лазерное охлаждение

Квантовая лаборатория похожа на кухню, где повар ждёт сутки, пока остынет плита. Сверхпроводящие кубиты работают только при температуре в сотые доли кельвина, и каждый цикл «охладить — измерить — согреть» съедает день. Группа инженеров построила холодильник размером с дыню и массой 3 кг, который справляется за два часа.

Лазерный луч бьёт по тонкой мишени, спрятанной внутри слоёв другого материала. За миллиардные доли секунды вещество сжимается до плотности 25 грамм на кубический сантиметр — это как если бы кусок свинца стал в два с лишним раза тяжелее, оставаясь на месте. Температура подскакивает до 20 электронвольт, что примерно в 230 тысяч раз горячее комнатной.

Магнитное поле Земли непостоянно: оно дрожит от солнечного ветра, от далёких гроз, от работы метро. Чтобы заметить эти дрожания, нужен прибор, который сам не дрожит. Физики собрали такой прибор из атомов иттербия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. В обычном газе атомы носятся хаотично, их сигнал размывается за миллисекунды.

Радиоприёмник размером с ладонь способен измерить мощность сигнала точнее дорогих лабораторных стендов. Внутри нет катушек и антенн — только стеклянная головка и облачко атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Атомы парят в перекрестье лазерных лучей, удерживаемые не магнитами, а силой света — как мошка в капле сиропа.

Световое поле, подобно аккуратной вафельнице, формирует в пространстве регулярный узор из ярких и тёмных областей. В самых светлых точках, как в крошечных лунках, застревают атомы — так образуется оптическая решётка. Это излюбленный инструмент физиков для изучения квантовых свойств вещества в изолированных условиях.

Гонка за термоядерной энергией напоминает попытку удержать молнию в бутылке. Десятилетиями физики бьются над тем, чтобы воссоздать на Земле процессы, питающие Солнце.

Лазерный луч умеет не только нагревать, но и успокаивать движение. Когда свет попадает в ловушку из зеркал, он давит на них — и если правильно настроить цвет луча, давление превращается в мягкое торможение. Так охлаждают крошечные механические колебания почти до абсолютного нуля. Обычно для этого просто подбирают постоянный оттенок лазера и силу его свечения.

Солнце — это гигантский котёл, где свет пробивается сквозь толщу раскалённого вещества. На пути к поверхности фотоны (частицы света) то и дело натыкаются на атомы и теряют энергию. Насколько сильно вещество задерживает свет — это «непрозрачность», и от неё зависит, как быстро тепло выбирается наружу.

Поймать отдельную молекулу в световой луч и почти остановить её движение — задача, похожая на попытку удержать пушинку в потоке ветра. Слишком горячая частица выскальзывает из ловушки, поэтому физики сначала усмиряют её пыл с помощью лазерного охлаждения. Авторы работы применили к молекулам гидроксида стронция (SrOH) метод, который называют сизифовым охлаждением.

Пустота не так пуста, как кажется. Если наблюдатель движется с ускорением, вакуум вокруг него нагревается — это предсказал Уильям Унру ещё в 1970-х. Эффект похож на излучение чёрной дыры, только в плоском пространстве.

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.

Самый точный маятник в мире — не стальной стержень, а крошечное атомное ядро. У изотопа тория-229 есть особое возбуждённое состояние: чтобы перевести ядро в него, нужно совсем немного энергии — примерно как у ультрафиолетового лазера.

Маятник, который почти ничто не может сбить, не боится ни тряски, ни тепла, ни магнитных полей — потому что спрятан в самой сердцевине атома. Именно такой маятник использовали физики, впервые запустив ядерные часы. Раньше лучшие часы — оптические — работали на переходах электронов. Но электроны живут на периферии атома, как бабочки на ветру: любое внешнее воздействие их тревожит.

Чёрная дыра похожа на уголёк, который, как считалось, тлеет вечно, но в конце концов должен погаснуть — испариться без следа. Так предсказывал Стивен Хокинг: квантовые процессы у горизонта событий (границы, за которую не выходит даже свет) рождают слабое свечение, и дыра медленно теряет массу.

Крошечные магнитики внутри атомов — ядерные спины — в холодном кристалле могут «застыть» на долгие минуты. Это мешает быстрой настройке квантовых датчиков: слишком медленно всё приходит в нужное состояние. Физики нашли способ подтолкнуть их светом.

Лампочка загорается только в нужной комнате. Примерно так работают светоактивируемые лекарства — они «включаются» лишь там, куда направлен свет, и не трогают остальной организм. Это особенно важно при лечении рака: обычная химиотерапия бьёт по всем делящимся клеткам подряд, вызывая тяжёлые побочные эффекты. А здесь можно осветить только опухоль — и препарат начнёт действовать.

Нужно рассмотреть снежинку, не дав ей растаять и не повредив. Примерно такая задача стоит перед учёными, которые хотят изучать отдельные белки — крошечные молекулярные машины жизни. Белок в растворе постоянно дрожит и слипается с соседями, а в электронном микроскопе его разрушает луч.

Две крошечные пылинки парят в перекрестье лазерных лучей. Каждая удерживается своим «пинцетом» — сфокусированным лучом, который не даёт частице упасть. Внутри зеркальной полости свет мечется между стенками, и его колебания связаны с дрожанием пылинок. Обычно такие частицы непрерывно дрожат из-за теплового движения, и это дрожание мешает увидеть квантовые эффекты.

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.

Вода в чашке остывает за минуты. Газ в комнате заполняет её равномерно за секунды. Но если загнать атомы в трубу толщиной с луч лазера и хорошенько их возбудить, они будут «остывать» к равновесию несколько секунд — целую вечность по атомным меркам.

Лазер обычно греет. Но в некоторых кристаллах свет может уносить тепло — как если бы чайник остывал от яркой лампы. В алмазе такую работу выполняют дефекты: места, где вместо углерода стоит атом азота, а рядом пустота. Спектроскопия показала, что при подсветке лазером с длиной волны чуть ниже резонансной дефект испускает свет с большей энергией, чем поглотил.

Алмаз — самый твёрдый природный материал, и обычно его обработка похожа на работу скульптора с отбойным молотком: грубо, с трещинами и сколами. Но для электроники нужна ювелирная точность, ведь алмаз отлично проводит тепло, выдерживает высокие температуры и может работать в квантовых приборах.

Ровный лазерный луч — как натянутая струна: если она хоть чуть-чуть дрожит, музыка превращается в какофонию. В квантовом компьютере лазер удерживает атомы в ловушке, и любая дрожь частоты ломает вычисление. Поэтому раньше лазерные установки занимали целые столы, а настройка занимала недели.

Газ почти невидим, но у него есть температура, и её можно прочитать по тому, как газ «заслоняет» тепловой фон. В опыте камера смотрит на тёплый экран через струю углекислого газа. Если газ холоднее фона, он выглядит тёмным пятном; если теплее — светлым. Но есть особая температура фона, при которой пятно полностью исчезает: газ и фон становятся неразличимы.

Квантовые материалы — как капризные цветы: распускаются только в холоде. При комнатной температуре они прячут свои необычные свойства, а при сильном охлаждении становятся сверхпроводниками или меняют магнитное поведение. Чтобы понять, как они работают, нужно рассмотреть их атомы в том самом холоде, где эти свойства живут.

Сверххолодные молекулы — перспективный материал для квантовых вычислений, но собрать их в аккуратный массив, как яйца в коробке, непросто. Предложен способ загружать по одной молекуле в оптические пинцеты или решётки прямо из газа. Молекулы при этом сразу оказываются в самом спокойном состоянии движения.

При температуре 0,1 К — это на три десятых градуса выше абсолютного нуля — вещество перестаёт подчиняться привычным правилам. Гелий становится сверхтекучим: он течёт без трения, просачивается сквозь щели и ведёт себя как одна гигантская квантовая жидкость. Увидеть, что происходит внутри такого холода, — задача на грани возможного.

Крошечное облако из 300 тысяч атомов иттербия, охлаждённое почти до абсолютного нуля, прокатили на световой дорожке длиной 34 сантиметра — как будто перевезли хрупкий груз по ухабистой дороге, не растряся.

Обычный холодильник на кухне охлаждает всё до одной температуры. Но в лабораториях, где изучают квантовые явления, часто нужны сразу две разные ступени холода. Раньше для этого собирали два отдельных охлаждающих контура — громоздко и тяжело. Инженеры предложили трёхступенчатый холодильник, который работает как умный дирижёр.

Свет от крошечных кристаллов перовскита — как выступление хора, где голоса звучат то по одному, то стройным дуэтом. Раньше такой дуэт удавалось услышать только при сильном охлаждении, почти до космического холода. Теперь хор запел при комнатной температуре.

На дне лунных кратеров, куда никогда не заглядывает Солнце, царит вечный холод — около минус 240 градусов по Цельсию. В этих ледяных карманах, которые называют постоянно затенёнными областями, планируют установить зеркальный резонатор из монолитного кремния. Этот прибор будет пассивно удерживать свет, заставляя лазер «тикать» с невероятной точностью.

Свет и вещество в крошечном мире ведут себя по законам, которые трудно просчитать даже на суперкомпьютере. Физики строят специальные «квантовые тренажёры» — установки, где холодные атомы играют роль частиц и полей. Но до сих пор такие тренажёры могли изображать поле лишь в самом простом виде: как будто оно либо есть, либо нет. Настоящий же свет обладает бесконечным числом оттенков.

Ион кальция в магнитной ловушке напоминает шарик, который постоянно подрагивает от тепла. Чтобы заставить его замереть, физики обычно бьют по нему лазером с разных сторон. Но в новом эксперименте хватило одного луча, направленного вдоль оси ловушки. Сначала ион охлаждают обычным способом — лазер слегка притормаживает его движение, как встречный ветер гасит скорость бегуна.

Свет от обычной лампочки — это поток одиночных фотонов, как капли из крана. Но бывает свет, где фотоны идут парами, словно шагающие вместе близнецы. Такой сгруппированный свет давно хотели использовать для измерения расстояний и съёмки объектов, скрытых за углом. Но источники этого света были либо слишком тусклыми, либо их вспышки слишком короткими, чтобы обычные детекторы успевали их заметить.

Обычный лазер усиливает свет до яркого луча. Если запустить этот процесс в обратную сторону, получится антилазер — устройство, которое всасывает свет без остатка. Но такая машина капризна: достаточно лёгкого беспорядка, чтобы поглощение сорвалось. Физики нашли способ сделать антилазер неуязвимым.

Охлаждение часто ассоциируется с наведением порядка: при замерзании молекулы воды выстраиваются в жёсткую кристаллическую решётку. Однако в квантовом мире снижение температуры способно порождать порядок куда более причудливый.

Кусочек материала светится синим. Его нагревают — и свечение становится зелёным, как будто кто-то переключил цвет в светофоре. Так работает новый люминесцентный термометр, описанный в статье. Внутри материала находятся ионы тербия — редкоземельного металла, который умеет светиться. При комнатной температуре они испускают синий свет.

Лазерный луч, как тонкий резец, выжигает кислород из сверхпроводящей плёнки. Там, где кислорода становится меньше, материал перестаёт проводить ток без сопротивления. Учёные использовали этот приём, чтобы рисовать на плёнке узоры, меняющие её свойства. Сверхпроводник — это материал, который при низкой температуре проводит электричество без потерь.

Пять заряженных атомов кальция парят в ловушке, удерживаемые электрическими полями. Лазерное охлаждение забирает у них лишнюю энергию, и они выстраиваются в крошечную пирамиду с квадратным основанием. Но эта пирамида не стоит на месте: время от времени она переворачивается, как будто кто-то подбрасывает её вверх и ловит вверх ногами.

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.