фотонные кристаллы

В тёмной комнате луч солнца проходит сквозь булавочный прокол в картоне — и на стене появляется перевёрнутое изображение улицы. Пинхол-камера не нуждается в линзах: крошечное отверстие само отбирает лучи, идущие от каждой точки сцены. Учёные из ESRF применили этот принцип не к свету, а к рентгеновскому излучению, и заставили камеру видеть не форму, а химический состав.

Свет, рождающийся при влёте быстрого электрона в материал, обычно считают изотропным — одинаковым во всех направлениях. Но в кристаллах, где оптические свойства зависят от направления, это не так. Проведите рукой по бархату: в одну сторону он гладкий и блестит, в другую — тёмный и шероховатый. Так и кристалл по-разному реагирует на свет в зависимости от своей ориентации.

Свет, рождающийся при влёте быстрого электрона в материал, обычно считают изотропным — одинаковым во всех направлениях. Но в кристаллах, где оптические свойства зависят от направления, это не так. Проведите рукой по бархату: в одну сторону он гладкий и блестит, в другую — тёмный и шероховатый. Так и кристалл по-разному реагирует на свет в зависимости от своей ориентации.

В затемнённой комнате между двумя проводами проскакивает электрическая искра — и на мгновение вспыхивает свет. Физики воспроизвели нечто подобное, но в миллион раз меньше: на границе двух прозрачных кристаллов они прочертили проводящую дорожку и оставили в ней разрыв шириной всего в несколько атомов. Когда на этот микроскопический зазор подали постоянное напряжение, он начал испускать свет.

Зеркало мчится со скоростью почти сорок тысяч километров в секунду — это около одной восьмой скорости света. Свет, упавший на него, отскакивает обратно, но уже другим: его частота увеличивается, как мяч, отбитый ракеткой на лету, приобретает дополнительную энергию. Именно такое зеркало учёные построили внутри тончайшей стеклянной нити, заполненной водородом.

Свет, который не долетел до камеры, всё равно оставляет на ней свой след. Так работает новый метод съёмки: объект освещают одним цветом, а картинку собирают из другого. В кристалле световые волны смешиваются, и информация о невидимом переходит к видимому лучу. В опыте использовали кристалл серебряного тиогаллата — нелинейно-оптический материал, в котором два луча разного цвета идут через него под углом.

Свет, который не долетел до камеры, всё равно оставляет на ней свой след. Так работает новый метод съёмки: объект освещают одним цветом, а картинку собирают из другого. В кристалле световые волны смешиваются, и информация о невидимом переходит к видимому лучу. В опыте использовали кристалл серебряного тиогаллата — нелинейно-оптический материал, в котором два луча разного цвета идут через него под углом.

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.

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.

Тёмную материю никто не видел, но она должна проходить сквозь детекторы как ветер сквозь листву. Иногда, очень редко, частица тёмной материи задевает ядро атома — и тогда детектор должен уловить этот толчок. Проблема в том, что лёгкие частицы тёмной материи почти не могут сдвинуть тяжёлые ядра: это как пытаться сбить кеглю, бросая в неё пушинку.

Обычная лампочка либо горит, либо нет. А вот крошечные светящиеся частицы — нанокристаллы с ионами редкоземельных металлов — до сих пор светили ровно, как маленькие фонарики. Внутри такого кристалла тысячи ионов-излучателей, и даже если один «устанет», остальные продолжают светить. Поэтому мигание — резкие включения и выключения — считалось для них невозможным.

Одиночный фотон — как идеально ровный кирпичик, из которого можно строить квантовые технологии. Но чтобы построить дом, нужны тысячи одинаковых кирпичей. Атомы рубидия — прирождённые излучатели: каждый атом испускает фотоны строго одной длины волны, как камертон, всегда дающий одну ноту. Проблема в том, как собрать много атомов в одном месте и заставить их работать согласованно.

Свет можно заставить поворачивать по команде, как воду в шланге — если знать, где нажать. Именно это делают электрооптические схемы: меняют направление луча внутри чипа электрическим полем. Классический материал для таких фокусов — ниобат лития, кристалл, который откликается на напряжение, как струна на щипок.

Волны на поверхности воды обычно разбиваются о любую преграду — камень, сваю, остров. Но что, если расставить препятствия так хитро, что волна их почти не заметит? В новой работе учёные собрали на воде узор из множества точек, расставленных по особым математическим правилам, и пустили по ним волны.

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.

Луч света обычно распространяется по прямой, но его можно заставить вращаться вокруг оси — подобно воде, закручивающейся в воронку при сливе. Такой «вихревой» свет, несущий орбитальный угловой момент, способен передавать больше информации и востребован для сверхбыстрой связи и квантовых вычислений.

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.

Луч света обычно распространяется по прямой, но его можно заставить вращаться вокруг оси — подобно воде, закручивающейся в воронку при сливе. Такой «вихревой» свет, несущий орбитальный угловой момент, способен передавать больше информации и востребован для сверхбыстрой связи и квантовых вычислений.

Тёмная материя не испускает и не отражает свет, но её присутствие выдаёт гравитационное воздействие на видимое вещество. Чтобы зарегистрировать хотя бы одну частицу, физики строят детекторы, похожие на очень тихие комнаты: внутри лежат кристаллы, которые вспыхивают, когда в них попадает частица. Но вспышка слабая, и если свет теряется по дороге, сигнал можно не заметить.

Кусок металла размером меньше миллиметра при охлаждении до минус 256 градусов Цельсия ведёт себя как калейдоскоп: в одном его уголке магнитные стрелки выстраиваются в ровные ряды, а в соседнем — закручиваются винтом. Это удалось увидеть, направив на образец узкий рентгеновский луч и медленно ведя им по поверхности, как фонариком по тёмной стене. Обычно такие материалы изучают, освещая сразу весь кристалл.

В водном растворе плавают микроскопические шарики — коллоидные частицы. Каждый шарик покрыт длинными полимерными нитями, образующими подобие щётки, и несёт электрический заряд. При определённых температуре и составе раствора такие частицы самопроизвольно выстраиваются в упорядоченные структуры — коллоидные кристаллы.

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.

Бросьте два камешка в воду на некотором расстоянии друг от друга. Волны от них побегут навстречу и в некоторых местах погасят друг друга — вода станет гладкой, хотя каждый камень по отдельности создал бы рябь. Похожим образом ведёт себя пара фотонов — квантов света, рождённых в одном кристалле и разлетевшихся в разные стороны. Только вместо волн на воде здесь интерферируют их волновые функции.

В привычной картине мира событие — это точка на карте пространства-времени: «здесь и сейчас», без размера и внутреннего устройства.

Если задеть гитарную струну точно посередине, она будет звучать только на нечётных обертонах — такой запрет накладывает симметрия колебаний. Аналогичный принцип работает в симметричных кристаллах: когда свет выбивает электроны, их ответное излучение содержит лишь нечётные гармоники. Но физики нашли способ обойти этот запрет, не сдвинув с места ни единого атома.

При сильном морозе — минус 268 градусов — кристаллическая плёнка перовскита начинает по-разному пропускать свет в зависимости от его поляризации. Луч как будто раздваивается: одна часть идёт чуть быстрее, другая чуть медленнее. Разница в энергии между ними — всего 45 тысячных электрон-вольта, но этого хватает, чтобы чётко разделить два оптических канала.

В тончайшем листе четырёхслойного графена электроны могут вести себя как застывшая жидкость. При сильном охлаждении и под действием электрического поля они перестают метаться и выстраиваются в правильный узор — вигнеровский кристалл. Это похоже на то, как капли воды на морозе превращаются в ледяные соты.

Мозаика из квадратов и треугольников покрывает пол без щелей, но не складывается в простой повторяющийся рисунок. Такой узор — это квазикристалл, твердое тело, где атомы расставлены не периодически, а по рисунку из нескольких волн разной длины. Волны эти несоизмеримы друг с другом, и вместе они создают дальний порядок.

Световая волна похожа на верёвку, которую встряхнули: она колеблется в определённой плоскости. Это свойство — поляризация — рассказывает о форме и составе объектов. Но уловить её непросто, особенно если нужно охватить широкий диапазон цветов. Обычно для этого собирают громоздкие системы из линз и фильтров.

Свет, бегущий по волноводу, иногда попадает в ловушку. В особых структурах — плоских зонах — он застывает на месте: волна не расплывается, а сидит в нескольких соседних каналах, словно зажатая пружина. Плоская зона — это диапазон энергий, где скорость света падает до нуля.

Тонкая плёнка особого кристалла — например, дисульфида молибдена — лежит на предметном столике. Температура чуть выше той, при которой материал становится сверхпроводником.

В мире двумерных материалов порой рождаются состояния столь же необычные, как и хрупкие. Одно из них — дробный аномальный холловский кристалл (FAHC) — словно квантовый кентавр: наполовину упорядоченная решётка, наполовину топологическая жидкость.

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.

Свет застревает в кристаллической решётке, но не простой, а вывернутой наизнанку — как пчелиные соты, где вместо воска пустота, а рёбра сделаны из материала. Так устроен обращённый опал — трёхмерный фотонный кристалл, который не пропускает свет определённых цветов.

Кристалл размером со спичечный коробок поместили под луч клинического ускорителя. Половину его поверхности покрыли узором из нановыступов — крошечных, меньше длины волны света. Вторую половину оставили гладкой. Разница оказалась разительной: покрытая часть выдала сигнал в 4,1 раза ярче. Нанофотонный сцинтиллятор увеличил контраст по отношению к шуму в 3,7 раза.

В 1958 году Филип Андерсон показал, что сильный беспорядок способен остановить волну. С тех пор физики выяснили: между полной остановкой и свободным бегом есть промежуточные режимы. Частица может не просто стоять или лететь, а дрожать на месте, пульсировать или сочетать несколько типов движения сразу.

Камешек падает в пруд — и по воде разбегаются круги. Но одна из волн вдруг не расходится, а прилипает к невидимой складке на поверхности и бежит только вдоль неё. Нечто похожее обнаружили физики, когда заново просчитали встречу света с аксионной доменной стенкой — узкой областью, где поле меняет знак, как горный хребет разделяет два склона.

Перовскитные кристаллы — это класс материалов с уникальной кристаллической решёткой, способных преобразовывать солнечный свет в электричество с эффективностью, сопоставимой с традиционным кремнием, но при значительно меньшей стоимости производства.

Свет падает на кристалл и выбивает электрон из его законного места. Остаётся пустота — дырка, которая ведёт себя как положительный заряд. Электрон и дырка притягиваются и кружатся друг вокруг друга, словно пара в медленном танце. Такая пара называется экситоном (от слова «возбуждение»). Но танец этот не в пустоте.

В тонкой пластинке слоистого кристалла свет может застрять, как звук в пустой комнате. При низкой температуре образцы (PEA)₂PbI₄ толщиной от десятков до сотен нанометров почти перестают пропускать свет на определённых длинах волн. Вместо привычного провала в спектре появляется целая полоса, где свет отражается обратно — словно на пути возникло невидимое зеркало.