источник синхротронного излучения

Конвейер на заводе выплёвывает детали строго по одной за такт. Если такт короткий, а брака мало, линия работает быстро. В квантовой оптике роль такого конвейера играет источник одиночных фотонов: он должен выдавать ровно один квант света за каждый цикл, и чем чаще циклы, тем больше фотонов уходит в оптоволокно.

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.

Синхротронный луч, генерируемый ускорителем, подобен мощной струе воды из пожарного шланга: он обладает высокой интенсивностью, но его поперечный размер слишком велик для прецизионных исследований микрообъектов. Чтобы рассмотреть крошечный образец, нужна тонкая игла, а не шланг.

Чтобы заглянуть глубже в устройство мира, физики разгоняют электроны и сталкивают их между собой. У обычного электрона есть собственный момент импульса — спин, который можно представить как ось вращения крошечного волчка. В обычном пучке эти оси направлены хаотично.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Так и свет от далёких галактик расходится во все стороны — спокойно и размеренно. Но в центре некоторых галактик прячется не камень, а настоящая пушка: она выстреливает частицами с чудовищной силой. Астрономы называют такие объекты HSP BL Lac.

Когда вещество разогревают до миллионов градусов, оно превращается в плазму — смесь свободных электронов и ионов, похожую на кипящий суп из заряженных частиц. Заглянуть в такой «суп» обычным термометром нельзя, но можно просветить его рентгеновскими лучами.

Обычный лазер похож на оркестр, где музыканты должны разогреться, прежде чем заиграть в унисон. Сначала нужно накачать энергией достаточно атомов, чтобы они «перевернулись» и были готовы излучать свет — это называют инверсией населённостей. Только тогда вспыхивает луч. Поляритонный лазер играет по другим правилам: его «музыканты» — смесь света и вещества — вступают в дело почти без подготовки.

Современные источники рентгеновского света похожи на оркестр без дирижёра: электроны в пучке летят кто в лес, кто по дрова, и излучение получается смазанным. Новая идея — заставить электроны выстроиться ровными шеренгами с шагом в несколько нанометров. Тогда испускаемый ими свет становится когерентным, как лазерный луч.

Двое часов в разных комнатах должны тикать в такт. Обычно для этого посылают яркие импульсы или пары фотонов, которые приходят точно друг за другом. Но сигнал может быть настолько слабым, что фотоны еле долетают. В этой работе часы синхронизировали светом, который в миллиард раз тусклее обычного. Спектроскопия тут ни при чём, но время связано со светом напрямую.

Заряженная частица, закрученная магнитным полем, не молчит: она испускает свет. Такой свет называют синхротронным излучением, и он встречается везде — от далёких галактик до лабораторных ускорителей.

Тонкий кристалл гексагонального нитрида бора — родственник графита, только прозрачный и диэлектрик. В его решётке иногда встречаются одиночные дефекты: атом бора или азота отсутствует, и на его месте образуется ловушка для электронов. Такая ловушка способна поглощать свет и испускать его обратно, как крошечный фонарик.

Лазерный импульс попадает в крошечную полость из прозрачного кристалла. Внутри свет мечется между зеркалами, и иногда один фотон расщепляется на пару: один летит в одну сторону, другой — в другую. Один из них становится сигналом, а второй — «звонком», который сообщает: одиночный фотон готов.

Рентгеновские лучи от звёзд не поймать обычным зеркалом — они проходят сквозь стекло, как свет сквозь оконное стекло. Чтобы их отразить, нужно зеркало почти параллельное лучу: тогда рентген скользит по поверхности, как плоский камень по воде, и лишь слегка меняет направление.

В ускорителе частиц электроны мчатся по кругу почти со скоростью света. Когда такой электрон сталкивается с фотоном — частицей света, — фотон отскакивает, как мячик от летящего грузовика, и улетает с гораздо большей энергией.

Обычная фотовспышка длится тысячную долю секунды. Новая установка в венгерской лаборатории ELI ALPS делает вспышки в миллиард раз короче. Каждая такая вспышка — это несколько сотен колебаний световой волны, упакованных в промежуток времени, за который свет проходит расстояние меньше толщины человеческого волоса. Свет такой яркости способен выбивать из атомов не один электрон, а сразу два.

Световой импульс можно нарезать на короткие временные окошки, как поезд на вагоны. Если два фотона рождаются вместе и их вагоны оказываются жёстко связаны — приход одного в определённое окно гарантирует, что второй пришёл в парное окно, — такую связь называют спутанностью во времени.

Лазер щёлкает с частотой десять миллионов раз в секунду, и каждый щелчок выбивает из полистирольной плёнки ровно один фотон. Не пучок, не сгусток — одну-единственную частицу света, аккуратно упакованную в пространстве и времени.