волновод

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.

Оркестр играет, но дирижёр слышит только общий гул. Каждый инструмент ведёт свою партию, а разобрать, где флейта, а где контрабас, не получается. Нужен анализатор спектра — устройство, раскладывающее звук по частотам. В астрономии та же задача: холодная межзвёздная пыль и газ излучают на миллиметровых и субмиллиметровых волнах, и чтобы понять их состав и движение, нужно разложить этот свет в спектр.

Представьте себе рельс, вдоль которого, словно крошечные вагончики, скользят антенны-прищепки. Каждая из них испускает радиосигнал — невидимую волну, распространяющуюся со скоростью света . Смартфон, принимая эти сигналы, замеряет микроскопические задержки и по ним вычисляет расстояние до источника.

Оркестр без дирижёра, где музыканты слышат друг друга через общую стену. Примерно так устроен новый тип лазера: несколько атомов (излучателей) сидят вдоль световода — тонкой дорожки для света на чипе. Свет от каждого атома бежит по этой дорожке и влияет на соседей. Возникает коллективная игра, где атомы излучают согласованно, как смычки, взлетающие в один миг. Но есть нюанс.

Обычная микроволновая полость напоминает музыкальную шкатулку: она отзывается только на строго определённые частоты — свои собственные ноты. Но что, если заставить её звучать иначе? Учёные изменили правила игры, сделав стенки «односторонними». Внутри такой полости волна может бежать лишь вперёд, не отражаясь назад.

Свет представляет собой поток элементарных частиц — фотонов. В специальном световоде, который можно представить как узкий коридор, атом-«привратник» обычно пропускает фотоны поодиночке. Этот эффект изучает спектроскопия одиночных частиц — метод, позволяющий исследовать взаимодействие света с веществом на уровне отдельных квантов.

Обычный почтовый конверт имеет прямоугольную форму, и письмо внутри неё не меняет свойств конверта. С фотонами — частицами света — ситуация иная: их «форма» во времени может быть разной, и эта форма сама по себе несёт информацию.

Свет, проходя через мутную среду — например, стакан с молоком или матовое стекло, — рассеивается во все стороны. Но иногда вместо того, чтобы разбежаться, он застревает в крошечных «карманах» внутри материала. Эти карманы физики называют локализованными модами: свет в них словно попадает в ловушку и не может выбраться наружу.

Представьте реку: вода течёт в одну сторону, а волна на её поверхности движется в противоположную. Этот парадокс — ключ к пониманию поведения света в гиперболических материалах. В них энергия световой волны и её волновые фронты расходятся в разных направлениях, что разрушает фокусировку и не даёт создать чёткую линзу.

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.

Приёмник ловит не радиоволны, а субмиллиметровый свет — то, что излучают холодные облака газа и пыли в далёких галактиках. Внутри него стоит решётка из крошечных резонаторов, каждый настроен на свою частоту, как струны рояля на ноты. Такой прибор называется интегральным полевым спектрометром: он снимает сразу целую карту неба, раскладывая свет по цветам.

Стайка светлячков в ночном лесу вспыхивает как попало: каждый жучок мигает сам по себе, и свет разлетается во все стороны одинаково. А теперь светлячки договорились мигать так, чтобы их общий свет уходил только на север — хотя сами они стоят на месте и ни один не повернулся. Примерно это сделали физики с атомами внутри тонкой стеклянной трубки. Атомы в трубке возбуждали лазером, и они начинали испускать свет.

Свет, проходя сквозь тонкий кристалл, может поменять цвет и направление колебаний. В пластинке дисульфида молибдена толщиной в сотни атомов инфракрасный луч превращается в зелёный, а его поляризация — то, как колеблется световая волна — подчиняется геометрии кристалла.

Водород — самое лёгкое топливо, и его превращение в электричество на поверхности металла напоминает игру в пинг-понг: атомы водорода то присоединяются, то отрываются от электрода. Но счёт в этой игре зависит от кислотности раствора не так, как ожидали. Классические формулы предсказывают плавное изменение, а эксперимент показывает скачки и изломы.

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.

Звук в тонкой пластине ведёт себя как рябь на воде: бежит, отражается от краёв, меняет форму. Но у звука есть одна странность — он умеет проходить сквозь места, где волне запрещено существовать. Это похоже на то, как если бы рябь на пруду вдруг исчезла перед каменной перегородкой и появилась с другой стороны, не огибая её. Учёные взяли пластину переменной толщины — плавно сужающуюся, как клин.