фотоэлектронный умножитель

Сцена залита ледяным светом, и на ней стоят кремниевые зрители. Каждый из них — матрица крошечных лавинных диодов, способных заметить одиночный фотон, но только если температура вокруг опустится до 165 К. Раньше такие зрители готовили к выступлению в одиночку, вручную, и никто не мог поручиться, что на большой сцене они сработают одинаково.

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 подвале лаборатории гудит магнит на 8 тесла. Внутри него, как колокол в колокольне, висит полый медный цилиндр, настроенный на одну-единственную ноту. Если где-то рядом пролетит аксион, частица тёмной материи, цилиндр отзовётся слабым звоном. Беда в том, что обычная медь глушит этот звон: при высоких частотах ток течёт лишь по тонкой коже металла, и потери растут.

Лист бумаги, оставленный на мокром столе, коробится и приподнимает края. Никто не управляет этим движением, но оно происходит по тем же законам, что и рост растения: одни области листа сжимаются сильнее других, и плоская форма превращается в объёмную. Инженеры давно мечтали приручить этот процесс, чтобы плоская заготовка сама складывалась в нужную скульптуру.

Пластиковая плёнка толщиной с человеческий волос содержит платиновые точки размером меньше миллионной доли миллиметра — так называемые наночастицы. Они расположены на границе двух слоёв транзистора и действуют как ловушки для электрического заряда: подобно губке, впитывающей воду, эти точки захватывают и удерживают электроны.

Свет в оптоволокне подобен ручью: он распространяется внутри стеклянной нити, удерживаемый полным внутренним отражением, и не выходит за её пределы. Толстое волокно, обладая большим числом мод, пропускает множество таких «ручейков» одновременно; тонкое — лишь одну моду.

Регистрировать свет по одному фотону — всё равно что расслышать шёпот в грохочущем цехе. Камера с электронным умножением (EMCCD — Electron Multiplying Charge-Coupled Device) умеет именно это: единственный фотон, попавший в пиксель, она превращает в лавину электронов, которую уже можно измерить.

Лучевая терапия — это прицельный удар по опухоли, но каждый выстрел нужно выверить до миллиметра и доли секунды. Беда в том, что существующие дозиметры либо громоздки, либо сами искажают пучок, либо требуют пауз на считывание. Группа исследователей обошла эти препятствия с помощью самого распространённого вещества на Земле — воды.

Пустой резонатор — не совсем пустой. Даже в абсолютном вакууме, где нет ни одного фотона — кванта света, — существуют квантовые флуктуации: непрерывное рождение и исчезновение виртуальных частиц. Это похоже на рябь на воде в полный штиль: поверхность кажется гладкой, но молекулы продолжают дрожать. Физики научились превращать эту дрожь в настоящие волны — реальные фотоны.

Ночная река усеяна крошечными искрами. Это не планктон — это функциональная пыльца-сенсор, миллиметровый прибор, который сам плывёт и сам измеряет химию воды. Каждая частица — маленькая лаборатория. Внутри неё встречаются два реагента: один вызывает свечение при контакте с загрязнителем, второй — цветной фильтр — отсекает лишние помехи.

Светоизлучающие материалы на основе органики похожи на оживлённый перекрёсток без светофора. Молекулы получают энергию, но вместо того чтобы честно отдать её светом, часто сворачивают в тупики: образуют тёмные пары (эксиплексы — короткоживущие комплексы без излучения) или сталкиваются друг с другом, теряя заряд.

Обычный радар напоминает микрофон в гудящей толпе: отдельные звуки сливаются в кашу. PiVoT работает как дирижёр, который в хаосе настройки мгновенно распознаёт каждый инструмент. Вместо того чтобы перебирать гипотезы, алгоритм стягивает петлю вокруг самых вероятных целей — автомобилей, велосипедистов, пешеходов.

Каждая аннигиляция позитрона похожа на рождение пары танцоров, связанных невидимой нитью поляризации. Два гамма-кванта разлетаются, но их состояния остаются скручены: измерение одного мгновенно определяет другой — словно партнёр чувствует каждое движение на любом расстоянии.

Десятки медных катушек в томографе ловят слабый отклик от тканей — как микрофоны, пытающиеся расслышать шёпот в шумном зале. Каждый микрофон тянет за собой толстый жгут проводов. Провода давят друг на друга, создают электрические помехи, греются и добавляют риск для пациента. Группа исследователей предложила заменить медный «клубок» на оптические волокна.

Вселенная — гигантский лабиринт кривых зеркал. Масса галактик и скоплений искажает свет далёких квазаров, словно забавляясь нашим восприятием космоса. В этой комнате смеха прячется разгадка самой большой тайны: тёмной энергии, расталкивающей пространство всё быстрее.

В маленькой чашке Петри — капля жидкости размером с булавочную головку. Обычный томограф её просто не заметит: слишком слабый сигнал. Но если поднести к капле крошечный датчик магнитного поля, картина меняется.

Солнечный свет падает на вещество, и каждый фотон выбивает один электрон. Таков привычный порядок, из-за которого обычные батареи не могут превратить в электричество больше трети энергии — остальное рассеивается теплом. Но есть процесс, похожий на игру в бильярд, где один шар раскалывает сразу два: умножение носителей (carrier multiplication).

Сцена освещена прожекторами, но самые интересные события разворачиваются в тени — там, где прячутся невидимые глазу молекулы. Новая камера улавливает тепло этих «невидимок» и превращает его в обычный свет.

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.

Вселенная пронизана невидимой субстанцией — тёмной материей, чьё гравитационное влияние очевидно, но состав остаётся загадкой. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из сверхлёгких частиц, масса которых настолько мала, что они проявляют волновые свойства, образуя своего рода космическую рябь.

Обычный дождемер собирает воду в ведро и показывает общий объём осадков. А новый прибор — как чуткая ладонь, ощущающая каждую упавшую каплю и ведущая им счёт, даже когда капель становится несколько тысяч. Именно такой прибор построили физики. Они научились точно подсчитывать фотоны — мельчайшие порции света — в очень слабых лазерных вспышках.

Свет оставляет след, даже когда его почти нет. Отдельный фотон — крошечный сгусток энергии — падает на кремниевую пластинку и выбивает горстку электронов. Беда в том, что горстка слишком мала, чтобы её заметить. Нужен усилитель. Обычно сигнал усиливают, прикладывая напряжение к металлическим контактам на поверхности детектора.

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.

Обычная ловушка для атомов работает как воронка: лазерный свет и магнитное поле заставляют атомы замедляться и собираться в центре. Но у воронки есть предел — она ловит только атомы с определённой скоростью. В новом эксперименте свет сделали «шире»: добавили несколько близких частот, и воронка стала захватывать более быстрые атомы.

Луч лазера падает на чип отвесно, как стрела в мишень. Обычные решётки в таком положении теряют половину света: он разбегается в обе стороны, будто толпа у распахнутых дверей. Новая конструкция заставляет свет идти только влево, в нужный волновод. Секрет в том, что полоски решётки сделаны несимметричными — одна стенка каждой полоски чуть длиннее другой.

Тонкая, как мыльный пузырь, плёнка из нитрида алюминия висит над зеркальной пластиной, и между ними — воздушная прослойка толщиной в микрометр. Когда на неё попадает невидимый глазу инфракрасный свет с длиной волны около 15 микрометров, плёнка начинает вибрировать в такт со светом — как струна, отзывающаяся только на свою ноту.

Лазерный луч проходит сквозь клетку, и та отвечает на прикосновение — как натянутая струна, по которой ударили пальцем. По частоте этого «звона» можно понять, насколько материал жёсткий или мягкий. Так работает бриллюэновская микроскопия, названная в честь французского физика Леона Бриллюэна. Но у метода есть беда: он медленный, потому что луч сканирует точку за точкой.

Огромный шар, заполненный жидкостью, вспыхивает, когда через неё пролетает неуловимая частица — нейтрино. Внутри шара, как светлячки на ёлке, висят тысячи трубок, ловящих эти вспышки. Чтобы точно сказать, где именно блеснуло и сколько энергии прилетело, нужно знать положение каждой трубки до миллиметра.

Внутри каждой клетки есть крошечные энергостанции — митохондрии. Они сжигают питательные вещества и запасают энергию. За этим процессом следят две молекулы-помощника: NADH и FAD. Раньше их замечали по слабому свечению, но оно было тусклым, и сигналы от разных молекул сливались. Новый микроскоп работает иначе.

На Большом адронном коллайдере сталкиваются протоны, и из вспышки рождаются десятки частиц. Среди них могут быть следы редких процессов — например, распад бозона Хиггса на два W-бозона. Но эти частицы разлетаются так быстро, что их следы сливаются в одну широкую струю. Выделить такую струю среди тысяч похожих — всё равно что найти нужную ветку в шумящем лесу.

Свет в детекторе частиц ведёт себя как голос в горах. Один крик — и эхо повторяется несколько раз, слабея с каждым отражением. Так и в кремниевом детекторе: настоящая вспышка от частицы рождает ложные, которые путают измерения.

Внутри каждой клетки есть сеть из тонких трубочек — микротрубочек. Они работают как строительные леса и рельсы одновременно: держат форму клетки и перевозят грузы. Эти трубочки собраны из белка тубулина и от природы слабо светятся под ультрафиолетом. Учёные задумались: можно ли сделать это свечение сильнее или слабее по заказу? Ключ к управлению — аминокислота триптофан.

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.

В основе технологии — тончайшая полимерная нить с внедрёнными микроскопическими кристаллами-сцинтилляторами. Когда в такой кристалл попадает невидимая радиоактивная частица, он на мгновение испускает вспышку света — подобно светлячку в ночном лесу.

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.

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…

Два лазерных луча разного цвета падают на кристалл, и внутри него изредка рождаются тройки частиц света — как три монеты, выпавшие из одной щели автомата. Такой процесс впервые удалось наладить достаточно эффективно: за секунду получалось 11,6 троек. Лучи были зелёным и невидимым инфракрасным. В кристалле их энергия складывалась и превращалась в три новые частицы, которые разлетались в разные стороны.

Лазерная вспышка длится несколько фемтосекунд — это как если бы один миг растянули на миллион частей. В такой вспышке перемешаны сразу много цветов, от красного до фиолетового. Приборы, которые измеряют форму вспышки, часто ошибаются: одни цвета видят хорошо, другие — плохо. Из-за этого картинка получается смазанной. Авторы статьи предлагают простой выход.

Под землёй, в бывшей золотой шахте, стоит бак с жидким ксеноном. Если через него пролетит частица тёмной материи, ксенон вспыхнет. Но вспыхивает он и от обычных частиц — например, от нейтрино или остатков радиоактивности. Задача — понять, какая вспышка от тёмной материи, а какая от шума.

Камера, которая ищет опухоли, работает как очень чувствительный фотоаппарат: ловит слабое свечение от вещества, накопленного в больных клетках. В обычных аппаратах свет рождается в кристалле — твёрдом куске, похожем на стекло. Но кристалл не всегда точно передаёт, где именно вспыхнул свет, и картинка получается слегка размытой. Новая идея — заменить кристалл на жидкий ксенон.