Доцент ИТМО Богданов рассказал о новом открытом виде сингулярности
Российские ученые открыли новый оптический эффект. С его помощью можно невероятно детально изучать белки и вирусы, видеть отдельные молекулы, а также создавать детали для сверхбыстрых компьютеров, где вычисления производят не вялые электроны, как в наших ноутбуках, а сам свет. Явление называется «сингулярностью», и тут сразу вопрос: это как в черной дыре? Об этом мы в первую очередь и спросили у соавтора исследования, доцента физического факультета ИТМО Андрея Богданова.
СИНГУЛЯРНОСТЬ В ЧАШКЕ КОФЕ
Ученые делают поразительные вещи, но про одно писано-переписано. Про нанотехнологии, роботов, черные дыры и Большие Взрывы, например. А вот – фотоника. Отрасль науки со сносящими крышу результатами, абсолютно неизвестная широкой публике.
Суть вроде проста. Электроны в процессорах и проводах движутся медленно. За десять секунд на миллиметр. Энергию и сигнал передает не сам электрон, а их «эстафета». Один взбодрился, хлопнул по плечу товарища, тот следующего похлопал. А что, если заставить работать сами фотоны, кванты света? Эти-то летят со световой скоростью. То-то шустрость настанет. Именно этим занимается фотоника.
Суть проста, а технологии и термины сложны. Потому, наверное, и не везет фотонике в популярной прессе.
Вот – сингулярность, новый вид которой открыли специалисты Университета ИТМО с коллегами из Великобритании, Китая, Германии и Австрии. Мы знаем, что сингулярность – в черной дыре бывает. Известные нам законы физики там не работают, формулы показывают дурную бесконечность, и мы это состояние называем сингулярностью. Надеемся: новые законы физики от нее избавят. А что такое – сингулярность в оптике, в фотонике?
Пьете вы кофе с утра. И в чашке играет свет. Создает фигуру, напоминающую сердечко. Оптики называют такую фигуру каустикой. И в ней – сингулярность. Потому что, если применять обычные уравнения, пытаясь ее описать, получится, что блик в чашке бесконечной яркости. Чем не сингулярность? Ведь и в черной дыре – бесконечная гравитация.
Блик в чашке – не единственный пример оптической сингулярности. Скажем, сходятся две волны, и входят в резонанс, объясняет Андрей Богданов:
— В нашем случае «сингулярность» — это особая точка в пространстве параметров системы, где два резонанса сливаются и становятся неразличимыми, как две капли воды. Это приводит к необычным свойствам: например, система становится сверхчувствительной к малейшим изменениям во внешней среде. Представьте, что вы настраиваете гитару, и в какой-то момент две струны звучат абсолютно одинаково — малейшее прикосновение к одной из них колоссально меняет общее звучание всей системы. Так и здесь: в точке сингулярности система резко реагирует на малейшие внешние воздействия.
МАГИЯ ДВУХ РЕЗОНАНСОВ
Прежде, чем говорить о сути открытия российских ученых, нам придется погрузиться в понятие резонанса. Все знают, что солдаты строем по мосту не ходят. Согласованные шаги попадут в резонанс с собственными колебаниями моста, и прощай конструкция. А вот другой пример: моток проволоки. И приемник, который не ловит ничего. Ставим приемник внутрь мотка, о чудо, появляются далекие станции. Приемник вступил в резонанс с проволокой. Как говорил Никола Тесла, все есть резонанс, и он везде.
Лазер (они сейчас повсюду) – это ведь резонанс тоже. Сначала в среду пускают свет особой длины волны. Он резонирует с атомами среды, те излучают, а дальше как у солдат на мосту, или как лавина в горах: система начинает поддерживать сама себя и генерировать невероятную мощность.
Лазер – своего рода «ловушка» для света (но из ловушки есть выход, лазер-то излучает). Эксперимент россиян начался с создания такой ловушки. Для этого потребовалась метаповерхность. То есть – двумерная (почти «без толщины», только длина и ширина), реагирующая на свет, структура, где свет можно запереть. Тонко вырезанный и отполированный кремний и есть такая метаповерхность. Нам понадобятся две такие прозрачные пластинки, говорит Андрей Богданов:
— Каждая из них — это двумерный периодический массив дисков из кремния, который обладает высоким показателем преломления в ближнем инфракрасном диапазоне. Диски работают как «ловушки для света», удерживая фотоны вблизи метаповерхности. Мы расположили две такие метаповерхности почти вплотную друг к другу. Размеры дисков — около 150 нанометров, что примерно в 500 раз меньше толщины человеческого волоса.
И вот что мы имеем. В одной пластинке заперт свет, в другой пластинке заперт свет. Выходит, в обоих пластинках по резонансу. Два моста рядом, по обоим идут солдаты. А давайте их объединим! Два резонанса! Два камертона, две гитары! Уф, магия:
— Мы объединили две метаповерхности в одну систему. Когда их разместили очень близко друг к другу, резонансы начали взаимодействовать, как два маятника, связанные пружиной. При определенном расстоянии между слоями (около 240 нанометров) их резонансы слились в одну точку, создав ту самую сингулярность – исключительные связанные состояния в континууме, — говорит Андрей Богданов.
КОШКЕ ОТКРЫЛИ ДВЕРЬ
Итак, два резонанса, два оптических «камертона», объединившись, создают нечто. Это нечто называют «исключительной точкой». Надо же как-то назвать! Термин красивый. И подчеркивает незаурядность события. Ведь провернуть такое для света – сложно. У света очень маленькая, по сравнению, например, со звуком, длина волны. Все должно быть очень тонко выполнено.
Попробуйте сами сделать линзу. Например, из льда (жаль, зима прошла). Вот, берем стеклянный образец, смотрим на него, точим-пилим лед, как в образце, а картинка расплывается. Малейшее отклонение от правильной поверхности – и свет уже «недоволен». Так что эксперименты со светом надо выполнять буквально на атомарной точности.
Ученые уже сливали два резонанса, и исключительные точки получали. Но они быстро «разваливались». Ведь, как и лазер, они не изолированы от внешнего мира (чтобы нас окончательно запутать, оптики называют «внешний мир» континуумом) и в него излучают. Раз, и пропала исключительная точка. И кому на практике она нужна, такая.
Суть российского исследования (наконец мы добрались до сути) в том, что у россиян эта исключительная точка, это слияние двух резонансов получилось стабильным. Но все равно открытым внешней среде. Исключительная точка как бы защищена невидимым коконом. Это как вибрирующая струна, которая не издает звука, то есть не излучает, говорит Андрей Богданов. Теоретически такое сингулярное, особое, исключительное состояние может длиться вечно.
Чтобы такое провернуть, пришлось сделать нелогичный шаг. Ввести в систему возможность терять энергию. Это сделали, создав во внешней среде (в тех самых кремниевых пластинках) нарочитые неровности, помехи.
— Мы добавили в одну из метаповерхностей материальные потери, за счет которых часть энергии поглощалась и превращалась в тепло, то есть мы ввели «дополнительный безызлучательный канал потерь». Это позволило обойти противоречие и «подружить» два несовместимых явления, — говорит Андрей Богданов.
Вышло как с кошкой. Запри кошку в комнате, она будет царапать дверь. Открой дверь, она в нее и не пойдет, спать отправится. Кошка стабильна, хотя ей есть, куда идти.
РАССМОТРЕТЬ ОТДЕЛЬНЫЙ ВИРУС
А зачем все это? Применений масса. Фотоника и ее результаты окружают нас в повседневной жизни, хотя мы об этом не подозреваем (так герой Мольера не знал, что говорит прозой).
Мы уже слышали от Андрея Богданова, что исключительная точка очень чувствительна. Толкни ее, даже одним атомом, она начнет колыхаться. И первое, для чего такие точки нужны: очень чуткие сенсоры, датчики.
Такой датчик может заметить один-единственный вирус, говорит Андрей Богданов, например, ковида. Или один-единственный белок, маркер рака, в крови.
Но медицина – это только начало. Мы уже говорили, что применить свет вместо электрона – это хорошо и выгодно. Можно создавать, например, компактные оптические переключатели для интернета будущего — они будут быстрее и потребуют меньше энергии, чем современные аналоги, говорит Андрей Богданов.
Но и это не все. Добрались наконец до черных дыр (а вы думали, мы зря повесили это «ружье» в начале пьесы?). Быстро развивается гравитационная астрономия. Гравитационные волны рассказывают о катастрофических событиях во Вселенной. Например, о слиянии черных дыр. Но датчики пока оставляют желать лучшего. А тут – наша исключительная точка! Новая технология улучшит стабильности лазерных интерферометров (как LIGO), которые ловят гравитационные волны от сливающихся черных дыр, говорит Андрей Богданов.
Я надеюсь, путешествие в мир фотоники не было утомительным. Мы заглянули в чашку с кофе, посмотрели на солдат на мосту, изучили гитарную струну и слили воедино два резонанса. Когда мы слышим, что ученые могут видеть отдельный вирус, мы редко задаемся вопросом, «как». А оно вот как. Ну интересно же.
Евгений Арсюхин
https://www.kp.ru/daily/27678/5067525/