оптические пинцеты

Свет, падающий на вещество, обычно рассеивается или греет его. Но если фотонов очень много и они очень энергичны, два кванта света могут столкнуться и исчезнуть, а вместо них появятся две частицы: электрон и его антипод позитрон. Этот процесс, предсказанный ещё в 1934 году, до сих пор не удавалось воспроизвести в лаборатории с настоящими фотонами.

В тёмной комнате можно держать светящуюся сферу, не касаясь её: стены из лучей отталкивают, но не обжигают. Примерно так устроена ловушка, которую собрали в Рио-де-Жанейро для дрожжевых клеток. Обычный оптический пинцет, то есть сфокусированный лазерный луч, работает как щипцы из света, но сам свет при этом прошивает клетку насквозь.

В тёмной комнате можно держать светящуюся сферу, не касаясь её: стены из лучей отталкивают, но не обжигают. Примерно так устроена ловушка, которую собрали в Рио-де-Жанейро для дрожжевых клеток. Обычный оптический пинцет, то есть сфокусированный лазерный луч, работает как щипцы из света, но сам свет при этом прошивает клетку насквозь.

Лазерный луч, сфокусированный до размеров пылинки, может удерживать отдельную молекулу, как пинцет удерживает крошечную бусину. Но заполнить сотню таких пинцетов ровно по одной молекуле — задача сродни попытке налить в каждую ячейку яичной коробки по одной капле воды, не пролив ни капли мимо. Обычно ловушки заполняются лишь на 20–50%, а лишние молекулы быстро теряются из-за столкновений.

Лазерный луч, сфокусированный до размеров пылинки, может удерживать отдельную молекулу, как пинцет удерживает крошечную бусину. Но заполнить сотню таких пинцетов ровно по одной молекуле — задача сродни попытке налить в каждую ячейку яичной коробки по одной капле воды, не пролив ни капли мимо. Обычно ловушки заполняются лишь на 20–50%, а лишние молекулы быстро теряются из-за столкновений.

Луч лазера в оптическом пинцете — это не просто пятно света, а силовой мешок. Частица, попавшая в него, обычно скатывается к самой яркой точке, как шарик в ямку. Но в лаборатории ETH Zurich поймали кремниевый цилиндр размером в сотню нанометров и удерживали его в самом тёмном месте стоячей волны — там, где свет гасит сам себя.

Скирмион — это магнитный вихрь, напоминающий миниатюрный водоворот в море, где вместо воды закручена намагниченность материала. Эти структуры рассматриваются как перспективные ячейки памяти в компьютерах будущего, но для записи и чтения информации необходимо уметь перемещать каждый вихрь по отдельности.

Стопка игральных карт лежит неподвижно. Можно поддеть верхнюю карту пальцем и сдвинуть её — это грубое вмешательство. А можно дунуть так, что вся стопка на мгновение изменит форму, но карты не разлетятся. Примерно так свет в новом эксперименте перестраивает кристалл селенида олова (SnSe). Обычно, чтобы изменить структуру твёрдого тела, его нагревают или пропускают через него ток.

Любой измерительный прибор ограничен квантовым шумом — фундаментальной дрожью элементарных частиц, вытекающей из принципа неопределённости Гейзенберга. Чтобы подавить эту дрожь, физики применили к молекулам фторида кальция метод квантового сжатия. Его идея напоминает сжатие воздушного шарика: надавите в одном месте — он выпятится в другом.

Обычный детектор фотометрии — прибора, измеряющего интенсивность света, — не отличает фотон, пришедший слева, от фотона, пришедшего справа. Но стоит детектору начать движение, как ситуация меняется. Представьте лодочника, который гребёт между двумя флейтистами, играющими одну и ту же ноту.

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.

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.

Оптический пинцет — это луч лазера, который удерживает атом в одной точке, как пальцы держат горошину. Из таких пинцетов собирают целые решётки атомов — основу будущих квантовых компьютеров. Но есть проблема: не в каждый пинцет попадает атом. Обычно заполняется лишь половина ловушек, а для молекул — и того меньше. Пустые места ломают всю конструкцию.

Пылинка висит в воздухе, удерживаемая невидимым лучом света. Вокруг неё — обычный воздух, но иногда по пылинке проскакивает крошечная искра. Учёные впервые рассмотрели такие разряды вблизи и выяснили, что их запускает не сама пылинка, а невидимые гости из космоса и из земли. Лазерный пинцет (луч, который может держать микроскопические предметы) удерживал пылинку размером с бактерию.

Свет от далёких звёзд проходит миллионы лет, но рентгеновские лучи не поймать обычным стеклом — они проходят сквозь него, как пуля сквозь бумагу. Поэтому для рентгеновских телескопов нужны особые линзы: стопки крошечных призм, которые мягко отклоняют лучи и собирают их в одну точку.

Биологи часто метят клетки светящимися молекулами — это как искать тусклый огонёк в дыму. Огонёк быстро гаснет, а дым создаёт помехи. Учёные заменили такой подход на магнитный компас: клетки получили крошечные намагниченные частицы, а сигнал с них считывает алмазный датчик с NV-центрами (азотно-вакансионными центрами) в углеродной матрице — искусственными дефектами…

Чтобы не потерять в кадре быстрого футболиста, дрону не нужен яркий маячок — достаточно узнавать силуэт. Такой же подход теперь применяют в микробиологии: нейросеть анализирует обычное изображение с микроскопа и мгновенно находит бактерию в капле воды, опираясь только на её естественную форму.

Чтобы разглядеть тусклую звезду над ярким ночным городом, астрономы применяют метод вычитания кадров: из одного снимка неба вычитают другой, убирая постоянное сияние фонарей и оставляя только переменные объекты.

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.

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.

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.

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.

Две капли жидкости, висящие рядом, начинают петь в унисон. Одна капля — как струна, настроенная на определённый тон, а вместе они образуют лазер, который светит одним-единственным чистым цветом. Так устроен новый тип датчика — жидкая фотонная молекула. Секрет в том, что капли подобраны чуть разного размера.

Терагерцовое излучение лежит между микроволнами и инфракрасным светом. Оно проходит сквозь одежду, бумагу и пластик, но задерживается водой и металлом. Поэтому такие волны используют в сканерах безопасности и для контроля качества материалов. Но у этого излучения есть ещё одно свойство — поляризация, то есть направление колебаний волны.

В лаборатории на столе стоит лазерная ловушка — невидимая рука, которая держит в воздухе стеклянный шарик размером с бактерию. Рядом — зеркальный резонатор, где свет мечется между двумя отражающими стенами. Учёные заставили шарик и свет обменяться квантовой запутанностью: теперь их состояния связаны так, что, измерив одно, мгновенно узнаёшь другое.

Стеклянная пылинка парит в луче лазера. Её толкают молекулы воздуха, фотоны, даже гравитация Земли — и по её дрожанию можно понять, что именно толкнуло. Но у любого измерения есть предел: собственный шум частицы мешает увидеть слабый сигнал. Квантовая механика ставит этот предел, но его можно обойти.

В гигантских ускорителях частицы летят почти со скоростью света и сталкиваются лоб в лоб. Но иногда один пучок оказывается чуть плотнее другого — как будто на переполненном эскалаторе кто-то встал не в ту сторону. Тогда столкновения идут неравномерно, и приборы начинают «мигать», сбивая измерения. Чтобы этого не случалось, нужно очень точно управлять плотностью пучков.

Даже в идеально когерентном лазерном луче присутствует фундаментальная неопределённость — квантовый шум, рождаемый вакуумными флуктуациями электромагнитного поля. Физики научились «сжимать» этот шум, подобно воздушному шару, перехваченному в талии: флуктуации амплитуды или фазы подавляются в одном квадратурном направлении, неизбежно возрастая в ортогональном.

Лазерный луч обычно похож на ровный столб света. Но если пропустить его через пластинку с узором тоньше волоса, луч рассыпается на тысячи крошечных световых карманов. В каждом кармане можно подвесить один атом, как горошину в ямке. Такие карманы нужны квантовым компьютерам и сверхточным часам, где атомы должны висеть неподвижно и не мешать друг другу.

Пространство между двумя сближенными поверхностями — вовсе не пустота, а бурлящий «квантовый клей». В нём непрерывно рождаются и аннигилируют квантовые флуктуации — микроскопические всплески энергии электромагнитных полей, которые, согласно квантовой теории, придают вакууму динамическую структуру.

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.

Четыре атома цезия висят в вакууме, удерживаемые лазерными пинцетами, как бусины на невидимой нити. Вокруг них — кольцевой резонатор, замкнутый контур из зеркал, где свет бежит по кругу, не встречая препятствий. Когда на эту крошечную цепочку падает пробный луч, происходит нечто странное: атомы начинают рассеивать свет не равномерно во все стороны, а преимущественно в одном направлении.