молекулярная интерферометрия

Слоёный пирог из дисульфида молибдена MoS2 лежит на лабораторном столе. Его готовят привычным способом: клейкая лента отрывает верхние слои, чтобы получить тонкий образец. Но под лентой остаётся невидимая полость, где атомные этажи больше не прижаты друг к другу. Именно там электроны начинают вести себя иначе, чем в толще кристалла.

Ночью на вершине вулкана шесть телескопов смотрят на одно и то же пятнышко света. Каждый ловит свою копию волны, и если соединить их сигналы, получится изображение, которое не под силу ни одному инструменту в одиночку. Но есть подвох: свет, пойманный разными станциями, нельзя просто сложить, как фотографии. Его нужно измерить, и от способа измерения зависит, насколько чёткой выйдет картинка.

Два состояния атома стронция — основное и возбуждённое — ведут себя как два близнеца, бегущие по одной дорожке, но один чуть выше другого. Обычно свет, которым управляют атомами, подталкивает одного «близнеца» сильнее, другого слабее. Здесь подобрали длину волны 813 нанометров — «магическую», при которой оба состояния получают одинаковый толчок.

В зале с тысячей зрителей аплодисменты сливаются в общий шум, но стоит кому-то сбиться с ритма — и по залу пробегает рябь. Квантовый мир устроен похоже: атомы в ловушке могут вести себя как единое целое, а могут рассыпаться на независимых одиночек.

Квантовый мир любит баланс. Когда массивную частицу заставляют раздвоиться — пойти сразу двумя путями, — что-то должно качнуться в ответ. Этим «чем-то» оказывается сам прибор, который частицу разделил.

Бросьте в пруд два камешка одновременно — круги на воде пойдут ровно и слаженно. Так и в квантовом интерферометре: частицу расщепляют на две волны, которые движутся разными путями, а потом встречаются. В идеале их гребни совпадают. Но если сквозь одну из волн пролетело что-то невидимое — например, частица тёмной материи, — совпадение нарушится.

Даже в состоянии полного покоя атомы испускают слабый шум — неизбежную квантовую дрожь, предсказанную ещё в споре Эйнштейна и Бора.

Кофейный водоворот может занимать два места в чашке одновременно — размытое пятно бурлящей жидкости. Квантовые частицы ведут себя похоже: пространственно-временной водоворот позволяет им находиться в двух местах сразу, в состоянии суперпозиции. Но гравитация действует как ложка, помешивающая ткань пространства и времени.

Солнечный свет падает на кремниевую пластину — и в цепи возникает ток. Это привычная работа фотоэлемента: свет выбивает электроны, а p-n переход (граница двух слоёв с разной проводимостью) заставляет их двигаться в одном направлении. Но в некоторых кристаллах ток рождается иначе — без всяких переходов, просто за счёт того, как сам материал устроен внутри. Среди таких откликов выделяют два.

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.

Лазерный луч бьет по атому, и электрон срывается с места. Он разгоняется, возвращается и, ударившись об атом, испускает вспышку света — гармонику. Если световых лучей два и они скрещены, как перекресток, электрон может выбирать разные маршруты. В новом эксперименте два луча имели сравнимую силу и были направлены под прямым углом.

Охранник должен проверить пять комнат, но заходить внутрь ему нельзя. Он стучит в дверь и прислушивается: тишина означает, что внутри кто-то есть, а эхо — что комната пуста. Похоже работает измерение без взаимодействия: квантовая частица, например фотон, проходит мимо объекта и своим поведением выдаёт, был ли на пути поглотитель, хотя сам фотон в него не попал.

Согласно легенде, Галилей бросал шары с Пизанской башни, чтобы продемонстрировать: тяжёлые и лёгкие тела падают одинаково. Этот принцип стал краеугольным камнем теории гравитации Эйнштейна.

Когда самолёт заходит на посадку или подводная лодка идёт вслепую, навигатору нужен прибор, который не теряет нить движения. Обычные гироскопы на атомных волнах очень точны, но у них есть каприз: сигнал повторяется, как узор на обоях, и после половины шага узор начинает казаться тем же самым. Прибор перестаёт понимать, где он. В новой работе этот каприз обошли.

В обычном проводнике электрический ток течёт симметрично: электроны движутся одинаково легко в обоих направлениях, подобно воде в прямой трубе. Однако на границе нормального металла и сверхпроводника эта симметрия исчезает.

Камертон отзывается на трещину глухим звоном — эта аналогия, при всей своей простоте, удивительно точно отражает суть эксперимента. Физики превратили молекулы в сверхчуткий квантовый камертон, чтобы уловить асимметрию электрона — одной из фундаментальных частиц, из которых состоит всё вещество.

Свет одной-единственной молекулы — как одинокий голос в огромном хоре. Чтобы услышать его, нужен не микрофон, а тонкий инструмент, который ловит каждый фотон и отмечает время его прихода. Именно такой прибор собрали исследователи: он измеряет не только яркость и цвет свечения, но и то, как часто фотоны приходят парами — это называется статистикой второго порядка.

Бросьте два камешка в пруд — от каждого пойдут круги, и на воде возникнут гребешки, где волны усиливают друг друга, и впадины, где гасят. Примерно так же ведут себя протоны: если их два, они создают двойную рябь, которая складывается в узнаваемый узор. В новом опыте пучок ионов водорода — одиночных протонов и пар, связанных в молекулу, — направляли на облако гелия.

Свет от одного источника можно заставить «встретиться» с самим собой, и тогда на экране возникают полосы — как рябь от двух брошенных в воду камешков. Физики давно научились так делать с двумя фотонами, но заставить слиться сразу четыре частицы света было сложно: источники одиночных фотонов теряли слишком много частиц по дороге.

Квантовая частица, например электрон, может находиться в суперпозиции — быть в двух местах одновременно, — но макроскопические объекты никогда не демонстрируют такого поведения.

На обычном оптическом столе, среди лазеров и зеркал, облако из ста атомов стронция-87 начинает жить по законам искривлённого пространства-времени. Спустя полсекунды его квантовая интерференция гаснет: гравитационное замедление времени разрушает суперпозицию.

В 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба заметил, что горячее мороженое застывает быстрее холодного. Этот парадокс, названный его именем, долго оставался предметом споров о классической термодинамике. Теперь квантовый мир предлагает свою версию: состояние с более сильным нарушением симметрии может восстанавливать её быстрее, чем менее нарушенное.

Шесть ионов бария выстроились в плоский шестиугольник внутри ловушки Пауля — устройства, которое удерживает заряженные частицы переменными электрическими полями. Но стоило слегка изменить форму удерживающего потенциала, как кристалл перестроился: один ион сместился в центр, а остальные пять образовали вокруг него кольцо.

Услышать сверхслабый микроволновой сигнал — всё равно что расслышать шёпот в шторм. Ридберговские атомы, раздутые до размеров бактерий, обещают стать идеальными антеннами. Но есть роковая загвоздка: при оптическом считывании до 98% фотонов-гонцов исчезают в детекторе бесследно.

Нильс Бор настаивал: нельзя одновременно знать, по какому пути прошёл фотон, и видеть интерференцию. Долгое время это считалось ограничением познания — мол, мы просто не можем получить оба типа информации сразу.