показатель преломления

Каждую секунду в небе тысячи пассажирских самолётов шлют радиосигналы — так диспетчеры видят, где летит борт. Эти сигналы идут не по прямой: воздух разной влажности изгибает их, как линза. Если поймать изгиб, можно вычислить, где воздух суше, а где влажнее. Учёные поставили на земле прибор, который ловит сигналы сразу от нескольких самолётов.

Свет, падая на обычный пластик, частично отражается — возникает блик, как на оконном стекле. Чтобы подавить эти отражения, на поверхность наносят специальное покрытие из микроскопических элементов, которые гасят отражённую волну.

При температуре 359,8 К (около 87 °C) вещество, состоящее из изогнутых молекул, напоминающих по форме банан, переходит в жидкокристаллическую фазу, где молекулы самоорганизуются в слои. Однако, в отличие от обычных слоистых жидких кристаллов, где все «бананы» ориентированы одинаково, здесь они наклонены сразу в двух направлениях — подобно косточкам в банке с вишнёвым вареньем, которые могут смотреть и вверх, и вбок.

Лазерный луч можно представить как стремительный вихрь, который на мгновение захватывает пролетающий электрон. Пока частица движется сквозь импульс, её спин — собственное вращение, подобное вращению крошечного волчка, — испытывает слабый толчок. После выхода из луча волчок уже не смотрит в прежнюю сторону: он чуть-чуть довернулся.

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.

Представьте себе умную антенную панель — фазированную решётку, — которая управляет радиоволнами, несущимися с скоростью света. Она работает подобно оркестру: сотни миниатюрных излучателей, словно музыкальные инструменты, по команде с изменяемым напряжением сдвигают фазу (момент «вступления» в общее звучание).

Катушка Теслы потрескивает, и вокруг неё начинает вращаться луч света. Среда, через которую он проходит, ещё стабильна — но поле растёт, и вращение усиливается. Это не фокус, а поведение особых материалов: они связывают электричество и магнетизм. Для такой связи есть фундаментальный предел — предел Теллегена.

Каждый месяц спутники снимают температуру и влажность над разными уголками планеты. За 24 года накопились тысячи таких парных измерений. Обычно температура и влажность меняются согласованно: теплеет — воздух вбирает больше воды, холодает — отдаёт. Но перед крутым поворотом климата эта слаженность ломается. Два танцора долго двигались в унисон.

В белом веществе мозга сигнал бежит по аксонам — длинным отросткам нейронов, укутанным в изолирующую миелиновую оболочку. Вода заполняет пространство внутри аксонов и снаружи, в узких щелях между волокнами. Два метода МРТ — диффузионный (отслеживает движение молекул) и релаксометрический (измеряет, как быстро затухает сигнал) — словно два переводчика, слушающих один разговор, но слышащих разное.

Бросьте мяч почти параллельно стене — он проскользит вдоль неё, прежде чем отскочить. С лучом света происходит то же самое: при отражении под пологим углом он смещается на микроны вдоль поверхности. Это явление, известное как сдвиг Гооса–Хенхен, долго считали лишь забавным парадоксом, не имеющим практического значения.

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.

Брошенный в пруд камешек рождает круги, что разбегаются во все стороны. А теперь вообразите, что сам пруд вдруг превращается в кисель, причём мгновенно, быстрее, чем волна успевает сделать один гребень. Часть кругов продолжит расходиться, но изменит шаг, а часть — неожиданно развернётся и побежит назад, к месту броска, словно время для неё потекло вспять.

Строй солдат шагает по плацу. Пока все держат ногу, движение остаётся чётким и слаженным. Но стоит кому-то сбиться — стройность теряется. В микромире роль такого строя играют электроны: когда их колебания синхронны, вещество излучает узкую, резкую линию. Как только синхронность пропадает — линия размывается.

В кристалле алмаза иногда встречаются «гости» — одиночные атомы других элементов, занявшие место углерода. Один из таких гостей, атом олова, при облучении лазером испускает свет строго определённого цвета. Этот цвет меняется, если алмаз сжать. Физики рассчитали, насколько именно.

Свет от тонких слоёв полупроводников бывает поляризованным — его волны колеблются в одной плоскости. Раньше думали, что направление колебаний задаёт освещение образца. Но новые опыты с двумя слоями разных материалов (WSe2 и WS2) показали иное: при охлаждении до криогенных температур поляризация света почти не меняется, как бы мы ни светили.

Медная проволока под ударом лазера — это кухня, где повар одновременно включает плиту и следит за секундомером. Атомы меди начинают плясать, теряя строй кристаллической решётки, а электроны, как официанты в зале, мгновенно чувствуют перемену. Но сколько нужно беспорядка, чтобы они заметили? Оказывается, достаточно самого начала плавления.

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.

Капля воды на листе под солнцем исчезает быстрее, чем должна по расчётам тепла. Несколько лет назад появилась гипотеза: свет сам по себе, без нагрева, может выбивать молекулы воды с поверхности. Это назвали фотомолекулярным эффектом. Если он существует, облака, климат и даже бытовая сушка белья могли бы работать иначе. Авторы новой работы решили проверить идею точным измерением.

Астрономы меряют расстояния во Вселенной по взрывам особых звёзд — сверхновых типа Ia. Эти вспышки всегда имеют почти одинаковую яркость, как лампочки известной мощности. Зная, сколько света до нас дошло, можно вычислить, как далеко взрыв. Но точность зависит от того, насколько верно мы знаем эту «мощность лампочки».

Нагретая снизу кастрюля с водой — простой пример турбулентности. Горячая жидкость поднимается, холодная опускается, и поток сам собой разбивается на вращающиеся ячейки, похожие на горизонтальные рулоны. В новой работе физики взяли широкую прямоугольную ёмкость (в десять раз длиннее своей высоты) и проследили, сколько таких рулонов возникает.

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.

Термос с жидким ксеноном, охлаждённый до минус ста градусов. Внутри — чувствительные датчики, которые ловят редкие сигналы от частиц тёмной материи. Чтобы вывести эти сигналы наружу, обычно используют медные кабели. Но на длинном пути сигнал слабеет, а соседние кабели начинают «перешёптываться» — это называют перекрёстными помехами.

В холодных облаках газа и пыли, где когда-нибудь зажгутся звёзды, часть атомов потеряла электроны и стала заряженной. Заряженные частицы чувствуют магнитное поле, а нейтральные — нет, поэтому одни проскальзывают сквозь другие, как вода сквозь сито. Астрономы измерили скорость этого проскальзывания: около ста метров в секунду. Немало — быстрее гоночной машины. Но почему именно столько?

Луч фонарика в тумане расплывается уже через пару метров. Световые частицы разбегаются в стороны, как толпа на площади. Но иногда они могут идти строем — не расходясь, не смешиваясь. Именно такой марш удалось получить в крошечном кристалле перовскита. Кристалл поместили между двумя зеркалами.

Свет, проходящий через оптоволокно, похож на бегуна в узком коридоре: он может бежать ровно, а может вилять из стороны в сторону. Направление этих «виляний» — поляризация. Физики научились удерживать бегуна на прямой: они постоянно проверяют его траекторию и мягко поправляют, не давая свернуть. Такой приём называется защитным измерением Зенона.

Уравнение диффузии — математический инструмент, описывающий, как частицы расползаются в пространстве, — долгое время рисовало парадоксальную картину: возмущение, словно круги на воде, мгновенно охватывает всю Вселенную. Это бросало вызов теории относительности, утверждающей, что ничто не может двигаться быстрее света.

Свет заперт в крошечной полости и ходит по кругу, как шарик в желобке. Если чуть изменить материал внутри, свет почувствует это сразу — и выдаст сигнал. Обычно такие датчики работают как пружинные весы: чем сильнее нажатие, тем заметнее сдвиг. Но есть и другой, более хитрый способ — сделать так, чтобы даже слабое воздействие вызывало непропорционально большой отклик.

Свет, проходя через оконное стекло, преломляется одинаково во всех направлениях. Но в тонких слоистых кристаллах всё иначе: свет, идущий вдоль слоёв, видит материал иначе, чем свет, идущий поперёк. Это как если бы лист бумаги был прозрачным, но по-разному пропускал свет, направленный вдоль волокон и поперёк.

Микроскопический шарик из геля или крошечная капля масла протискивается через узкий канал, стенки которого ритмично сжимаются и разжимаются. Частица то сплющивается, то восстанавливает форму — и по тому, как быстро она это делает, можно узнать её внутреннюю упругость и вязкость.

Оксид ванадия — материал, который может быть то изолятором, не проводящим ток, то проводником, как металл. Переключение занимает триллионные доли секунды, и на этом хотят строить сверхбыстрые электронные устройства. Но как именно это происходит, долго оставалось загадкой.

Камера на штативе снимает один и тот же пейзаж десятилетиями. Если объектив не трогать, на снимках появляется дымка: пейзаж меняется, а фокус остался прежним. Примерно так работают климатические нормы. По правилам Всемирной метеорологической организации их считают как среднее за последние 30 лет. Климат при этом не стоит на месте, и норма начинает отставать от реальности, как старый объектив от движущегося объекта.