оптические часы

Лазерный импульс падает на тонкую плёнку MoS₂, и внутри неё закипает облако электронов с избыточной энергией. Эти горячие носители похожи на бегунов, которые стартовали с высокой скоростью, но по дороге к финишу им предстоит растерять весь запал из-за столкновений с кристаллической решёткой.

Дирижёр взмахивает палочкой, и оркестр рождает не просто звук, а сложную партитуру: каждая нота звучит в свой момент, на своей высоте, с нужной громкостью. Свет тоже может быть партитурой, если управлять его спектром и временем. Раньше для этого требовались громоздкие установки, которые нельзя было перенастроить после сборки.

Оркестр из сотни музыкантов играет без дирижёра. Каждый инструмент настроен идеально, но одна скрипка чуть сбилась, и гармония рассыпалась. Сложные лазерные системы в квантовых компьютерах ведут себя так же: десятки зеркал и линз должны стоять с точностью до долей миллиметра, а малейший перекос превращает чёткий луч в размытое пятно.

Прожектор в театре держит актёра в луче, куда бы тот ни шагнул. Терагерцовый радар, о котором пойдёт речь, делает то же самое с коротким световым импульсом, отражённым от движущегося объекта. Терагерцовые волны сидят между микроволнами и инфракрасным светом. Они проходят сквозь одежду и пластик, но не повреждают ткани, поэтому их пробуют для досмотра и медицинской диагностики.

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.

Квантовый мир не прощает забывчивости. Бросьте камень в пруд — круги разойдутся и исчезнут, информация о падении рассеется без следа. В квантовой механике всё иначе: эволюция системы обратима, и прошлое никогда не стирается до конца.

Тиканье атомных часов подобно удару метронома, но роль маятника здесь исполняют колебания электронов в атоме. Двое таких часов — одни на основе иона иттербия, другие на атомах стронция — заставили звучать рядом и сравнили их ритм. Измерения велись почти два года.

Самый точный секундомер в мире до сих пор работает с оглядкой на старый маятник. Водородные мазеры — лучшие радиочастотные «маховики» (устройства, хранящие ритм между сверками с эталоном) — накапливают ошибку из-за того, что шум между отсчётами просачивается в итоговый сигнал.

Общая теория относительности, описывающая устройство Вселенной, не запрещает петли во времени. Но Стивен Хокинг выдвинул гипотезу о «защите хронологии»: квантовые эффекты должны разрушать такие петли, делая путешествия в прошлое невозможными.

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.

Обычные атомные часы напоминают камертон, который нужно держать в идеальной тишине и покое. Малейшее движение — и нота плывёт. Так и с атомами: их тепловое движение сдвигает частоту излучения, и сверхточные часы требуют почти полной остановки частиц. Это сложно, дорого и громоздко.

Маятник, который качается сам по себе, без всякого завода, — в квантовом мире такие «маятники» называют кристаллами времени. В них ритмичное движение возникает спонтанно и не затухает. Но до сих пор управлять этим ритмом было почти невозможно: любое вмешательство грозило разрушить хрупкий порядок.

Маятник, который качается почти полмиллиона миллиардов раз в секунду. Это не механика — это пульс света, пойманный атомами иттербия. Вместо шестерёнок здесь работает лазерная решётка — стоячая волна, которая удерживает атомы в узлах, как горошины в стручке.

Брошенный в пруд камешек рождает круги, что разбегаются во все стороны. А теперь вообразите, что сам пруд вдруг превращается в кисель, причём мгновенно, быстрее, чем волна успевает сделать один гребень. Часть кругов продолжит расходиться, но изменит шаг, а часть — неожиданно развернётся и побежит назад, к месту броска, словно время для неё потекло вспять.

Маятник качается с такой точностью, что, отсчитывай он секунды от Большого взрыва, к сегодняшнему дню ошибся бы всего на полсекунды. Такова стабильность нового портативного ультрафиолетового лазера — сердца алюминиевых атомных часов. Этот лазер работает как сверхточная линейка для измерения частоты атомного перехода.

В подвалах четырёх европейских институтов стояли семь устройств — каждое можно сравнить с камертоном невообразимой точности. Только вместо звука они выдают «тиканье» из света: колебания лазера, запертого на определённой частоте атомами стронция, иттербия или ртути.

В огромных ускорителях частицы пролетают детекторы за миллиардные доли секунды, и чтобы отличить одну от другой, нужен секундомер невероятной точности. Новый детектор µRWELL-PICOSEC действует как такой секундомер: он ловит момент пролёта частицы с точностью до 48 пикосекунд — это 48 триллионных долей секунды. Секрет в том, что детектор объединяет два явления.

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.

Атомные часы — это маятник, который тикает с частотой света. Внутри ловушки висит ион алюминия, и лазер щупает его, как камертон. Если частота лазера совпадает с собственной частотой атома, тот откликается. По этому отклику и сверяют ход часов. Долгое время расчёты точности велись так, будто у атома есть только два состояния: основное и возбуждённое.

Сверхпроводник — это материал, который при сильном охлаждении проводит ток без потерь, как вода течёт по идеально гладкой трубе. Но если ударить по нему короткой вспышкой света, он быстро теряет это свойство. В новом опыте учёные освещали тонкую плёнку нитрида ниобия и замеряли, за сколько миллиардных долей секунды исчезает сверхпроводимость.

Луч света, проходя сквозь прозрачную пластинку, обычно сохраняет свой цвет. Если же пластинку собрать из тонких чередующихся слоёв, она превращается в решётку, которая отражает и пропускает волны избирательно. Это давно используют в лазерах и оптических фильтрах. Теперь такие решётки заставили вибрировать — и свет начал менять цвет.

Крошечная частица плавает в луче лазера, как пылинка в свете фонарика. Её постоянно толкают молекулы воды — беспорядочно, со всех сторон. Обычно эти толчки мешают: частица дёргается, и точные измерения превращаются в лотерею. Но физики придумали, как обратить помеху в пользу.

Если долго трясти коробку с песком, на нём появляются узоры — их не было, пока коробка стояла. Так и здесь: физики взяли облако холодных атомов, заперли их в световую решётку и начали периодически встряхивать. От этого у атомов возникло новое состояние — как новый узор на песке, которого не бывает без тряски. Такие состояния называют топологическими фазами.

Двое часов в разных комнатах должны тикать в такт. Обычно для этого посылают яркие импульсы или пары фотонов, которые приходят точно друг за другом. Но сигнал может быть настолько слабым, что фотоны еле долетают. В этой работе часы синхронизировали светом, который в миллиард раз тусклее обычного. Спектроскопия тут ни при чём, но время связано со светом напрямую.

Обычные атомные часы тикают, когда электрон перескакивает между уровнями энергии. Но внешние поля и толчки могут сбить этот ритм. Высокозаряженные ионы — атомы, у которых оторвали много электронов, — почти не замечают таких помех: их электроны сидят глубоко и крепко. Поэтому из них получаются сверхстабильные «маятники». Ион Cf17+ — это атом кюрия, у которого забрали 17 электронов.

Обычная расчёска разделяет волосы на ровные пряди. Лазерная «расчёска» делает то же самое со светом: она испускает не один цвет, а тысячи цветов, отстоящих друг от друга на строго одинаковые шаги частоты. Такой инструмент уже помог измерить время с точностью до миллиардных долей секунды и заглянуть внутрь атомов.

С тех пор как Вера Рубин впервые убедительно показала, что галактики окружены невидимым веществом, поиск природы тёмной материи остаётся одной из главных задач физики.

Луч лазера проходит сквозь стеклянную кювету с парами рубидия — и по тому, как атомы поглощают свет, можно узнать их температуру. Это похоже на измерение скорости машин по размытию фотоснимка: чем быстрее движутся атомы, тем шире размывается линия поглощения.

Внутри крошечной зеркальной полости, размером меньше толщины волоса, свет заперт и многократно отражается от стенок. Если туда поместить вещество, способное поглощать и испускать свет, то частицы света (фотоны) начинают «одеваться» в возбуждения вещества — так рождаются поляритонные моды.

Нагрейте обычные кварцевые часы на десять градусов — и они начнут убегать на секунды в сутки. Атомные часы точнее, но занимают целый шкаф. Алмаз с крошечным дефектом — азотной вакансией — обещает точность атомных часов в объёме песчинки. Одна беда: этот дефект очень чувствителен к теплу, как камертон, который меняет тон от температуры воздуха. В новой работе дефект заставили петь на два голоса сразу.

Два маятника на одной стене, качнувшись вразнобой, через час уже идут в ногу. Такую синхронизацию заметил ещё Христиан Гюйгенс в 1665 году, глядя на часы в своей мастерской. Сегодня его наблюдение повторяют в лаборатории, но с одной оговоркой: маятники там не деревянные, а квантовые.

Тонкая плёнка диоксида тория толщиной всего 10 нанометров нанесена на стальной диск. Лазерный импульс бьёт в неё, но вместо ожидаемого свечения детектор ловит поток электронов. Так впервые удалось увидеть ядерный переход тория-229 в материале, который полностью поглощает собственное излучение.

Линейка из света — так можно назвать новый метод измерения крошечных временных задержек. В 1987 году Чонг Ки Хонг, Чже-Юй Оу и Леонард Мандель заметили: если два неразличимых фотона одновременно попадают на светоделитель, они всегда выходят вместе из одного порта.