уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

Когда лазерный импульс попадает в атом, он вырывает электрон. В классической картине свет — это гладкая электромагнитная волна, и чем выше её интенсивность, тем сильнее ускоряется электрон.

Когда две чёрные дыры сливаются, по ткани пространства-времени разбегаются круги — гравитационные волны. Но что, если на месте одной из них не привычная чёрная дыра, а нечто иное — экзотический компактный объект? Теория допускает, что у него нет горизонта событий, а есть отражающая поверхность.

На стене — чередование светлых и темных полос. Это классическая интерференционная картина, где свет, складываясь, гасит сам себя. Ещё в XVII веке Христиан Гюйгенс выдвинул гипотезу: свет — это волна. Однако решающий эксперимент поставили Араго и Френель в начале XIX века.

В 2021 году обсерватория LHAASO зарегистрировала гамма-кванты с энергией свыше петаэлектронвольта от источников вроде Крабовидной туманности — остатка взрыва сверхновой, в центре которой пульсирует нейтронная звезда.

Протонный сгусток влетает в облако плазмы — и за ним остаётся невидимый след: электрическая волна. Эта волна может подхватить другие частицы и разогнать их до огромных энергий. Но управлять ею трудно: слишком много деталей в поведении плазмы. Карл Шварцшильд когда-то искал простые решения сложных уравнений — здесь нужен похожий подход.

Представьте художника, чей холст — целая планета, а палитра — молекулы, пьющие звёздный свет. Его кисть — миллиарды лет эволюции, а картина — спектральный портрет, заметный даже из другой звёздной системы. Этот художник — фотосинтез, и именно его работы астробиологи надеются отыскать на далёких экзопланетах.

Чем тоньше сегнетоэлектрическая плёнка, тем сильнее деполяризующее поле — диктат классической физики. Представьте карандаш, балансирующий на кончике пальца: чем короче, тем труднее удержать вертикально. Так и нанометровая поляризация норовит исчезнуть.

Сёрфер на доске скользит по глади океана, пока не приходит большая волна — и вот он уже летит вперёд. Примерно так же свободный электрон взаимодействует со светом: обычно обмен энергией едва заметен, но если среда вокруг начинает ритмично меняться, каждый гребень волны подталкивает частицу всё сильнее.

Свет падает на кристалл и выбивает электрон из его законного места. Остаётся пустота — дырка, которая ведёт себя как положительный заряд. Электрон и дырка притягиваются и кружатся друг вокруг друга, словно пара в медленном танце. Такая пара называется экситоном (от слова «возбуждение»). Но танец этот не в пустоте.

Понять фотоэффект — явление, при котором свет, падая на материал, выбивает из него электроны, — всё равно что учиться готовить без рецепта. На помощь приходят цифровые инструменты: игры дают интуитивное чутьё, симуляции — количественную точность. Исследователи провели эксперимент с участием 55 студентов, разделив их на две группы.

Когда электрический заряд движется с ускорением, он испускает электромагнитное излучение, то есть свет — это привычное явление в физике. Однако исследователи обнаружили, что при движении по специально подобранной траектории излучение приобретает необычные свойства.

Два массивных шара медленно расходятся в пустоте. С точки зрения обычной механики — ничего особенного. Но уравнения Эйнштейна говорят иначе: ускоряющиеся массы всколыхивают само пространство, и от них расходятся гравитационные волны — рябь, растягивающая и сжимающая всё на своём пути.

Чёрная дыра — область пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что покинуть её не может ничто, включая свет.

Обычный источник фотонов можно представить как вход в клуб с одним вышибалой. Он старается пропускать посетителей поодиночке, но иногда «парочки» просачиваются. В квантовой оптике это называют проблемой чистоты: фотоны должны излучаться строго по одному, иначе в квантовых вычислениях возникают ошибки.

Капля воды в сильном электрическом поле вытягивается. Так же ведёт себя и ядро дейтерия — связанная пара из протона и нейтрона, только поле здесь создаёт пролетающий гамма-квант, а вместо вытягивания ядро может просто развалиться на части. В Шанхайской лаборатории SLEGS этот процесс впервые изучили на густой сетке энергий — от 2,33 до 19,65 МэВ — и записали, как часто ядро не выдерживает.

Качели раскачиваются, только если толкать их в такт. Чуть собьёшься с ритма — и усилия пропадают даром. Примерно так же свет взаимодействует с атомным ядром: обычно фотон поглощается, лишь когда его энергия точно совпадает с разницей между ядерными уровнями. Но что делать, если энергия фотона не подходит? Авторы новой работы нашли обходной путь.

Скоростная камера, способная снимать движение электронов, — это аттосекундный интерферометр. Он посылает на вещество два лазерных импульса с крошечной задержкой. Первый, ультрафиолетовый, как вспышка, выбивает электрон из молекулы. Второй, инфракрасный, словно невидимая рука, слегка подталкивает или притормаживает этот электрон в полёте.

Молекула дейтерия — два атома тяжёлого водорода — разлетается под ударом лазера. Один электрон вырывается, оставляя после себя ион. В этот момент они ещё связаны: направление одного сразу подсказывает, куда полетел другой. Такая связь называется квантовой запутанностью.

Далекий квазар выглядит как четыре огонька, сложенные крестом. Так его показывает гравитация галактики, лежащей на луче зрения: она работает как неровное стекло и размножает изображение. Каждый огонёк — это один и тот же объект, но свет от него идёт разными путями. Поэтому, когда квазар вспыхивает, четыре картинки откликаются не одновременно и не одинаково.

Обычный лист чёрного фосфора похож на слоёный пирог из атомов. Если посветить на него обычной лампой, ничего особенного не произойдёт: электроны в нём сидят ровно, как зрители в тёмном зале. Но короткая вспышка лазера, длящаяся миллионные доли миллиардной секунды, встряхивает этот зал.

Квантовая точка — это как одиночная лампа, которая включается и выключается по команде лазера, испуская ровно один фотон за раз. Но у такого света есть особенность: фотоны не дружат между собой, они летят независимо, как случайные капли из крана.

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.

Обычно для получения терагерцовых волн (это свет между микроволнами и инфракрасным излучением) строят сэндвич из разных металлов. В нём один слой служит источником, а другой — приёмником зарядов. Платине в таких конструкциях отводили роль простого проводника. Но оказалось, что она может работать и в одиночку.

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.

В тёмной комнате атом и свет заперты вместе в зеркальной коробочке. Коробочка настолько мала, что атом не может просто так выпустить свет — они постоянно обмениваются энергией, как два танцора, которые не отпускают рук. Такая ультрасильная связь меняет сами правила игры: уровни энергии перестраиваются, и свет выходит наружу не обычными одиночными порциями, а целыми созвездиями.

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.

Свет — это поток фотонов, и обычно у фотона нет магнитного момента: он не отклоняется магнитом, как железные опилки. Но в очень сильном магнитном поле, сравнимом с критическим полем Швингера (около 4.4×$$10^{13}$$ Гаусс — в миллиарды раз сильнее, чем у магнита на холодильнике), у фотона появляется аномальный магнитный…

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.

Заряженная частица, закрученная магнитным полем, не молчит: она испускает свет. Такой свет называют синхротронным излучением, и он встречается везде — от далёких галактик до лабораторных ускорителей.

Если бы свет можно было разливать по бутылкам, учёные получили бы идеальный конвейер: одна бутылка — ровно один фотон, без капель мимо. Такие одиночные частицы света нужны квантовым компьютерам и защищённой связи: они переносят информацию, которую нельзя незаметно подслушать. Но выдавать фотоны по одному и точно в срок — задача посложнее, чем кажется.

На огромном поле светлячков, которые вспыхивают поодиночке, а не роем, ищет новая автоматическая установка. Она водит лазером по образцу, как фонариком, и в каждой точке записывает цвет и яркость свечения. Если где-то вспыхивает одиночный фотон — это и есть тот самый «светлячок», который нужен для квантовых компьютеров и защищённой связи.

Тончайший лист полупроводника — как плёнка мыльного пузыря, только из атомов вольфрама и селена. Если ткнуть в него острой алмазной иглой, в этом месте появятся крошечные дефекты. При низкой температуре эти дефекты начинают светиться — но не сплошным потоком, а строго по одному фотону за раз.

Уравнение диффузии — математический инструмент, описывающий, как частицы расползаются в пространстве, — долгое время рисовало парадоксальную картину: возмущение, словно круги на воде, мгновенно охватывает всю Вселенную. Это бросало вызов теории относительности, утверждающей, что ничто не может двигаться быстрее света.

Материал толщиной в один атом и рекордной чистоты — лишь один чужеродный атом на миллион — становится ареной удивительного явления. При охлаждении почти до абсолютного нуля электроны внутри, словно музыканты оркестра, замирают в строгом порядке, образуя электронный кристалл — состояние, предсказанное Юджином Вигнером почти век назад и потому называемое…

Мюон — это как электрон, только в 200 раз тяжелее. Когда он останавливается в куске кремния, его затягивает в атомное ядро, как магнит затягивает гвоздь. Ядро получает лишнюю энергию и начинает «вскипать»: из него вылетают разные частицы — протоны, дейтроны, тритоны и альфа-частицы.

Быстрые радиовсплески — это яркие космические вспышки, которые, подобно стартовому сигналу, запускают гонку радиоволн через Вселенную. Астрономы использовали их как естественную лабораторию, чтобы проверить, обладает ли массой фотон — квант света, частица-переносчик электромагнитного взаимодействия.

Крошечное остриё из вольфрама радиусом меньше ста нанометров — идеальная сцена для наблюдения квантового спектакля. Стоит приложить электрическое поле в несколько вольт на нанометр, как из металла начинают вылетать электроны — идёт полевая эмиссия. Казалось бы, старый, как сама квантовая механика, эффект, предсказанный ещё в 1928 году.

Свет бьёт по металлической пластинке, и из неё вылетают электроны. Это фотоэффект, и он работает только если у света хватает энергии перешагнуть порог, удерживающий электроны внутри. До сих пор физики умели строго описывать волновую сторону квантового мира через квантовую когерентность, то есть способность состояния быть суперпозицией.