Фізики взялися за промені світла. Майлз Педжет скручує світло непередбачуваними способами. П’єр Беріні збирає світло у наномасштабі за допомогою «плазмонів». Маргарет Мурнейн створює ультракороткі лазерні імпульси на стенді.

Нова форма світла

Фізик Майлз Педжет починає описувати концепт скрученого світла через забарвлену у всі кольори веселки спіраль, яка звисає зі стелі його офісу в Університеті Глазго, Велика Британія. Потім він зупиняється і шукає поглядом додатковий реквізит: обідні тарілки, папір, олівці і навіть залишені після Різдва шоколадні цукерки.
Вчений пояснює: світло складається із електричних і магнітних полів, що постійно коливаються. У звичайному лазерному промені, ці коливання завжди впорядковані, вершини і западини вирівняні від одного краю променя до іншого. (Педжет ілюструє пласкі, планарні хвилі за допомогою стосу тарілок, які рухає вперед-назад).
Проте все стає набагато цікавішим, коли якась частина променя вибивається із синхронності. У цьому місці розповіді, Педжет показує на спіраль: вершини фронту імпульсу можна зміщувати доти, доки вони не закрутяться довкола напрямку променя, подібно до штопора. У результаті отримаємо закручене світло, каже Педжет, який два десятки років провів за вивченням його унікальних властивостей.
Педжет одним із перших почав шукати способи використовувати таке світло, починаючи від безконтактного пересування клітин і закінчуючи великими обсягами інформації, закодованими у оптичному сигналі. Вченому навіть вдалося зав’язувати світло у вузли. Роки роботи зі світлом дали Педжету своєрідну інтуїцію до його властивостей, кажуть співробітники і колеги вченого. «Багато інших науковців, можливо, мусили б провести обчислення, створити модель чи виконати експеримент, перш ніж прийде якась ідея про те, як світло мало би поводитися», – каже Марк Денніс, фізик-теоретик із Університету Брістоля, Велика Британія. «Один із найбільших талантів Майлза – ось ця майстерність передбачати, якими будуть результати».
У офісі Педжета не лише реквізит. Там є і кава-машина лабораторії, і меблі для відпочинку, і всіляке кухонне приладдя – навіть мийка. Педжету до вподоби ідея продуктивних випадкових зустрічей, тож він намагається робити так, щоб тут люди могли поговорити на різні теми і поділитися своїми думками.
Саме випадкова зустріч вперше підштовхнула його до вивчення закрученого світла. У 1994 році, коли він був ще молодим ученим у Сент-Ендрюському університеті, Велика Британія, йому пощастило вечеряти із фізиком Лесом Алленом, який мав намір поговорити про лазерні технології. Проте розмова перескочила до експериментів Аллена із закрученим світлом. Аллен тоді був співробітником Університету Ессекса у Колчестері, Велика Британія, і зумів зацікавити Педжета, коли сказав, що знає, як закрутити світло, використовуючи ніжку свого келиха для вина у якості лінзи. На цю дивакувату ідею Педжет і купився. До 1997 року він і його колеги не просто вивчили, як робити закручене світло для себе, але і знайшли спосіб примусити його працювати «оптичним гайковим ключем», у який можна захопити клітини або інші мікроскопічні частинки і розвертати їх у потрібному напрямку.
Перетворення світла на гайковий ключ – це крок до надання йому нових форм, каже Педжет. Дуже простий приклад нової форми світла – це цифровий проектор, який утворює рухому картинку, змінюючи інтенсивність променя попіксельно. Дещо складніший приклад – рідкокристалічні прилади, які нічого не роблять із інтенсивністю світла, що проходить через кожен піксель, але натомість змінюють його «фазу» – відносне розташування вершин і западин. Якщо провести аналогії зі стосом тарілок, тарілки разом деформуються і вигинаються.
Для того, щоб перейти до закрученого світла, треба вивести такі деформації до найбільших значень – так, щоб вершини утворили спіраль. Це закручування означає, що світло не лише тисне випромінюванням і штовхає ті об’єкти, які трапляються йому на шляху, але і намагається розкрутити їх.
«Наче повернути дверну ручку і штовхнути її вперед, щоб відкрити двері», – каже Педжет. Оптичний гайковий ключ передає цей обертовий момент мікроскопічним об’єктам, щоб захопити, повернути і пересунути їх. Використовуючи подібні прилади, біологи можуть наповнювати клітини спеціальними частинками, щоб визначити їх щільність, а інженери можуть створювати унікальні нанорозмірні матеріали.
Завдяки закрученому світлу також можна кодувати інформацію у новий спосіб. Звичайний підхід у кодуванні за допомогою світла – це кодувати кожен біт як окремий фотон, що закручується за або проти годинникової стрілки відносно напрямку свого руху. Квантова механіка дозволяє існувати лише цим двом станам, тож їх можна представити їх як природні «одинички» і «нулики» коду.
Проте у закрученого світла є додаткова величина обертання, відома як орбітальний кутовий момент. Він відрізняється від власне спіну так само, як і річне обертання Землі довкола Сонця відрізняється від її добового обертання довкола своєї осі. І ця величина набагато менше обмежується квантовою механікою. У теорії, каже Педжет, закручене світло може мати нескінченну кількість паттернів орбітального кутового моменту або станів, кожен із яких буде закручений тісніше, аніж попередній.
«Це як мати цілий алфавіт для спілкування», – каже він.
Десять років тому, Педжет був одним із перших, хто показав, що кожен стан світла можна використовувати для кодування різної інформації – подібно до відтінків сірого чи чисел – і це дозволяє передавати набагато більше даних у тому ж оптичному сигналі, що й за допомогою виключно спінового кодування. Минулого року, група вчених із Віденського університету закодувала чорно-білі зображення Вольфганга Амадея Моцарта та інших відомих австрійців за допомогою 16 закручених станів, і успішно передала ці зображення через 3 кілометри повітря (див. Nature http://doi.org/ztt; 2014). Використовуючи додаткові канали інформації, такі технології можуть збільшити властивості переносу даних оптоволоконних кабелів і радіохвиль.
Педжет знайшов ще більш дивовижні способи грати із закрученим світлом. Коли, наприклад, його промінь освітлює стіну, точка матиме по центру темну пляму. Це виникає через те, що закручений промінь світла має посередині вир, де його інтенсивність дорівнює нулю. Придивіться до плями від лазерного ліхтарика, каже Педжет, і побачите, що у ньому повно таких темних плям. Якщо прослідкувати їх напрямок у лазерному промені, вони утворять безперервні лінії нульової інтенсивності, які звиваються у трьох вимірах.
«Вони можуть бути схожі на варені спагеті – їх можна скрутити у петлі чи навіть сплести із них кольчугу», – каже Педжет. (Він киває на плакат на стіні, де приблизно показано, як вони виглядають. Плакат називається «Speckleghetti»). У 2010 році, вчений разом зі своїми колегами показав, як перетворити прямі лінії на вузли. Теоретику Марку Деннісу довелося витратити десять років на створення складного математичного рецепту для променів, які взаємно накладаються, щоб вони утворили ізольований вузол-крендель. Лише маючи цей рецепт на руках, команда Педжета змогла використати його навички у наданні світлу форми і зробити абстрактну математику реальністю.
Педжет вірить, що найкращий спосіб людині досягти успіху – це знайти те, у чому вона насправді гарний фахівець, і використовувати це всюди. «Наша команда може надавати променям світла форму, – каже він. – Тож ми використовували світло нової форми у зв’язку, мікроскопії, візуалізації, датчиках. Ми постійно запитуємо себе, як ми можемо використати те, що знаємо, у тих сферах, в яких зацікавлені інші?». Він покладається на цю філософію в останньому своєму проекті – очолюючи «Quantum Imaging Hub», ресурс співпраці між 6 університетами та 30 компаніями, одну із 4 організацій групи «Quantum Technology Hub», яку минулого листопада запустив уряд Великої Британії.
Група вчених Педжета створює інфрачервоні камери, які використовують однопіксельні детектори замість мільйонів дорогих піксерів у звичайних камерах. Проектуючи маски із чорних і білих квадратів на об’єкт і знімаючи його 20 000 разів на секунду, вчені можуть виміряти, як змінюється вхідна інтенсивність і реконструювати картинку.
«Це заплутаний, але дешевший спосіб виконувати те ж саме», – каже Метью Едгар, фізик із лабораторії Педжета. Маючи технології компресії зображень та збільшену обчислювальну потужність, команда сподівається поширити цю технологію на відеозапис: інфрачервоні камери зможуть слідкувати за витоками газу чи дивитися крізь дим.
Та повернімося до офісу, де Педжет збирає свої речі, щоб вийти під дощ Глазго і згадує, що йому подобається у світлі. Ні, це не безкінечні варіанти його використання. Натомість, каже він, це краса світла, яку чим більше вивчаєш, тим більше пересвідчуєшся у його прямолінійності. «Якщо світло чимось і дивує мене, то не своєю складністю, а своєю простотою», – каже він.

Стиснене світло

П’єр Веріні дивиться на окрему деталь і бачить ціле; як доказ, можна подивитися на його лабораторію, вщерть заповнену лазерами, осциляторами та іншими компонентами, які він купив на аукціонах після того, як місцеві компанії збанкрутіли.
Фізик із Університету Оттави часто купує їх партіями, після того, як помічає важливі складники у роботі, які виглядають зовсім інакше в купі сміття. «Тут дуже багато несподіванок», – каже він.
Беріні зберігає певну симпатію до таких компаній. Він – лідер у плазмоніці, способі маніпулювати електронами за допомогою світла, який можна буде використовувати для передачі інформації у надшвидких комп’ютерах. Через кілька місяців після запуску фірми із венчурним капіталом «Spectalis», яка на початку 2000-х вивела на ринок зв’язку обчислювальні ланцюжки на основі плазмоніки, вчений почав відчувати ефект від швидкого розвитку інтернет-сайтів. Зрештою, він сам провів аукціон і закрив свою фірму. Зараз, ніким не потривожений, Берніні планує цього року знову спробувати запустити компанію для використання такої технології у крихітних сенсорах портативних приладів, які будуть швидко і дуже точно визначати хвороби.
Такі прилади використовують особливий тип світла, який виникає із хвиль електронів, що пересуваються по металевій поверхні у контакті з ізолятором, наприклад, повітрям або склом. Коли ці заряди або плазмони збуджуються лазером, вони утворюють електричні або магнітні поля, які коливаються і течуть безпосередньо над металевою поверхнею. Захоплені на межі розподілу хвилі можна скрутити у структури, у яких довжина хвилі вимірюється десятками нанометрів – це у десять разів менше довжини хвилі лазеру. Швидкість таких стиснених хвиль менша за швидкість світла у лазері, тож вони можуть зберегти свою частоту.
Берніні занурився у вивчення плазмоніки, коли наприкінці 1990-х шукав способи покращити звичайні електронні компоненти і фотодетектори. Швидкість світла набагато більша за швидкість електричних сигналів, тож його використання для передачі інформації на кремнієвих чипах могло дуже сильно прискорити обчислення. Проте світло має обмеження по довжині хвилі: хоча електронні прилади можна зменшити до кількох десятків нанометрів, використовуване у телекомунікації інфрачервоне світло не може фокусуватися у точку, меншу, ніж мікрометр. «Це фундаментальна невідповідність», – каже Берніні. Менші довжини хвиль від плазмонів виглядали перспективно, проте плазмонне світло не завжди поводилося, як належить. Утворені від руху електронів хвилі швидко згасали внаслідок опірності металу і могли пройти лічені мікрометри.
За допомогою своїх інструментів, Берніні створив нанорозмірні структури, дешевші і доступніші, і перші плазмонні хвилі змогли на них пройти шлях у кілька сантиметрів. Його лабораторія зробила цілі логічні ланцюжки, направляючи плазмони по металевих смужках товщиною менше, ніж 30 нанометрів.
Проте, чим далі рухається хвиля, тим більшою є і її довжина. Хоча плазмонні хвилі все одно не такі великі, як звичайні хвилі світла, досягнутий компроміс зменшив їх переваги, і Берніні вважає, що такому приладу буде непросто вийти у галузь зв’язку, де кожен використовуваний компонент відточували десятки років. Тож він та інші вчені багато сил поклали на розробку інших технологій, які допоможуть працювати із малим рядом плазмонного світла: або знайти такі способи його використання, де всі слабкі сторони стануть сильними, наприклад, у фотодетекторах, або ж використовувати наноструктури, які підсилюватимуть хвилі. Зараз фізики розробляють різні варіанти наноформ – зірок, паличок та півмісяців – із різних матеріалів, які зможуть збирати ці хвилі для різного використання: вловлювати сонячну енергію, вбивати ракові клітини і створювати лазери на чипах, також відомі як спейсери.
Генрі Шример, фізик із університету Оттави, називає Берніні «квінтесенцією експериментатора із великим відчуттям теорії». Проте Берніні каже, що саме способами використання живе його лабораторія; з його слів, своєю прихильністю до винахідництва він завдячує своїм батькам, які мають власний бізнес у Тіммінсі, спільноті шахтарів та лісозаготівельників Онтаріо, де він виріс.
Сьогодні Берніні знову повертається до роботи, яку зробили у сфері довгих логічних ланцюжків, щоб зробити детектор лихоманки денге. Минулого року цей прилад, компактний біосенсор, розробили у співпраці із дослідниками з Університету Малайї у Куала-Лумпурі – він шле плазмонні хвилі по чипу, всіяному частинками вірусу денге. Зразок крові розміщують на чипі; якщо донор інфікований, то у зразку будуть антитіла, які зв’язуватимуться із вірусом, і тим самим перешкоджатимуть поширенню хвилі – тоді прилад подаватиме певний сигнал. Берніні каже, що датчики можуть пришвидшити встановлення діагнозу – зазвичай для цього потрібно надсилати зразки до лабораторії.
Нова компанія зараз працює над комерціалізацією ряду подібних біосенсорів. Проте Берніні вірить, що такий варіант застосування – лише один із багатьох, який матиме стиснене світло у майбутньому. «Разом із плазмонікою, ми відкриємо ще багато невідомої нам фізики», – каже він. Все це означає, що деяка частина різноманітного обладнання, що захаращує лабораторію, знайде нове застосування.

Швидке світло

Коли у 1960-х Маргарет Мурнейн росла у ірландському сільському окрузі Лімерик, їй не давалася жодна із традиційних справ, які вважалися доречними для дівчат – ані шиття, ні малювання, і вона ніколи не вважала себе вправною рукодільницею. Натомість, їй подобалося подовгу гуляти із батьком, дивитися на райдуги над дощовитою Ірландією – і з цього постало вічне її замилування світлом. Вона піддалася цій спокусі, і «вийшло, що я талановита у тому, на що ніколи б не подумала – у керуванні лазерами. Але, хіба може це спасти на думку в буденному житті?»
Зараз у Мурнейн життя зовсім не буденне – вона працює фізиком у JILA, місто Боулдер, штат Колорадо, тобто у об’єднаному інституті між Університетом Колорадо та Національним інститутом стандартів і технології США. Там вона разом зі своїм чоловіком, Генрі Кептейном, керує лабораторією, де розробляють рентгенівські лазери, які спрацьовують аттосекундними імпульсами – кожен спалах триває лише одну мільярдну однієї мільярдної секунди, тобто як одну секунду у порівнянні із усією тривалістю існування Всесвіту. Такі надшвидкі рентгенівські промені із крихітною довжиною хвилі і високою енергією, часто використовуються для глибокого проникнення у атоми та їх візуалізації у наномасштабі. Зазвичай це відбувається на установках вартістю в мільярди доларів, де рентгенівські промені утворюються завдяки пришвидшенню електронів до майже світової швидкості, наприклад у «SLAC Linac Coherent Light Source» в Менло-Парк, Каліфорнія. Натомість, установка Мурнейн вільно розташовується на обідньому столі. Це дозволяє вченим слідкувати за рухом електронів довкола атомів, визначати хімічні зв’язки чи досліджувати спіни в магнітному жорсткому диску.
Досвід Мурнейн – її дитинство пройшло у будинку без центрального опалення і водогону, проте було сповнене любові до знань та навчання – дуже сильно впливає на її сучасне захоплення, каже Кептейн. «Вона постійно працює над собою», – каже він. Мурнейн зустріла Кептейна тоді, коли вона була аспірантом в Університеті Каліфорнії в Берклі, і відтоді ці двоє працювали разом – створили стабільне партнерство, яке, на думку Мурнейн, стало основою їх наукового успіху. «Це дуже сильно допомагає, коли є хтось, хто може кинути виклик. Такі взаємини хороші для науки, проте непрості для окремих людей», – каже вона.
Разом вони розв’язали проблему, із якою вперше стикнулися ще у старшій школі: як створити подібні до лазерних промені світла із високою енергією. Замість прискорювати електрони, як це роблять у великих установках, стратегія цих учених полягала у комбінації багатьох фотонів видимого світла у жменьку високоенергетичних фотонів рентгенівського випромінювання. Аналог такого процесу можна знайти у музиці. Коли смичком злегка провести по окремій струні інструмента, виникає один звук. «Якщо проводити смичком сильніше і сильніше, з’являтимуться вищі гармоніки», – каже Мурнейн, і кожна наступна частота буде на порядок вищу за попередню.
Коли у 1990-х розробляли лазери ультракоротких імпульсів, Мурнейн і Кептейн вирішили, що їм вдасться їх використати для сильного «смикання» електронів – пришвидшувати коливання електрона на атомі гелію туди і назад – і таким чином утворювати гармоніки у формі високоенергетичних фотонів. Команда зуміла створити яскраві ультрафіолетові промені, але збільшити енергію і зберігати промінь подібним до лазерного, де хвилі виникають синхронно, виявилося важчим завданням.
Мурнейн часто каже, що вона взялася за фізику «бо це був найскладніший предмет» в університеті – ця властивість дозволила їй зберігати гарну форму протягом усіх 15 років, що знадобилися для вирішення задачі. Для цього їй довелося взятися за «дуже складний спосіб мислення», як вона каже, і розпочати не від лазерів видимого світла, а від інфрачервоних лазерів із більшою довжиною хвилі. Фотони мали набагато менше енергії, аніж до того. Проте вони сильніше входили у резонанс із електронами атомів гелію – власне, надавали струні більшої сили – що дозволило команді скомбінувати понад 5000 фотонів лазеру у єдиний фотон рентгенівського променя. Теоретики вважали, що ця технологія надто неефективна, щоб створювати придатні для використання промені. Однак обережно налаштовуючи гелій таким чином, щоб лазерні і рентгенівські промені проходили з однаковою швидкістю, команда Мурнейн передбачила, а пізніше довела, що рентгенівські промені на певному етапі виникнуть, як яскравий промінь. «Ми були вражені, бо їм вдалося отримати не просто рентгенівські промені, а багато рентгенівських променів», – каже Михаїл Іванов, фізик із Інституту нелінійної оптики та спектроскопії коротких імпульсів ім. Макса Борна у Берліні.
На сьогодні Мурнейн і Кептейн зробили надшвидкі лазери, які утворюють рентгенівські промені із енергією до 1000 електронвольт, та імпульси у аттосекундах. Хоча ці прилади не досягають таких енергій чи яскравості, як у великих лазерних установках із вільними електронами, однак вони підійшли достатньо близько. І у порівнянні з установками вартістю у 1 мільйон доларів, їх установка дешевша приблизно у тисячу разів. Лабораторія у JILA має шість таких лазерів, а відкриття у нано-світі лише починаються. Мурнейн і створює, і використовує лазери – щоб опрацьовувати моделі розсіювання рентгенівських хвиль, завдяки яким можна отримати зображення потоку заряду і спіну в матеріалах. Несподівано для себе, науковець виявила, що джерела тепла нанорозміру охолоджуються швидше, коли розташовані щільніше. Мурнейн разом зі своїми співробітниками, включно з Кептейном та Теніо Попмінтчевим із JILA і Ендрюсом Балтускою з Віденського технологічного університету досі працюють над удосконаленням настільної установки, щоб зробити її швидшою, меншою і щоб вона могла досягти більшого значення енергій. Це дозволить вченим випробовувати ще більш швидкі процеси, які відбуваються глибше у матеріалах, і робити це із більшою роздільною здатністю. «Ми впевнені, що зможемо це зробити», – каже Мурнейн.
Після того, як у 1960-х були винайдені лазери видимого світла, вони пройшли швидкий шлях розвитку; та ж революція зараз відбувається і з настільними установками рентгенівського випромінювання. Інші лабораторії по всьому світу розробили подібні підходи, каже Ольга Смирнова, теоретик із Інституту ім. Макса Борна. Проте технологію JILA виокремлює серед інших те, що на ній можна утворювати настільки високочастотне світло із великою ефективністю. І, зрештою, там є Мурнейн, каже Смирнова: «Вона насправді може посунути рамки можливого, працюючи рік за роком».
Мурнейн наполягає на тому, що вони ще не досягли межі – що можна отримати високоенергетичні рентгенівські промені і навіть швидші, цептосекундні (10?21 с) імпульси. «У науці подеколи виникає хибне уявлення, що лазери – це вже застаріла технологія і там немає чого вивчати, – каже вона. – І це дуже далеко від правди».