сверхизлучение

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.

Волчок крутится так быстро, что воздух вокруг него начинает вращаться в унисон. Примерно так же ведёт себя чёрная дыра: если она вращается, то может передавать свою энергию частицам, которые окажутся рядом. Этот процесс называют сверхизлучением — он похож на эхо в горах, только вместо звука рождаются новые частицы.

В тесной шеренге атомов, замерших на расстоянии меньше длины световой волны, прячется удивительное состояние. Возбуждение распределено по всем частицам так, что их излучение гасит само себя — это субизлучательное состояние, коллективная квантовая «тишина».

Представьте хор, где каждый певец безупречно держит строй. Громкость такого ансамбля растёт нелинейно: сто голосов звучат не в сто, а в десять тысяч раз громче одного. Это следствие конструктивной интерференции звуковых волн. В микромире подобное явление известно как коллективное излучение — его предсказал физик Роберт Дике.

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.

Струна звучит идеально чисто, пока её не тронет сквозняк. Примерно так работает суперрадиантный лазер: пучок атомов, заранее заряженных энергией, пролетает сквозь комнату из двух зеркал — оптический резонатор (ловушку, где свет мечется туда-сюда). Атомы дружно отдают запасённый свет, и рождается луч с чрезвычайно стабильной частотой — такой хоть в атомные часы ставь.

Если чёрная дыра быстро вращается, она способна удерживать вокруг себя облако из сверхлёгких частиц — настолько лёгких, что их масса почти исчезает. Вместе они выстраиваются слоями, словно электроны в атоме, только вместо электрических сил работает гравитация. Такая конструкция копит энергию, подобно взведённой пружине.

Кузнечные меха раздувают огонь, резко выталкивая воздух. В космосе роль таких мехов играет ударная волна от сверхновой — взрыва массивной звезды, термин для которого ввёл Фриц Цвикки.

Классический оптический дальномер действует подобно человеку, который в пустоте издаёт крик и вслушивается в эхо: прибор испускает одиночный световой импульс и регистрирует время его возвращения.

Физики предложили эксперимент, в котором лазерный луч выступает в роли квантового детектора — устройства, способного регистрировать квантовые эффекты, — и расщепляется на два луча, подобных паре ушей.

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?

Камень падает в пруд — у берега круги почти незаметны, а рядом с местом падения вода бурлит. Похоже ведёт себя электрическое поле вокруг заряда: вблизи оно резкое и запутанное, а на расстоянии вытягивается в ровную волну, уносящую энергию. Эту далёкую область физики называют зоной излучения.

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.

Электронный пучок в ускорителе похож на стаю птиц: летит плотной группой, но со временем разлетается. Чтобы удержать частицы вместе, обычно ставят тяжёлые магниты. Здесь обошлись без них — пучок сам себя сжал. В эксперименте на установке FACET-II пучок из 10 миллиардов электронов (заряд 1 нКл) с энергией 10 ГэВ пропустили через стопку тонких металлических фольг.

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.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый кубит — музыкант, играющий свою партию. Но в зал время от времени врывается космический луч, и скрипач вздрагивает, сбиваясь с ритма. Эти частицы из далёкого космоса пронзают чип, выбивают лишние электроны и портят хрупкую квантовую музыку.

Физики заперли облачко атомов лития в оптический резонатор — между двумя зеркалами. Свет мечется внутри, словно в эхо-комнате, многократно отражаясь, и заставляет атомы синхронно излучать. Возникает сверхизлучение — коллективное испускание фотонов, подобное хору, где отдельные голоса сливаются в единый гром.

Стайка светлячков в ночном лесу вспыхивает как попало: каждый жучок мигает сам по себе, и свет разлетается во все стороны одинаково. А теперь светлячки договорились мигать так, чтобы их общий свет уходил только на север — хотя сами они стоят на месте и ни один не повернулся. Примерно это сделали физики с атомами внутри тонкой стеклянной трубки. Атомы в трубке возбуждали лазером, и они начинали испускать свет.

В двух зеркальных комнатах, стоящих перпендикулярно, живёт облако атомов. Каждый атом — как певец в хоре: сам по себе он может молчать, но когда соседи начинают петь, он подхватывает. Здесь роль дирижёра играет сама геометрия: одна комната помогает атомам излучать свет сообща, а другая — мягко подталкивает их к этому, но не напрямую, а через хитрый обходной манёвр.

Остриё сканирующего туннельного микроскопа подходит к поверхности кристалла так близко, что между ними проскакивает электрический ток. Электроны из иглы впрыскиваются в слоистый полупроводник и попадают в атомную вакансию — место, где в решётке не хватает одного атома. Эта пустота работает как крошечная ловушка для заряда.

Луч лазера обычно летит прямо, как струя воды из шланга. Но что, если закрутить эту струю, как нить штопора? Получится световая пружина — луч, который при движении ещё и вращается вокруг своей оси. В каждой точке пространства его яркость описывает спираль, и если поставить на пути такого луча плоский экран, на нём появится вращающееся световое пятно.

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».

Свет от крошечных кристаллов перовскита — как выступление хора, где голоса звучат то по одному, то стройным дуэтом. Раньше такой дуэт удавалось услышать только при сильном охлаждении, почти до космического холода. Теперь хор запел при комнатной температуре.

Множество атомов способны действовать подобно слаженному оркестру: когда каждый атом излучает свет в унисон с остальными, результирующая вспышка оказывается многократно ярче, чем сумма отдельных излучений. Это явление, известное как сверхизлучение, детально исследовано в лабораторных условиях, однако в космическом пространстве его почти не искали.

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.

Свет от обычной лампы — это хаос: фотоны разлетаются кто куда, без всякого порядка. Но если заставить множество атомов испускать свет одновременно и в такт, получается короткая мощная вспышка — как аплодисменты, которые из отдельных хлопков складываются в единый залп. Такое согласованное излучение называют сверхизлучением.

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.

Цепочка атомов, размещённая на светопроводящем чипе, ведёт себя подобно ряду маятников на общей перекладине: раскачиваясь в противоположных направлениях, они почти не передают энергию воздуху и замирают надолго.

Когда облако атомов охлаждают до сверхнизких температур, они способны входить в единое квантовое состояние, действуя как согласованный ансамбль. Если в таком облаке рождается нейтрино — почти не взаимодействующая с веществом частица-призрак, — оно обычно ускользает незаметно.

Сверхизлучение (суперфлуоресценция) — это синхронизированный «выдох» света кристаллом, когда множество возбуждённых частиц одновременно испускают фотоны. Недавно исследователи впервые наблюдали его зеркальное отражение: суперабсорбцию — скоординированный «вдох», при котором кристалл коллективно поглощает свет, словно время потекло вспять.

Атомы, подобно стайке светлячков, синхронизирующих свои вспышки, способны излучать свет в унисон. Это явление, называемое сверхизлучением, приводит к тому, что интенсивность света растёт нелинейно: сто атомов, излучающих когерентно, дают в десять тысяч раз более яркое свечение, чем один.

В 1976 году канадский физик Билл Унру задал простой вопрос: что видит наблюдатель, который разгоняется в пустоте? Ответ оказался странным: пустота перестаёт быть пустой. Ускоряющийся наблюдатель купается в тепловом излучении с температурой, пропорциональной ускорению.

Спонтанное излучение — тот самый процесс, что зажигает лампы и звёзды, — в квантовой физике долгое время слыло назойливым шумом. Эта какофония случайных фотонов беспощадно разрушает хрупкую квантовую запутанность, словно треск помех в радиоприёмнике заглушает далёкую мелодию.