тепловизор

Сцена залита ледяным светом, и на ней стоят кремниевые зрители. Каждый из них — матрица крошечных лавинных диодов, способных заметить одиночный фотон, но только если температура вокруг опустится до 165 К. Раньше такие зрители готовили к выступлению в одиночку, вручную, и никто не мог поручиться, что на большой сцене они сработают одинаково.

Крошечный алмаз, невидимый глазу, лежит на чипе и чувствует тепло так, как не может ни один обычный градусник. Внутри него спрятаны два дефекта — места, где атом углерода заменён атомом азота, а рядом пустота. Эти дефекты работают как пара чувствительных стрелок: под действием микроволн они колеблются, и частота их колебаний меняется, когда алмаз нагревается или остывает.

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.

Обычная лампа светит ровно, а маяк — короткими вспышками. Учёные из Лондона заставили крошечный алмаз работать как маяк, но не для света, а для радиоволн. Для этого в кристалл добавили немного азота, а затем осветили его зелёным лазером.

В слоистом кристалле CrSBr магнитные моменты атомов выстроены, как ноты в партитуре: внутри каждого слоя они смотрят в одну сторону, а между слоями — в противоположные. Такая антиферромагнитная мелодия звучит до 132 кельвинов, а дальше тепловое движение разрушает порядок. Физики научились переписывать эту партитуру, обстреливая кристалл ионами гелия.

Лазерный луч бьёт по тонкой мишени, спрятанной внутри слоёв другого материала. За миллиардные доли секунды вещество сжимается до плотности 25 грамм на кубический сантиметр — это как если бы кусок свинца стал в два с лишним раза тяжелее, оставаясь на месте. Температура подскакивает до 20 электронвольт, что примерно в 230 тысяч раз горячее комнатной.

Когда на кухне раскаляется сковорода, рука чувствует жар ещё до прикосновения — это инфракрасное излучение, невидимое глазу, но ощутимое кожей. Солнечный телескоп улавливает похожее невидимое тепло, только исходящее от звезды, а не от плиты.

Оркестр играет, но музыканты не слышат друг друга. Дирижёр то и дело останавливает музыку и подходит к каждому, чтобы подстроить инструмент. Примерно так работают космические телескопы с составными зеркалами.

Обычно свет не превращает изолятор в проводник — для этого требуются мощные лазерные импульсы, разрушающие структуру материала. Но в скрученном под магическим углом двуслойном графене — материале из двух слоёв углеродной решётки, повёрнутых друг относительно друга на особый угол, — всё иначе.

Солнце — это гигантский котёл, где свет пробивается сквозь толщу раскалённого вещества. На пути к поверхности фотоны (частицы света) то и дело натыкаются на атомы и теряют энергию. Насколько сильно вещество задерживает свет — это «непрозрачность», и от неё зависит, как быстро тепло выбирается наружу.

В комнате воздух касается кожи, и мы чувствуем его температуру. Но если бы тело вдруг понеслось с колоссальным ускорением, тепло пришло бы даже из абсолютной пустоты. Это не выдумка, а строгое следствие квантовой теории поля: для ускоряющегося наблюдателя вакуум становится тёплой ванной.

Обычный радар работает как фотограф-любитель: делает серию мутных снимков и пытается склеить из них панораму. Детали размыты, а в длинном коридоре или толпе робот легко теряется. Принцип радара напоминает эхолокацию летучей мыши: он излучает радиоволну и ловит отражённое эхо.

Тепло окружает нас повсюду: от выхлопной трубы автомобиля до корпуса работающего ноутбука. Превратить это бросовое тепло в электричество могли бы термоэлектрические материалы.

Детекторы тёмной материи — это, по сути, микрофоны невероятной чуткости, способные расслышать шёпот в грохоте рок-концерта. Их задача — уловить редкие толчки от гипотетических частиц тёмной материи, которые, как полагают, изредка сталкиваются с ядрами обычного вещества.

Кубик льда в горячем чае тает строго при нуле градусов. А если лёд состоит из субатомных частиц, а чай — это раскалённая ядерная материя? Авторы работы изучали ро-мезон — частицу из кварка и антикварка, которая живёт всего 4×10⁻²⁴ секунды, — и искали его «температуру плавления».

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.

Сцена освещена прожекторами, но самые интересные события разворачиваются в тени — там, где прячутся невидимые глазу молекулы. Новая камера улавливает тепло этих «невидимок» и превращает его в обычный свет.

Свет оставляет след, даже когда его почти нет. Отдельный фотон — крошечный сгусток энергии — падает на кремниевую пластинку и выбивает горстку электронов. Беда в том, что горстка слишком мала, чтобы её заметить. Нужен усилитель. Обычно сигнал усиливают, прикладывая напряжение к металлическим контактам на поверхности детектора.

Тонкая, как мыльный пузырь, плёнка из нитрида алюминия висит над зеркальной пластиной, и между ними — воздушная прослойка толщиной в микрометр. Когда на неё попадает невидимый глазу инфракрасный свет с длиной волны около 15 микрометров, плёнка начинает вибрировать в такт со светом — как струна, отзывающаяся только на свою ноту.

Тёплый камень и холодный песок ночью остывают по-разному. Прибор на орбите Марса меряет это тепло, и по нему можно понять, из чего сложена поверхность — сыпучая пыль, плотная корка или скала. Но у тепловых снимков разрешение 100 метров на точку: целый футбольный стадион умещается в один пиксель. Мелкие детали — русла древних ручьёв, границы лавовых потоков — просто не видны.

Обычная алюминиевая кастрюля на плите не испускает молекулы, которые можно поймать светом. Но если взять алюминий и соль алюминия, нагреть их вместе в маленькой печи, получится поток молекул фторида алюминия — как струя пара из носика чайника, только вместо капель воды летят крошечные частицы.

Обычная антенна ловит радиоволны, но есть поля, которые она почти не чувствует. Речь о медленных электрических полях — таких, что меняются раз в секунду или реже. Для них физики собрали датчик из пучка атомов рубидия. Пучок летит в вакууме, и атомы в нём ведут себя как крошечные стрелки компаса, только реагируют не на магнит, а на электрическое поле. Атомы в пучке сначала облучают лазером.

Газ почти невидим, но у него есть температура, и её можно прочитать по тому, как газ «заслоняет» тепловой фон. В опыте камера смотрит на тёплый экран через струю углекислого газа. Если газ холоднее фона, он выглядит тёмным пятном; если теплее — светлым. Но есть особая температура фона, при которой пятно полностью исчезает: газ и фон становятся неразличимы.

Полупроводниковый диод обычно пропускает ток только в одну сторону, как дверь с пружиной: в одном направлении открывается легко, в другом — упирается. Но если сильно насытить кристалл примесями, дверь начинает вести себя странно: при обратном напряжении ток не просто течёт, а резко взлетает.

Свет, который мы не видим, но чувствуем как тепло, оказался ключом к жизни клеток. Микроскоп нового типа использует волны длиной 2000–2500 нанометров — это втрое длиннее красного света, и такие волны почти не рассеиваются в тканях. Благодаря этому прибор заглядывает вглубь опухолевого шарика, как фонарик сквозь матовое стекло, и подсвечивает отдельные молекулы.

Капля жира внутри живой клетки похожа на поплавок в бурной воде. Она движется не по прямой, а рывками, иногда замирает, иногда ускоряется. Раньше такие движения удавалось увидеть только в одной плоскости — как будто смотришь на поплавок сверху, не зная, на какой он глубине. Теперь учёные сделали камеру, которая снимает сразу весь объём клетки, как 3D-фильм, со скоростью 19 кадров в секунду.

Радиационный датчик в городе похож на уличного музыканта: он должен брать верные ноты, даже когда пальцы немеют от холода или инструмент нагрело солнце. Обычно такие приборы держат в тепличных условиях — с обогревом или охлаждением, иначе шкала энергии (по которой отличают безобидный калий в бетоне от опасного цезия) начинает врать.

Рентгеновский снимок обычно ассоциируется с громоздким аппаратом в больнице. Но такую картину может сделать устройство размером с ладонь, собранное из деталей для любительской электроники. Авторы работы взяли мини-компьютер Raspberry Pi, камеру на 12,3 мегапикселя и экран, который светится под рентгеновскими лучами.

При температуре 0,1 К — это на три десятых градуса выше абсолютного нуля — вещество перестаёт подчиняться привычным правилам. Гелий становится сверхтекучим: он течёт без трения, просачивается сквозь щели и ведёт себя как одна гигантская квантовая жидкость. Увидеть, что происходит внутри такого холода, — задача на грани возможного.

Раскалённая печь в цеху или горячий выхлоп турбины — это не просто жар, а свет, который человеческий глаз не видит. Обычные солнечные батареи ловят видимый свет, а здесь нужен приёмник для невидимого теплового излучения.

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.

Рентгеновский луч падает на кусочек сверхпроводника, и тот едва заметно теплеет. Этот нагрев в миллиардные доли градуса — единственный след, который оставляет свет. Новый детектор ловит именно его, как чуткий термометр, прижатый к холодному металлу. Внутри датчика — сверхпроводящая плёнка, работающая на грани потери сверхпроводимости.

Свет от звезды — это не просто поток, а волна, которая может колебаться в разных направлениях. Обычный свет похож на толпу, где каждый машет руками как попало. Но после отражения от пылинок или прохождения через магнитное поле часть волн выстраивается в одну линию — как солдаты в шеренге. Этот строй называется поляризацией, и он многое рассказывает о том, что встретил свет по пути.

Пожарный с тепловизором видит очаг возгорания сквозь дым. А как увидеть источник радиации, который не пахнет, не светится и не греет? Гамма-камеры решают эту задачу: они ловят гамма-лучи, испускаемые радиоактивными веществами, и накладывают их «след» на обычную фотографию. Получается снимок, где видно, что источник находится, скажем, за дальней дверью.

Обычный тепловизор похож на термометр, который медленно нагревается и остывает. Он хорошо показывает, где тепло, но не успевает за быстрым движением. Новый датчик работает иначе: он считает отдельные кванты тепла, как счётчик капель во время дождя.

Крошечные частицы, похожие на цветы, умеют делать сразу два дела: греться и сообщать, насколько они горячие. Это не фантастика, а результат работы с наночастицами из феррита кобальта — магнитного материала, который реагирует на магнитное поле. Обычно для нагрева и измерения температуры нужны разные инструменты, но здесь всё совмещено в одной частице. Как это работает?

Кусочек материала светится синим. Его нагревают — и свечение становится зелёным, как будто кто-то переключил цвет в светофоре. Так работает новый люминесцентный термометр, описанный в статье. Внутри материала находятся ионы тербия — редкоземельного металла, который умеет светиться. При комнатной температуре они испускают синий свет.

Свет — как многоголосый хор: в нём сплетаются цвет, направление колебаний и мгновенные изменения. Обычный фотоаппарат слышит только один голос, а остальные пропадают. Учёные собрали камеру, которая слушает весь хор сразу — и по одному снимку понимает, что происходит. Внутри 4DCam стоит тонкая матовая пластинка — она разбрасывает лучи, как рябь на воде разбрасывает солнечные блики.

Тепловизор обычно работает как термометр с матрицей: он измеряет, насколько нагрелся каждый пиксель, и превращает это в картинку. Но у такого способа есть предел — собственный шум прибора мешает увидеть слабое тепло.

В холодных разреженных облаках космоса частицы встречаются редко, но иногда ион и нейтральная молекула пролетают достаточно близко, чтобы слипнуться. При этом они испускают свет — как приглушённая вспышка, уносящая лишнюю энергию. Этот процесс называют радиативной ассоциацией, и он отвечает за появление многих молекул в межзвёздном пространстве.