Текст книги "Как расщепляют мгновение"

Автор книги: Игорь Иванов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 3 страниц)

Как расщепляют мгновение

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

Я вначале, конечно, хочу поблагодарить фонд «Династия», поскольку он делает очень полезное дело, и не в последнюю очередь хочу поблагодарить за то, что он позволяет мне удовлетворять мое желание рассказывать популярно о современной физике.

Я вам расскажу сегодня про разнообразные быстропротекающие явления из самых разных областей физики. И причем не столько о самих явлениях, сколько о методах, с помощью которых в них можно вглядеться и их можно изучать. Конечно, вы понимаете, что эта тема очень огромная, ее невозможно как-то систематически изложить за короткую лекцию, поэтому просто воспринимайте это как калейдоскоп самых разных явлений, которые протекают в совершенно разных временных диапазонах, и также калейдоскоп методов их исследования.

Ну, я сразу должен предупредить, что поскольку речь идет про современную физику, а я буду иллюстрировать всё совершенно недавними работами, буквально сделанными в последние годы, то кое-что может сначала показаться непонятным. Но это не страшно: потом лекция будет выложена на сайте elementy.ru, там же будет и полный текст лекции и там же можно будет задавать вопросы и комментировать. Я на эти вопросы буду отвечать, так что ничего страшного.

Значит, лекция будет организована очень просто: по диапазонам времен, то есть миллисекунды, микросекунды, наносекунды и так далее, пока хватит времени.

Миллисекунды

Ну что, начнем с миллисекунд. Про миллисекунды я рассказывать слишком много не буду просто по той причине, что это очень близкий к нам временной диапазон. То есть то понятие мига, которое мы ощущаем, как раз соответствует десяткам миллисекунд, ну, может быть, сотням миллисекунд. И кроме того, это всё можно исследовать буквально дома, в домашней лаборатории, поскольку современная фотокамера позволяет выставлять выдержку и в миллисекунды, и даже в доли миллисекунды. Поэтому на нее можно запечатлеть процессы, которые не видны невооруженным глазом (просто они слишком быстрые). Конечно, есть здесь определенная сложность, потому что часто требуется запустить фотокамеру именно в какой-то определенный момент времени, и с руки это сделать сложно, но в последнее время есть в свободной продаже такие специальные киты, которые имеют звуковые триггеры. То есть они запускают вспышку строго по звуковому сигналу, например, или с какой-нибудь задержкой после звукового сигнала. Такие киты продаются, они стоят недорого; если их купить, то можно получать такие красивые фотографии, как, например, яблочко, которое пулей насквозь пронзено. То есть буквально это всё можно изучать в домашних условиях.

Про миллисекунды я хочу рассказать еще вот что. На самом деле, как оказалось, мало кто знает, что невооруженный человеческий глаз обычно может заметить и изучить явления, длящиеся буквально единицы миллисекунд. Конечно, не каждое явление так можно увидеть, для этого требуются некоторые специальные условия, но в определенных условиях это действительно можно сделать. Для этого нужно сделать следующие вещи: нужно, чтобы явление, которое у вас происходит, было ярко освещено и чтобы оно происходило на темном фоне. И последнее условие – это не смотреть прямо на это явление, а мотнуть взглядом туда-сюда. И тогда – вот можете попробовать – у вас на сетчатке получится некоторая развертка этого процесса во времени, и при определенном навыке можно действительно видеть события, протекающие единицы миллисекунд.

Ну вот, в  качестве самого простого примера, который вы можете попробовать буквально дома вечером: вы можете найти какой-нибудь светодиодик и попробовать вот эту технику на нём, то есть мотнуть взглядом туда-сюда и осознать, что у вас отпечаталось на сетчатке. Часто светодиоды бывают мерцающие, некоторые светодиоды бывают непрерывного свечения. И это всё можно действительно разглядеть невооруженным глазом, даже если частота составляет 200–300 герц.

Ну вот, в качестве иллюстрации я здесь просто взял и с руки фотоаппаратом сфотографировал просто видеодисплей обычной микроволновки.То есть, когда я фотографировал, я, конечно, камеру сдвигал. В результате получилась череда отдельных изображений. Поскольку я всё это вручную выставлял, я смог измерить частоту вот этих вспышек этого дисплея, она получилась примерно 200 герц. Но самое главное, что невооруженным глазом тоже всё прекрасно видно. То есть, когда невооруженным глазом так вот мотнешь взглядом, тоже получается такая последовательность изображений. То есть видите – кое-какую физику можно изучать просто глядя на предметы. Ну, здесь, конечно, можно дальше про красивые картинки рассказывать, но я перейду еще дальше вглубь времени – то есть к долям миллисекунды – и перейду к микросекундному диапазону.

Микросекунды

Итак, микросекунды. Микросекунды – это, в общем, довольно уже далеко отстоящий от обычной повседневной жизни диапазон времен, но, тем не менее, его можно наблюдать и с помощью обычных видеокамер. Конечно, они достаточно дорогие, это не те видеокамеры, которые продаются в магазинах. Эти видеокамеры, которые дают сотню тысяч кадров в секунду или даже миллионы кадров в секунду, стоят под миллион долларов. Но иногда достаточно, действительно, бывает купить такую камеру, вложиться в нее, и потом уже можно делать высококлассные работы, настоящие исследовательские научные работы, которые публикуются в высокоимпактных журналах.

И здесь тем есть несколько – то есть темы, которые буквально сейчас активно исследуются учеными. Среди этих тем, наверное, стоит выделить одну: это поведение нестационарных течений, особенно со свободной поверхностью. То есть это не просто, там, движение воды по трубам, а поведение капелек, струек, как они распадаются на капли. И вот, оказывается, здесь есть много нетривиальных вещей, которые до сих пор еще толком не изучены. Вот, например, одна из них – это то, что происходит с перешейком, вот с этим перешеечком, в тот момент, когда капля отрывается. Ну, здесь, на самом деле, нарисована как бы обратная ситуация. Это картинка из работы 2006 года, в которой капля воздуха поднималась со дна жидкости. (Подробнее об этой работе см.: Обнаружен эффект памяти в поведении пузырьков воздуха под водой, «Элементы», 18.10.2006.) В принципе, динамика та же самая. Оказывается, что непосредственно перед моментом отрыва вот эта капелька (вот здесь она показана увеличенно, вот этот перешеек тоже показан увеличенно) ведет себя самоподобным образом. То есть значит, что вот эта форма перешейка при приближении к точке отрыва остается постоянной, но только масштаб ее уменьшается, уменьшается, уменьшается. То есть здесь, конечно, видна как бы точечка, но если бы мы смогли это увеличить, мы бы увидели ту же самую форму – ту же самую форму, как здесь, только на меньшем масштабе.

И вот это очень интересует теоретиков, потому что такое самоподобное поведение на самом деле означает что-то важное про свойства уравнения, в которых это описывается. Ну, это одна из... не то что загадок – одно из свойств этого перешейка. Оказывается, что у него есть много других интересных свойств, и это действительно активно сейчас изучается в эксперименте.

Про микросекунды я еще хочу рассказать следующее: что микросекунды, в принципе, можно изучать и в школьной лаборатории. Для этого не требуется покупать какую-либо очень дорогую камеру. Для этого можно воспользоваться обычным фотоаппаратом, но только надо освещать предмет короткими микросекундными импульсами света. А получить их тоже не так уж сложно. Делается это просто: берете, например, лазерную указку – ну, или, если не хотите лазер мучить, берите маленькое зеркальце, – устанавливаете его на моторчик и раскручиваете его в горизонтальной плоскости. Например, 100 оборотов в секунду, в принципе, вполне можно получить. У вас тогда получится лучик света, который гуляет по стенам с большой скоростью. Дальше: вы ставите поодаль ширмочку, делаете в ней маленькую дырочку (как раз на траектории луча) и тогда, когда вот этот лучик чиркает по этой дырочке, у вас в соседнюю комнату, например, проходит очень короткий импульс света. И вы можете сделать примерные оценки и увидеть, что импульсы длительностью в буквально считанные микросекунды вполне доступны в школьной лаборатории. А дальше это просто снимаете в темной комнате на фотокамеру. И вы действительно видите быстропротекающие явления.

Ладно. Микросекунды – это тоже нечто такое, более как бы приземленное к нашей жизни.

Наносекунды

Теперь давайте перейдем дальше еще, перейдем в следующий диапазон – это наносекунды. И вот про наносекунды стоит поговорить чуть подробнее. Что такое наносекунды? Это, вообще-то, нечто, с чем мы уже в обычной жизни не сталкиваемся. Если взять какие-нибудь типичные явления, которые происходят в обычной жизни, с типичными скоростями – ну, например, звук, ударные волны или просто движение тел, – то они редко превышают один километр в секунду. Но один километр в секунду, если пересчитать его на наносекунды, на 10^–9 секунды, составляет буквально считанные микроны. Даже если взять скорость света и умножить ее на одну наносекунду, тоже получится дистанция не такая уж большая, всего 30 см. И это всё приводит нас к очень важному выводу: что когда мы изучаем наносекундный диапазон и ниже, мы уже не изучаем тела – мы изучаем вещество. Нам совершенно уже не важно, из какого тела произошло это вещество. Поэтому мы переходим именно к изучению материи, а не тел.

Но как это всё можно изучать? В принципе, конечно, есть еще видеокамеры, которые немножко дотягивают и в наносекундный диапазон. Насколько я знаю, сейчас рекорд – это 6 миллионов кадров в секунду в оптическом диапазоне, то есть один кадр за каждые 160 наносекунд. Кое-что, конечно, можно увидеть здесь, но если у вас есть событие, которое протекает, скажем, 10 наносекунд, то, конечно, никакую динамику его вы с помощью видеокамеры не увидите. Поэтому так или иначе приходится от визуального наблюдения переходить к каким-то, может быть, более сложным, но и более прозорливым методам исследования, которые становятся всё более косвенными, когда мы уходим во всё более и более мелкие диапазоны времен.

В принципе, таких методов достаточно много. И моя лекция, собственно, им и посвящена. Но прежде чем рассказывать о них, я решил, что будет полезно здесь проиллюстрировать немножко иную мысль: чтобы изучать быстропротекающие процессы, иногда вовсе не требуется успевать следить за ними. Иногда достаточно как-то хитро поставить эксперимент и посмотреть на его результаты – с медленным детектором, с медленной техникой. Но потом, глядя на эти результаты, уже можно восстановить динамику события, которое протекало на наносекундном масштабе. И вот я нашел одну из работ, которая была выполнена не так давно, которая прекрасно иллюстрирует эту мысль.

Эта работа относится к разделу физики под названием «физика поверхности». Физика поверхности изучает, грубо говоря, то, что происходит на поверхности твердого тела – например, кристалла. На самом деле, там происходит много интересного, там есть термодинамические, электрические, магнитные явления, механические явления. И они все протекают, как правило, совсем иначе, чем в толще. Поэтому в этой области физики конденсированных сред есть свои загадки, свои проблемы и свои методы исследования.

Один из конкретных вопросов, который очень важен, конечно, для этой области, – вопрос о том, как живет атомарно гладкая поверхность кристалла при конечной температуре, то есть при обычной комнатной температуре. Что значит «атомарная гладкость»? Это значит, что его вырастили атомарно гладко и дальше отпустили в свободное плавание. Он же не будет непрерывно вот так стоять, там есть тепловые флуктуации, и иногда эти флуктуации заставляют какой-нибудь атом выпрыгнуть и начать гулять по поверхности. А на месте этого атома тогда появляется поверхностная дырка – называется она «вакансия», – которая тоже, оказывается, обладает подвижностью: она начинает гулять туда-сюда. Как вакансия гуляет, это тоже понятно. Просто соседние атомы перескакивают в нее, и в результате получается, что вакансия как бы перемещается. Так вот. Эти вакансии... Это значит, что атомарно гладкую поверхность можно представлять себе как разреженный газ двух типов частиц: поверхностные атомы, которые прыгают поверху, и вакансии, которые тоже вот как-то так диффундируют. У этого газа есть своя концентрация, есть свой типичный коэффициент диффузии, свои типичные времена перескоков, и это всё надо изучать, поскольку это действительно то, как живет поверхность.

Итак, возникает вопрос: как изучить диффузию поверхностных вакансий? Первое желание, конечно, просто взять и посмотреть с помощью какого-нибудь метода с высоким разрешением. Например, есть такой метод – сканирующая туннельная микроскопия, – с помощью которого можно видеть отдельные атомы. Но, к сожалению, этот метод очень медленный. Для того чтобы получить снимок даже небольшого участка поверхности, требуется время порядка секунды. В то же время теоретические оценки говорят о том, что все эти вакансии атома перемещаются за времена порядка наносекунд. С помощью этого метода ничего не получишь. С другой стороны, конечно, есть методы и быстрые, которые я потом еще покажу, но у них, как правило, есть очень плохое пространственное разрешение: они отдельный атом просто не видят. В результате возникает дилемма: как на эти вакансии взглянуть, чтобы их увидеть. Требуется некоторая экспериментальная хитрость.

И такую экспериментальную хитрость реализовали несколько лет назад ученые. Они сделали такую вещь: они решили на поверхность выращенного кристалла посадить примесные атомы, то есть атомы какого-то другого сорта. Эти атомы хорошо видны в сканирующий туннельный микроскоп, просто они отличаются по своим свойствам от атомов подложки. Эти атомы, когда их только посадили, встраиваются в верхний приповерхностный слой и, как правило, там сидят неподвижно. Сидят, сидят, сидят... Можно делать снимок за снимком – через каждую, скажем, секунду – какого-нибудь участка, и будет видно, что атомы там сидят неподвижно. Но в тот момент, когда какая-нибудь вакансия прибегает (она же бегает очень быстро), она прибегает и взаимодействует с этими примесными атомами, перемещает их на несколько шагов атомной решетки и снова убегает. В результате получается, что на следующем кадре уже эти примесные атомы будут сдвинуты. И изучая эти перескоки атомов, которые происходят на самом деле очень редко, можно выяснить и динамику, диффузию вот этих вакансий.

Вот картинка из экспериментальной работы (подробнее о работе см.: Диффузия примесных атомов на поверхности монокристалла). На самом деле, конечно, там было много картинок получено, а это просто типичная картинка. Вот здесь показан небольшой участок поверхности меди, на которой сидят примесные атомы индия. Температура была 320 кельвинов, то есть вполне комнатная температура. Естественно, никаких вакансий не видно, потому что этот метод очень медленный. Зато видно сидящие примесные атомы. Вот последовательность из четырех кадров. Между первыми двумя прошло 160 секунд, то есть за 160 секунд они никуда не сдвинулись. Между вторым и третьим прошло 20 секунд, и за 20 секунд мало того что они оба перепрыгнули куда-то, так еще в кадр попали какие-то другие атомы. Это вполне согласуется с тем механизмом перемещения за счет вакансий, про который я говорил. Когда экспериментаторы обработали все данные, они смогли восстановить динамические свойства вот этих вакансий. То есть оказалось, что действительно у них очень маленькая концентрация, кроме всего прочего. И оказалось, что типичное время перескока – порядка 10 наносекунд. То есть это интересная иллюстрация того, что очень медленный инструмент позволяет иногда изучить динамику намного более быстрых явлений, если правильно, хитро поставить эксперимент.

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.

Ну и в качестве иллюстрации того, как работает этот метод накачки и зондирования, я расскажу про еще одну работу, которая тоже была выполнена не так давно, в которой люди впервые увидели фононы (подробнее об этой работе см.: Атомное кино). Это, конечно, когерентные фононы, не однократные, не одиночные, но всё равно фононы, то есть колебания кристаллической решетки, прямо воочию, в реальном времени.

Сначала пару слов про типичные времена. Если вы возьмете типичную скорость движения атомов, поделите на типичные межатомные расстояния в кристалле, вы получите времена порядка долей пикосекунд. Реально в кристаллах у нас атомы движутся не по одиночке, а синхронно. Скажем, фонон – это синхронные колебания сразу большой группы атомов. Если вы возьмете типичное число этих атомов в длине волны – n, – скажем, десятки, сотни, тысячи, то у вас как раз получится период колебаний этих фононов в пикосекундном диапазоне.

Как с помощью этой методики накачки и зондирования можно увидеть такие фононы? Делается это таким образом: посылаются на исследуемый образец два импульса, которые четко скоррелированы по времени. Это импульсы из разных диапазонов электромагнитного излучения. Сначала посылается очень короткий и мощный инфракрасный импульс, который буквально наносит точечный удар по поверхности кристалла, и он генерирует в данном месте и в данное время поток фононов, которые уходят вглубь кристалла, то есть колебания решетки около поверхности. И в тот же момент или с определенной конкретной сдвижкой по времени присылается туда слабый диагностический рентгеновский импульс. Рентгеновский импульс подбирается с такой длиной волны, чтобы он эффективно отражался от поверхности. Дело в том, что (вы представляете, да?) кристалл имеет межатомное расстояние порядка нескольких ангстрем. И поэтому, если подобрать рентгеновский импульс с длиной волны тоже порядка нескольких ангстрем, у вас эффективно начинается дифракция. То есть кристалл выступает в виде дифракционной решетки для рентгеновского света. Этот рентгеновский лучик можно отразить и дальше с помощью него можно смотреть на колебания кристаллической решетки, потому что эти колебания действительно отражаются в поведении рентгеновского импульса.

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.