ультрафиолетовый лазер

Газовая мишень похожа на воронку: чем круче её стенки, тем сильнее поток. Только в этой воронке течёт не вода, а ультрафиолетовый свет, который рождается, когда мощный лазерный импульс проходит сквозь облако аргона. Эффективность такого преобразования обычно ничтожна — около 0.001%: из тысячи фотонов лазера лишь один превращается в полезный ультрафиолет.

Ночной лес полон светлячков, но раньше мы видели только тех, кто случайно оказался в луче фонарика. Так было с ультраяркими рентгеновскими источниками — точками в других галактиках, светящими в рентгене ярче, чем может стабильно излучать чёрная дыра звёздной массы. Телескопы смотрели на галактики, выбранные для других целей, и пропускали большую часть светлячков.

Свет, который не долетел до камеры, всё равно оставляет на ней свой след. Так работает новый метод съёмки: объект освещают одним цветом, а картинку собирают из другого. В кристалле световые волны смешиваются, и информация о невидимом переходит к видимому лучу. В опыте использовали кристалл серебряного тиогаллата — нелинейно-оптический материал, в котором два луча разного цвета идут через него под углом.

Обычный фонарь излучает свет во все стороны, и уже через пару десятков метров его луч ослабевает настолько, что едва освещает стену. Атмосфера рассеивает фотоны, а ветер и тепловые потоки дополнительно искажают волновой фронт. Но если проложить для света невидимую трубу прямо в воздухе, луч пойдёт по ней, как вода по шлангу.

Галактика — не гладкое озеро, а пруд, по которому идёт рябь. Эту рябь создаёт сверхлёгкая тёмная материя (частицы в миллиарды миллиардов раз легче электрона). Колебания её поля чуть сбивают ритм далёких пульсаров — космических маяков, чьи сигналы ловят земные радиотелескопы.

В поле зрения размером с песчинку, поднесённую к глазу, скрываются сотни галактик, размазанных в дуги усилиями массивного скопления Abell S1063.

Маятник, который почти ничто не может сбить, не боится ни тряски, ни тепла, ни магнитных полей — потому что спрятан в самой сердцевине атома. Именно такой маятник использовали физики, впервые запустив ядерные часы. Раньше лучшие часы — оптические — работали на переходах электронов. Но электроны живут на периферии атома, как бабочки на ветру: любое внешнее воздействие их тревожит.

В 1963 году Маартен Шмидт разгадал природу квазаров — далёких активных ядер, сияющих ярче целых галактик. С тех пор мы узнали, что в их сердце прячутся сверхмассивные чёрные дыры, перерабатывающие падающее вещество в ослепительный свет.

Тёмная материя — невидимая субстанция, проявляющая себя лишь через гравитационное воздействие: она искривляет свет далёких галактик, подобно незримому окну, меняющему ход лучей.

Вслушиваться в космос — значит запастись терпением и отстроить слух. Астрономы выбрали для этого самый чуткий низкочастотный инструмент: антенную решётку OVRO–LWA — 352 дипольные антенны, раскиданные по калифорнийской пустыне на два с половиной километра.

Когда космический телескоп Джеймса Уэбба направил свой взор вглубь времён, астрономы ожидали увидеть привычные галактики. Но вместо этого снимки запестрели россыпью ярких, невероятно компактных красных точек.

Прожектор светит всё ярче, но на каком-то пределе лампочка вдруг перегорает — и дальше свет не идёт. Нечто похожее увидели астрофизики у далёкого блазара Маркарян 421. Это активная галактика, чья струя раскалённой плазмы (джет) смотрит почти точно на Землю, как луч космического маяка.

На высоте около 70 километров расположена ионосфера — разреженный слой атмосферы, ионизированный солнечным излучением. Для радиоволн она работает как гигантское зеркало: наземные антенны постоянно излучают сигнал вверх и принимают его отражение.

Застывшее тесто для кекса усеяно крошечными изюминками. Если тесто однородное, все изюминки разбухнут одинаково, и кекс получится ровным. Но если в тесте есть уплотнения — одни участки слаще, другие более пресные, — то и изюм распределится неравномерно: где-то его будет густо, а где-то пусто.

Вселенная пронизана невидимой субстанцией — тёмной материей, чьё гравитационное влияние очевидно, но состав остаётся загадкой. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из сверхлёгких частиц, масса которых настолько мала, что они проявляют волновые свойства, образуя своего рода космическую рябь.

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).

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.

Лазерный луч, по мощности сопоставимый с шёпотом света, перевёл ядро тория-229 в возбуждённое состояние с более высокой энергией.

Далекий квазар выглядит как четыре огонька, сложенные крестом. Так его показывает гравитация галактики, лежащей на луче зрения: она работает как неровное стекло и размножает изображение. Каждый огонёк — это один и тот же объект, но свет от него идёт разными путями. Поэтому, когда квазар вспыхивает, четыре картинки откликаются не одновременно и не одинаково.

Лист графена — это сетка из атомов углерода толщиной в один атом. На нём видны малейшие загрязнения, как пылинки на стекле очков. Десять лет назад графен научились прятать между слоями нитрида бора — это как положить хрупкий лист между двумя кусками пищевой плёнки.

Ударная волна в короне Солнца похожа на звуковой удар от самолёта, только вместо воздуха — раскалённая плазма, а вместо звука — скачок плотности и магнитного поля. 10 марта 2024 года такая волна прошла по западной части солнечного диска.

Крошечный лазерный луч на миг касается кристалла — и внутри, как по волшебству, загораются одиночные квантовые огоньки. Это не фокус, а новый способ создавать кубиты — рабочие ячейки будущих квантовых компьютеров. Материал — карбид кремния, тот самый, что уже используют в силовой электронике и светодиодах.

Свет далёких звёзд, пробиваясь сквозь космическую пыль, теряет часть своей энергии. Пылинки поглощают и рассеивают свет, и по тому, как именно они это делают на разных длинах волн, можно судить об их составе и размерах. Астрономы называют это кривой поглощения пыли.

Зелёный луч фонарика ныряет в бассейн и достаёт до дна, почти не ослабев. Вода прозрачна именно для зелёного света, поэтому его используют для связи под водой. Но чтобы передать видео или данные с датчика, свет нужно очень быстро включать и выключать — миллиарды раз в секунду. Обычные лазеры для этого слишком медленные и нестабильные.

Гигантская воронка в космосе засасывает газ из окружающего пространства. Часть этого газа не падает внутрь, а выбрасывается обратно — как брызги от бурлящей воды. Именно так ведёт себя ультраяркий рентгеновский источник NGC 5204 X-1: компактный объект (вероятно, чёрная дыра) поглощает материю так жадно, что избыток вырывается наружу мощными потоками.

Обычный белый свет — это смесь всех цветов сразу, как шум толпы, где каждый говорит на своей частоте. Учёным же нужен свет, в котором частоты выстроены строго по линейке — как клавиши пианино, где каждая нота звучит отдельно и точно. Такие «гребёнки частот» давно умеют делать в инфракрасном диапазоне, но в ультрафиолете это сложнее: там свет легко теряется и его трудно усилить.

Лучевая терапия похожа на стрельбу из очень крупнокалиберного ружья по маленькой мишени: даже точный выстрел задевает большое пространство вокруг. Толщина «следа» — её называют полутенью — у стандартных аппаратов составляет 2–3 миллиметра. Для опухоли в лёгком это полбеды, но рядом с нервом или сосудом такие миллиметры решают, останется ли человек здоровым.

Гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени, расходящаяся от массивных источников подобно кругам на воде от брошенного камня. Когда такая волна огибает галактику, её траектория искривляется — совсем как водная рябь, наталкивающаяся на подводный валун.

Обычная расчёска разделяет волосы на ровные пряди. Лазерная «расчёска» делает то же самое со светом: она испускает не один цвет, а тысячи цветов, отстоящих друг от друга на строго одинаковые шаги частоты. Такой инструмент уже помог измерить время с точностью до миллиардных долей секунды и заглянуть внутрь атомов.

Поток электронов можно сравнить с пучком света от лазерной указки: если он расходится, пятно на стене быстро расплывается. В лаборатории физики сделали настолько узкий пучок, что он оставался тонким на большом расстоянии, как луч хорошей указки. Для этого они разгоняли электроны в плазменном ускорителе, где частицы подхватываются волной в ионизированном газе, а затем сжимали поток постоянным магнитом-соленоидом.

Гамма-лучи — это самые энергичные вспышки света, какие только рождаются в глубинах атомов. Их энергия — как отпечаток пальца: у каждого радиоактивного элемента свой узор. Но измерить этот узор с высокой точностью — всё равно что взвесить песчинку на весах, стоящих на грузовике с вибрацией. Новая установка работает как сверхчувствительный термометр.

Лазерный луч обычно слегка дрожит, как струна после щипка. В оптических часах эта дрожь превращается в ошибку хода. Инженеры заменили дрожащий свет на ровный — и часы на парах рубидия стали тикать в пять раз ровнее. Внутри стандарта частоты свет лазера заставляет атомы рубидия поглощать энергию строго определёнными порциями. По числу таких поглощений отсчитывают секунды.

В ядре атома золота прячется будущее лекарство от рака. Если ударить по золотой мишени гамма-лучом с энергией около 30 мегаэлектронвольт, одно из ядер теряет протон и нейтрон и превращается в редкий изотоп платины — платину-195m.

Луч лазера проходит сквозь стекло и касается тонкой алмазной плёнки. В месте касания плёнка превращается в узкую полоску, которая слегка приподнимается. Рядом кладём вторую такую полоску — и между ними остаётся пустой коридор. Это и есть канал: ширина его может быть в пятьдесят раз больше высоты, как лист бумаги, лежащий на столе.

Ультрафиолетовый свет с длиной волны около 300 нанометров невидим для глаза, но он умеет разрушать ДНК микробов, заставлять светиться некоторые вещества и переносить информацию. До сих пор лазеры в этом диапазоне были громоздкими, дорогими или недолговечными.

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.

Крошечный мотор сгибается от электричества и натягивает невидимую пружину. Такие моторы — пьезоэлектрические приводы — нужны, чтобы растягивать или сжимать квантовые точки, заставляя их испускать пары запутанных фотонов. Раньше их делали сложными методами, но теперь всё можно вырезать одним лазером. Лазер бьёт сверхкороткими импульсами — за фемтосекунды, квадриллионные доли секунды.

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.

Свет — отличный инструмент для изучения тканей, но он быстро гаснет в глубине тела. Уже через несколько миллиметров фотоны рассеиваются так сильно, что разглядеть что-либо невозможно. Учёные придумали обходной путь: не светить снаружи, а доставить крошечный источник света прямо внутрь. Проблема в том, как запитать этот источник без проводов. Решение нашлось в ультразвуке.