спектроскопия накачка-зонд

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.

Гроза в верхних слоях атмосферы длится миллионные доли секунды. Космический луч — протон или ядро гелия — ударяет по молекулам воздуха, и вниз летит целый рой частиц. Большинство из них держатся вместе, но иногда одна частица получает столько энергии, что вырывается вперёд. Тогда каскад раздваивается: получаются два горба в продольном профиле, как два эха от одного удара.

Когда мощный лазерный импульс попадает в газовую среду, он ионизирует атомы — вырывает электроны, — и разгоняет их до релятивистских скоростей, близких к скорости света. Эти высокоэнергичные электроны, пролетая через плазму, испускают рентгеновское излучение, подобно светящемуся следу от быстрой частицы.

Стрелок целится в мишень, нажимает на спуск — и слышит два выстрела: один громкий, другой тихий. Так работает новая установка, только вместо пуль — электронный сгусток, а вместо выстрелов — две вспышки света. Одна вспышка рентгеновская, другая — терагерцовая. Они летят в одну точку с идеальным интервалом.

14 секунд. Столько времени нужно новому коду, чтобы соткать полный спектр звезды, от ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона. Этот спектр — не просто радуга, а подробное полотно из тысяч тёмных линий поглощения, каждая из которых оставлена определённым атомом в атмосфере звезды.

Заряженная частица проносится сквозь кремниевый датчик и оставляет за собой след из свободных электронов. Время, за которое этот заряд соберётся на электроде, зависит от того, насколько глубоко в толще кристалла он родился. Частица, влетающая прямо, прочерчивает одинаковые дорожки в соседних пикселях — и их сигналы приходят почти синхронно.

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.

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.

Обычная фотовспышка замирает на сотых долях секунды — но для атомов это вечность. Внутри молекул электроны перескакивают за аттосекунды: миллиардные доли миллиардной доли секунды. Чтобы заснять такое, нужен импульс света короче самого события. Физики берут пучок электронов в линейном ускорителе и сжимают его так, что отдельные сгустки становятся тоньше волоса — по времени.

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.

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.

Лазерная вспышка длительностью 50 фемтосекунд — это как выстрел, который длится одну миллиардную долю секунды. За это время свет успевает пройти всего 15 микрометров — меньше толщины человеческого волоса. Но если такую вспышку пропустить через усилитель, она начинает растягиваться, как резиновая лента, и теряет свою остроту.

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.

Обычный лазерный дальномер работает как секундомер на стометровке: он засекает время, за которое свет сбегал до цели и обратно. Но у такого секундомера есть предел — он щёлкает с шагом в десятки пикосекунд (триллионных долей секунды). За этот шаг свет пролетает около сантиметра, поэтому мельче детали не разглядеть.

Радиотелескоп EDA2 в австралийской глубинке — как гигантское ухо, прижатое к небу. Он слушает космос на очень низких частотах, от 50 до 250 мегагерц, где обычные телескопы почти ничего не различают. Именно здесь пульсары — быстровращающиеся нейтронные звёзды — звучат особенно интересно: их импульсы растягиваются, искажаются и рассказывают о том, что встретилось им по пути.

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.

Два лазерных луча, как два карандаша, рисуют на стене невидимую шкалу. Один кончик движется чуть быстрее другого, и по тому, как их штрихи то совпадают, то расходятся, можно вычислить расстояние до стены с точностью до толщины паутинки. В новой работе физики заставили эти два луча работать непрерывно, без пауз.

Лазер бьёт по образцу, и молекулы в нём начинают дрожать. Это дрожание нагревает вещество на ничтожные доли градуса. Раньше такой нагрев считали помехой, а теперь по нему читают химический состав — как по звуку шагов угадывают, кто идёт по коридору. Новый микроскоп использует всего одну пару лазерных импульсов, чтобы вызвать этот нагрев.

Камера, которая снимает не свет, а поток электронов, отражённых от кристалла, — это гибридный пиксельный детектор. Он умеет считать каждый попавший в него электрон, почти не создавая собственного шума. В обычном режиме, когда пучок электронов льётся непрерывно, детектор работает отлично.

Если бросить камень в пруд, по воде пойдут круги. В крошечном магнитном кристалле тоже бывают волны — только колеблется не вода, а направление намагниченности. Такие волны называют спиновыми. Они бегут по кристаллу, как рябь по поверхности, и могут переносить информацию. Физики взяли пластинку из иттриевого феррита-граната — это прозрачный оранжевый кристалл, который любят за чистоту магнитных колебаний.

Лазер, о котором идёт речь, — это не тонкий луч, а целая беговая дорожка для света. Внутри оптоволокна бегут два сверхкоротких импульса: один по часовой стрелке, другой против. Каждый импульс — одиночная вспышка длительностью в миллиардные доли секунды. Они не мешают друг другу, но встречаются в конце круга, как два бегуна, которые стартовали одновременно с разных концов стадиона.

Лазерный импульс, бегущий сквозь плазму, подобен бегуну, прокладывающему себе дорогу в толпе. Он расталкивает электроны, оставляя за собой разреженный канал — как расступается толпа за спринтером. В этом канале гребень световой волны движется чуть быстрее, чем свет в вакууме, и именно эта скорость определяет, насколько эффективно импульс передаёт энергию частицам.

Кристалл оксида магния похож на строй солдат: атомы стоят ровными рядами, и по ним бежит электрон. Но стоит электрону задержаться, как ближайшие атомы слегка сдвигаются с мест — словно соседи по шеренге поворачивают головы. Электрон оказывается в ямке из смещённых атомов и уже не может двигаться свободно.

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.

Обычный лазер выпускает фотоны по одному, как кран, капающий водой. А если нужно сразу несколько частиц света, родившихся в один и тот же миг? Физики заставили облако холодных атомов рубидия испускать четвёрки фотонов — как если бы кран вдруг выдавал по четыре капли разом, и каждая падала в свою пробирку. Облако охлаждают почти до абсолютного нуля, чтобы атомы едва шевелились.

Внутри каждой живой клетки непрерывно идут химические превращения. Некоторые из них порождают нестабильные частицы — короткоживущие радикальные пары, чьи электроны ведут себя как спаренные магнитики. Их взаимодействие напоминает танец: каждое движение пары отзывается на внешние магнитные поля, словно на меняющийся ритм.