сверхбыстрая электроника

Лазерный импульс падает на тонкую плёнку MoS₂, и внутри неё закипает облако электронов с избыточной энергией. Эти горячие носители похожи на бегунов, которые стартовали с высокой скоростью, но по дороге к финишу им предстоит растерять весь запал из-за столкновений с кристаллической решёткой.

Камера снимает не гонку, а танец атомов. В диоксиде ванадия переход из изолирующего состояния в металлическое происходит за триллионные доли секунды, но до сих пор никто не видел, как именно движутся атомы ванадия и кислорода. Теперь сверхбыстрая электронная дифракция сняла этот маршрут кадр за кадром.

Два электрона, вылетевшие с кончика металлической иглы почти одновременно, начинают расталкиваться — это проявление кулоновского отталкивания одноимённых зарядов. Аналогия: два человека, которые одновременно протискиваются в узкую дверь: чем ближе они друг к другу, тем сильнее мешают.

Сверхпроводящий кубит — базовый элемент квантового процессора — сравним с капризным музыкальным инструментом: пока его не настроишь, чистой ноты не жди. Но даже после настройки звук плывёт. Виновники деградации квантового состояния — микроскопические дефекты в материале, известные физикам как двухуровневые системы (ДУС).

Десятилетиями радиоастрономия вслушивалась в космос, надеясь уловить узкополосные радиопередачи — техногенный «голос» далёких экзопланет. Но наша собственная технологическая эволюция вскрывает парадокс: громкие аналоговые сигналы, подобные телевещанию 1960-х, — лишь краткий вскрик новорождённой цивилизации.

Заводской лазер, который на производстве режет и сваривает металл, впервые заставили работать ускорителем частиц. Физики взяли стандартный иттербиевый лазер — его сердцевина из кристалла размером с ладонь — и превратили его вспышки в инструмент для разгона электронов почти до скорости света.

Заряженная частица проносится сквозь кремниевый датчик и оставляет за собой след из свободных электронов. Время, за которое этот заряд соберётся на электроде, зависит от того, насколько глубоко в толще кристалла он родился. Частица, влетающая прямо, прочерчивает одинаковые дорожки в соседних пикселях — и их сигналы приходят почти синхронно.

Маятник качается с такой точностью, что, отсчитывай он секунды от Большого взрыва, к сегодняшнему дню ошибся бы всего на полсекунды. Такова стабильность нового портативного ультрафиолетового лазера — сердца алюминиевых атомных часов. Этот лазер работает как сверхточная линейка для измерения частоты атомного перехода.

Обычный лазер светит узкими линиями, как струна, которая звучит только на одной ноте. Для спектроскопии это неудобно: если вещество поглощает свет между линиями, его можно не заметить. Терагерцовый квантово-каскадный лазер — это полупроводниковый чип размером с ноготь, который излучает волны с частотой от 1 до 6 терагерц (триллионов колебаний в секунду).

Лазер бьёт по мишени из тонких проволочек — и за десятки фемтосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды) выбивает из них поток протонов. Эти протоны влетают в конвертер из лития и дейтерия, где рождаются нейтроны.

Когда вы нажимаете выключатель, свет загорается не сразу — электронам в проводах нужно время, чтобы «раскачаться» и дружно двинуться в путь. В обычных металлах и полупроводниках ток набирает силу постепенно, как вода в шланге, когда кран только открыли.

Медная проволока под ударом лазера — это кухня, где повар одновременно включает плиту и следит за секундомером. Атомы меди начинают плясать, теряя строй кристаллической решётки, а электроны, как официанты в зале, мгновенно чувствуют перемену. Но сколько нужно беспорядка, чтобы они заметили? Оказывается, достаточно самого начала плавления.

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.

Свет может нести информацию быстрее, чем любая электроника. Но обычно между компьютером и лазером стоит цифро-аналоговый преобразователь — устройство, которое превращает нули и единицы в электрические сигналы. Оно и тормозит весь процесс. Новый передатчик обходится без этого посредника.

Магнитная стрелка компаса поворачивается медленно, но внутри некоторых материалов крошечные магнитные моменты способны разворачиваться за времена, которые трудно вообразить. Группа физиков рассчитала, как заставить их менять направление за миллионную долю миллиардной доли секунды. Это быстрее, чем мигает лампочка.

В кристаллической решётке электроны иногда ведут себя подобно толпе на стадионе, порождающей «волну»: области с повышенной плотностью заряда чередуются с почти пустыми зонами. Эта волна, известная как волна зарядовой плотности, блокирует свободное движение носителей — при обычных условиях материал не является сверхпроводником.

Лазерная вспышка длительностью 50 фемтосекунд — это как выстрел, который длится одну миллиардную долю секунды. За это время свет успевает пройти всего 15 микрометров — меньше толщины человеческого волоса. Но если такую вспышку пропустить через усилитель, она начинает растягиваться, как резиновая лента, и теряет свою остроту.

Сверхтонкий кристалл из атомов вольфрама и серы похож на идеальную парковку: все места заняты, всё ровно. Но иногда одного атома не хватает — получается яма-дефект. Если в такую яму попадает экситон (пара из электрона и «дырки», которая переносит энергию света), он может застрять и высветить её иначе, чем в чистом месте.

Радиоволны, которые колеблются реже одного раза в секунду, проходят сквозь землю и воду почти без потерь. Такие сигналы используют для связи с подводными лодками и для поиска полезных ископаемых. Но обычная антенна для них нужна длиной в сотни метров, а чувствительность оставляет желать лучшего.

Два лазерных луча, как два карандаша, рисуют на стене невидимую шкалу. Один кончик движется чуть быстрее другого, и по тому, как их штрихи то совпадают, то расходятся, можно вычислить расстояние до стены с точностью до толщины паутинки. В новой работе физики заставили эти два луча работать непрерывно, без пауз.

Лазерная вспышка бьёт по слою серебра толщиной в один атом, лежащему на двухслойном графене, — и за квадриллионные доли секунды в электронной структуре графена открывается щель, которой там раньше не было. Это как если бы обычный провод на мгновение стал полупроводником: электроны перестают свободно течь, появляется запрещённая зона.

Камера, которая снимает не свет, а поток электронов, отражённых от кристалла, — это гибридный пиксельный детектор. Он умеет считать каждый попавший в него электрон, почти не создавая собственного шума. В обычном режиме, когда пучок электронов льётся непрерывно, детектор работает отлично.

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.

Обычная резиновая прокладка глушит вибрацию, как толстое одеяло приглушает звук: чем толще и тяжелее, тем лучше. Инженеры давно мечтают о материале, который был бы лёгким, но при этом «съедал» колебания не хуже массивного демпфера. В новой работе такой материал удалось собрать из двух непохожих частей: мягкой эластичной решётки, напечатанной на 3D-принтере, и крошечных капель жидкого металла, спрятанных внутри неё.

Оксид ванадия — материал, который может быть то изолятором, не проводящим ток, то проводником, как металл. Переключение занимает триллионные доли секунды, и на этом хотят строить сверхбыстрые электронные устройства. Но как именно это происходит, долго оставалось загадкой.

Магнит на холодильнике держится за счёт крошечных внутренних стрелок — каждая из них как миниатюрный компас. Если ударить по металлу сверхкороткой вспышкой света, эти стрелки начинают хаотично метаться, и магнетизм тает за миллионные доли миллиардной секунды. Раньше такое «таяние» было слишком быстрым, чтобы его разглядеть.

Масштабировать квантовый компьютер — всё равно что ткать паутину из света: каждая нить дрожит от теплового дыхания, грозя разорвать едва наметившийся узор.