Офер Нойфельд
Офер Нойфельд (англ. Ofer Neufeld) — израильский физик-теоретик, исследователь в области квантовой оптики, аттосекундной физики и сверхбыстрого взаимодействия света с веществом. В настоящее время занимает должность доцента (Assistant Professor) на химическом факультете им. Шулиха в институте Технион[1][2][3].
Биография[править]
Получил степень PhD в Технионе — Израильском технологическом институте, где занимался изучением атомной, молекулярной и оптической физики с упором на нелинейную оптику. Он разработал теоретические модели, позволяющие понять значение и роль симметрий во взаимодействии материи с экстремально интенсивными световыми полями, а также в спектроскопическом исследовании молекулярной хиральности.
В качестве стипендиата программы Schmidt Science Fellows Офер теоретически исследовал сильные взаимодействия света и материи в конденсированных средах, включая двумерные, сильнокоррелированные и топологические материалы. Работая в группе профессора Анхеля Рубио в Институте структуры и динамики материи Общества Макса Планка, он освоил передовые численные методы — в частности, теорию функционала плотности, зависящую от времени (в режиме реального времени). Это позволило ему предложить новые способы управления свойствами материалов и глубже понять физические механизмы сверхбыстрых процессов в твердых телах, индуцированных светом.
В качестве постдокторанта работал в Институте структуры и динамики материи Общества Макса Планка.
Офер активно занимается изучением фундаментальных физических явлений, связанных с взаимодействием света и материи, а также исследует возможности практического применения света для управления свойствами материи и совершенствования различных устройств.
Возглавляет собственную исследовательскую группу (Neufeld Ultrafast Quantum Dynamics Theory Group) в Технионе.
Генерация высоких гармоник расскажет о кольцевых токах молекул[править]
В сентябре 2019 года сообщалось:
Израильские физики придумали новый способ измерения кольцевых токов, текущих в атомах и молекулах. Для этого ученые сравнили, как происходит генерация высоких гармоник в спокойной среде, обладающей зеркальной симметрией, и возбужденной среде, по которой текут кольцевые токи. Чтобы проверить теорию, исследователи численно рассчитали поляризацию гармоник, генерируемых неоном и бензолом. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Когда говорят об электрическом токе, обычно представляют себе поток заряженных частиц, несущихся в пространстве. Тем не менее, концепцию электрического тока можно обобщить и на меньшие масштабы — например, на масштаб молекулы. В этом случае под током следует понимать когерентный волновой пакет, который состоит из нескольких связанных электронных состояний и имеет ненулевой угловой момент. Один из простейших примеров такого кольцевого тока — это возбужденный атом водорода, который находится в состоянии с ненулевым значением углового момента и магнитного квантового числа. Еще один известный пример — кольцевые токи, которые возникают в ароматических соединениях с обобществленными электронами (например, бензоле и нафталине).
Теоретически кольцевые токи позволяют управлять сверхбыстрыми процессами, которые происходят на масштабах нескольких нанометров. В частности, некоторые теоретики предлагают использовать кольцевые токи для проведения химических реакций между отдельными молекулами, создания топологически защищенных токов и генерации сверхсильных магнитных импульсов. Однако на практике все эти предложения упираются в несовершенство экспериментов, которые измеряли кольцевые токи.
Например, традиционные методики создания и измерения молекулярных кольцевых токов, которые полагаются на сильные магнитные поля, в принципе не способны ухватить быстрое движение электронного облака с характерным периодом движения порядка 10−15 секунды. Для современных экспериментов, в которых молекулы возбуждают с помощью лазерного импульса, а потом «фотографируют» с помощью еще одного импульса, также необходимы фотоэлектронные устройства с хорошим временны́м, угловым и энергетическим разрешением. Одновременно выполнить все три требования удалось впервые только в прошлом году. Поэтому ученые продолжают разрабатывать более простые и дешевые способы измерения кольцевых токов.
В частности, физики Офер Нойфельд (Ofer Neufeld) и Орен Коэн (Oren Cohen) предложили измерять кольцевые токи атомов среды, которая в обычных условиях обладает зеркальной симметрией, с помощью генерации высоких гармоник. Другими словами, ученые предложили возбуждать среду сильным лазерным лучом, а потом измерять спектр ее индуцированного излучения, частота которого в несколько десятков (а то и тысяч) раз больше частоты исходной волны. Симметрия системы в ходе этого процесса изменяться не должна. Поэтому атомы без кольцевых токов испускают гармоники с линейной поляризацией, а атомы с кольцевыми токами — эллиптически поляризованные волны. Следовательно, по поляризации излучения можно восстановить картину токов, которые текут в атомах среды. Для этого нужно возбудить в среде кольцевые токи с помощью лазера и сравнить спектр высоких гармоник со спектром в симметричном случае.
Сначала физики рассмотрели этот эффект теоретически: разбили гамильтониан атома на свободную часть и поправку, описывающую взаимодействие с лазерным импульсом, решили уравнение Шрёдингера, вытащили из него поляризацию излученной волны. При этом ученые воспользовались симметрией свободной системы, чтобы упростить выкладки. В результате исследователи вывели аналитическое выражение, которое связывает «эллиптичность» индуцированного излучения с силой кольцевого тока и интенсивностью излучения симметричной среды. Оказалось, что в пределе слабого тока зависимость «эллиптичности» от тока линейна, а в пределе сильных токов квадратична.
Затем ученые проверили полученные результаты с помощью численных расчетов в рамках зависящей от времени теории функционала плотности. В качестве примеров исследователи рассмотрели атом неона с квантовыми числами l=1, m=±1 и молекулу бензола. Полученная численная зависимость практически в точности совпала с выведенным заранее аналитическим выражением (коэффициент детерминации R2>0,998). При этом учет взаимодействия между электронами практически не сказывался на результате.
Наконец, физики проверили, как эллиптичность индуцированного излучения зависит от задержки между импульсом, наводящим кольцевые токи, и «пробным» импульсом. Оказалось, что каждая гармоника осциллирует с разной частотой и амплитудой, хотя для большинства гармоник эти осцилляции практически незаметны. По словам ученых, этот эффект универсален для всех систем с кольцевыми токами — в частности, он наблюдался и в неоне, и в бензоле. В то же время, по этим осцилляциям можно восстановить квантовые состояния электронов и уточнить динамику кольцевого тока. Поэтому ученые надеются, что в будущем этот метод поможет более подробно исследовать свойства реальных кольцевых токов[4].
Физики научились управлять электронами в графене с помощью лазера[править]
В октябре 2026 года сообщалось:
Ученые из Хайфского Техниона с коллегами из Германии научились с помощью лазерных вспышек на мгновение менять свойства графена и управлять движением его электронов.
Графен – это лист углерода толщиной в один атом. Он родственник графита из карандашного грифеля, но гораздо интереснее. Он прочнее стального листа той же толщины, почти прозрачен и отлично проводит ток. Физики давно хотят управлять его электронами не с помощью электрического тока, а помощью света. Теперь это удалось группе Офера Нойфельда из Техниона и его коллегам из Германии. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
Опыт выглядит так. На графен направляют очень короткую и мощную вспышку лазера. Свет – это колебания электрического поля. Они раскачивают электроны в графене и выводят их из привычного спокойного состояния. Пока длится вспышка, электроны ведут себя так, будто находятся не в графене, а в другом веществе с новыми свойствами. Физики говорят, что материал "одет светом". Как только свет гаснет, все возвращается к норме, так что новое состояние живет лишь мгновение.
Именно в это мгновение исследователи посылали на графен вторую вспышку и смотрели, какой ток возникает в материале. Здесь важна поляризация света, то есть направление, в котором колеблется его поле. Это направление может вращаться по часовой стрелке или против нее. Оказалось, что от направления вращения зависит, как потечет ток. Если менять направление вращения и точно подбирать промежуток между вспышками, можно управлять движением электронов.
Теоретики в последние годы предсказывали, что свет может на время менять свойства материалов. Новая работа подтверждает эти идеи на опыте. Кроме того, она впервые показывает, что электронами в таком состоянии можно активно управлять.
"Значение работы выходит за рамки графена, – говорит Нойфельд. – Мы считаем, что наши результаты помогут создать более быстрые и энергоэффективные электронные компоненты, а также системы связи, сенсоры и вычислительные устройства, свойства которых можно включать и выключать светом"[5].