Игорь Иванов - Как расщепляют мгновение

• Название: Как расщепляют мгновение
• Автор: Игорь Иванов
• Жанр: Прочая научная литература

Лекция прочитана на конференции лауреатов Всероссийского конкурса учителей математики и физики фонда Дмитрия Зимина «Династия». 29 июня 2009 года, посёлок Московский

---

Вот просто типичная картинка. Если взять длину волны порядка нескольких ангстрем, получится дифракция света на кристаллической решетке. Самый простейший случай — это просто отражение получается от кристаллических плоскостей. За этим отраженным пучком рентгеновского света можно наблюдать, можно измерять его интенсивность, в том числе при разных углах, и смотреть на колебания. Это, кстати, только один из примеров довольно широкого класса акустооптических явлений — явлений, в которых оптика связана с акустикой, то есть со звуковыми движениями или с колебаниями атомов.

И вот тоже результат из экспериментальной работы. Смотрите: здесь на картинке (это пикосекунды по времени... это просто интенсивность) показан профиль рентгеновского импульса. Штриховой линией показан профиль, когда у нас не было удара по кристаллу, просто прилетел импульс, отразился и задетектировался. А сплошной линией показано то, что происходит, когда у нас нанесен удар по кристаллу в момент времени ноль. Вот видно, что здесь есть колебания интенсивности. И особенно красивым это всё становится, когда мы отнормируем ее на невозмущенный случай, то есть поделим сплошную кривую на штрихованную кривую. И тогда у нас получается такая отнормированная интенсивность, сначала она была единичка, то есть стандартный случай, потом вдруг она упала и начала колебаться.

Видите, по этим данным на самом деле можно много что рассказать про поведение кристалла. Во-первых, можно определить период колебания. В данном конкретном случае он оказался порядка 15 пикосекунд. Это, кстати, вполне согласуется с расчетами, если взять, например, скорость звука в кристалле и промерить расстояние, всё это пересчитать на времена. Кроме того, видно, что эти колебания затухают. Это естественно, потому что у нас начинаются убегания этих волн в толщу. Поэтому тот поверхностный слой, который мы видим реально в рентгеновском импульсе... в нём колебания постепенно затухают. Времена затухания оказались порядка 100 пикосекунд, что тоже, в принципе, согласовывалось с теоретическими расчетами.

На самом деле, это не всё. Потому что дальше можно экспериментировать с этим делом — скажем, можно менять интенсивность удара по кристаллу и смотреть, что происходит с веществом. И вот оказалось, что там происходит интересная вещь: если превысить некий порог по яркости инфракрасного импульса, то у вас начинается локальное плавление кристалла, то есть кристалл просто в этом месте полностью начинает разрушаться и теряет свою кристаллическую решетку.

Картинку здесь не показываю, просто рассказываю, что там наблюдалось. Когда люди просканировали этот диапазон по мощности, оказывается, что это плавление начинается вовсе не поатомно, а через раскачивание этих очень высокоамплитудных колебаний фононов, то есть есть некий предел колебаний, который еще кристалл держит, а если превысить этот предел, то он начинает просто плавиться и кристаллическая структура начинает разрушаться. То есть таким образом мы действительно изучаем кинетику фазовых переходов, по крайней мере локально.

В пикосекундном диапазоне, на самом деле, есть много интересных работ, и они используют универсальность лазерных импульсов. Я сейчас скажу просто, что лазерный импульс — это не просто когерентный свет, у лазера есть еще определенная поляризация. Эту поляризацию тоже можно детектировать, и она может рассказать вам многое об электромагнитных процессах, которые происходят в веществе.

Вот, скажем, такой есть эффект, называется «магнитооптический эффект Керра». Заключается он в следующем. Если у вас есть какая-то пластиночка из ферромагнитного материала, то емть намагниченная пластиночка, и от нее отражается лазерный лучик с определенной поляризацией, то плоскость поляризации чуть-чуть вращается. И это вращение зависит от всех углов, то есть от угла падения луча, от угла поляризации его и от угла, от направления вектора намагниченности вот этой пленочки. Так вот. Это значит, что если мы теперь будем измерять в этом в стандартной схеме накачки и зондирования поляризацию полученного излучения, то мы сможем выяснить, как у нас меняется — просто в реальном времени, — как у нас там дрожит вот этот вектор намагниченности.

Такие эксперименты тоже проводились буквально несколько лет назад. И вот результат из одной из работ. Здесь люди проэкспериментировали с разнообразными поляризациями и разнообразными углами падения луча и смогли просто в трехмерном пространстве восстановить динамику вектора намагниченности. То есть оказывается, что когда по нему ударяют с помощью инфракрасного импульса, он начинает как-то дрожать, иногда уменьшаться, сжиматься, переворачиваться, прецессировать. И вот это всё действительно прекрасно видно с помощью этой техники. Ну вот, скажем: здесь, конечно, нарисованы какие-то загогулины, ничего не понятно, но реально это три разных проекции, три разных взгляда на динамику вектора намагниченности в пленочке. И изучая их, физики смогли восстановить последовательно этапы того, что там происходит. Оказалось, что буквально за долю первой пикосекунды у вас происходит сначала нагрев электронов — то есть сначала электроны поглощают свет — и резкое падение намагниченности. То есть из-за того, что электроны горячие, и из-за того, что магнетизм связан с электронами, у вас получается резкое проседание намагниченности. Затем через 2–3 пикосекунды электронная теплота передается решетке, и решетка начинает как-то колебаться. А потом намагниченность восстанавливается до старого уровня, и происходит просто прецессия вокруг магнитного поля. Вот такие картинки получаются.

Фемтосекунды

Ну что ж, переходим дальше, к фемтосекундам. Фемтосекунда (фс) — это 10–15 секунды. Фемтосекундный диапазон — еще более мелкий по времени диапазон. Атомы здесь практически не движутся. Только, может быть, на сотнях фемтосекунд еще можно заметить какое-нибудь смещение атомов в кристаллической решетке, но на десятках единиц фемтосекунд атомы уже можно считать просто неподвижными, и это уже область, в которой господствуют электроны, разнообразные электронные явления. Но электроны, на самом деле, тоже движутся с разными частотам, с разными скоростями. То есть внешние электроны движутся медленнее, внутренние атомные электроны движутся быстрее. Но под словом «движутся» я, конечно, не имею ввиду, что они прямо крутятся вокруг атома, но если запустить какой-то нестационарный процесс — например, возмутить как-то атом или выбить у него электрон, — то у вас начинается какое-то перетекание волновых функций. Вот это перетекание волновых функций у вас тоже происходит на фемтосекундном масштабе.

Здесь есть стандартные методы исследования, то есть это фактически та же самая методика накачки и зондирования, о которой я говорил, только она уже в 80-е годы эволюционировала вплоть до единиц фемтосекунд. Ну и здесь она, конечно, столкнулась с определенным и неизбежным пределом. Просто период колебания электромагнитного поля обычной световой волны составляет от 1,5 до 3 фемтосекунд. То есть получить, скажем, 1 фемтосекунду просто нереально, потому что вы не можете получить световой импульс с половиной периода колебания — у вас неизбежно хотя бы 1–2 колебания есть. Поэтому оптические импульсы у вас неизбежно получаются длительностью несколько фемтосекунд. Но с помощью этих методов можно действительно изучать фемтосекундные процессы.

Вместо того чтобы показывать это, я решил, что полезно будет рассказать пример, ну, несколько иного взгляда на быстро протекающие процессы, то есть несколько иного метода детектирования этих явлений. Прежде чем я переключу на следующий слайд, я вам просто скажу словами.

Значит, если у вас есть быстропротекающий процесс, в котором переносятся заряды, например электроны, протоны, то, значит, у вас может возникать электромагнитное излучение, причем частота этого электромагнитного излучения как раз соответствует тем типичным временам переходов, которые у вас в этом процессе и имеются. Поэтому, если внимательно посмотреть на этот процесс и зарегистрировать от него вспышку электромагнитного излучения, то можно, расшифровав эту вспышку, кое-что узнать и про сам процесс. И вот здесь рассказывается о том, как буквально год назад это было применено к интересному биологическому белку под названием бактериородопсин.

Бактериородопсин — это вообще уникальный белок, у него много интересных физических свойств есть. Ну, реально в природе он вырабатывается определенным типом бактерий, и причем он встроен в их мембрану, то есть он сидит в мембране, и делает он следующую функцию. Это светочувствительный белок: когда его освещают светом, в нём запускается цикл, то есть каскад процессов, перестройки, разнообразные переконфигурации этого белка, результатом которого является передача протона от одного конца молекулы к другому. Ну и поскольку у нас этот белок встроен в мембрану, получается, что при освещении этот белок работает как протонный насос. То есть он из одной части, из одной области прокачивает протоны в другую область и там их отпускает, снова берет протон, перекачивает в другую и отпускает.