (имеет одну длину волны) и обладает энергетическими свойствами, которые гарантируют, что клетки освещаются однородным светом определенной длины волны. Проточные цитометры обычно содержат одну или несколько лазерных линий, и Таблица 1 перечисляет наиболее распространенные линии возбуждения, доступные в современных приборах. На рисунке 1 показаны доступные лазеры по всему спектру.

Таблица 1. Общие лазерные линии, используемые в проточной цитометрии

Рисунок 1. УФ-видимый спектр . Лазеры с дискретными длинами волн в УФ-видимом спектре используются для возбуждения флуорофоров.

Параллельные и коллинейные лазерные устройства

Знание источников возбуждающего света имеет решающее значение для принятия решения относительно флуорофоров, которые вы можете использовать в своем эксперименте.Также важно понимать, как эти источники света настроены в вашем проточном цитометре. Существует два основных типа устройств: параллельные лазерные устройства и коллинеарные лазерные устройства (Рисунок 2) . В параллельном расположении лазеры пространственно разделены, так что ячейки подвергаются воздействию одного источника возбуждения за раз, когда они проходят через точку опроса (см. Рисунок 3 для примера установки). В коллинеарной схеме лазеры используют один и тот же оптический путь, и клетки возбуждаются несколькими лазерами одновременно (см. Рис. 4 для примера установки).

Важно отметить, что эти устройства не исключают друг друга в том смысле, что один прибор может иметь как параллельные, так и коллинеарные лазерные устройства.

Рисунок 2.Сравнение параллельной и коллинейной лазерных схем. (Слева) В коллинеарной схеме несколько лазеров используют один и тот же оптический путь, и ячейка в точке опроса будет возбуждаться этими лазерами одновременно. (справа) При параллельном расположении лазеры не используют один и тот же оптический путь, и они будут возбуждать ячейку в разное время в пределах точки опроса.

Рисунок 3.Пример параллельного расположения лазеров. Световые лучи лазера 488 нм (синий) и 633 нм (красный) размещаются в разных местах в точке опроса, и ячейка проходит мимо каждого лазера в разное время. В этой установке есть отдельные оптические пути для каждого лазера, включая отдельные фильтры излучения и детекторы.

Рисунок 4.Пример коллинейной лазерной компоновки. В этой коллинеарной схеме оба лазера расположены в одной и той же точке внутри проточной ячейки, и свет от обоих лазеров попадает на ячейку одновременно. Оптический путь для обоих лазеров общий, так как оба используют одни и те же фильтры излучения и детекторы.

Оптимизация выбора флуорофора

Оптимальный выбор флуорофора для этих двух схем может различаться, поэтому очень важно, чтобы вы понимали настройку вашего прибора, прежде чем планировать эксперимент.Например, в параллельном расположении лазеров, показанном на рис. 3 , где лазеры возбуждают одну и ту же клетку в разное время, и каждый лазер имеет свой собственный дискретный детектор, вы можете рассмотреть возможность использования двух флуорофоров, которые имеют одинаковое излучение, но возбуждаются на разных длинах волн. . Одной из таких комбинаций может быть фикоэритрин-Alexa Fluor 647 (PE-AF647) и аллофикоцианин (APC) (рис. 5) . PE-AF647 возбуждается на 488 нм, а APC возбуждается на 633 нм. Оба красителя излучают в области 680 нм.Тандемный краситель PE-AF647 будет возбужден только лазером с длиной волны 488 нм, и излучение света будет собираться детектором, предназначенным для этой лазерной линии. В той же ячейке краситель APC будет возбужден только лазером с длиной волны 633 нм после того, как будет возбужден первый краситель, и излучение будет собираться назначенным ему детектором. Поскольку лазеры пространственно разделены, перекрытие излучения не является проблемой. Если бы вы использовали коллинеарную лазерную установку, показанную на рис. 4 , однако, оба красителя возбуждались бы одновременно лазерами 488 и 633 нм, и излучение разных красителей на одинаковых длинах волн было бы равным. неотличимы.

Рисунок 5. Спектры возбуждения и излучения PE-AF647 и APC. ( A ) Показаны спектры возбуждения для PE-AF647 (красная пунктирная линия) и APC (оранжевая пунктирная линия). Также указаны лазеры возбуждения на 488 нм (синяя сплошная вертикальная линия) и 633 нм (оранжевая сплошная вертикальная линия). ( B ) Спектры излучения перекрываются для PE-AF647 (оранжевая кривая) и APC (красная кривая).

Общие сведения о временной задержке в параллельных лазерных устройствах

При параллельном расположении лазеров в системе присутствует задержка времени .Эта задержка представляет собой количество времени, которое требуется ячейке, чтобы перейти от одного лазера к следующему лазеру в реле (см. Рисунок 2, правое изображение ), и позволяет сигналам, собранным из этой ячейки после возбуждения всеми количество лазеров в точке опроса должно быть доставлено в электронную систему вместе.

Хотя время задержки обычно устанавливается автоматически большинством приборов, ее можно контролировать и при необходимости настраивать вручную. Если эта временная задержка установлена ​​неправильно, вы можете наблюдать потерю сигнала или, что еще хуже, смешение сигналов от двух разных ячеек.Результаты правильной и неправильной настройки выдержки времени показаны под (Рисунок 6) . Флуоресцентные частицы, используемые в этом примере, имеют равное количество двух разных флуорофоров: один возбуждает при 488 нм и испускает зеленую флуоресценцию, а другой возбуждает при 561 нм и излучает красную флуоресценцию. Можно было бы ожидать, что количество событий будет равно друг другу, поскольку они находятся на одной и той же частице, и что характер их излучения также будет аналогичным, если время задержки установлено соответствующим образом. На фиг. 6A показаны данные такого эксперимента. В , фиг. 6B, , данные начинают выглядеть так же, как , фиг. 6A, , но оператор скорректировал настройку временной задержки примерно в 30-й временной точке и снова в 50-й временной точке. Обратите внимание, как флуоресценция нисходящего лазера (т. Е. Второго лазера для опроса ячейки в реле) ниже по сравнению с триггерным лазером (первым лазером в реле), и разброс событий стал шире. Это то, что вы захотите запомнить, работая с инструментом с параллельным расположением лазеров.

Рисунок 6.Выявление проблем с временной задержкой в ​​параллельных лазерных устройствах . В обоих примерах частицы возбуждаются как на 488 нм, так и на 561 нм в приборе с параллельным расположением лазеров. (A) При соответствующих настройках временной задержки интенсивность флуоресценции и разброс событий флуоресценции очень похожи для обоих лазеров. (B) В этом эксперименте временная задержка была запущена с правильной настройкой, но была скорректирована во время запуска. Как вы можете видеть, наблюдается сдвиг в интенсивности и разбросе флуоресценции в последующем лазере по сравнению с триггерным лазером.Это указывает на неправильную настройку задержки времени.

Фильтры и зеркала направляют свет

Существует множество вариантов фильтров излучения и зеркал, направляющих свет (фотоны). Они кратко описаны ниже и на рис. 7 .Каждый набор фильтров служит для направления определенных длин волн света к соответствующему детектору (они описаны в следующем разделе). Зеркала также помогают направить свет на детектор.

Фильтры, зеркала и детекторы в вашем приборе необходимо будет вручную назначить выбранным вами флуорофорам, поэтому важно знать, какова ваша установка, при разработке эксперимента и анализе результатов. И чтобы немного запутать ситуацию, специалисты по проточной цитометрии по соглашению будут использовать термин «детекторы» для обозначения всех трех этих компонентов вместе (эмиссионные фильтры, зеркала и сам детектор).Все они так тесно связаны друг с другом и должны соответствовать друг другу, чтобы они работали должным образом.

Рисунок 7.Примеры типов фильтров выбросов. (A) Это длиннопроходный (LP) фильтр, который пропускает весь свет с длиной волны выше определенной. Цветные линии показывают, какие длины волн света отклоняются или пропускаются через фильтр. График под фильтром представляет собой график зависимости света, проходящего через фильтр, от длины волны света. (B) Это называется короткопроходным (SP) фильтром, что означает, что он пропускает через фильтр только свет с длиной волны ниже определенной. (C) Это полосовой фильтр, который может ограничивать длины волн ниже нижнего и выше верхнего пределов указанных длин волн.

Типы фильтров

Длиннопроходные (LP) фильтры пропускают весь свет с длиной волны выше определенной. В примере на фиг. 7A это фильтр LP 500, что указывает на то, что весь свет выше 500 нм будет проходить через фильтр. Обратите внимание, что ультрафиолетовые и фиолетовые волны отклоняются, в то время как синий, зеленый и желтый свет могут проходить.

Короткопроходные (SP) фильтры пропускают весь свет с длиной волны ниже определенной. В примере на рис. 7B это фильтр SP 500, что означает, что он пропускает только свет ниже 500 нм.Ультрафиолетовый, фиолетовый и синий свет могут проходить, в то время как свет с более высокой длиной волны, зеленый и желтый, отклоняется.

Полосовые фильтры (BP) можно рассматривать как нечто среднее между фильтрами LP и SP. Это позволит свету проходить через фильтр только в определенном диапазоне. В примере, показанном на рис. 7C , , это фильтр 525/30 BP, что означает, что «полоса» света, пропускаемого через фильтр, составляет 30 нм ниже 525 нм и 30 нм выше 525 нм или, другими словами, только свет, который попадает в диапазон 495–555 нм может пройти.Весь остальной свет будет отклонен.

Дихроичные зеркала

Дихроичные зеркала (также называемые дихроичными светоделителями ) представляют собой разновидности фильтров LP и SP, которые содержат зеркальное покрытие. В дополнение к прохождению света выше определенной длины волны (LP) или ниже определенной длины волны (SP), дихроичные светоделители отражают свет в определенном направлении (Рисунок 8) .Например, дихроичное зеркало 500LP будет пропускать свет выше 500 нм и отражать свет ниже 500 нм в другом направлении. Дихроичное зеркало 525SP будет пропускать весь свет ниже 525 нм и отражать весь свет выше 525 нм в другом направлении. Эти дихроичные зеркала имеют решающее значение для направления и захвата света детекторами.

Рисунок 8.Дихроичные зеркала . Каждое дихроичное зеркало (или светоделитель) в этом примере связано с определенным детектором. Первое дихроичное зеркало (1) отклоняет красный свет и перенаправляет его к детектору красного, позволяя свету со всеми длинами волн ниже длины волны красного проходить к следующему дихроичному зеркалу на пути. Это второе дихроичное зеркало (2) отклоняет желтый свет ко второму детектору и пропускает синий и зеленый свет.Последнее дихроичное зеркало ( 3 ) отклоняет зеленый свет на третий детектор и пропускает синий свет.

Детекторы преобразуют свет в электронный сигнал

Детекторы

улавливают фотоны, испускаемые возбужденными флуорофорами и рассеянным лазерным светом, и преобразуют их в фототок (что на самом деле является просто другим способом обозначить электрический ток, генерируемый фотонами), который затем передается в электронную систему.Существует несколько типов детекторов, которые могут использоваться в проточном цитометре, наиболее распространенными из которых являются фотодиод (PD) и фотоэлектронный умножитель (PMT) . Лавинный фотодиод (APD) , традиционно используемый в оптоволоконных телекоммуникациях, начинает появляться на некоторых проточных цитометрах и особенно хорош для обнаружения длинноволновой эмиссии (> 650 нм). В некоторых приборах для обнаружения используется камера устройства с заряженной связью (ПЗС) , но она обычно не используется, и мы не будем обсуждать их в этом разделе.

Более яркие сигналы измеряются фотодиодами

Когда фотон попадает в PD, он ионизирует атомы детектора, создавая пару электрон / дырка в области истощения PD ( Рисунок 9A ) . Электроны в обедненной области перемещаются к положительному потенциалу на катоде, а дырки перемещаются к отрицательному потенциалу на аноде, создавая фототок, который затем передается в электронную систему. ФП недороги, но имеют низкую чувствительность, поскольку они не усиливают фототок так сильно, как ФЭУ.PD обычно используются в канале, отвечающем за обработку самого яркого количества света или сигнала, например в канале прямого рассеяния.

Рисунок 9.Детекторы, применяемые в проточных цитометрах . (A) Схема фотодиодного детектора. Фиолетовые кружки представляют дыры, образовавшиеся, когда фотон взаимодействует с p-областью PD и генерирует электрон (зеленые кружки). Эти пары электрон / дырка представлены фиолетовым и зеленым кружками, соединенными красной линией между ними. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженному катоду, а дырки притягиваются к аноду. (B) Схема фотоэлектронного умножителя. Фотон преобразуется в электрон, когда попадает в ФЭУ на катоде. Затем он проходит через ФЭУ, усиливается на всех динодах (электродах) и попадает на анод, который является собирающим электродом.

Сигналы диммера усиливаются с помощью фотоумножителей

ФЭУ гораздо более чувствителен к более низким уровням сигнала и может усиливать энергию одного фотона во много миллионов раз.Обычно они используются для измерения флуоресценции возбужденных флуорофоров клеток, а также сигнала бокового рассеяния. Когда фотоны попадают в ФЭУ, они ударяются о фотокатод, генерируя электроны (Рисунок 9B) . Эти электроны перемещаются от динода к диноду, генерируя вторичные электроны, что приводит к усилению сигнала. Не все ФЭУ одинаковы, равно как и не все фотоны. Чувствительность ФЭУ к данной длине волны света сильно зависит от материала, из которого изготовлен ФЭУ.Кроме того, фотоны в дальней красной области обычно имеют меньшую энергию, и когда они попадают в ФЭУ, меньшее количество из них генерирует выходной фототок.

Оптимизация чувствительности фотоумножителя для повышения качества данных

Чувствительность

PMT также контролируется величиной приложенного к нему напряжения, и это необходимо оптимизировать для данного PMT на данном приборе с заданной конфигурацией.Одним из наиболее распространенных методов для этого является метод «Пика 2» (Maecker and Trotter (2006)). С помощью этого метода тусклая флуоресцентная частица запускается с использованием ряда различных настроек напряжения (иногда называемых напряжением вольт, ), и разброс сигнала (или коэффициент вариации, CV) наносится на график по серии напряжений. Важно запустить это во всех каналах излучения, которые вы будете использовать, поскольку оптимальные настройки напряжения для каждого из них могут отличаться.

Пример эксперимента с напряжением показан на Рис. 10 .Мы показываем данные только для одного канала флуоресценции (в данном случае это зеленый канал с использованием частиц, меченных флуоресцеином), но, как отмечалось выше, вам нужно будет запустить этот эксперимент для всех каналов, которые вы будете обнаруживать в своем эксперименте. На фиг. 10A показаны события флуоресценции, собранные с течением времени при увеличении настроек напряжения ФЭУ в диапазоне от 200 мВ до 400 мВ. Вы можете видеть в данных, что разброс этих событий очень велик при самом низком напряжении 200 мВ (это еще один способ сказать, что вариация событий намного больше при более низких напряжениях, чем вариация, которую вы видите при более высоком напряжении. напряжение пробегает).Вы также заметите, что по мере увеличения настройки напряжения разброс данных становится все меньше и фактически достигает точки, где они не отличаются от следующей настройки напряжения (350 мВ практически неотличимы от 400 мВ). Если вы построите график зависимости CV (% CV) каждого набора данных от настройки напряжения (Рисунок 10B) , то вы сможете увидеть это более четко. Настройка 200 мВ дает большой% CV, но к тому времени, когда вы дойдете до диапазона 300–400 мВ,% CV совсем не изменится.Оптимальная настройка напряжения — это та, при которой% CV или шум находится в минимально возможной точке, а самая низкая настройка напряжения, которая дает вам наименьшее CV. Это называется точкой перегиба . В этом примере вы, вероятно, установите напряжение вашего ФЭУ для зеленого канала на 350 мВ, поскольку повышение напряжения не влияет на CV.

Рисунок 10. Оптимизация чувствительности PM. Частицы, меченные флуоресцеином, прогоняли при увеличивающихся настройках напряжения ФЭУ. (A) События флуоресценции в зеленом канале были обнаружены при различных напряжениях ФЭУ (указанные на графике для каждого набора данных) и нанесены на график в зависимости от времени. (B) Процент коэффициента вариации (% CV) для каждого набора данных на панели A был нанесен на график в зависимости от настройки напряжения ФЭУ. Точка на кривой, где% CV начинает выравниваться, демонстрируя уменьшение вариации данных при более высоких напряжениях, называется точкой перегиба, обозначенной синей стрелкой.Красная стрелка указывает оптимальный диапазон напряжения ФЭУ для этого канала флуоресценции.

Сводка

Оптические элементы проточного цитометра направляют фотоны, испускаемые флуорофорами (связанными с клетками), в систему обнаружения. Это делается строго контролируемым образом, чтобы вы знали, какие длины волн света поступают на каждый детектор, когда вы собираете свои данные.Детекторы преобразуют сигнальные фотоны из рассеянного света или флуоресценции в электрический ток, который пропорционален количеству фотонов, попадающих в детектор. Результирующий импульс передается в электронную систему, где он оцифровывается и записывается для анализа.

Не для перепродажи. Суперяркие полимерные красители продаются по лицензии Becton, Dickinson and Company.

От видимого света до жесткого рентгеновского излучения

Т. Катаяма, Дж. Ким, С. Мацуяма, Х. Мимура, М. Ябаши, К. Ямаути,

Х. Охаши, Т. Исикава, Исследование порогов абляции оптические материалы

с использованием фокусирующего луча 1 мкм на жестком рентгеновском лазере на свободных электронах, Опт. Exp. 21 (13)

(2013) 15382–15388, https://doi.org/10.1364/OE.21.015382.

[17] С. Дастжани Фарахани, Дж. Чалупский, Т. Буриан, Х. Чапман, А.Gleeson, V. Hajkoya,

L. Juha, M. Jurek, D. Klinger, H. Sinn, R. Sobierajski, M. Störmer, K. Tiedtke,

S. Toleikis, T. Tschentscher, H. Wabnitz, J. Gaudin, Порог повреждения аморфного углеродного зеркала

для излучения 177 Эв, Nucl. Instrum. Методы Phys. Res.

Разд. A: Acceler., Spectrom., Detect. Доц. Оборудовать. 635 (1) (2011) S39 – S42, https: //

doi.org/10.1016/j.nima.2010.10.133.

[18] J. Krzywinski, D. Cocco, S. Moeller, D.Ратнер, Порог повреждения платинового покрытия

, используемого в оптике для самозаливки мягкого рентгеновского лазера на свободных электронах, Опт. Exp. 23

(5) (2015) 5397–5405, https://doi.org/10.1364/OE.23.005397.

[19] И.А. Махоткин, И. Милов, Я. Халупски, К. Тидтке, Х. Энкиш, Г. де Фрис,

Ф. Шольце, Ф. Сиверт, Й.М. Штурм, К.В. Николаев, R.W.E. van de Kruijs,

M.A. Smithers, H.A.G.M. ван Вольферен, Э. Кейм, Э. Луис, И. Яцина, М. Юрек,

D.Klinger, JB Pelka, L. Juha, V. Hájková, V. Vozda, T. Burian, K. Saksl, B. Faatz,

B. Keitel, E. Plönjes, S. Schreiber, S. Toleikis, R. Loch , M. Hermann, S. Strobel,

R. Donker, T. Mey, R. Sobierajski, Накопление повреждений в тонких рутениевых пленках

, вызванных повторяющимся воздействием фемтосекундных xuv-импульсов ниже порога однократной абляции

, JOSA B 35 (11) (2018) 2799–2805, https://doi.org/10.1364/

JOSAB.35.002799.

[20] U.Zastrau, T. Burian, J. Chalupsky, T. Döppner, T. Dzelzainis, R. Fäustlin,

C. Fortmann, E. Galtier, S. Glenzer, G. Gregori, L. Juha, H. Lee, R. Ли, К. Льюис,

Н. Медведев, Б. Наглер, А. Нельсон, Д. Райли, Ф. Росмей, С. Толейкис, Т. Ченчер,

И. Ушманн, С. Винко, Дж. Варк, T. Whitcher, E. Förster, Xuv Spectroscopic char-

Актеризация теплой плотной алюминиевой плазмы, генерируемой лазером на свободных электронах

ash, Laser Part. Балки 30 (1) (2012) 45–56, https: // doi.org / 10.1017 /

S026303461100067X.

[21] A. Aquila, R. Sobierajski, C. Ozkan, V. Hájková, T. Burian, J. Chalupský, L. Juha,

M. Störmer, S. Bajt, M.T. Клепка, П. Длужевски, К. Моравец, Х. Охаши, Т. Кояма,

К. Тоно, Ю. Инубуши, М. Ябаши, Х. Синн, Т. Ченчер, А.П. Манкузо,

Дж. Гауден, Fluence пороги для зеркал с жестким рентгеновским излучением скользящего падения, Appl. Phys.

Lett. 106 (24) (2015) 241905, https://doi.org/10.1063/1.4922380.

[22] О. Пейрусс, Ж.-М. Андре, П. Джоннар, Дж. Годен, Моделирование взаимодействия рентгеновского лазера на свободных электронах

с большими конечными образцами, Phys. Ред. E 96 (4) (2017)

043205, https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.043205.

[23] И. Милов, И.А. Махоткин, Р. Соберайски, Н. Медведев, В. Липп, Й. Халупски,

Дж. М. Штурм, К. Тидтке, Г. де Фрис, М. Штёрмер, Ф. Сиверт, Р. ван де Круийс,

E. Луи, И. Ясина, М. Юрек, Л. Юха, В.Хайкова, В. Возда, Т. Буриан, К. Саксл,

Б. Фаатц, Б. Кейтель, Э. Пленьес, С. Шрайбер, С. Толейкис, Р. Лох, М. Германн,

С. Штробель, Х.-К. Найенхейс, Г. Гвальт, Т. Мей, Х. Энкиш, Ф. Бийкерк, Механизм однократного разрушения

тонких пленок Ru, облученных фемтосекундным лазером на свободных электронах в ультрафиолетовом диапазоне

, Опт. Exp. 26 (15) (2018) 19665, https://doi.org/10.1364/OE.26.

019665.

[24] А. Аквила, Р. Соберайски, К. Озкан, В. Гайкова, Т.Burian, J. Chalupský, L. Juha,

M. Störmer, S. Bajt, M.T. Клепка, П. Длужевски, К. Моравец, Х. Охаши, Т. Кояма,

К. Тоно, Ю. Инубуши, М. Ябаши, Х. Синн, Т. Ченчер, А. П. Манкузо,

Дж. Гаудин, Опечатка : «Пороги плотности энергии для жестких рентгеновских зеркал скользящего падения»

[Прил. Phys. Lett. 106, 241905 (2015)], Appl. Phys. Lett. 115 (5) (2019) 59901,

https://doi.org/10.1063/1.5114937.

[25] Д.С. Иванов, Л.В. Жигилей, Комбинированное атомистически-континуальное моделирование короткоимпульсного лазерного плавления и разрушения металлических пленок

// Физ. Мезомех.Ред. B 68 (6) (2003) 064114,

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.68.064114.

[26] B.J. Demaske, V.V. Жаховский, Н.А.Иногамов, И.И. Олейник, Абляция и скалывание пленок золота при облучении ультракороткими лазерными импульсами // Физ. Мезомех. Ред. B 82 (6) (2010)

064113, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.064113.

[27] С. Анисимов, Н. Иногамов, Ю.В. Петров, В. Хохлов, В. Жаховский, К. Нишихара,

М. Агранат, С. Ашитков, П. Комаров, Взаимодействие коротких лазерных импульсов с металлами при умеренных интенсивностях

, Прикл.Phys. A 92 (4) (2008) 939–943, https://doi.org/10.

1007 / s00339-008-4607-у.

[28] В. Липп, Н. Медведев, Б. Зиая, Классическое моделирование методом Монте-Карло индуцированных рентгеновскими лучами

электронных каскадов в различных материалах, вып. Май 2017, 2017, стр. 102360H. https: //

doi.org/10.1117/12.2267939.

[29] Ю. Петров, К. Мигдал, Н. Иногамов, В. Хохлов, Д. Ильницкий, И. Милов, Н. Медведев,

В. Липп, В. Жаховский, Рутений при сверхбыстром лазерном возбуждении: модель и

набор данных для уравнения состояния, проводимости и электрон-ионной связи, Краткие данные.

[30] С. Нольте, К. Момма, Х. Якобс, А. Тюннерманн, Б.Н. Чичков, Б. Веллегехаузен,

Х. Веллинг, Абляция металлов ультракороткими лазерными импульсами, JOSA B 14 (10) (1997)

2716–2722, https://doi.org/10.1364/JOSAB.14.002716.

[31] К. Соколовски-Тинтен, Я. Бялковски, А. Каваллери, Д. фон дер Линде, А. Опарин,

Дж. Мейертер Вен, С.И. Анисимов, Переходные состояния вещества в короткоимпульсном лазере

абляция, Phys. Rev. Lett. 81 (1) (1998) 224–227, https: // doi.org / 10.1103 /

PhysRevLett. 81.224.

[32] В. Жаховский, Н. Иногамов, Ю. Петров, С. Ашитков, К. Нишихара, Молекулярная ди-

имитация имитации фемтосекундной абляции и скалывания с различными взаимодействиями

томических потенциалов, Прил. Прибой. Sci. 255 (24) (2009) 9592–9596, https://doi.org/10.

1016 / j.apsusc.2009.04.082.

[33] Л.В. Жигилей В.А., Линь З., Иванов Д.С.Атомистическое моделирование короткоимпульсной лазерной абляции металлов

: связь плавления, скалывания и фазового взрыва.Phys.

Chem. С 113 (27) (2009) 11892–11906, https://doi.org/10.1021/jp4m.

[34] М.В. Шугаев, К. Ву, О. Армбрустер, А. Нагилоу, Н. Брауэр, Д.С. Иванов,

T.J. Дерриен, Н.М. Булгакова, В. Каутек, Б. Ретфельд, Л.В. Жигилей, Основы

сверхбыстрого взаимодействия лазера с материалом, MRS Bull. 41 (12) (2016) 960–968, https: //

doi.org/10.1557/mrs.2016.274.

[35] В. Акерманн, Г. Асова, В. Айвазян, А. Азима, Н. Бабой, Дж. Бэр, В.Баландин, Б.

Бейтнер, А. Брандт, А. Больцманн, Р. Бринкманн, О.И. Brovko, M. Castellano, P.

Castro, L. Catani, E. Chiadroni, S. Choroba, A. Cianchi, J.T. Костелло, Д. Кубейнс, Дж.

Дардис, В. Декинг, Х. Дельсим-Хашеми, А. Делсериис, Г. Ди Пирро, М. Дохлус, S.

Дюстерер, А. Экхардт, Х. Эдвардс, Б. Фаатц, Й. Фельдхаус, К. Флёттманн, Й. Фриш,

Л. Фрёлих, Т. Гарви, У. Генш, К. Герт, М. Гёрлер, Н. Голубева, Х.-Ж. Грабоша,

М.Греки, О. Гримм, К. Хакер, У. Хан, Дж. Х. Хан, К. Хонкаваара, Т. Хотт, М.

Хюнинг, Ю. Иванисенко, Э. Яешке, В. Ялмузна, Т. Езински, Р. Каммеринг, В.

Каталев, К. Кавана, Э. Кеннеди, С. Ходячих, К. Клозе, В. Кочарян, М.

Кёрфер, М. Коллеве, В. Копрек, С. Корепанов, Д. Костин, М. Красильников, Г. Кубе,

М. Кульман, CLS Льюис, Л. Лилье, Т. Лимберг, Д. Липка, Ф. Лёль, Х. Луна, М.

Луонг, М. Мартинс, М. Мейер, П. Мичелато, В.Miltchev, W.D. Möller, L. Monaco,

W.F.O. Мюллер, О. Наперальски, О. Наполи, П. Николози, Д. Нелле, Т. Нуньес, А. Оппельт,

К. Пагани, Р. Папарелла, Н. Пчалек, Х. Педрегоса-Гутьеррес, Б. Петерсен, Б.

Петросян, Г. Петросян, Л. Петросян, Я. Пюгер, Э. Пленьес, Л. Полетто, К. Позняк,

Э. Прат, Д. Прох, П. Пуцик, П. Радцлише, Х. Redlin, K. Rehlich, M. Richter, M.

Roehrs, J. Roensch, R. Romaniuk, M. Ross, J. Rossbach, V. Rybnikov, M. Sachwitz,

E.L. Saldin, W. Sandner, H. Schlarb, B. Schmidt, M. Schmitz, P. Schmüser, J.R.

Schneider, E.A. Шнайдмиллер, С. Шнепп, С. Шрайбер, М. Зайдель, Д. Серторе, А.В.

Шабунов, К. Саймон, С. Симрок, Э. Сомбровски, А.А. Сорокин, П. Спанкнебель, Р.

Спесывцев, Л. Стайков, Б. Стефен, Ф. Стефан, Ф. Стулле, Х. Том, К. Тидтке, М.

Тишер, С. Толейкис, Р. Треуш, Д. Тринес, И. Цаков, Э. Фогель, Т. Вейланд, Х. Вайзе,

М. Веллхёфер, М. Вендт, И.Уилл, А. Винтер, К. Виттенбург, В. Вюрт, П. Йейтс, М.

В. Юрков, И. Загороднов, К. Запфе, Работа лазера на свободных электронах от крайнего ультрафиолета

до воды окно, нац. Фотон. 1 (6) (2007) 336–342.

https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.76.

[36] D. Pile, Рентгеновские лучи: первый свет от sacla, Nat. Фотон. 5 (8) (2011) 456, https://doi.org/

10.1038 / nphoton.2011.178.

[37] Дж. М. Лю, Простая методика измерения размеров пятна импульсного гауссова луча,

Опт.Lett. 7 (5) (1982) 196, https://doi.org/10.1364/OL.7.000196.

[38] Я. Халупски, Я. Кшивински, Л. Юха, В. Хайкова, Я. Цихелка, Т. Буриан, Л. Вышин,

Я. Годен, А. Глисон, М. Юрек, А.Р. Хорсанд, Д. Клингер, Х. Вабниц,

Р. Соберайски, М. Штёрмер, К. Тидтке, С. Толейкис, Определение размеров пятна

сфокусированных негауссовых лазерных пучков рентгеновского излучения, Опт. Exp. 18 (26) (2010) 27836, https: //

doi.org/10.1364/OE.18.027836.

[39] Дж.Халупски, Т. Буриан, В. Хайкова, Л. Юха, Т. Полкар, Й. Годин, М. Нагасоно,

Р. Соберайски, М. Ябаши, Я. Кшивински, Сканирование флуоресценции: неизученное свойство

лазерный луч, Опт. Exp. 21 (22) (2013) 26363, https://doi.org/10.1364/OE.21.

026363.

[40] M. Wen, I.V. Кожевников, Ф. Сиверт, А.В. Бузмаков, К. Се, К. Хуанг, З. Ван,

Л. Самойлова, Х. Синн, Влияние шероховатости поверхности на поглощение рентгеновских лучей зеркалами

, работающими при чрезвычайно малых углах скольжения, Опт.Exp. 26 (16) (2018)

21003–21018, https://doi.org/10.1364/OE.26.021003.

[41] Б. Зиаджа, Р.А. Лондон, Дж. Хайду, Унифицированная модель вторичных электронных каскадов в алмазе

, J. Appl. Phys. 97 (6) (2005) 064905, https://doi.org/10.1063/1.

1853494.

[42] K. Mecseki, H. Höppner, M. Büscher, V. Tkachenko, N. Medvedev, J.J. Bekx,

V. Lipp, P. Piekarz, M. Windeler, J.W.G. Тиш, Д.Дж. Walke, M. Nakatsutsumi,

M.J. Prandolini, J.M. Glownia, T. Sato, M. Sikorski, M. Chollet, U. Teubner,

J. Robinson, S. Toleikis, B. Ziaja, F. Tavella, Быстрые вторичные процессы, индуцированные жестким рентгеновским излучением,

в твердых телах, Прил. Phys. Lett. 113 (11) (2018) 114102,

https://doi.org/10.1063/1.5046070.

[43] Д. Каллен, Обзор энергий связи атомов для использования в эпосах, 2017, Tech. респ.,

Вена, 2018.

[44] Ю.-К. Ким, М.Е. Радд, Модель двойного столкновения-диполя для ионизации электронным ударом,

, Phys.Ред. A 50 (5) (1994) 3954, https://doi.org/10.1103/PhysRevA.50.3954.

[45] Т.М. Дженкинс, В.Р. Нельсон, А. Ринди, Перенос электронов и

фотонов методом Монте-Карло. 38 Springer Science & Business Media, 2012.

[46] И. Милов, В. Липп, Н. Медведев, И.А. Махоткин, Э. Луис, Ф. Бийкерк, Моделирование

XUV-индуцированных повреждений в пленках Ru: роль параметров модели, Josa B 35 (10)

(2018) B43 – B53, https://doi.org /10.1364/JOSAB.35.000B43.

[47] С.И. Анисимов, Б. Капелиович, Т. Перельман, Эмиссия электронов с поверхности металла

граней при воздействии ультракоротких лазерных импульсов, Сов. Phys. ЖЭТФ 39 ​​(1974) 375–377.

[48] Ю.В. Петров, Н.А.Иногамов, К. Мигдал, Теплопроводность и электрон-ионный коэффициент теплоотдачи

в конденсированных средах с сильно возбужденной электронной системой sub-

, Письма в ЖЭТФ. 97 (1) (2013) 20–27, https://doi.org/10.1134/

S0021364013010098.

[49] Н.А.Иногамов, Ю.Петров В. Жаховский, В. Хохлов, Б.Я. Демаске,

Ашитков С. Хищенко, К. Мигдал, М. Агранат, С.И.Анисимов,

В.Е. Фортов, Двухтемпературные термодинамические и кинетические свойства переходных металлов

, облученных фемтосекундными лазерами, AIP Conf. Proc. 1464 (2012) 593–608,

https://doi.org/10.1063/1.4739912.

[50] Ретфельд Б., Иванов Д.С., Гарсия М.Е., Анисимов С.И. Моделирование сверхбыстрого лазерного аб-

lation, J.Phys. D 50 (19) (2017) 193001, https://doi.org/10.1088/1361-6463/50/

19/193001.

[51] Ю.Б. Зельдович, Ю. Райзер, Физика ударных волн и высоких температур

Гидродинамические явления, Academic Press, NY, 1967, https://doi.org/10.1016/

B978-0-12-395672-9.X5001-2.

[52] M.L. Уилкинс, Компьютерное моделирование динамических явлений, Springer Science &

Business Media, 2013.

[53] H.B. Майклсон, Работа выхода элементов и ее периодичность, J.Прил.

Phys. 48 (11) (1977) 4729–4733, https://doi.org/10.1063/1.323539.

[54] Н. Медведев, Кинетика электронов, индуцированных фемтосекундным рентгеновским излучением в диэлектриках: приложение

для монитора длительности импульсов ЛСЭ, Прикл. Phys. B 118 (3) (2015) 417–429, https: //

doi.org/10.1007/s00340-015-6005-4.

[55] Л.В. Жигилей В.А., Линь З., Иванов Д.С.Атомистическое моделирование короткоимпульсной лазерной абляции металлов

: связь плавления, скалывания и фазового взрыва.Phys.

Милов И. и др. Прикладная наука о поверхности 501 (2020) 143973

12

Работа в команде делает свет еще ярче

ИЗОБРАЖЕНИЕ: Электрический ток и лазерный свет объединяются в золотой наноразмерной щели, вызывая драматическую вспышку света. Это явление может быть полезно для нанофотонных переключателей в компьютерных микросхемах и для …
посмотреть еще

Кредит: Исследовательская группа Natelson / Университет Райса

ХЬЮСТОН — (18 марта 2021 г.) — Если вы ищете способ максимизировать выход фотонов из плазмонов, остановитесь.Чтобы поссориться, нужны двое.

Физики из Университета Райса столкнулись с явлением, которое усиливает свет от наноразмерного устройства более чем в 1000 раз сильнее, чем они ожидали.

Если смотреть на свет, исходящий от плазмонного перехода, микроскопического зазора между двумя золотыми нанопроволочками, возникают условия, в которых применение оптической или электрической энергии по отдельности вызывает лишь небольшое количество светового излучения. Однако применение обоих вместе вызывало вспышку света, которая намного превышала мощность каждого отдельного стимула.

Исследователи во главе с физиком Райс Дугласом Нательсоном и ведущими авторами Лунцзи Цуй и Юньсюань Чжу обнаружили эффект, продолжая эксперименты, в ходе которых было обнаружено, что пропускание тока через зазор увеличивает количество светоизлучающих электронов «горячего носителя» в электродах.

Теперь они знают, что добавление энергии лазера к тому же переходу делает его еще ярче. Эффект может быть использован для создания нанофотонных переключателей для компьютерных микросхем и для современных фотокатализаторов.

Подробности опубликованы в журнале Nano Letters Американского химического общества.

«Давно известно, что можно получить световое излучение от этих крошечных структур», — сказал Нательсон. «В нашей предыдущей работе мы показали, что плазмоны играют важную роль в генерации очень горячих носителей заряда, эквивалентных нескольким тысячам градусов».

Плазмоны — это волны заряда, которые переносят энергию и при срабатывании проходят через поверхность определенных металлов, включая золото.В механизме, управляемом напряжением, электроны туннелируют через зазор, возбуждая плазмоны, что приводит к рекомбинации горячих электронов с электронными «дырками» и испусканию фотонов в процессе.

Хотя в то время эффект казался впечатляющим, он бледнел по сравнению с новым открытием.

«Мне нравится идея« 1 + 1 = 1000 », — сказал Нательсон. «Вы делаете две вещи, каждая из которых не дает вам много света в этом энергетическом диапазоне, но вместе, святая корова! Излучается много света.«

По его словам, конкретные механизмы заслуживают дальнейшего изучения. Одна из возможностей заключается в том, что оптические и электрические приводы объединяются для увеличения генерации горячих электронов. Альтернативой является усиление излучения света за счет антистоксова электронного рамановского рассеяния. В этом процессе входящий свет побуждает уже возбужденные горячие носители релаксировать обратно в свое основное состояние, высвобождая больше фотонов.

«Что-то интересное происходит там, где каждого из этих индивидуальных возбуждений недостаточно, чтобы дать вам количество выходящего света», — сказал Нательсон.«Но сложите их вместе, и эффективная температура будет намного выше. Это одно из возможных объяснений: световой поток является экспоненциальной функцией от температуры. Достижение такой эффективной температуры занимает сотни фемтосекунд.

«Рамановский механизм более тонкий, когда свет проникает, забирает энергию из напряжения, и даже более сильный свет выходит», — сказал он. «Это происходит еще быстрее, поэтому эксперимент, зависящий от времени, вероятно, поможет нам выяснить доминирующий механизм.

«Причина в том, что это аккуратно, в том, что вы, в принципе, можете соединить электрический привод и свет, чтобы делать все, что угодно», — сказал Нательсон. «Если картина с горячим носителем верна, есть возможность провести интересную химию».

Соавторами статьи являются Питер Нордландер, заведующий кафедрой физики и астрономии Wiess, профессор электротехнической и компьютерной инженерии, материаловедения и наноинженерии в Райсе, и Массимилиано Ди Вентра, профессор физики Калифорнийского университета, Сан Диего.Цуй, бывший научный сотрудник Райс, сейчас является доцентом кафедры машиностроения, материаловедения и инженерии в Университете Колорадо в Боулдере. Чжу — аспирант Райс. Нательсон — заведующий кафедрой и профессор физики и астрономии, а также профессор электротехники и вычислительной техники, материаловедения и наноинженерии.

###

Стипендия Дж. Эванса Аттуэлла Велча, Институт Смолли-Керла Райс, Фонд Роберта А. Уэлча, Университет Колорадо и Национальный научный фонд поддержали исследование.

Читайте аннотацию по адресу https: / / pubs. acs. org / doi / 10. 1021/ acs. нанолет. 1c00503 .

Этот выпуск новостей можно найти в Интернете по адресу https: / / news. рис. edu / 2021/ 03/ 18/ командная работа-заставляет-свет-сиять-всегда-ярче / .

Следите за новостями Райс и связями со СМИ через Twitter @RiceUNews.

Сопутствующие материалы:

Яркая идея Rice lab — чистое золото: http: // news. рис. edu / 2020/ 06/ 29/ ris-labs-bright-idea-is-pure-gold-2/

Natelson Research Group: https: / / natelson. веб. рис. edu / group. HTML

Лунцзи Цуй: https: / / www. колорадо. edu / механический / longji-cui

Nordlander Nanophotonics Group: http: // nordlander. рис. edu

Массимилиано Ди Вентра: https: / / diventra. физика. ucsd. edu

Райс Кафедра физики и астрономии: https: / / Physics. рис. edu

Школа естественных наук Wiess: https: / / naturalsciences. рис. edu

Изображение для загрузки:

https: / / новостная сеть. рис. edu / новости / файлов / 2021/ 03/ 0322_LIGHT-1-WEB. jpg

Электрический ток и лазерный свет объединяются в золотой нанощели, чтобы вызвать драматическую вспышку света. Это явление может быть полезно для нанофотонных переключателей в компьютерных микросхемах и для современных фотокатализаторов.(Источник: Исследовательская группа Natelson / Университет Райса)

Расположенный в лесном кампусе площадью 300 акров в Хьюстоне, Университет Райса неизменно входит в 20 лучших университетов страны по версии U.S. News & World Report. Райс имеет уважаемые школы архитектуры, бизнеса, непрерывного образования, инженерии, гуманитарных наук, музыки, естественных и социальных наук, а также является домом для Института государственной политики Бейкера. С 3978 студентами бакалавриата и 3192 аспирантами соотношение студентов бакалавриата и преподавателей Райс составляет чуть менее 6: 1.Его система колледжей-интернатов способствует созданию сплоченных сообществ и дружбы на всю жизнь. Это одна из причин, по которой Райс занимает первое место по количеству взаимодействий между расами и классами и №1 по качеству жизни согласно Princeton Review. Райс также оценивается как лучшее соотношение цены и качества среди частных университетов по версии Kiplinger Personal Finance.

Джефф Фальк

713-348-6775

[email protected]

Майк Уильямс

713-348-6728

[email protected]

Заявление об отказе от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

.