В Физическом институте им. П.Н. Лебедева прошёл семинар, на котором с докладом выступил руководитель исследовательской группы Агентства науки, технологий и исследований Сингапура доктор Л. Кривицкий. В докладе были изложены результаты исследования предела чувствительности палочек сетчатки африканской лягушки к возбуждению одиночными фотонами.

        Зрительный аппарат человека, оснащённый такими рецепторами как палочки и колбочки^[1], способен регистрировать слабые световые потоки до 100 фотонов, если предварительно подстроится под темноту. Проблема упирается в то, насколько отдельные палочки способны регистрировать единичные кванты света, ведь маловероятно, чтобы более чем один фотон попал на одну из 120 млн. палочек, выстилающих глазное дно.

    Статистически лишь около 10 % фотонов, испускаемых при световой вспышке, воздействуют на сетчатку глаза, остальные остаются непоглощёнными сетчаткой, частично рассеиваясь в массе глазного яблока.

    Проводившиеся ранее эксперименты показали, что палочки, облучённые световым импульсом небольшого количества фотонов, вызывали электрические сигналы дискретной амплитуды, что заставляет предположить, что наименьшие электрические сигналы могут быть вызваны поглощением единичных фотонов. Два фотона вызовут, предположительно, удвоенную амплитуду сигнала.

    Исследования механизма воздействия фотонов на сетчатку глаза лабораторных лягушек проводятся специалистами Агентства науки, технологий и исследований Сингапура. Исследовательская группа во главе с Леонидом Кривицким изучает чувствительность палочек сетчатки глаза одной из разновидностей африканских лягушек. Палочки, изъятые из глаза лягушки, подвергаются облучению единичными фотонами, последовательно испускаемыми источником.

    Ниже показано как фотоны, передаваемые по оптоволокну, попадают на палочку, удерживаемую в стеклянной пипетке, в которой закреплённые электроды регистрируют электрические сигналы, генерируемые палочкой.

    Схема эксперимента

    Предыдущие эксперименты выполнялись с использованием ламп накаливания и светодиодов, ослабленных под режим испускания импульсов с единичным фотоном. Распределение импульсов, несущих один, два и более фотонов, или ни одного, описывается распределением Пуассона^[2].

    Поскольку нельзя определить точное количество фотонов в импульсе, вызывающих реакцию образца, то вычисление эффективности детектирования единичного фотона представляет собой исследовательскую проблему.

    Для генерирования импульсов, содержащих собственно один фотон, группа Л. Кривицкого использовала метод, известный как параметрическое преобразование с понижением частоты. Для реализации метода использовался ультрафиолетовый лазер и кристалл бората бария, в котором один высокоэнергетический фотон преобразуется в пару низкоэнергетических фотонов видимого диапазона. Один из фотонов пары направляется к лавинному фотодиоду. Второй фотон отводится в световод, где по сигналу от лавинного фотодиода акустооптический модулятор направляет его к исследуемой палочке.

    «Особенностью этого эксперимента является то, что время работает против экспериментатора, – комментирует Л. Кривицкий. – После изъятия палочки из глаза лягушки есть только 2-3 часа, в течение которых палочка сохраняет жизнеспособность. А для того, чтобы исследуемый образец успел восстановиться, генерируемые импульсы должны следовать с частотой не более 10 в минуту. В этом смысле каждый фотон имеет значение для получения статистически точной картины процесса».

    Конец оптоволоконного канала играет важную роль, т.к. его закруглённая форма действует как линза, которая фокусирует световой пучок в пятно диаметром 4 мкм, что соответствует диаметру палочки сетчатки. Таким образом, достигается высокая эффективность взаимодействия палочки с фотонами.

    Результаты экспериментов с использованием 10 палочек, изъятых из 10 разных образцов, показали, что при попадании фотонов на палочку шанс получения электрического импульса – один из трёх. Полученные экспериментальные результаты оказались близки к значениям эффективности палочек человека, полученных ранее в поведенческих экспериментах. Предыдущие эксперименты, в которых использовались обычные световые импульсы для активизации палочек взятых из образцов глаз тростниковых жаб, показали эффективность детектирования фотонов 6 %.

    Эксперименты показали, что палочки сетчатки глаза лягушек функционируют с эффективностью, которую имеют коммерческие датчики, в том числе некоторые типы лавинных фотодиодов. Хотя в живых системах реакции палочек существенно более медленные.

    Доктор Николас Жизан – специалист по квантовой оптике Женевского университета – на вопрос, как получается, что зрительная система, даже при очень слабых световых сигналах реагирует почти мгновенно, ответил: «Насколько я представляю, на этот вопрос окончательного ответа пока нет. Но сам информационный процесс, который работает в этом механизме, – очень интересен».

В.Жебит, АНИ «ФИАН-информ»

______________________________

^[1]     Палочки и колбочки являются чувствительными рецепторами сетчатки глаза, преображающие световое раздражение в нервное, т.е. они преобразуют свет в электрические импульсы, которые по зрительному нерву поступают в мозг. Палочки ответственны за восприятие в условиях пониженного освещения (отвечают за ночное зрение), колбочки - за остроту зрения и цветовосприятие (дневное зрение) [http://proglaza.ru/stroenieglaza/palochki-kolbochki-setchatki-glaza.html]. К тексту

^[2]     Распределение Пуассона - дискретное распределение, описывающее схему редких событий: при некоторых предположениях о характере процесса появления случайных событий число событий, происшедших за фиксированный промежуток времени или в фиксированной области пространства. Примером может служить число частиц радиоактивного распада, зарегистрированных счетчиком в течении некоторого времени [http://www.statistica.ru/theory/raspredelenie-puassona/] К тексту