топологические фотонные эффекты

Губка, которую медленно поливают из лейки, промокает целиком. Но если выплеснуть на неё то же ведро воды разом, середина намокнет, а края останутся почти сухими. Примерно так ведёт себя материал, поглощающий энергию нелинейно: чем мощнее поток, тем сильнее он застревает в точке попадания. В новой работе этот образ превращён в минимальную модель.

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.

Бросьте два камешка в воду на некотором расстоянии друг от друга. Волны от них побегут навстречу и в некоторых местах погасят друг друга — вода станет гладкой, хотя каждый камень по отдельности создал бы рябь. Похожим образом ведёт себя пара фотонов — квантов света, рождённых в одном кристалле и разлетевшихся в разные стороны. Только вместо волн на воде здесь интерферируют их волновые функции.

Слабый луч лазера — источника когерентного света с узким спектром — падает на крошечную конструкцию: гибридную оптическую полость из металла и стекла. Внутри неё заперта всего одна светящаяся молекула. Обычно такой свет лишь слегка меняет цвет, рассеиваясь на тепловых колебаниях атомов — этот процесс известен как комбинационное рассеяние, или рамановский эффект.

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.

Луч света входит в мутное стекло и гаснет — обычное дело. Но физики давно умеют делать так, чтобы свет проходил насквозь, не теряя ни фотона. Этот трюк называется электромагнитно-индуцированной прозрачностью: две световые волны гасят друг друга в нужной точке, и поглощение исчезает. Теперь похожий фокус провернули с атомами.

Представьте многослойную оболочку, где слои металла и изолятора чередуются подобно листам в книге. Такая структура способна сделать скрытый внутри предмет невидимым для наблюдателя. Свет огибает её, как вода плавно обтекает гладкий камень: ни ряби, ни всплеска — ни отражения, ни тени.

Инфляция — это сверхбыстрое раздувание Вселенной в первые мгновения. Её вызвало поле, похожее на шар, скатывающийся с холма. Но рядом мог быть и второй, почти незаметный шарик. Авторы работы рассмотрели именно такой случай: лёгкое поле-наблюдатель (аксион), застывшее на вершине своего потенциала.

Свет от обычной лампочки кажется совершенно беспорядочным: волны в нём колеблются несогласованно, словно толпа, где каждый идёт в свою сторону. Такой свет называют некогерентным. Долгое время считалось, что изящные топологические структуры — узлы, кольца, зацепления — можно создавать только в когерентном лазерном свете, где все волны идут в ногу.

Магнитное поле способно удерживать звезду от полного сжатия — так работает идея новой чёрной дыры. Вместо привычной точки бесконечной плотности внутри оказывается поле, которое не даёт пространству схлопнуться до нуля. Это похоже на пружину: чем сильнее сжимаешь, тем больше она сопротивляется.

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.

Пламя свечи дрожит от сквозняка, но не гаснет — язычок лишь на миг меняет очертания и возвращается. Примерно так же ведут себя световые скирмионы — крошечные вихри в поле луча, напоминающие закрученные водовороты. До недавнего времени их получали только в идеальном, ровном свете лазера. Малейшая рябь — и вихрь рассыпался.

Обычный датчик света отвечает на вопрос «сколько света», но не «откуда он пришёл». Для этого ставят линзы, зеркала или целые матрицы. В новой работе предложен датчик, который сам, без всякой оптики, определяет направление луча. Внутри датчика — тонкий слой, где электроны свободно скользят, как вода в мелкой тарелке. По краям слоя прижаты два металлических контакта.

Гамма-всплеск — это короткая, но очень мощная вспышка света, какие рождаются при слиянии нейтронных звёзд или коллапсе массивной звезды. Внутри такой вспышки потоки плазмы несутся с огромной скоростью и сталкиваются друг с другом.

Свет обычно толкает атом прямо по курсу, как ветер — парус. Но если луч закрутить штопором, картина меняется: атом может отлететь вбок, словно его зацепили вращающимся колесом. В новой работе физики рассчитали, что такой вихревой фотон способен передать атому своё вращение почти целиком — до 100 процентов.

Обычная линза всегда преломляет свет одинаково. Её свойства застыли в стекле навсегда. А теперь появилась поверхность, которая меняет правила игры прямо во время работы. Учёные сделали тончайшую плёнку с резонансными элементами и пропитали её жидкими кристаллами — той же субстанцией, что в экранах телефонов.

Луч лазера, закрученный в спираль, похож на воронку в раковине: свет движется не только вперёд, но и по кругу. Такие вихревые лучи уже помогают двигать крошечные частицы и передавать больше данных. Но стоит им пройти через неоднородную среду — и вихрь распадается, как вода из дырявого ведра. Фотоника — наука о свете в микрочипах — нашла способ удержать вихрь.

Пловец, рассекающий воду со скоростью бегущих по ней волн, оказывается в странном положении: волны, которые он сам же и порождает, не могут ни обогнать его, ни отстать. Они скапливаются у носа пловца и застывают. Похожее явление возникает, когда источник света движется внутри вещества со скоростью, совпадающей со скоростью переноса энергии волн.

Слёзная плёнка на глазу — тончайший слой жидкости, который защищает роговицу и сохраняет чёткость зрения. Обычно её представляют как идеально гладкую поверхность, но настоящая роговица, даже здоровая, покрыта микроскопическими неровностями.

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.

Два слоя магнитного материала, повёрнутые друг относительно друга на доли градуса, — как две слегка сдвинутые решётки на окне. В обычном состоянии они не создают ничего особенного, но при определённом угле поворота в материале возникает неожиданный эффект.

Крошечная зелёная водоросль хламидомонада всю жизнь гребёт двумя жгутиками к свету, как пловец к берегу. Свет она чувствует белком-фоторецептором, а позади него лежит красное пятнышко — «глазок», который отбрасывает тень и помогает понять, откуда свет идёт. Но у мутантов без этого пятнышка поведение переворачивается: они уплывают от света, хотя белок на месте.

Светящаяся точка размером с молекулу. Через неё пропускают ток — и она вспыхивает, как крошечная лампочка. Так выглядит эксперимент с молекулами красителя на поверхности тонкой соляной плёнки. Когда ток попадает в молекулу, один электрон отдаёт ей энергию. Молекула тут же отдаёт эту энергию обратно — в виде света. Это как качели: толкнули один раз, а они качнулись и замерли.

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.

Хлопающая крышка от банки с вареньем — вот герой этой истории. Нажмёшь на неё, и она с громким щелчком перескакивает из выпуклого положения в вогнутое. Точно так же ведёт себя балка с шарниром внутри каждой ячейки новой механической решётки. Учёные собрали из таких хлопающих балок шестиугольную сетку — как соты, только из упругих пластинок. Когда одну балку резко сжимают, она перещёлкивается и толкает соседнюю.

Квантовый свет — это не просто поток частиц, а сложный узор из пространства и времени. Одиночный фотон может быть растянут, сжат, размазан по разным направлениям. Но увидеть этот узор целиком, со всеми его изгибами, до сих пор не удавалось: обычные детекторы ловят лишь отдельные кусочки картины, как будто смотришь на объёмную фигуру через щёлку в заборе. Физики придумали способ обойти эту щёлку.

Алмазная пылинка размером меньше сотой доли миллиметра светится красным. Внутри неё — дефект кристалла: два соседних атома углерода, где одного не хватает, а рядом сидит атом азота. Такая пара ловит свет и отдаёт его обратно, как крошечный маячок, который не гаснет при комнатной температуре. Эту пылинку поднесли к дорожке на поверхности чипа.

Кристалл без центра симметрии похож на лестницу, у которой все ступеньки наклонены в одну сторону: электроны, получив толчок от света, скатываются преимущественно в одном направлении. Так рождается постоянный ток — фотогальванический эффект.

Современные компьютерные алгоритмы проектируют фотонные интегральные схемы — световые чипы, способные разделять сигналы по частотам (цветам) для спектроскопии. В отличие от традиционной инженерии, траектории света в них — не прямые волноводы, а хаотичные, почти органические лабиринты.

Обычный свет рассеивается во все стороны, но физики превратили его в подобие конвейерной ленты — односторонний поток, который не поворачивает обратно. Для этого они пропустили два встречных луча через облако атомов Ридберга — атомов, раздутых до размеров крошечной пылинки. Тепловое дрожание этих гигантов нарушает симметрию, заставляя свет двигаться лишь вперёд.

Два голоса в молекулярном дуэте могут звучать в унисон или гасить друг друга до тишины. В физике такая тишина называется тёмным состоянием: квантовое возбуждение, которое не взаимодействует со светом и потому живёт необычайно долго.