Представьте себе материал, который в мгновение ока может стать прозрачным или, наоборот, превратиться из проводника в изолятор. Звучит как научная фантастика, но учёные из Института Вейцмана сделали этот шаг реальностью, используя мощные лазерные импульсы, способные мгновенно изменять свойства материалов. Результаты их работы опубликованы в престижном научном журнале Nature Photonics.
Когда свет проходит через вещество, например, через капли дождя, он замедляется и преломляется, создавая знакомую нам радугу. Обычно такие явления происходят по предсказуемым законам оптики, но группа под руководством профессора Нирит Давидович обнаружила, что мощный лазер способен моментально изменить показатель преломления материала, влияя на скорость света при прохождении через него.
Чтобы изучить этот процесс, исследователи создали уникальную методику, в разработке которой участвовали аспиранты Омер Канлер, Хен Мор и Ноа Яфе. Эксперимент включал использование двух лазеров: первый — мощный, с относительно длинными импульсами, который инициировал изменения в материале, а второй — с ультракороткими вспышками в аттосекундном диапазоне (миллиардные доли миллиардной секунды), фиксировал эти изменения с невероятной точностью, словно высокоскоростная видеокамера.
Секрет этого метода заключается в анализе световых волн, проходящих через материал после воздействия лазера. Ученые сравнивали импульсы, прошедшие через вещество, с контрольными импульсами с известными свойствами, что позволило им восстановить полную картину изменений, происходящих в материале.
На квантовом уровне свойства вещества определяются энергетическими уровнями его электронов. Когда материал подвергается воздействию мощного лазера, эти уровни могут сдвигаться, сливаться или, наоборот, расщепляться. Это напоминает систему навигации, вроде популярного приложения Waze: по времени, которое требуется свету для прохождения через материал, учёные могут отследить своеобразный "маршрут" электронов между энергетическими уровнями, раскрывая тайны квантовых процессов.
Первые эксперименты команды Давидович были проведены на одиночных атомах, но расчёты показывают, что этот метод можно использовать и для исследования более сложных материалов. "Теперь, когда мы можем отслеживать 'путешествие' отдельных электронов, мы получаем возможность целенаправленно изменять свойства вещества с точностью до десятков аттосекунд," — объясняет профессор Давидович. "Эта способность может привести к созданию процессоров, способных обрабатывать информацию в тысячи раз быстрее современных."
Открытие также имеет огромное значение для фундаментальной науки: наблюдая за движением электронов в реальном времени, учёные могут заглянуть в мир квантовых явлений, которые до сих пор оставались скрытыми. В будущем это поможет в разработке сверхбыстрых систем связи и вычислений.
В исследовании приняли участие учёные из Израиля, Германии, США и Франции, в том числе специалисты из Института Макса Борна в Берлине, Массачусетского технологического института (MIT) и Принстонского университета. Их совместная работа открывает двери в новую эру квантовой оптики, где свет становится инструментом не только наблюдения, но и управления самыми глубокими свойствами материи.
Таким образом, достижения группы профессора Давидович не просто расширяют границы наших знаний о материи, но и прокладывают путь к будущим технологиям, которые могут перевернуть представления о скорости обработки информации и открыть новые горизонты для научных открытий.
Примечание:
Аттосекунда — это единица времени, равная одной квинтиллионной доле секунды, это время, за которое свет проходит всего лишь одну стомиллионную часть сантиметра. Аттосекунды используют для изучения ультрабыстрых процессов в атомах и молекулах, например, движения электронов вокруг ядра. Лазеры, создающие сверхкороткие импульсы света в диапазоне аттосекунд, позволяют учёным буквально «фотографировать» такие процессы, словно высокоскоростная камера на квантовом уровне.
