Время с точностью до аттосекунды

Благославенные времена, когда для объяснения окружающего мира хватало точности песочных часов.
Художник Альбрехт Дюрер. Меланхолия, 1514 г. Национальная галерея искусства, Вашингтон

Свет хорош тем, что кванты его энергии, фотоны, в силу малой своей энергии практически не взаимодействуют друг с другом. В результате – нет нагревания, которое так мучает технологов электронной промышленности. Вот почему ученые бьются над созданием устройств хранения и извлечения информации с помощью света. К сожалению, сегодняшние чипы дают эффективность не более 17%, что чрезвычайно мало.

Поэтому столь важно сообщение австралийских, новозеландских и китайских ученых, которые создали эффективно работающее устройство (КПД – до 69%), и к тому же малошумное. Устройство использует хранение слабых квантовых – когерентных – состояний одиночных фотонов с последующим их извлечением в виде вспышек мощностью 500 фотонов. При практическом использовании чипа светопамяти на вход подается когерентное состояние в среднем 30 или меньше фотонов, что обеспечивает сохранность данных и их безопасность. Немаловажно также и то, что новый чип памяти твердотельный, что привычно для электронной промышленности.

Редакция журнала Nature посчитала достижение настолько важным, что поместила изображение кристалла квантовой памяти, улавливающего свет, на свою обложку. Заголовок, «Саtching the Light», созвучен названию знаменитого романа Дж. Сэлинджера «Ловец во ржи», в котором рассказывалось о приключениях в Нью-Йорке сбежавшего из дома подростка. Сегодня квантовые компьютеры тоже переживают эпоху бурного подросткового развития, и думается, что изобретение поможет ученым ухватить жар-птицу за хвост.

Квантовая физика рождалась как нечто нечеткое, больше похожее на облако «размазанного» вокруг ядра электрона, поведение которого определялось принципом неопределенности Шредингера. Но 80 лет назад в распоряжении ученых не было лазера с его ультрабыстрыми импульсами, продолжительность которых измеряется аттосекундами, то есть миллиардными миллиардных долей секунды (10–18 сек.). Это время приблизительно в миллион раз меньше времени релаксации – возвращения возбужденного электрона, отдающего энергию в виде фотона, в свое основное состояние (ground state).

При фотосинтезе специальные белковые механизмы до поры до времени не дают электрону релаксировать и производят разделение зарядов, в результате чего электрон обретает возможность к совершению полезной работы. Ученым лишь впоследнее время удалось достаточно долгое время удерживать «горячие» электроны, выбитые из полупроводниковых нанокристаллов селенида свинца, от релаксации. При этом энергоемкие электроны в пределах 50 фемтосекунд (10–15 сек.) переходят к титановым атомам, которые охотно их принимают и начинают согласованно вибрировать.

К сожалению, фемтосекунды в тысячу раз меньше времени переноса электрона при фотосинтезе, но, как говорится, с чего-то надо начинать. Главное, что в новом прототипе будущих солнечных батарей удалось «развести» электроны, которые при этом не слишком быстро остыли, то есть не рассеяли свою энергию после солнечной «накачки» (рumping).

До сих пор ученые не знали, сколько времени проходит с момента после импульса энергии, «поданного» на электрон, и до фотоэмиссии – выбивания с орбиты – последнего. Раньше ученые полагали, что это происходит мгновенно. Но сколько длится «прекрасное мгновение», не поддавалось точной количественной оценке. Именно по этой причине предел точности атомных часов сегодня едва превышает наносекунды, хотя и этого вроде бы хватает для решения самых разных задач типа мобильной связи и бытовой навигации автомобилистов. Задача была решена совместными усилиями большого коллектива ученых из немецкого Гарчинга и Афин, Венского университета технологии, гарвардского Центра астрофизики и Университета короля Сауда в Эр-Риаде.

Отцы квантовой физики не могли себе представить, что электрон на орбите все же можно остановить, а затем измерить тот ничтожный промежуток времени, который отделяет «остановку» от ухода с орбиты. Их научные внуки сумели точно нацелить на электрон импульс с энергией 100 электрон-вольт, после чего «заряженный» им электрон сорвался с орбиты через 21+/– аттосекунд (атто, приставка обозначающая 10–18 сек.).

Новое достижение будет иметь большие последствия как для теории, так и для конкретных технических разработок. Впервые в распоряжении физиков появилась возможность выставления атомных часов на ноль, в результате чего атомная хроноскопия достигла разрешения в несколько аттосекунд, которые меньше наносекунды во столько же раз, во сколько те по сравнению с привычной нам секундой (кстати, секундной точности хода часов не более века).

Аттосекундная хроноскопия позволит изучать ход химических реакций и фотосинтеза, что называется, в режиме реального времени, ускорит создание квантовых и оптических компьютеров, а также подтолкнет развитие так называемой спинтроники. Кстати, и без дорогостоящего адронного коллайдера позволит изучать тончайшие взаимодействия электронов в атомах. Немаловажно также и то, что новые атомные часы, точность хода которых в миллиард раз больше нынешних, работают при комнатной температуре и не требуют сложного лазерного охлаждения атомов и ионов.