Как расщепляют мгновение

Пикосекунды

Теперь переходим от наносекунд еще глубже, к пикосекундам. Пикосекунды — это еще более краткий миг. И за пикосекунды никакие тела — и вообще даже свет — не успевают сдвинуться на какие-либо макроскопические расстояния. Здесь мы уже переходим в чисто микроскопическую — ну, или, может быть, мезоскопическую — физику.

Какие типичные процессы происходят на временах порядка пикосекунд? Это, прежде всего, разнообразные атомные, молекулярные явления. То есть явления, связанные с движением отдельных атомов или их групп. Например, синхронные колебания кристаллической решетки, то есть фононы. То есть если у вас есть, например, звук, то... — вы, наверное, знаете, что звук можно представить себе как поток таких квазичастиц, которые идут сквозь кристалл, то есть колебания решетки, которые называются фононами. Типичные времена колебания в этих фононах составляют как раз единицы, десятки, сотни пикосекунд.

Дальше. Например, поведение биологических молекул. Скажем, при свертке белков у вас происходит целый каскад разнообразных процессов. Когда у вас белок только транскрибировался... транслировался... вот... и потом начинает сворачиваться, то в процессе этой свертки у вас есть явления, которые происходят на пикосекундном масштабе, на наносекундном масштабе, вплоть до секунд. Но самые быстрые шаги переконформации этого белка происходят на пикосекундном масштабе. Это очень важно для биологии — знать, как всё это происходит.

Здесь же протекает такая вещь, как кинетика фазовых переходов. Слово «кинетика» означает, что мы не смотрим просто на результат чего-либо, а мы хотим в деталях знать, желательно поатомно, как происходит тот или иной процесс. То есть вот мы говорим: «Лед плавится». Скажем, посветили короткой вспышкой лазерного света на лед, и он расплавился. Но мы хотим знать, как начинается этот процесс — поатомно или через какие-нибудь колебания, однородно, неоднородно? Вот это всё изучается на пикосекундном масштабе.

Сюда же попадают и некоторые электронные явления. Я думаю, вы понимаете, что вообще между движением атомов и движением электронов есть довольно большой зазор по времени, потому что электроны на несколько порядков легче атомов, ядер. Поэтому при тех же самых силах электроны имеют отклик намного более быстрый, чем атомы или молекулы. Поэтому в пикосекундный масштаб попадают атомы и молекулы и некоторые достаточно медленные электронные движения. Ну например, кинетика носителей зарядов полупроводника. То есть, когда у вас в полупроводник подали напряжение, пошел какой-то ток, этот ток означает, что там светом посветили, начались какие-то процессы — скажем, родились дырки, которые куда-то потекли, начали рекомбинировать и так далее. Это всё протекает на масштабах порядка пикосекунд. В химических реакциях тоже. Говорится: «Химическая реакция произошла». На самом деле, она же не одномоментно происходит, это тоже целый каскад явлений, которые запускаются и следуют друг за другом. Это всё сопровождается разрывом, перетеканием электронных облаков, разрывом или созданием новых химических связей. Это всё тоже относится примерно к пикосекундному диапазону.

Про этот пикосекундный диапазон я хочу сказать две вещи. Первое — можно с полной уверенностью говорить, что это настоящая современная физика, то есть это то, что сейчас изучается в тысячах лабораторий мира, публикуется в сотнях журналов каждый день, это действительно самая настоящая современная физика. Вторая вещь, которую хочу рассказать про пикосекундный диапазон, — это то, как изучать такие явления. И здесь, оказывается, есть интересная вещь, которую я условно назвал «наносекундный барьер». Это означает вот что: разнообразные старинные методы исследования, которые, скажем, применялись еще в середине ХХ века или раньше, так или иначе требовали перемещения чего-либо в пространстве. Скажем, если у вас есть желание снять на быструю фотокамеру, то вам нужно сдвинуть заслонку, или если вы хотите получить короткую вспышку света при пробое в конденсаторе, то у вас есть движение электронного потока от одной обкладки к другой обкладке. Так или иначе, у вас есть какое-то механическое перемещение на хотя бы миллиметровые расстояния. А как я уже до этого сказал, всё это заканчивается на наносекундах. То есть наносекунды — это когда еще хоть какое-то движение заметно. На пикосекундном масштабе никакое движение микроскопических тел не заметно. Поэтому все эти старинные методы исследования просто не могут изучить диапазоны меньше одной наносекунды — на самом деле, даже меньше десятка наносекунд.

И вот здесь настоящим прорывом было изобретение лазеров. Ну а точнее (я покажу на следующем слайде) — способа с помощью лазеров получать очень короткие световые импульсы. Там буквально за несколько лет была целая революция, с помощью которой прошли весь пикосекундный диапазон — от наносекунд до единиц пикосекунд и даже глубже. И вот оказалось, что лазер — это совершенно уникальный метод исследования. Потому что для быстропротекающих процессов он служит одновременно как инициатором процесса, так и регистрирующим инструментом.

Стандартная методика, которую сейчас часто используют в большинстве, наверное, экспериментов по изучению быстропротекающих процессов (по-английски она называется "pump-probe technique", по-русски это часто переводят как «накачка и зондирование»), выглядит так: у вас есть, скажем, импульс света, который вы расщепляете на два коротких импульса света, сдвигаете их относительно друг друга на считанные пикосекунды (это всё легко делается) и потом посылаете на исследуемый образец. И вот первый импульс у вас запускает какой-то процесс, а второй импульс у вас попадает на этот объект в тот момент, когда этот процесс происходит. В результате, если вы можете контролировать сдвижку по времени между этими импульсами, вы можете четко проследить, что происходило с процессом спустя, скажем, одну пикосекунду, или спустя две пикосекунды, или спустя три пикосекунды, то есть получить такую развертку по времени вашего процесса.

Пару слов стоит сказать о получении этих лазерных импульсов. Они получаются вовсе не механическим способом, они получаются за счет взаимодействия между разными модами лазерного излучения внутри лазера. Выглядит это примерно так, если совсем вкратце. Ну, вы знаете, что такое лазер: там есть усиливающая среда, которая накачивается и формирует когерентно лазерное излучение. Так вот обычно в лазере усиливается не одна конкретная длина волны, а несколько близких или даже много близких длин волн. У них слегка отличающиеся частоты. И если не предпринимать никаких усилий, то эти частоты (то есть это разный тип света) просто накладываются друг на друга некогерентно. То есть, когда у вас выходит лазерный луч, на самом деле там есть много отдельных лазерных лучей со слегка отличающимися частотами. Однако если сделать специальное приспособление, специальное ухищрение, то можно добиться, чтобы эти разные частоты синхронизовались друг с другом. И тогда в какой-то момент времени они все, всей толпой начинают, скажем, с положительной фазы осциллирования. И тогда получается, что в этот момент времени у вас происходит резкий всплеск. А в дальнейшем у вас почти ноль интенсивности, потому что эти фазы друг друга компенсируют буквально. И в результате у вас получается некий экстремальный тип биений — биения, вы знаете, получаются при наложении двух или нескольких близких частот; но если частот много, у вас получается прямо череда, чередование очень узких импульсов со строго определенной периодичностью. Эти узкие импульсы можно действительно делать в пикосекундном масштабе без каких-либо проблем. Буквально за год, за два люди моментально в 60-е годы получили эти технологии. Еще в 80-е годы была дополнительная техника, которая позволяла эти пикосекундные импульсы сжимать еще дальше и получать даже фемтосекундный диапазон. Это всё делается, это всё стало рутиной эксперимента.