С момента создания первого лазера физики стремятся сокращать длительность генерируемых с его помощью световых импульсов. Сверхкороткие импульсы (длительностью на 15-18 порядков меньше секунды) позволяют управлять движением электронов и других частиц, что может быть полезно в химии и квантовых вычислительных устройствах. О том, как получить сверхкороткие оптические импульсы и что в них необычного, нам рассказал Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ, лауреат премии имени Эйлера Правительства Санкт-Петербурга и СПбНЦ РАН за выдающиеся научные результаты в области науки и техники, медали имени профессора В.С. Летохова для молодых ученых за новаторские работы по лазерной физике, двух всероссийских премий имени профессора Ю. И. Островского за работы в области голографии.
— Очертите круг ваших научных интересов. Какими темами Вы занимаетесь?
— Наша научная группа занимается очень актуальным направлением в физике — оптикой сверхкоротких лазерных импульсов. Нас интересует, как можно получать такие импульсы и как они воздействуют на квантовые объекты — атомы, молекулы и наноструктуры.
— Почему для себя вы выбрали именно это направление?
— Мне кажется, это семейное, поскольку мои прадедушка и дедушка были физиками, папа — физик, бабушка — инженер. При этом все они связаны с оптикой. А оптика в последние десятилетия в большинстве своем развивается в направлении источников света. Например, ученые совершенствуют лазеры с момента их изобретения в 1960 году. Я начал заниматься оптикой сверхкоротких импульсов, потому что эта тематика мне показалась очень актуальной и интересной, а главное — перспективной.
— Расскажите поподробнее о перспективах оптики сверхкоротких импульсов.
— Значительный прогресс лазерной физики, начиная с момента изобретения первых лазеров, сконцентрирован вокруг поиска способов сократить длительность световых импульсов. Чем короче импульс, тем более быстрый процесс с его помощью можно наблюдать. Все процессы, которые мы видим вокруг себя, относительно медленные по сравнению с теми, что происходят на атомном уровне. Движение объектов вокруг нас мы оцениваем в минутах и часах, тогда как электроны вращаются вокруг ядер атомов за гораздо меньшие интервалы времени порядка сотен фемтосекунд или аттосекунд. Одна фемтосекунда в квадриллион раз (на 15 порядков) меньше секунды, а аттосекунда — уже в квинтиллион раз (на 18 порядков). Такие быстрые события не воспринимаются нашим глазом, поэтому для того, чтобы, условно, подсмотреть за движением электрона, нам и нужны короткие световые вспышки. Это одно из возможных применений. Другое применение — это передача и обработка информации. Если мы передаем информацию с помощью последовательности импульсов, то, чем выше частота их повторения, тем больший объем данных мы сможем передать. Кроме того, короткие импульсы используются в медицине. Тот, кто делал лазерную коррекцию зрения, сталкивался с фемтосекундными лазерными импульсами.
— Чем с практической точки зрения интересны наблюдения за электронами?
— Глобально, чем больше знаний о мире мы имеем, тем проще нам создавать что-то новое. Например, зная, как двигаются электроны в атомах, можно найти способы ими управлять. Это будет полезно, например, в химии, поскольку химические реакции обычно основаны на том, что электроны из одного вещества «перетекают» в другое. И, управляя их перемещением, можно контролировать превращения. Кроме того, способность управлять частицами позволит создавать различные квантовые устройства, например квантовые вычислители.
— В этом году Нобелевскую премию по физике вручили за открытие механизма получения сверхкоротких лазерных импульсов. Расскажите об этой работе. Как такие импульсы получают?
— Импульсы, которые генерировались первыми лазерами, имели длительность порядка наносекунд, что соответствует миллиону циклов колебания электромагнитного поля. Затем ученым удалось сократить их длительность до пико- и фемтосекунд. Сейчас физики подобрались уже к аттосекундному диапазону. Такие импульсы можно получить следующим образом. Берется некая мишень, например газовая струя. Ее освещают мощным фемтосекундным импульсом. В результате такого воздействия из атомов газа вылетают электроны — то есть происходит ионизация, — а затем эти частицы возвращаются обратно. Такое движение электрона можно разложить в спектр, который состоит из множества постоянных гармоник, то есть колебаний, похожих на синусоиду. И эти колебания представляют собой периодическую последовательность импульсов, лежащих уже не в фемтосекундном, а в аттосекундном диапазоне. Такие импульсы уже экспериментально использовались для изучения движения электронов в различных атомах, молекулах и твердых телах. Именно эта работа была удостоена Нобелевской премии и дала начало аттосекундной физике (attosecond physics) — одному из важнейших направлений современной оптики.
— У вас есть работы по получению полуцикловых импульсов. Что они собой представляют и к какому диапазону относятся?
— Обычные световые импульсы, к которым мы привыкли, содержат большое количество циклов колебаний. Поэтому их называют многоцикловыми. Они имеют вид той самой синусоиды, которую я уже упоминал. В таких импульсах вектор напряженности электрического поля меняется много раз за весь импульс. Однако если «обрезать» импульс и оставить из всей последовательности только одну полуволну, то получится полуцикловый импульс. Его величина будет зависеть от того, с какого диапазона мы стартовали, поэтому полуцикловым может быть и наносекундный, и фемтосекундный, и аттосекундный, и любой другой импульс. Самое важное, что полуцикловый импульс униполярен. То есть он имеет вид не синусоиды, а только одной полуволны.
— Вашему коллективу на данный момент удалось теоретически описать способы получения полуцикловых импульсов в разных диапазонах длин волн, при этом разных форм — треугольные, прямоугольные и трапецевидные импульсы. Расскажите о цикле этих работ.
— Сначала расскажу о том, как мы пришли к этой тематике. Всегда есть что-то простое, что вдохновляет на какие-то новые исследования. На данную работу меня вдохновил простой университетский учебник по оптике. В нем была картинка, на которой с помощью коротких импульсов запускали колебания маятника. Представьте, что у нас есть обычный маятник, и мы возбуждаем его колебания парой коротких импульсов. Первый непосредственно запускает колебание маятника, тогда как второй спустя половину периода колебания его останавливает. Таким образом, движение такого маятника под действием коротких импульсов имеет вид полуволны. Фактически, это и есть униполярный импульс. И тогда мне пришла мысль: «Можно ли использовать этот принцип для получения полуцикловых импульсов?»
Мы провели некоторые расчеты, и оказалось, что если пара коротких многоцикловых импульсов будет проходить через некую линейную или нелинейную среду таким образом, чтобы первый возбуждал движение среды, а второй останавливал, то поляризация среды, то есть отклик, будет иметь вид полуволны. Затем мы провели расчеты для разных вариантов сред, и таким образом появился большой цикл работ, посвященных данной тематике.
— Есть ли другие способы получения полуцикловых импульсов?
— Недавно мы предложили теоретический способ получения таких импульсов в квантовых ямах. Идея очень простая: мы берем систему из двух квантовых ям — внешней и внутренней. Во внутренней должен «сидеть» электрон. Когда мы включаем внешнее электрическое поле, электрон выходит во внешнюю яму и начинает двигаться в ней, подобно мячику, отталкиваясь от стенок этой ямы. При каждом «ударе» о стенку частица тормозится и излучает короткий субцикловый импульс. Это один из возможных способов. Другой нам хотелось бы попробовать реализовать непосредственно в лазерах.
— Где полуцикловые импульсы могут применяться?
— Полуцикловые импульсы, имеющие вид полуволны, могут «толкать» заряженные частицы в определенном направлении. Это можно сравнить игрой в бильярд, когда мы ударяем кием по мячу. С помощью таких импульсов мы можем передавать очень быстрый механический момент и перемещать частицу в нужном направлении. Это очень интересно с точки зрения сверхбыстрого возбуждения квантовых систем — атомов, молекул, электронов. Для сравнения, обычные многоцикловые импульсы имеют много циклов колебания поля. То есть с их помощью мы передаем частице то положительный импульс, то отрицательный — и так много раз. В результате суммарное эффективное воздействие этих последовательных осцилляций будет равно нулю.
— Есть ли у вас экспериментальные работы?
— Да, некоторые экспериментальные работы есть, но, когда речь идет о сверхкоротких импульсах, встает вопрос о том, как регистрировать их характеристики. Методики регистрации длинных многоцикловых импульсов хорошо разработаны, но для коротких субцикловых импульсов — пока нет, поскольку для них важны свои характеристики, которые неприменимы для многоцикловых импульсов. Например, электрическая площадь, то есть площадь под кривой зависимости напряженности электромагнитного поля от времени. Для многоциклового импульса площадь будет равна нулю, потому что в нем каждая положительная осцилляция поля будет полностью компенсироваться отрицательной. То есть площадь здесь не будет иметь смысла, но, если мы рассматриваем только одну полуволну, то площадь на графике уже будет. Поэтому для полуцикловых импульсов нужно понять, как оценивать их электрическую площадь. Это важно, ведь она определяет то, как импульс воздействует на систему.
Мы провели ряд экспериментов, которые позволили предложить принцип измерения электрической площади. Кроме того, нам экспериментально удалось показать наличие униполярности у некоторых источников коротких импульсов.
— Расскажите о ваших работах по применению предельно коротких импульсов для управления квантовыми системами.
— Когда длительность таких импульсов становится короче, чем характерные внутриатомные времена, например период обращения электронов по орбите, все наши стандартные представления о взаимодействии излучения с веществом, которые описаны в учебниках, просто становятся неприменимыми, потому что импульс очень короткий. Физика взаимодействия таких импульсов с веществом становится совершенно другой. Поэтому нам нужно фактически заново описывать физическое взаимодействие таких импульсов с веществом, даже вводя новые физические величины, в частности, электрическую площадь, ее атомную меру.
Электрическая площадь — важная характеристика униполярных импульсов. Именно она, а не энергия импульса определяет степень воздействия таких импульсов на квантовые системы. Исследования в области униполярных импульсов позволили выявить еще одно важное ее свойство. Она удовлетворяет фундаментальному правилу сохранения в средах с потерями. Фактически это новый фундаментальный закон сохранения в физике! Он был установлен в работе нашего коллеги и соавтора академика Николая Николаевича Розанова и является прямым следствием уравнений Максвелла.
Также в случае предельно коротких униполярных импульсов многие традиционные явления оптики в обычном их понимании теряютя смысл или происходят совершенно по-иному. Например, интерференция света. Для таких коротких имульсов говорить об интерефренции в традиционном ее понимании не имеет смысла. Однако можно говорить об интерференции площадей импульсов при их воздействии на квантовую систему. Данное понятие недавно было введено нами в оптику.
Другое возможное применение униполярных импульсов — голография со сверхвысоким временным разрешением. И здесь все происходит по-иному. В традиционной голографии, в которой используется монохроматичесое лазерное излучение, требуется взаимная когерентность между опорной и предметной волной. При использовании униполярных импульсов данное требование снимается. Одновременно с помощью униполярных импульсов можно осуществить запись с высоким временным разрешением. За работы в этой области нам дважды была присуждена первая премия имени профессора Ю. И. Островского. Наконец изучение воздействия таких предельно коротких имульсов на среды привело к открытию многих новых необычных явлений. К ним например, относится самоостановка света. Короткий импульс в один цикл колебаний, двигаясь по среде, может остановиться в ней. Это кажется крайне удивительным и необычным, ведь все привыкли к тому, что свет движется со скоростью около 300 000 километров в cекунду, и возможность его остановки кажется нереальной. Таким образом оптика униполярных импульсов является по сути новым перспективным развивающимся направлением в современной оптике.
— Много ли научных групп в России занимается подобными темами?
— Помимо нас, с униполярными оптическими импульсами работают коллеги из Москвы и Нижнего Новгорода. Суммарно я могу назвать четыре научных коллектива. Надеюсь, что в будущем интерес к этой теме будет только возрастать. Мы создали отдельную научную секцию по оптике предельно коротких импульсов на ежегодной школе-семинаре «Волны» имени профессора А. П. Сухорукова, которая уже привлекает исследователей из разных университетов.
Беседовала Виталина Власова