аттосекундный лазер

Настройка струны до нужной ноты: лазерный импульс подстраивают так, чтобы гармоники звучали в унисон на килоэлектронвольтных частотах. Свет, который мы видим, колеблется с частотой в сотни триллионов раз в секунду.

Кузнец раздувает мехи, и медленный поток воздуха превращается в острую струю, способную разжечь пламя. Примерно так же физики обращаются со светом: берут длинный лазерный импульс и сжимают его в короткую мощную вспышку. В новой работе французские учёные сжали импульс коммерческого лазера на иттербии в 65 раз, доведя его длительность до 6,2 фемтосекунды.

Когда мощный лазерный импульс попадает в газовую среду, он ионизирует атомы — вырывает электроны, — и разгоняет их до релятивистских скоростей, близких к скорости света. Эти высокоэнергичные электроны, пролетая через плазму, испускают рентгеновское излучение, подобно светящемуся следу от быстрой частицы.

Стрелок целится в мишень, нажимает на спуск — и слышит два выстрела: один громкий, другой тихий. Так работает новая установка, только вместо пуль — электронный сгусток, а вместо выстрелов — две вспышки света. Одна вспышка рентгеновская, другая — терагерцовая. Они летят в одну точку с идеальным интервалом.

Два электрона, вылетевшие с кончика металлической иглы почти одновременно, начинают расталкиваться — это проявление кулоновского отталкивания одноимённых зарядов. Аналогия: два человека, которые одновременно протискиваются в узкую дверь: чем ближе они друг к другу, тем сильнее мешают.

Сверхпроводящий кубит — базовый элемент квантового процессора — сравним с капризным музыкальным инструментом: пока его не настроишь, чистой ноты не жди. Но даже после настройки звук плывёт. Виновники деградации квантового состояния — микроскопические дефекты в материале, известные физикам как двухуровневые системы (ДУС).

В безмолвном океане Галактики зрелые цивилизации, вероятно, давно избрали неожиданную стратегию: вместо громогласных маяков они рассеивают тихих светлячков — автономные межзвёздные лазерные маяки, дрейфующие в пустоте и роняющие микросекундные вспышки. Эти «семена контакта» не привязаны к родным звёздам и не гаснут в их сиянии.

Световая волна никогда не бывает идеально ровной: её постоянно колеблет квантовая рябь — фундаментальные флуктуации, предсказанные квантовой теорией. Эти почти невидимые толчки изучал нобелевский лауреат Рой Глаубер, заложивший основы квантовой оптики — науки о поведении света на микроуровне.

3I/ATLAS ворвался в Солнечную систему как незваный гость, подарок судьбы для охотников за внеземным разумом. Этот кометоподобный странник из глубин Галактики пролетел достаточно близко, чтобы его можно было расслышать во всех подробностях — в отличие от далёких экзопланет.

Заряженная частица проносится сквозь кремниевый датчик и оставляет за собой след из свободных электронов. Время, за которое этот заряд соберётся на электроде, зависит от того, насколько глубоко в толще кристалла он родился. Частица, влетающая прямо, прочерчивает одинаковые дорожки в соседних пикселях — и их сигналы приходят почти синхронно.

Нейтронные звёзды — сверхплотные остатки массивных светил, где вещество сжато до ядерной плотности. Предел их устойчивости впервые описал Субраманьян Чандрасекар. Магнитары — экзотическая разновидность нейтронных звёзд, обладающая магнитным полем в квадриллион раз мощнее земного.

В молекуле бензола электроны носятся вокруг ядер, как рой пчёл вокруг улья. Но этот рой не просто гудит — он пульсирует: каждые 856 аттосекунд электронное облако совершает полный цикл колебаний. А сам улей — ядра атомов углерода — качается медленнее, с периодом 36 фемтосекунд.

Обычно изотопы разделяют, цепляясь за разницу в весе ядра. Она крошечная — как если бы сортировали песчинки, отличающиеся на одну сотую миллиметра. Новый метод смотрит не на вес, а на вращение ядра — его спин. Лазер бьёт по молекулам дважды с короткой паузой.

Лазер бьёт по мишени из тонких проволочек — и за десятки фемтосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды) выбивает из них поток протонов. Эти протоны влетают в конвертер из лития и дейтерия, где рождаются нейтроны.

Обычная фотовспышка длится тысячные доли секунды. Аттосекундный импульс в триллион раз короче — за время его действия свет проходит расстояние меньше размера атома. Такие вспышки работают как сверхскоростной затвор: они замораживают движение электронов, позволяя увидеть, как те перескакивают между орбиталями или участвуют в химической реакции.

Обычная фотовспышка замирает на сотых долях секунды — но для атомов это вечность. Внутри молекул электроны перескакивают за аттосекунды: миллиардные доли миллиардной доли секунды. Чтобы заснять такое, нужен импульс света короче самого события. Физики берут пучок электронов в линейном ускорителе и сжимают его так, что отдельные сгустки становятся тоньше волоса — по времени.

Свет может нести информацию быстрее, чем любая электроника. Но обычно между компьютером и лазером стоит цифро-аналоговый преобразователь — устройство, которое превращает нули и единицы в электрические сигналы. Оно и тормозит весь процесс. Новый передатчик обходится без этого посредника.

Электрон в атоме похож на теннисиста, который ждёт подачу. Световая вспышка — это мяч, летящий со скоростью, которую невозможно разглядеть глазом. Новый прибор ловит момент, когда ракетка касается мяча, с точностью, о которой раньше не мечтали. Установка использует два лазерных луча: один бьёт по атому, второй служит секундомером.

Лазерная вспышка длительностью 50 фемтосекунд — это как выстрел, который длится одну миллиардную долю секунды. За это время свет успевает пройти всего 15 микрометров — меньше толщины человеческого волоса. Но если такую вспышку пропустить через усилитель, она начинает растягиваться, как резиновая лента, и теряет свою остроту.

Когда свет выбивает электрон из атома, тот улетает, как мяч, брошенный в толпе. Учёные давно хотели узнать, в какой именно момент каждый электрон покинул атом, но прямое измерение мешало самому процессу. Теперь физики предложили способ, который использует вторую вспышку света, чтобы «сфотографировать» момент рождения электрона.

Свет — это не просто луч, а волна, у которой есть электрическое поле, меняющееся со скоростью, невообразимой для обычных часов. До сих пор это поле удавалось измерить лишь в одной точке, как температуру одним градусником. Теперь исследователи создали метод, который показывает всё поле сразу, как тепловизор показывает карту тепла.

Повар пробует суп после каждой щепотки соли и тут же решает, что добавить дальше. Примерно так работает новая установка для выращивания тонких кристаллических плёнок. Только вместо вкуса — картинка с электронного микроскопа, а вместо повара — компьютерная программа. Обычно, чтобы получить плёнку нужного состава, приходится перебирать десятки сочетаний температуры, давления и состава паров.

Лазерный импульс, бегущий сквозь плазму, подобен бегуну, прокладывающему себе дорогу в толпе. Он расталкивает электроны, оставляя за собой разреженный канал — как расступается толпа за спринтером. В этом канале гребень световой волны движется чуть быстрее, чем свет в вакууме, и именно эта скорость определяет, насколько эффективно импульс передаёт энергию частицам.

Ультрафиолетовый свет с длиной волны около 300 нанометров невидим для глаза, но он умеет разрушать ДНК микробов, заставлять светиться некоторые вещества и переносить информацию. До сих пор лазеры в этом диапазоне были громоздкими, дорогими или недолговечными.

Короткий лазерный импульс бьёт в воздух — и на месте удара вспыхивает крошечная молния. Она живёт дольше, чем кажется: яркое свечение видно ещё полмиллисекунды, а слабое — почти двадцать миллисекунд. Всё это время внутри плазмы носятся свободные электроны, и учёные впервые точно измерили, сколько их и насколько они горячие.

Обычная фотовспышка длится тысячную долю секунды. Новая установка в венгерской лаборатории ELI ALPS делает вспышки в миллиард раз короче. Каждая такая вспышка — это несколько сотен колебаний световой волны, упакованных в промежуток времени, за который свет проходит расстояние меньше толщины человеческого волоса. Свет такой яркости способен выбивать из атомов не один электрон, а сразу два.

Обычный свет всегда немного дрожит: его яркость и цвет колеблются, как воздух в надутом шарике после толчка. В сжатом свете эти квантовые флуктуации перераспределяют — словно шарик сдавливают с одной стороны, делая здесь тоньше, а там толще, но общий объём тот же. Так жертвуют точностью в одном параметре, например амплитуде, чтобы выиграть в другом, например фазе.

Светлячок вспыхивает на одну десятимиллиардную долю секунды где-то над сибирской тайгой. Увидеть такое невозможно, но установка TAIGA-HiSCORE, разбросанная по долине в Тункинском районе Бурятии, пыталась поймать именно такие вспышки — только не от насекомых, а из глубин космоса. Обычно эта система из множества светочувствительных детекторов ловит частицы космических лучей, которые врезаются в атмосферу Земли.