фотон

Свет в обычной комнате исчезает мгновенно, стоит выключить лампу. В крошечной полости из нитрида кремния фотон — квант света — может метаться между стенками 80 000 раз, прежде чем потеряется. Это как если бы мяч, брошенный в комнату, отскакивал от стен почти без потери скорости.

Чтобы заглянуть глубже в устройство мира, физики разгоняют электроны и сталкивают их между собой. У обычного электрона есть собственный момент импульса — спин, который можно представить как ось вращения крошечного волчка. В обычном пучке эти оси направлены хаотично.

Брошенный камень расходится кругами по воде. Гравитационная волна — такая же рябь, но в пространстве-времени. Её порождает, например, слияние двух чёрных дыр. В классической физике эта рябь вечна: раз возникнув, она летит сквозь Вселенную, не затухая. Но гравитация подчиняется квантовым законам.

В 2021 году обсерватория LHAASO зарегистрировала гамма-кванты с энергией свыше петаэлектронвольта от источников вроде Крабовидной туманности — остатка взрыва сверхновой, в центре которой пульсирует нейтронная звезда.

Сёрфер на доске скользит по глади океана, пока не приходит большая волна — и вот он уже летит вперёд. Примерно так же свободный электрон взаимодействует со светом: обычно обмен энергией едва заметен, но если среда вокруг начинает ритмично меняться, каждый гребень волны подталкивает частицу всё сильнее.

При экстремально низкой интенсивности света фотоны прибывают на детектор поодиночке — словно капли из неплотно закрытого крана, никогда не образуя пар.

Странный вышел бы бильярд, если бы шары не имели массы. Они бы не сталкивались, а проходили друг сквозь друга, не замечая препятствий. Примерно так выглядит попытка представить свет как поток классических частиц — маленьких упругих телец, летящих по прямой. Новое доказательство ставит на этой картине крест.

Понять фотоэффект — явление, при котором свет, падая на материал, выбивает из него электроны, — всё равно что учиться готовить без рецепта. На помощь приходят цифровые инструменты: игры дают интуитивное чутьё, симуляции — количественную точность. Исследователи провели эксперимент с участием 55 студентов, разделив их на две группы.

Когда электрический заряд движется с ускорением, он испускает электромагнитное излучение, то есть свет — это привычное явление в физике. Однако исследователи обнаружили, что при движении по специально подобранной траектории излучение приобретает необычные свойства.

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).

В квантовой механике свет и вещество находятся в непрерывном обмене энергией. Долгое время их взаимодействие описывали статично — как серию застывших поз, отдельных квантовых состояний. Новый подход фокусируется на самой динамике: на переходах между состояниями как на непрерывной последовательности движений.

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. Его атомы напоминают миниатюрные антенны: они излучают и поглощают электромагнитное излучение на строго определённых частотах.

Перед сборкой огромного пазла нужно наштамповать детали — иначе картинка не сложится. В квантовых компьютерах на основе слияния роль таких деталей играют крошечные сгустки света — фотонные ресурсные состояния. Их сталкивают и измеряют, чтобы постепенно вырастить вычислительную ткань.

Чёрная дыра похожа на идеальный сейф: всё, что падает внутрь, исчезает без следа. Но в 1970-х Якоб Бекенштейн и Стивен Хокинг обнаружили, что у горизонта есть неуничтожимая «наклейка» — энтропия (мера скрытой информации о поглощённом веществе).

Качели раскачиваются, только если толкать их в такт. Чуть собьёшься с ритма — и усилия пропадают даром. Примерно так же свет взаимодействует с атомным ядром: обычно фотон поглощается, лишь когда его энергия точно совпадает с разницей между ядерными уровнями. Но что делать, если энергия фотона не подходит? Авторы новой работы нашли обходной путь.

Обычная фотовспышка длится тысячные доли секунды. Аттосекундный импульс в триллион раз короче — за время его действия свет проходит расстояние меньше размера атома. Такие вспышки работают как сверхскоростной затвор: они замораживают движение электронов, позволяя увидеть, как те перескакивают между орбиталями или участвуют в химической реакции.

Каждую осень зарянка весом с кусочек масла снимается с ветки где-нибудь под Петербургом и летит на юг, к Средиземноморью, ни разу не сверившись с картой. Считается, что в её глазу работает встроенный магнитный компас, и главная деталь этого прибора — белок криптохром 4a.

Свет — самый быстрый курьер, но он не умеет ждать. Чтобы квантовые компьютеры обменивались сообщениями, нужна память, которая поймает фотон и подержит его, пока адресат не освободится. В тёплом паре металла атомы носятся как пчёлы в улье, и каждый своим движением сбивает запись. Из-за этого свет, который удалось остановить, быстро превращается в кашу.

Обычный почтовый конверт имеет прямоугольную форму, и письмо внутри неё не меняет свойств конверта. С фотонами — частицами света — ситуация иная: их «форма» во времени может быть разной, и эта форма сама по себе несёт информацию.

Обычный лист чёрного фосфора похож на слоёный пирог из атомов. Если посветить на него обычной лампой, ничего особенного не произойдёт: электроны в нём сидят ровно, как зрители в тёмном зале. Но короткая вспышка лазера, длящаяся миллионные доли миллиардной секунды, встряхивает этот зал.

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.

Свет обычно толкает атом прямо по курсу, как ветер — парус. Но если луч закрутить штопором, картина меняется: атом может отлететь вбок, словно его зацепили вращающимся колесом. В новой работе физики рассчитали, что такой вихревой фотон способен передать атому своё вращение почти целиком — до 100 процентов.

Кран, из которого вода течёт не струёй, а строго по одной капле, — так можно описать источник одиночных фотонов, о котором рассказывают авторы. В обычном свете фотоны летят толпой, как вода из открытого крана. А для квантовых технологий нужны одиночные фотоны — «капли» света, которые можно использовать как кубиты или как курьеров для защищённой связи.

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.

Ночью в тёмной комнате человеческое тело едва заметно светится. Этот свет настолько слаб, что его ловят только очень чувствительные приборы. Некоторые учёные решили, что такое свечение от головы расскажет о работе мозга — без томографов и проводов. Но проверка показала другое. Когда свет от головы измерили в по-настоящему тёмных условиях, он оказался в разы слабее, чем в прежних опытах.

Свет в оптоволокне — это поток фотонов, и для квантовой связи нужны одиночные фотоны, которые можно отправлять по одному. Но сделать так, чтобы они вылетали быстро и при этом были неотличимы друг от друга, — сложная задача.

В кристалле титаната бария есть встроенное электрическое поле — как у постоянного магнита, только для зарядов. Когда туда попадает вспышка света, она выбивает электроны, и те начинают метаться, сталкиваясь с атомами. Но кристалл не одинаков во всех направлениях: у него есть ось, вдоль которой поле самое сильное.

В классической механике электрон, обращаясь вокруг ядра, должен непрерывно терять энергию на излучение и по спирали падать на ядро — подобно сёрферу, который, теряя скорость, соскальзывает с доски. Однако атомы стабильны на протяжении миллиардов лет. Причина в том, что космос не является пустым.

Свет — это поток фотонов, и обычно у фотона нет магнитного момента: он не отклоняется магнитом, как железные опилки. Но в очень сильном магнитном поле, сравнимом с критическим полем Швингера (около 4.4×$$10^{13}$$ Гаусс — в миллиарды раз сильнее, чем у магнита на холодильнике), у фотона появляется аномальный магнитный…

Светящаяся точка размером с молекулу. Через неё пропускают ток — и она вспыхивает, как крошечная лампочка. Так выглядит эксперимент с молекулами красителя на поверхности тонкой соляной плёнки. Когда ток попадает в молекулу, один электрон отдаёт ей энергию. Молекула тут же отдаёт эту энергию обратно — в виде света. Это как качели: толкнули один раз, а они качнулись и замерли.

Свет — это не просто луч, а волна, у которой есть электрическое поле, меняющееся со скоростью, невообразимой для обычных часов. До сих пор это поле удавалось измерить лишь в одной точке, как температуру одним градусником. Теперь исследователи создали метод, который показывает всё поле сразу, как тепловизор показывает карту тепла.

Протон нельзя увидеть как простой шарик. Если ударить по нему фотоном, он может поглотить энергию и перейти в возбуждённое состояние — как колокол, который начинает звенеть на определённой частоте после удара. Эти состояния называют нуклонными резонансами, и они живут очень недолго, прежде чем распасться на другие частицы.

Когда солнечный луч падает на лист, внутри него начинается эстафета. Энергия света переходит от одной молекулы хлорофилла к другой, пока не доберётся до реакционного центра — места, где запускается химия жизни. Эта эстафета идёт с удивительной точностью: почти каждый квант света находит свой путь. Учёные решили выяснить, как молекулам удаётся так слаженно передавать энергию.

Атом водорода — как крошечные часы, тикающие с точностью, о которой инженеры могут только мечтать. Когда электрон перескакивает между орбитами, он поглощает или испускает свет строго определённой частоты — это и есть «тик».

Поток электронов можно сравнить с пучком света от лазерной указки: если он расходится, пятно на стене быстро расплывается. В лаборатории физики сделали настолько узкий пучок, что он оставался тонким на большом расстоянии, как луч хорошей указки. Для этого они разгоняли электроны в плазменном ускорителе, где частицы подхватываются волной в ионизированном газе, а затем сжимали поток постоянным магнитом-соленоидом.

Лист графена — решётка из атомов углерода, похожая на пчелиные соты. Электроны в нём носятся так быстро, будто у них нет массы, как у света. Когда на такой лист падает мощный лазерный импульс, электроны получают пинок и начинают разгоняться. Их путь можно сравнить с дорогой, на которой иногда встречаются шлагбаумы — запрещённые зоны.

Если бы свет можно было разливать по бутылкам, учёные получили бы идеальный конвейер: одна бутылка — ровно один фотон, без капель мимо. Такие одиночные частицы света нужны квантовым компьютерам и защищённой связи: они переносят информацию, которую нельзя незаметно подслушать. Но выдавать фотоны по одному и точно в срок — задача посложнее, чем кажется.

Лазерный импульс попадает в крошечную полость из прозрачного кристалла. Внутри свет мечется между зеркалами, и иногда один фотон расщепляется на пару: один летит в одну сторону, другой — в другую. Один из них становится сигналом, а второй — «звонком», который сообщает: одиночный фотон готов.

Протон — не гладкий шарик, а клубок из более мелких частиц, которые постоянно движутся. Чтобы заглянуть внутрь, физики стреляют по протону электронами и смотрят, как те отскакивают. Новый прибор — Электрон-ионный коллайдер — будет делать это с невиданной точностью. Учёные заранее проверили, что получится, если собрать данные с этого коллайдера при разных энергиях.

Свет в крошечном кольце — как вода в замкнутом канале: если пустить поток слишком сильный, стенки начнут дрожать и канал изменит форму. В оптических микрокольцах роль воды играет лазерный луч, а роль стенок — кристаллическая дорожка толщиной меньше волоса. Обычно мощный свет «прожигает» материал: меняет его свойства, сдвигает частоту, портит настройку.