лазер на свободных электронах

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.

Чтобы заглянуть глубже в устройство мира, физики разгоняют электроны и сталкивают их между собой. У обычного электрона есть собственный момент импульса — спин, который можно представить как ось вращения крошечного волчка. В обычном пучке эти оси направлены хаотично.

В тесной шеренге атомов, замерших на расстоянии меньше длины световой волны, прячется удивительное состояние. Возбуждение распределено по всем частицам так, что их излучение гасит само себя — это субизлучательное состояние, коллективная квантовая «тишина».

Луч фонарика пробивается сквозь туман. Чем гуще туман, тем сильнее рассеивается свет и тем позже он достигает глаза. Похожий принцип работает с быстрыми радиовсплесками — загадочными сверхмощными импульсами из далёких галактик.

В центре почти каждой крупной галактики прячется сверхмассивная чёрная дыра, чью гравитационную бездну впервые математически описал Карл Шварцшильд. Когда она заглатывает газ, рождается ослепительное активное ядро — квазар.

Обычный микроскоп бессилен, если нужно разглядеть одиночный вирус во всех подробностях. Слишком мал. Но есть инструмент, который бьёт вспышками в миллиарды раз ярче солнечного света — рентгеновский лазер на свободных электронах. Он устроен так, что успевает «сфотографировать» частицу до того, как она испарится от его же луча.

Лазер — это не только свет. Если заставить частицу колебаться, как маятник, и эти колебания сами себя поддерживают, получается фононный лазер. Звучит сложно, но суть проста: вместо волн света прибор испускает стройные волны механических колебаний — фононы. В новой работе таким «маятником» стал один-единственный ион кальция, пойманный в электромагнитную ловушку.

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.

Световая карусель кружит не людей, а электроны. Только вместо деревянных лошадок — невидимые лопасти из света. Именно такую «карусель» построили физики, чтобы придавать электронам вращение. Обычно, чтобы закрутить поток электронов в вихрь, нужна крошечная маска — трафарет с прорезями, вырезанный на масштабе атомов. Изготовить её крайне сложно.

Садовый шланг бьёт тонкой мощной струёй. Если водить им по участку, можно полить грядку целиком, не заливая дорожки. Примерно так работает новый подход к лечению глубоких опухолей: вместо широкого потока излучения берут узкий пучок электронов, разогнанных почти до скорости света, и сканируют им опухоль, как струёй воды.

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.

Инфракрасный лазер в Институте Фрица Габера теперь работает как дирижёр с двумя палочками. Раньше он давал один луч — в среднем инфракрасном диапазоне, где колеблются молекулы. Теперь к нему добавили второй осциллятор, который светит дальним инфракрасным светом, где «дышат» целые молекулярные каркасы.

Обычная алюминиевая кастрюля на плите не испускает молекулы, которые можно поймать светом. Но если взять алюминий и соль алюминия, нагреть их вместе в маленькой печи, получится поток молекул фторида алюминия — как струя пара из носика чайника, только вместо капель воды летят крошечные частицы.

Электронный пучок в ускорителе похож на стаю птиц: летит плотной группой, но со временем разлетается. Чтобы удержать частицы вместе, обычно ставят тяжёлые магниты. Здесь обошлись без них — пучок сам себя сжал. В эксперименте на установке FACET-II пучок из 10 миллиардов электронов (заряд 1 нКл) с энергией 10 ГэВ пропустили через стопку тонких металлических фольг.

Обычный свет — как толпа на площади: каждый фотон движется сам по себе, сталкиваясь и разлетаясь. Но в некоторых средах фотоны, как свора собак, начинают бежать вместе — группируются. Учёные создали лазер на случайном волокне, где световые частицы собираются в особенно плотные стайки. Это явление называется сверхгруппировкой фотонов.

Запутанные фотоны — это два курьера, шагающих в ногу: их квантовые состояния, в частности поляризация, синхронизированы так, что измерение одного мгновенно определяет состояние другого, даже на расстоянии. В материале эта синхронность нарушается.

Мощный лазер бьёт по крошечной мишени — и та мгновенно превращается в облако раскалённого газа, плазмы. В этом облаке сами собой рождаются магнитные поля. Они, как невидимые руки, мешают теплу свободно уходить из горячего центра.

Два города: один с аккуратными прямыми улицами, другой — с запутанными переулками. Если по обоим пустить мощный поток воды, в первом вода быстро уйдёт по каналам, а во втором — зальёт всё вокруг. Примерно так ведут себя ткани при сверхбыстрой лучевой терапии, которую называют FLASH. В здоровых тканях клетки выстроены упорядоченно, как дома на ровных улицах.

Обычный ускоритель похож на конвейер, где электроны — это заготовки. Чтобы получить нужный рентгеновский импульс, заготовку долго подгоняют уже после запуска: сжимают, фильтруют, корректируют. В новой работе инженеры решили действовать иначе — придавать форму заготовке ещё до того, как она попадёт на конвейер. В установке LCLS-II электроны выбиваются из металла коротким лазерным импульсом.

Радиоволны окружают нас, но глаз их не видит. Новый датчик размером с ноготь превращает их в цветное пятно на маленьком экране. Внутри чипа — слой жидких кристаллов, тех самых, что в экранах телефонов. Среди них вплетены тонкие ферромагнитные проволочки. Когда приходит радиоволна, проволочки быстро нагреваются. Тепло передаётся кристаллам, и те меняют расположение молекул.

Свет от лазера — как идеально ровный ряд солдат на параде: все волны колеблются в одной плоскости. Такой свет называют поляризованным. В новой работе физики впервые получили поляризованные гамма-лучи, сталкивая электроны с мощным лазерным импульсом. Спектроскопия здесь не нужна — поляризацию измерили по разлёту нейтронов из дейтериевой мишени.

В куске оксида марганца толщиной в несколько атомных слоёв электроны ведут себя как толпа на эскалаторе: каждый движется по своим правилам, но вместе создают общий поток. Физики направили на такую плёнку мягкое рентгеновское излучение и выбили электроны наружу.

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.

Линза «рыбий глаз» — это необычное стекло: его показатель преломления меняется от центра к краю так, что любой луч, выпущенный из произвольной точки, собирается в точке строго напротив. Сделать такую линзу из обычного стекла почти невозможно, но физики нашли обходной путь.

Современные источники рентгеновского света похожи на оркестр без дирижёра: электроны в пучке летят кто в лес, кто по дрова, и излучение получается смазанным. Новая идея — заставить электроны выстроиться ровными шеренгами с шагом в несколько нанометров. Тогда испускаемый ими свет становится когерентным, как лазерный луч.

Солнечный свет — это бурный поток, несущий неразлучные пары капель. Так выглядит квантовая запутанность — явление, при котором две частицы настолько связаны, что колебание одной мгновенно отзывается в другой, даже на большом расстоянии. Раньше для создания таких пар требовалась «спокойная заводь» — идеально выверенный лазерный луч.

Обычный лазер на свободных электронах похож на музыкальный инструмент с одной струной: он может играть только одну ноту, пока не изменишь его конструкцию. Чтобы получить другую длину волны, приходится перенастраивать магниты или разгонять электроны сильнее. Это дорого и громоздко.

Поток электронов можно сравнить с пучком света от лазерной указки: если он расходится, пятно на стене быстро расплывается. В лаборатории физики сделали настолько узкий пучок, что он оставался тонким на большом расстоянии, как луч хорошей указки. Для этого они разгоняли электроны в плазменном ускорителе, где частицы подхватываются волной в ионизированном газе, а затем сжимали поток постоянным магнитом-соленоидом.

Обычная резиновая прокладка глушит вибрацию, как толстое одеяло приглушает звук: чем толще и тяжелее, тем лучше. Инженеры давно мечтают о материале, который был бы лёгким, но при этом «съедал» колебания не хуже массивного демпфера. В новой работе такой материал удалось собрать из двух непохожих частей: мягкой эластичной решётки, напечатанной на 3D-принтере, и крошечных капель жидкого металла, спрятанных внутри неё.

Магнитный резонанс — это как камертон, который звенит только на своей ноте. У каждой молекулы своя частота, и по ней можно узнать, что это за молекула и в каком она состоянии. Но раньше этот камертон слушали через толстую стену: сигнал получался размытым, и точную ноту было не разобрать.

Волоконный лазер со случайной обратной связью — это тонкая нить из стекла, по которой свет бежит, но отражается не от зеркал, а от мельчайших неоднородностей самого волокна. Такой лазер не выдаёт ровный луч: его свет дрожит и вспыхивает, как пламя свечи на сквозняке.

Зажечь миниатюрное солнце — давняя мечта человечества. Обычно учёные пытаются удержать раскалённую плазму (газ из заряженных частиц) при температурах в сотни миллионов градусов. Но плазма норовит вырваться из магнитных ловушек, и удержание стоит огромных затрат.

Магнит на холодильнике держится за счёт крошечных внутренних стрелок — каждая из них как миниатюрный компас. Если ударить по металлу сверхкороткой вспышкой света, эти стрелки начинают хаотично метаться, и магнетизм тает за миллионные доли миллиардной секунды. Раньше такое «таяние» было слишком быстрым, чтобы его разглядеть.

Лазер на кристалле ниобата лития оживает от тока в 40 миллиампер. Его свет делится на два ручейка, каждый проходит через шестимиллиметровый волновод, и там рождаются пары фотонов-близнецов. Один ручеёк поворачивает поляризацию своих близнецов, после чего оба потока сливаются в общее русло. На выходе — квантовая фабрика на ладони: 45 миллиардов запутанных пар в секунду при мощности всего 18.