Что может быть короче мгновения ока

Оптические эксперименты – одни из самых сложных в современной физике. Фото Андрея Ваганова

В египетском городе Луксоре, во времена Птолемеев называвшемся Фивы, химики проанализировали состав знаменитого древнеегипетского синего пигмента, не потерявшего своей яркости за 5 тыс. лет. Оказалось, что он состоит из двух слоев кальция и меди на кремниевой подложке (всем знаком прекрасный цвет раствора медного купороса).

Медь дает синий свет и в китайском красителе, в который вместо кальция добавляли барий. В стекло добавляли кобальт, по крайней мере он присутствует в египетской бусине, найденной в захоронении женщины, жившей 3500 лет назад в Олби, что в 40 км к югу от Копенгагена (современницы Тутанхамона). Римляне красили стекло в синий цвет сурьмой – именно этот элемент обнаружили в синей тарелке, хранящейся в Национальном музее Токио…

Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию вовсе не за свою теорию относительности, а за объяснение явления фотоэффекта. Последний гласит, что фотоны света способны настолько возбуждать электроны металлической поверхности, что те уходят с атомной орбиты, генерируя тем самым электрический ток.

Клетки-палочки сетчатки нашего глаза реагируют на световые волны разной длины, генерируемые возбужденными электронами (при этом длина волны испускаемого фотона длиннее той, что возбудила электрон). Эйнштейн всего этого, конечно же, не знал, но идеи его научных оппонентов в лице отцов-основателей квантовой физики привели к созданию лазеров. Так были созданы лазеры с продолжительностью импульса, исчисляемой фемто-, а затем и аттосекундами (10–15 и 10–18 сек. соответственно). Это позволило, например, измерять рекомбинацию электрона при фотоэффекте опытным путем.

Недавно приложение к журналу Nature опубликовало данные японских ученых, сфокусировавших рентгеновский луч диаметром 50 нанометров (нм) на железной фольге толщиной 20 микрон, достигнув энергии в киловатт на квадратный сантиметр. Оказалось, что освещение поверхности металла в течение 450 аттосекунд приводит к открытию «окна прозрачности» железа на две фемтосекунды (прохождение лучей увеличивается в 10 раз). Это связано с насыщением поглощения рентгеновских лучей электронами, в результате чего они перестают реагировать на лучи, пропуская их насквозь. При этом чем больше энергия рентгеновских квантов-фотонов, тем быстрее достигается прозрачность железа.

То же время в 450 аттосекунд получили и по другую сторону Тихого океана сотрудники Калифорнийского университета в Беркли, которые вместе с коллегами из Мюнхена и Токио изучали преодоление электронами энергетического барьера (band-gap) в кремниевом полупроводнике. Они в отличие от японских коллег использовали не рентгеновский, а сверхмощный ультрафиолетовый лазер (XUV – Extreme UltraViolet).

Специалисты в области оптической физики впервые экспериментально исследовали более чем вековой давности феномен появления электропроводности некоторых материалов под действием света – упомянутый выше фотоэффект – в результате «инъекции» возбужденных электронов в проводящий слой. Чрезвычайно малая продолжительность фотонного импульса впервые позволила ученым детально рассмотреть, что же на самом деле происходит.

Теория гласит, что атомы кристаллической решетки реагируют на возбуждение электронов и при этом решетка рассеивает часть энергии в виде тепла, в полном соответствии с законами классической физики увеличивающего атомные колебания, то есть генерируя фононы. Опыты показали, что предсказания теории верны: уже через 60 фемтосекунд возникают фононы, или коллективные колебания атомов, достигающие максимума скорости вибраций еще через 4 фсек. Отклонения атомов в результате скачков электронов достигало 6 пикометров (0,006 нанометров).

Достигнутое в Беркли разрешение во времени дает возможность изучать чрезвычайно краткие процессы, претерпеваемые электронами в их циклах возбуждения и релаксации-рекомбинации. Дело в том, что столь короткие световые импульсы делают атомы как бы «замороженными», что позволяет сосредоточить внимание на чистых электронах, скачки которых гасятся более мощными фононами атомов.