Квантовый свет усилил лазерные процессы в 20 раз без разрушения образцов
Мощные лазеры — незаменимый инструмент физиков. Но чем сильнее лазер, тем выше вероятность, что он уничтожит то, что изучает. Это фундаментальное ограничение десятилетиями сдерживало развитие нелинейной оптики — области, где свет взаимодействует с веществом необычными способами, порождая новые частоты и сверхбыстрые процессы. Группа физиков из Восточно-Китайского педагогического университета в Шанхае нашла обходной путь: они использовали особую форму квантового света, которая позволяет получить эффект мощнейшего лазера при скромной средней энергии — и образец при этом остаётся цел.
Что такое «сжатый вакуум» и почему он мощнее лазера
Обычный лазер — это поток фотонов, прилетающих к цели ровным, предсказуемым потоком. Для большинства задач этого достаточно. Но некоторые эффекты — например, одновременное поглощение нескольких фотонов или генерация света с удвоенной частотой — требуют, чтобы множество фотонов оказалось в одном месте в один и тот же момент. Обычно это достигается банальным увеличением мощности лазера. Но вместе с мощностью растёт и риск повредить образец.
Команда У применила так называемый яркий сжатый вакуум (bright squeezed vacuum, BSV) — особое квантовое состояние света. В отличие от обычного лазера, где фотоны распределены равномерно, BSV-импульс характеризуется гигантскими скачками числа фотонов: в один момент их почти нет, в следующий — приходит колоссальная вспышка. Средняя энергия при этом остаётся скромной, а значит, образец не сгорает. Но пиковые всплески — достаточно мощные, чтобы запустить нелинейные процессы, для которых обычно нужен в десятки раз более сильный лазер.
Эксперимент с атомами натрия — 20-кратное усиление
Для проверки учёные выбрали процесс туннельной ионизации — явление, при котором мощное световое поле так сильно искажает электрическое окружение атома, что электрон буквально «пробивает» барьер и вырывается наружу. Этот процесс лежит в основе генерации аттосекундных импульсов — сверхкоротких вспышек, за открытие которых в 2023 году была присуждена Нобелевская премия по физике.
Результат оказался впечатляющим. BSV-импульс с энергией всего 300 наноджоулей произвёл такой же эффект ионизации атомов натрия, как обычный лазерный импульс с энергией 7,1 микроджоуля. Это означает усиление нелинейного эффекта более чем в 20 раз — при том, что средняя интенсивность света осталась безопасной для образца. Исследователи измерили энергии и импульсы вылетевших электронов и подтвердили: квантовые флуктуации BSV действительно «впечатываются» в характеристики ионизации, создавая уникальную подпись, невозможную при обычном лазерном свете.
Зачем это нужно и что будет дальше
Открытие значимо для нескольких областей. Ключевые перспективы применения квантового света в нелинейной оптике:
- Аттосекундная наука: туннельная ионизация — основа генерации аттосекундных импульсов, позволяющих «снимать» движение электронов внутри атомов. BSV может сделать эти эксперименты доступнее и безопаснее для хрупких образцов.
- Микроскопия и визуализация: нелинейные оптические процессы используются в двухфотонной микроскопии для получения трёхмерных изображений живых тканей. Снижение мощности без потери эффекта означает меньше повреждений для биологических образцов.
- Спектроскопия материалов: изучение электронной структуры новых материалов (полупроводников, квантовых точек) без их разрушения лазерным лучом.
- Квантовые технологии: BSV-свет уже рассматривается как ресурс для квантовых вычислений и квантовой метрологии — измерений, точность которых превышает классические пределы.
- Следующий шаг — генерация гармоник: если BSV способен усиливать туннельную ионизацию, логично ожидать аналогичного эффекта при генерации высоких гармоник — процесса, из которого рождаются аттосекундные импульсы.
Работа перекликается с другим свежим достижением. В апреле 2026 года группа из Техниона (Израиль) впервые измерила длительность отдельных BSV-импульсов — она составила примерно 27 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды). Результат опубликован в журнале Optica. Два исследования — шанхайское и израильское — вместе формируют новое направление, которое учёные называют «квантовой оптикой сильных полей»: область на стыке квантовой оптики и физики сверхмощных лазеров, где квантовые свойства света перестают быть экзотикой и становятся рабочим инструментом.
