генерация второй гармоники

Лазерный импульс врезается в кристалл Ca0.4Sr0.6CuO2, и внутри цепочек из атомов меди и кислорода начинается танец, который длится меньше одной миллионной доли наносекунды. В обычном проводнике электроны свободно бегут по материалу, но здесь сильное кулоновское отталкивание держит их на местах, как пассажиров в переполненном автобусе.

Газовая мишень похожа на воронку: чем круче её стенки, тем сильнее поток. Только в этой воронке течёт не вода, а ультрафиолетовый свет, который рождается, когда мощный лазерный импульс проходит сквозь облако аргона. Эффективность такого преобразования обычно ничтожна — около 0.001%: из тысячи фотонов лазера лишь один превращается в полезный ультрафиолет.

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.

Коллаген — это структурные белки, из которых сплетены наши сухожилия, кожа и кости. Каждая молекула коллагена — пучок из трёх полипептидных цепей, скрученных в тройную спираль, как три нити в канате. До сих пор никто не наблюдал напрямую, что происходит с этими нитями, когда мы тянем за канат.

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.

Кристалл оксида меди выглядит как тёмно-красный камешек. Но когда в него попадает короткий лазерный импульс, внутри рождаются пары: электрон и «дырка» — место, где электрона не хватает. Такая пара называется экситоном и ведёт себя почти как атом водорода: частицы кружатся друг вокруг друга, связанные электрическим притяжением.

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.

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.

Вселенная звучит, но наше ухо улавливает лишь басы. LIGO слышит рокот слияний чёрных дыр — это инфразвук космоса. А выше, в гигагерцах, звенят флейты и скрипки первичной гравитации.

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

Карусель с сиденьями двух типов: одни крутятся по часовой стрелке, другие — против. Если толкнуть сразу все, карусель дёрнется, но останется на месте. Так устроен кристалл вейлевского полуметалла: электроны в нём рождаются парами — «левый» и «правый», и их вклады в ток гасят друг друга, как два одинаковых мотора, включённых навстречу. Физики нашли способ толкать только один сорт сидений.

Два крошечных зеркала в вакууме — словно фигуристы в парном катании. Их колебания синхронизируются невидимой гравитационной нитью. При охлаждении до миллионных долей градуса выше абсолютного нуля эта нить превращает их в единую квантовую связь — состояние, при котором свойства объектов переплетаются так, что изменение одного мгновенно сказывается на другом.

Два тончайших листа, каждый — всего в один атом толщиной, кладут друг на друга и слегка поворачивают. Как два листа цветной кальки: пока они лежат ровно, картинка одна, а стоит повернуть — появляется муаровый узор. Здесь, правда, узор не виден глазу, зато он полностью меняет то, как материал обращается со светом.

Свет, чью электромагнитную природу впервые описал Максвелл, в разных средах ведёт себя по-разному. В новом исследовании учёные смоделировали двумерный кристалл, который одновременно поглощает свет и обладает магнитными свойствами.

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.

Свет от лампочки или даже от обычного лазера напоминает толпу у выхода из метро: люди идут вразнобой, то густо, то пусто. Физики называют такое поведение дробовым шумом — это случайные колебания числа частиц, приходящих за секунду. Но в новом эксперименте удалось создать поток света, который ведёт себя иначе — как строй солдат, марширующих в ногу.

Лист бумаги почти ничего не весит, но если сложить сто листов в стопку, получится уже ощутимая пачка. Примерно так же поступили с материалом, который отлично умеет превращать один цвет света в другой, но только пока он толщиной в один атом. Один слой — как один лист: работает красиво, но слишком тонко, чтобы дать много света.

Лазерный луч бьет по атому, и электрон срывается с места. Он разгоняется, возвращается и, ударившись об атом, испускает вспышку света — гармонику. Если световых лучей два и они скрещены, как перекресток, электрон может выбирать разные маршруты. В новом эксперименте два луча имели сравнимую силу и были направлены под прямым углом.

Лазер бьёт по кристаллу, и тот отвечает вспышками света — как колокол звенит в ответ на удар. Но если колокол тёплый, его звук дрожит и глохнет. Так и здесь: атомы кристалла постоянно дрожат от тепла, и эта дрожь мешает электронам лететь ровно, поэтому свет получается тусклым и смазанным. Учёные взяли кристалл Re6Se8Cl2 — вещество, где атомы собраны в крупные блоки, похожие на строительные кубики.

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.

Лазерный луч, проходя через нелинейный кристалл, способный удваивать частоту света (превращая, скажем, красный в синий), спонтанно переходит в состояние «кота Шрёдингера» — квантовую суперпозицию двух макроскопически различимых состояний.

Обычный свет — как толпа на площади: каждый фотон движется сам по себе, сталкиваясь и разлетаясь. Но в некоторых средах фотоны, как свора собак, начинают бежать вместе — группируются. Учёные создали лазер на случайном волокне, где световые частицы собираются в особенно плотные стайки. Это явление называется сверхгруппировкой фотонов.

Крошечный алмазный мостик вибрирует так сильно, что начинает «петь» сразу на многих частотах. Раньше такие колебания сами себя тормозили: чем сильнее раскачивался резонатор, тем труднее было добавить ему энергии. Физики нашли лазейку в этом правиле. Они использовали свет, чтобы раскачивать алмаз. Свет давит на мостик, и тот начинает дрожать.

Край магнита работает как порожек гитары: струна, прижатая у самого края, звучит иначе, с более богатым набором обертонов. Примерно так же ведут себя магнитные волны в тонкой полоске из никеля и железа. Физики измерили, как волны намагниченности, бегущие по этой полоске, порождают волны с удвоенной и утроенной частотой.

Луч лазера бьёт в прозрачный кристалл, и тот отвечает целой радугой — от инфракрасного до невидимого ультрафиолета. Это не трюк с зеркалами, а работа нелинейного кристалла: он умеет складывать частоты света, как музыкант берёт на струне не только основной тон, но и обертоны.

Обычная лампа разбрасывает свет во все стороны, и предсказать, когда вылетит очередной фотон, невозможно. А для квантовых технологий нужен совсем другой свет — одиночные фотоны, которые появляются строго по одному, как письма из щели почтового ящика. Физики научились делать такие фотоны в оптоволокне — том самом, что уже опутывает города для интернета.

Резкий рывок за витой шнурок посылает по нему спиральную волну — аналогия, которая помогает представить, как сверхкороткая лазерная вспышка в кристалле RhSi рождает свет, мгновенно закрученный в трёхмерный штопор.

Свет падает на тонкую плёнку — и в ней мгновенно возникает электрический ток. Так работает пара из двух материалов: дисульфида молибдена и кобальта. Первый — полупроводник, второй — магнит. Между ними, как выяснилось, рождается невидимая прослойка-посредник.

Свет, проходя сквозь тонкий кристалл, может поменять цвет и направление колебаний. В пластинке дисульфида молибдена толщиной в сотни атомов инфракрасный луч превращается в зелёный, а его поляризация — то, как колеблется световая волна — подчиняется геометрии кристалла.

Обычный кусок полупроводника слабо меняет цвет проходящего света. Физики десятилетиями обходили это ограничение, помещая кристалл в хитрое окружение, но сам материал оставался прежним. Теперь исследователи собрали «бутерброд» из чередующихся тонких слоёв арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия.

Когда два луча света встречаются в кристалле, они могут породить третий луч с другой частотой. Чтобы этот процесс шёл эффективно, нужно, чтобы волны шагали в ногу — как два человека, которые идут рядом и не сбиваются с шага. Раньше для этого использовали два старых приёма: либо подбирали кристалл с нужными свойствами, либо нарезали его на тонкие слои.

Обычный лазер на свободных электронах похож на музыкальный инструмент с одной струной: он может играть только одну ноту, пока не изменишь его конструкцию. Чтобы получить другую длину волны, приходится перенастраивать магниты или разгонять электроны сильнее. Это дорого и громоздко.

Короткий лазерный импульс бьёт по кристаллу — и тот отзывается не одним звуком, а целой лесенкой частот, отстоящих друг от друга на одинаковый интервал. Так рождается фононная частотная гребёнка — явление, которое физики исследуют в материале с необычным внутренним устройством.

Свет от одной лампочки обычно расходится во все стороны, и поймать его ровно поровну в несколько каналов — та ещё головоломка. В новой работе свет делится на девять одинаковых лучей без единой линзы или зеркала. Вместо этого — стеклянная пластинка с вытравленными дорожками-световодами, по которым свет сам растекается нужным образом.

Свет от обычной лампочки — это поток одиночных фотонов, как капли из крана. Но бывает свет, где фотоны идут парами, словно шагающие вместе близнецы. Такой сгруппированный свет давно хотели использовать для измерения расстояний и съёмки объектов, скрытых за углом. Но источники этого света были либо слишком тусклыми, либо их вспышки слишком короткими, чтобы обычные детекторы успевали их заметить.

Жалюзи, которые не просто пропускают или задерживают свет, а меняют его цвет. Свет падает на наклонные полоски, и часть лучей выходит уже другого оттенка — как если бы белый луч, пройдя сквозь щели, становился зелёным. Именно так работает новая поверхность: на тонкой плёнке ниобата лития (материал, который умеет преобразовывать свет) лежат наклонные полоски диоксида титана.

Струна гитары, если её сильно дёрнуть, звучит не одной нотой, а сразу несколькими — основным тоном и обертонами. Похожий фокус физики проделали со светом: направили на кристалл инфракрасный лазер, а кристалл в ответ засветился сразу шестнадцатью цветами — от невидимого теплового до жёсткого ультрафиолета.

Если ударить по атому сильным лазером, электрон вылетает из него, как мячик от ракетки, и возвращается обратно. При возвращении он отдаёт накопленную энергию в виде вспышки света. Обычно энергия такой вспышки ограничена: электрон успевает разогнаться лишь немного. Теперь физики добавили к лазеру слабое терагерцовое поле — как лёгкий попутный ветер.

Луч фонарика в тумане рисует конус, но не может вырезать фигурку из облака. А голограмма — это как трафарет для света: он заранее знает, где собраться в яркие точки, а где остаться тенью. Теперь такой трафарет заставляет жидкую смолу твердеть сразу во всём объёме, без послойной печати.