Физики научились делать свинец похожим на золото

Атом аргона (сверху) и атом водорода (снизу) испускают одинаковое излучение (справа). Для этого атом водорода облучают заранее смоделированным импульсом (слева).

A. G. Campos et al. / Phys. Rev. Lett., 2017

Физики из Принстонского университета теоретически описали метод, с помощью которого можно заставить одну систему полностью имитировать оптический отклик другой системы. Например, таким образом можно заставить водород иметь спектр аргона, а свинец — спектр золота. Методика основана на нелинейных оптических эффектах и позволяет изменить отклик лишь на краткое время — порядка фемтосекунды или квадриллионной доли секунды. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics и издание Chemistry World.

Один из основных современных методов исследования вещества — спектроскопия. Она заключается в изучении взаимодействия материи с электромагнитным излучением. Пример такого исследования — спектры поглощения, показывающие какие длины волн поглощаются электронными системами вещества лучше, а какие — хуже. Надежность определения вещества по его спектру связана с тем, что у каждой системы электронов свой, идентичный и неповторимый набор линий поглощения или испускания, по сути они выступают «отпечатками пальцев» соединений. В астрономии наличие в спектре полос, соответствующих молекулярной или атомарной частице считается достаточным доказательством ее присутствия в облаке газа.

Однако взаимодействие со светом используется и для изменения электронных систем в веществе. Например, облучая реагенты ультрафиолетовым светом можно инициировать различные реакции, которые не пошли бы без облучения. Если осветить вещество достаточно интенсивным лазерным пучком, можно добиться от него более сложного отклика — генерации гармоник высоких порядков. Это означает, что помимо привычных частот излучения атомы начинают генерировать свет с удвоенными, утроенными и так далее частотами колебаний волны. 

Авторы новой работы описали метод контроля квантового состояния системы электронов в атоме, позволяющий сделать так, что спектры принципиально различных систем оказываются идентичными. Физики показали, что в теории для любой пары систем можно подобрать сложный лазерный импульс «накачки», который сравняет их спектральные характеристики на короткое время. 

Свое предположение ученые проверили теоретическим моделированием. Авторам удалось подобрать параметры лазерного импульса, который исказив электронную оболочку атома водорода, заставил его излучать спектр, характерный для аргона. В других тестах физики делали идентичными спектры квантовых и классических систем. Для гипотетического несуществующего атома, в котором электрон двигается по ньютоновской траектории оказалось также возможно подобрать лазерный импульс, «превращающий» его на короткое время в обычный квантовый атом. 

«В действительности нет никакой разницы в том, что из себя представляет взаимодействующий со светом материал. Вам достаточно просто запустить нелинейные взаимодействия между светом и материей, которые усилят определенные частоты испускания и погасят остальные. Чтобы добиться необходимых нелинейных эффектов требуются мощные лазерные импульсы с достаточной широкополосностью. Это по силам современным оптическим системам» — рассказывает один из авторов работы, Андре Кампос.

Один из результатов работы — то, что наблюдаемые спектры дипольного излучения недостаточны для того, чтобы охарактеризовать атомные и молекулярные системы. Требуется также и детальная информация о полях, в которых происходит излучение. Например, астроном, наблюдающий спектральные линии аргона в атмосфере планеты может поспешить с выводами. Как шутит Денис Бондар, автор работы «вдруг это зеленые человечки с фантастическим лазером пытаются сбить нас с толку, заставляя атомы водорода выглядеть как атомы аргона», хотя это и маловероятно. 

Нелинейные эффекты при взаимодействии вещества со светом активно используются в самых разных областях физики. Например, явление спонтанного параметрического рассеяния, превращающее один фотон в пару с вдвое меньшей частотой, является основным способом создания квантово запутанных состояний. Некоторые процессы, происходящие в плазме, позволяют наоборот многократно увеличить частоту падающего света. Например, облучение плазменного зеркала мощным оптическим импульсом приводит к генерации жесткого ультрафиолетового излучения. 

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.