спектроскопия квантовых излучателей

На столе лежит слоёный пирог из чешуек гексагонального нитрида бора — материала, похожего на графит, но из атомов бора и азота. Одну чешуйку аккуратно переносят на другую, и в месте их перекрытия после прокаливания в кислороде рождаются яркие одиночные источники света. Их плотность вырастает до пятнадцати раз по сравнению с обычными участками, а качество остаётся прежним.

Луч электронного микроскопа обычно летит в пустоте, как курьер по пустому шоссе. Любая молекула воздуха для него — кочка, от которой он подпрыгивает и теряет направление. Поэтому раньше, чтобы рассмотреть образец, его замораживали, высушивали или покрывали металлом — и всё равно смотрели только в вакууме.

Голубое свечение в воде вокруг ядерного реактора — это свет, который рождается, когда заряженная частица обгоняет свет в этой среде. Эффект открыл Павел Черенков в 1934 году, а теорию дали Игорь Тамм и Илья Франк. С тех пор черенковское излучение стало рабочим инструментом: от детекторов частиц до астрофизики.

Оркестр без дирижёра, где музыканты слышат друг друга через общую стену. Примерно так устроен новый тип лазера: несколько атомов (излучателей) сидят вдоль световода — тонкой дорожки для света на чипе. Свет от каждого атома бежит по этой дорожке и влияет на соседей. Возникает коллективная игра, где атомы излучают согласованно, как смычки, взлетающие в один миг. Но есть нюанс.

Чёрная дыра — область пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что покинуть её не может ничто, включая свет.

Когда много возбуждённых атомов собраны вместе, они часто выстреливают светом согласованно — как толпа, которая аплодирует в такт. Это давно известное явление называется сверхизлучением Дике. Но авторы новой работы задались вопросом: что будет, если атомы не одинаковы и каждый ощущает своих соседей?

Поиск одиночной светящейся точки в тёмном образце похож на попытку найти иголку в стоге сена: луч микроскопа ползёт строка за строкой, тратя время и свет впустую. Физики заменили этот медленный обход случайными узорами света. Образец освещают сразу широким полем, но каждый раз — новым узором из светлых и тёмных пятен, как будто на него проецируют случайные тени от решётки.

Свет, который испускает атом, — не просто вспышка. Он несёт отпечаток того, в каком состоянии был атом в момент излучения. Физики взяли сверхпроводящий кубит — искусственный атом размером с микросхему — и заставили его светиться в открытый волновод, как лампочку в длинный коридор. Затем они ловили каждый фотон и смотрели, как меняется его фаза.

В тёмной комнате атом и свет заперты вместе в зеркальной коробочке. Коробочка настолько мала, что атом не может просто так выпустить свет — они постоянно обмениваются энергией, как два танцора, которые не отпускают рук. Такая ультрасильная связь меняет сами правила игры: уровни энергии перестраиваются, и свет выходит наружу не обычными одиночными порциями, а целыми созвездиями.

Свет от лазера — как идеально ровный ряд солдат на параде: все волны колеблются в одной плоскости. Такой свет называют поляризованным. В новой работе физики впервые получили поляризованные гамма-лучи, сталкивая электроны с мощным лазерным импульсом. Спектроскопия здесь не нужна — поляризацию измерили по разлёту нейтронов из дейтериевой мишени.

Обычный лазер подобен хору, где каждый певец исполняет партию сам по себе — звук получается громким, но с неизбежными шероховатостями. В новом квантовом лазере атомы, словно певцы, слышат друг друга и выравнивают свои «голоса».

Сотня светлячков в банке мигает вразнобой, но стоит им синхронизироваться — и вспышки складываются в яркий пульс. Примерно так же ведут себя квантовые излучатели: отдельные атомы или искусственные частицы, которые могут испускать фотоны. Когда их много и они взаимодействуют, рассчитать их коллективное поведение — задача не из лёгких.

На огромном поле светлячков, которые вспыхивают поодиночке, а не роем, ищет новая автоматическая установка. Она водит лазером по образцу, как фонариком, и в каждой точке записывает цвет и яркость свечения. Если где-то вспыхивает одиночный фотон — это и есть тот самый «светлячок», который нужен для квантовых компьютеров и защищённой связи.

Свет от множества крошечных излучателей — атомов или искусственных «квантовых точек» — обычно расходится в разные стороны, как толпа, где каждый кричит сам по себе. Но если заставить их «петь хором», вспышка становится ярче во много раз.

Одиночный источник света в тонком слое нитрида бора вспыхивает и гаснет за пару наносекунд. Таких источников в материале можно создать много, но каждый из них долго работал сам по себе. В новой работе их заставили светиться вместе, как музыкантов, играющих в унисон. Для этого источники разместили на расстоянии меньше длины волны испускаемого света.