Обычный луч света кажется трёхмерным: он проходит через пространство, отражается от предметов и освещает объёмные объекты. Но для физика важна не только траектория луча, а направление колебаний его электрического поля. Обычно такие колебания описываются преимущественно в плоскости, перпендикулярной распространению света. Исследователи из Ольденбургского университета нашли способ выйти за это привычное ограничение. Наложив два сверхкоротких лазерных импульса разных цветов, приходящих с разных направлений, они сформировали световое поле, электрическая составляющая которого управляемо изменяется во всех трёх пространственных измерениях.
Для эксперимента использовались фемтосекундные импульсы. Фемтосекунда — это одна квадриллионная доля секунды, поэтому такой лазерный всплеск настолько короток, что за его время даже свет успевает пройти лишь микроскопическое расстояние. Именно сверхкороткие импульсы позволяют исследователям наблюдать электронную динамику почти в момент её возникновения.
Сначала лазерный свет разделяли в интерферометре на два пучка разных цветов. Затем их направляли в вакуумную камеру под различными углами и точно совмещали в пространстве и времени. В области пересечения электрические поля двух импульсов складывались. Правильно подобрав направление, частоту, фазу и поляризацию, физики смогли заставить результирующее поле описывать сложную трёхмерную траекторию.
Это принципиальное отличие от простого увеличения мощности лазера. Исследователи изменяют не столько количество энергии, сколько пространственную геометрию воздействия света на материю. Электрон оказывается под действием поля, которое толкает его не в одной плоскости, а последовательно в разных направлениях. Благодаря этому становятся возможны переходы между квантовыми состояниями, которые обычным световым полем вызвать крайне трудно или невозможно.
Команда продемонстрировала эффект на атомах калия. Электроны в атоме могут находиться только в определённых квантовых состояниях с разрешёнными энергиями и пространственными характеристиками. Свет подходящей частоты способен перевести электрон с одного уровня на другой, однако правила квантовой механики разрешают далеко не все переходы. Геометрия электромагнитного поля определяет, какие состояния можно эффективно возбуждать.
Трёхмерное поле добавляет новые возможности управления этими правилами. Используя созданную конфигурацию света, исследователи избирательно переводили электроны калия в возбуждённые состояния, включая состояния, которые прежде существовали главным образом в теоретических описаниях, но оставались недоступными для прямой экспериментальной подготовки таким способом.
После возбуждения электрон высвобождался из атома. Измеряя его характеристики, физики могли восстановить информацию о квантовом состоянии, из которого он был выбит. Это превращает эксперимент не только в инструмент управления, но и в способ наблюдать результат взаимодействия света и атома.
Дополнительное преимущество обеспечивает чрезвычайно высокая временная точность. Изменяя задержку между короткими импульсами, исследователи могут делать последовательные «снимки» электронной динамики. Аналогия со сверхскоростной камерой здесь достаточно точна: вместо движущегося объекта фиксируются последовательные стадии эволюции квантового состояния.
В обычной фотографии быстрый процесс можно заморозить короткой вспышкой. В атомной физике роль такой вспышки выполняет фемтосекундный лазерный импульс. Повторяя эксперимент с немного различающейся временной задержкой, исследователи восстанавливают происходящее между отдельными моментами. В результате возникает своего рода фильм о поведении электрона, хотя каждый его кадр получен в отдельном измерении.
Однако наиболее интригующее применение нового метода может оказаться связано не с отдельными атомами, а с молекулами. Многие молекулы обладают хиральностью — существуют в двух формах, которые относятся друг к другу как левая и правая руки. Они являются зеркальными отражениями, но совместить одну форму с другой простым вращением невозможно.
Для химии и биологии эта особенность имеет огромное значение. Аминокислоты, сахара и множество биологически активных соединений хиральны. Организм способен совершенно по-разному взаимодействовать с двумя зеркальными вариантами одной молекулы, потому что рецепторы и ферменты сами обладают сложной трёхмерной структурой.
Классический пример важности хиральности связан с лекарственными веществами, когда разные зеркальные формы соединения могут существенно различаться по биологическому действию. Поэтому быстрое и чувствительное распознавание молекулярной «праворукости» или «леворукости» представляет важную задачу для химии, фармакологии и анализа биомолекул.
Именно здесь трёхмерный свет приобретает дополнительный смысл. Теоретические работы показывают, что само световое поле может обладать хиральной пространственно-временной структурой. Если создать «левый» и «правый» варианты такого поля, они потенциально смогут по-разному взаимодействовать с двумя зеркальными формами молекулы.
Это похоже на попытку различить левую и правую перчатки не глазами, а инструментом, который сам имеет определённую трёхмерную форму. Обычное плоское воздействие хуже чувствует различие, проявляющееся в пространстве. Трёхмерное поле получает дополнительную степень свободы и теоретически может значительно усилить чувствительность к молекулярной геометрии.
До практического анализатора лекарственных молекул, работающего на этом принципе, ещё далеко. Нынешний эксперимент прежде всего демонстрирует возможность создавать и контролировать новый класс световых полей и использовать его для подготовки необычных электронных состояний. Перенос технологии на сложные молекулы потребует существенно более трудных экспериментов.
Тем не менее достижение меняет сам инструментарий сверхбыстрой оптики. Раньше исследователь мог управлять интенсивностью, цветом, фазой, длительностью и поляризацией лазерного импульса. Теперь к этому набору добавляется более сложная пространственная форма электрического поля, меняющаяся во всех трёх измерениях.
Это позволяет задавать новый вопрос: не только что произойдёт с электроном под воздействием света, но и какую именно траекторию воздействия света нужно создать, чтобы электрон оказался в заранее выбранном состоянии. В таком подходе лазер становится чем-то вроде сверхбыстрого квантового инструмента, форма движения которого проектируется под конкретную задачу.
Работа показывает, насколько далеко современная оптика ушла от простого представления о свете как о луче. Световое поле можно конструировать почти как сложный трёхмерный объект, существующий лишь ничтожную долю секунды. А если научиться достаточно точно управлять его формой, оно открывает доступ к состояниям материи, которые прежде присутствовали в уравнениях, но оставались практически недосягаемыми для эксперимента.
А затем «Добавить на главный экран».
