В рамках цикла лекций, посвященных современным исследованиям в области фотоники, профессор физического факультета и Международного лазерного центра МГУ имени М.В. Ломоносова, член научного совета Российского квантового центра, професcор Texas A&M University (США) Алексей Желтиков рассказал про лазеры в квантовой физике и науках о жизни.
— Я бы хотел сегодня поговорить о времени света и о лазерах квантовой физики и науках о жизни, — обратился к аудитории учёный.
Эта тема действительно актуальна в современном мире. Сегодня учёные с особым интересом изучают сверхбыстрые фундаментальные квантовые процессы и открывают пути для разгадки сокровенных тайн живой природы. Всё это стало возможным благодаря разработанным в последние годы методам формирования предельно коротких импульсов электромагнитного излучения.
Профессор наглядно сравнил циферблат, отчитывающий время в секундах, с боровской моделью атома. Действительно, вращение электрона вокруг ядра по орбите можно представить как часы. Для того, чтобы проводить такой эксперимент в соответствующих масштабах времени, измеримого в автосекундах, нужны лазеры.
Лаборатория МГУ, в которой создаются эти приборы, изучает полупроводниковые (сопряженные) полимеры, фуллерены и другие органические наноматериалы с целью создания нового поколения устройств органической оптоэлектроники. Разработки должны служить основой для гибких и широкоформатных дисплеев и планшетов, солнечных батарей (например, ими можно будет «оклеивать» стены), одноразовой электроники (интеллектуальные метки, наклейки и так далее).
Но вернёмся к лазерному свету. Чем же он отличается от солнечного? Во-первых, когерентностью — фазы элементарных колебаний поля, которые дают световой пучок, не случайны, а одинаковы. Здесь важны следующие аспекты:
— пространственный: существуют некоторые фундаментальные обстоятельства, из-за которых количество фотонов, квантов светового поля в пространстве нельзя увеличить никаким линейным оптическим устройством. Поэтому нужна система с усилением, такая как лазер, который позволит сформировать луч. Именно благодаря большому количеству фотонов мы можем его увидеть.
— временной: заключается в том, что световые колебания так же можно сложить. Если у нас есть лазер, который способен генерировать сразу на нескольких частотах, то «суммируя» соседние частоты мы можем получить короткий импульс. Это явление называется принцип ом синхронизации колебаний.
В случае использования более мощного лазерного освещения, свет, распространяясь через среду, начинает менять её свойство. Профессор рассказал слушателям об одном из наблюдаемых им явлений:
— У меня есть лазерный пучок, в центре которого интенсивности больше, чем в периферии. Поскольку свет достаточно мощный, он изменяет свойство среды — так возникает линза. Получается, что пучок фокусирует сам себя. То же самое происходит во времени. Если у нас есть короткий световой импульс, то возникает неоднородная по времени добавка к преломлению. Теперь добавка к фазе импульса будет разная в его центре и на хвостах — это приводит к уширению спектра, что невозможно для линейной оптики.
Затем Алексей Желтиков рассказал об оптической ударной волне:
— Они всюду в природе. Макушки светового импульса распространяется медленнее, чем его хвосты. Хотите — верьте, хотите — нет, но все эти эффекты работаю так, что есть возможность формировать импульсы, которое распространяются на большие расстояния. Это явление называется оптическим солитоном. Если с ним хорошо поработать, чем лаборатория А. Желтикова занимается уже более 15 лет, то можно сформировать очень короткий импульс, длительностью короче одного цикла. Он получается путём сложения стеклянных трубочек и изготовления для них волокон со сложной поперечной структурой.
Зачем вообще нужны такие импульсы? Чтобы остановить мгновения. Когда события происходят очень быстро или вам хочется изучить красивые явления природы, запечатлеть спортивное событие, нужна быстрая камера, а чтобы понять, как вращается электрон в атоме — ещё более короткий импульс.
Излучение лазера заполняет пространство и время совсем не так, как это делает обычный свет — дневной или свет лампы накаливания. Созданные на его основе технологии позволяют зарегистрировать самые быстрые процессы в веществе, разгадать загадки квантового мира, увидеть, как работает отдельный нейрон и измерить температуру биологической клетки.
Наталья Вакхальская, ФЖ НГУ
Фото: (1) — Н.Демина, Полит.ру, (2) — из архива «Науки в Сибири»
