анизотропное распространение света

Качели, которые раскачиваются на горке с зубцами, ведут себя странно: без толчков они застревают в первой же впадине, а от ритмичных ударов могут поехать вверх, вниз или замереть. Именно такую картину увидели физики, когда посадили одну пылинку в ловушку с пилообразным дном и начали поочерёдно толкать её лазерными лучами. Пылинка размером 13 микрометров при лёгких толчках разгонялась до 0,95 мм/с.

Капля воды на плёнке фторполимера сначала ведёт себя как положено: лежит и испаряется. Но стоит ей уменьшиться до четверти начального размера, как она срывается с места и за доли секунды проскакивает расстояние, в несколько раз превышающее её собственный радиус. Дальше она ползёт медленно, но упорно, оставляя за собой невидимый след из электрических зарядов.

Волновой пакет похож на путешественника, который то теряет силы и расплывается по дороге, то держит строй, то собирается в кулак. В 50-метровом лотке с водой глубиной 5 метров учёные проследили, как ведёт себя колоколообразная группа волн, когда у неё меняют высоту, но не ширину. Гауссов пакет — это волна с плавным подъёмом и спадом, как холм на воде.

Толпа у входа в узкий коридор ведёт себя не так, как в просторном зале: одних прижимает к стенам, других выталкивает вперёд. Примерно то же происходит, когда вытянутая частица оказывается в жидкости, кишащей самодвижущимися гантелями. До сих пор было неясно, почему такая частица движется вдоль длинной оси быстрее, чем поперёк, и как плотность толпы влияет на её скорость.

Ночное небо кажется спокойным, но на самом деле оно пронизано невидимым дождём из заряженных частиц — космических лучей. Учёные давно пытаются понять, где рождаются самые энергичные из них. До недавнего времени считалось, что наша Галактика поставляет частицы вплоть до энергии около 4 ЭэВ — так называемой «лодыжки» на спектре.

Свет, рождающийся при влёте быстрого электрона в материал, обычно считают изотропным — одинаковым во всех направлениях. Но в кристаллах, где оптические свойства зависят от направления, это не так. Проведите рукой по бархату: в одну сторону он гладкий и блестит, в другую — тёмный и шероховатый. Так и кристалл по-разному реагирует на свет в зависимости от своей ориентации.

Кристалл похож на город с разными улицами: по одним машины едут быстро и далеко, по другим — медленно и вязнут. В слоистом материале CrPS₄ магнитные волны, переносящие спин (собственный момент частицы), ведут себя так же. Вдоль одной оси кристалла они бегут в 2,2 раза быстрее и проходят в 2,7 раза дальше, чем вдоль другой.

Пульсар PSR J1740+1000 — это нейтронная звезда размером с город, вращающаяся быстрее кухонного блендера. После взрыва сверхновой от неё осталось сверхплотное ядро, разгоняющее заряженные частицы до скоростей, близких к световой.

Бросьте горсть песка на стол — песчинки разлетятся во все стороны одинаково. Но если под столом спрятан магнит, а песок железный, траектории станут хитрее: на хаос наложится невидимая глазу структура. Примерно так устроено движение молекул внутри живой клетки.

В 1433 парах галактик, разбросанных по небу, астрономы заметили необычный узор. Соседи, оказавшиеся «над» или «под» массивной звёздной системой, содержат до четверти больше кислорода, чем те, что лежат в плоскости её диска.

Кристалл, похожий на стопку блинов, положили на гладкую подложку из оксида магния. Получилась плёнка толщиной в сотни атомов. Когда через неё пустили ток и включили магнит, сопротивление выросло почти на четверть — на 22,5% при поле 9 тесла. Внутри плёнки электричество переносят два потока частиц. Одни — быстрые и лёгкие, как мотоциклисты на свободной трассе.

Если посветить на кристалл FePS3, он ответит собственным свечением — как неоновая вывеска, но гораздо слабее и в инфракрасном диапазоне. Свечение это не случайное: оно зависит от того, как повёрнут кристалл. Учёные взяли образцы от толстого куска до слоя в один атом и увидели четыре полосы света — при 1,24 электронвольта, 1,79, 2,3 и 2,56.

Тонкая плёнка для солнечной батареи или экрана — как плотная толпа на площади: каждый человек повёрнут в свою сторону, и от того, куда смотрят все, зависит, пройдёт ли свет сквозь толпу или застрянет. В органической электронике роль прохожих играют молекулы. До сих пор приборы могли измерить только общее направление толпы — средний наклон голов и разброс.

Лимфатические сосуды — это транспортная сеть с односторонним движением. По ним жидкость течёт только вперёд благодаря крошечным клапанам-лепесткам. Эти структуры открываются лишь в одну сторону, создавая асимметрию — направленность, без которой поток бы остановился.

Луч лазера, закрученный в спираль, похож на воронку в раковине: свет движется не только вперёд, но и по кругу. Такие вихревые лучи уже помогают двигать крошечные частицы и передавать больше данных. Но стоит им пройти через неоднородную среду — и вихрь распадается, как вода из дырявого ведра. Фотоника — наука о свете в микрочипах — нашла способ удержать вихрь.

В кристалле титаната бария есть встроенное электрическое поле — как у постоянного магнита, только для зарядов. Когда туда попадает вспышка света, она выбивает электроны, и те начинают метаться, сталкиваясь с атомами. Но кристалл не одинаков во всех направлениях: у него есть ось, вдоль которой поле самое сильное.

Обычное оконное стекло кажется застывшим навеки, но внутри него атомы никогда не стоят на месте. В аморфном теллуриде германия (GeTe) — материале, который используют в перезаписываемых дисках и энергонезависимой памяти, — физики впервые напрямую проследили, как атомные связи растягиваются и сгибаются за триллионные доли секунды.

Представьте реку: вода течёт в одну сторону, а волна на её поверхности движется в противоположную. Этот парадокс — ключ к пониманию поведения света в гиперболических материалах. В них энергия световой волны и её волновые фронты расходятся в разных направлениях, что разрушает фокусировку и не даёт создать чёткую линзу.

Войлок напоминает спутанный клубок шерсти, но под рентгеном видно, что внутри него есть скрытые тропинки. Когда капля воды падает на такой материал, она не просто растекается по поверхности — часть жидкости ныряет вглубь, как вода в промокашку. Учёные впервые засняли этот процесс на рентгеновской камере, делающей сотни снимков в секунду. Секрет в иглах. Войлок делают, пробивая слой волокон иглами с зазубринами.

Хлопающая крышка от банки с вареньем — вот герой этой истории. Нажмёшь на неё, и она с громким щелчком перескакивает из выпуклого положения в вогнутое. Точно так же ведёт себя балка с шарниром внутри каждой ячейки новой механической решётки. Учёные собрали из таких хлопающих балок шестиугольную сетку — как соты, только из упругих пластинок. Когда одну балку резко сжимают, она перещёлкивается и толкает соседнюю.

В тонком слое кристалла электроны ведут себя иначе, чем в обычном куске металла. Им тесно, они чаще сталкиваются друг с другом и сильнее чувствуют форму решётки. Обычно такие состояния создают искусственно, собирая слои разных материалов. Но иногда природа делает всё сама. Кристалл MoOCl₂ — первый природный материал, в котором электронный газ настолько неоднороден по направлениям, что его называют гиперболическим.

Бросьте горсть камешков в ручей: одни лягут на дно, другие вода обогнёт. Примерно так ведут себя волны в неупорядоченной среде — свет в матовом стекле, звук в пористом материале. Обычно беспорядок тормозит движение: волна застревает, расплывается, теряет направление. Но в новой работе физики построили звуковую решётку, где всё иначе. Решётка — это цепочка полостей, соединённых трубками.

Свет, проходя через оконное стекло, преломляется одинаково во всех направлениях. Но в тонких слоистых кристаллах всё иначе: свет, идущий вдоль слоёв, видит материал иначе, чем свет, идущий поперёк. Это как если бы лист бумаги был прозрачным, но по-разному пропускал свет, направленный вдоль волокон и поперёк.

Бросьте горсть гороха в кастрюлю с манной крупой — горошины быстро утонут, расталкивая крупинки. Но если сделать крупу очень густой и липкой, горошины застрянут. Примерно так вели себя лёгкие атомы лития в облаке тяжёлых атомов калия при температуре в миллионные доли градуса выше абсолютного нуля. Обычно частица в газе движется как пьяный пешеход: шаг влево, шаг вправо, и в среднем уходит от старта всё дальше.

Свет от далёких галактик проходит через линзы телескопа, как через стопку оконных стёкол. Каждое стекло покрыто тонкой плёнкой, чтобы меньше бликовать. Но эта плёнка работает как поляризационный фильтр: одна составляющая световой волны проходит чуть свободнее, другая — чуть хуже. В результате волна слегка поворачивается, и телескоп видит не ту картину, что была в небе.

Вода в луже после дождя кружится не так, как в глубоком озере. Тонкий слой жидкости чувствует дно, и это меняет характер вихрей. Учёные создали такой слой в лаборатории: налили электролит, пропустили ток и магнитное поле, и жидкость пришла в движение. Затем с помощью камер и мелких частиц они отследили движение вплоть до самых маленьких вихрей, размером с долю миллиметра.

Тридцать нанометров — дистанция, на которой спринтер-фонон ещё не успевает разогнаться. В тонких плёнках нитрида алюминия тепловое сопротивление остаётся почти неизменным до этой толщины: перенос тепла идёт в баллистическом режиме, где фононы (кванты колебаний кристаллической решётки) летят без столкновений.