Ловушка для солнечного зайчика

Охлажденные атомы в оптической решетке, излучающей фотоны. Фото Physorg

«Свет мой, зеркальце, скажи…» Знаменитая строчка из сказки Александра Пушкина обычно относится к писаным красавицам. Но мало кто догадывается, что свет действительно много что может рассказать ученым.

Исаак Ньютон верил, что свет состоит из корпускул-«телец». Его островной оппонент Готфрид Лейбниц возражал, что свет представляет собой волну. Немца поддержал глазной врач Томас Юнг, который в 1809 году открыл интерференцию, или «вмешательство» световых волн, взаимно усиливающих или гасящих друг друга.

Через век после него Альберт Эйнштейн своим авторитетом пытался подавить сторонников волновой теории. Он настаивал, что фотоэффект вызывается «тельцами», поддержав идею Планка, исходившего из представления о квантах-фотонах при рассмотрении абсолютно черного тела. Датчанин Нильс Бор, возможно, соглашаясь с идеей квантов-тел энергии, постулировал идею скачков электронов при поглощении тепла или света. Переход возбужденного электрона (экситона) на более высокий энергетический уровень весьма непродолжителен, и через краткий миг частица возвращается на исходный, испуская при этом свет с большей длиной волны (то есть меньшей энергии). Физикам лишь через 75 лет удалось экспериментально доказать, что боровские скачки – реальность, но никто не мог их измерить.

Один из отцов-основателей квантовой физики, немец Вернер Гейзенберг, предложил коллегам не заморачиваться по поводу измерений, предложив взамен «принцип неопределенности». Он гласит, что невозможно одновременно измерить скорость и местоположение электрона. «Классические» физики с этим согласиться не могли, но у них не хватало возможностей доказать неправоту Гейзенберга. Вместе с тем они не покушались на принцип Паули, доказавшего, что в одной ячейке квантового уровня могут находиться лишь два электрона с разнонаправленными спинами, то есть осями вращения вокруг своей оси. Это во многом объясняет прочность химических связей, образующихся при сочетании разнонаправленных валентных электронов.

Почти 100 лет понадобилось, чтобы теоретические доводы первой половины ХХ века обрели реальное воплощение. Этому способствовало, конечно же, изобретение лазера. Так называемый когерентный луч фотонов с одинаковой длиной волны – в отличие от естественного света, в спектре которого есть фотоны с разной длиной волны, от красного до фиолетового, стал первым реальным продуктом квантовых идей.

Эйнштейн писал, что фотоэффект, или бомбардировка фотонами поверхности тончайшей фольги, приводит к индукции электротока. Следствие из этого эффекта – фотоионизация, то есть «отрыв» электрона от атома с образованием положительно заряженной «дырки». Поток оторвавшихся электронов создает луч, используемый в ТВ-трубках и электронных микроскопах. Много сил и времени было потрачено и на создание источников одиночных фотонов, после чего встала задача изучения процесса отрыва одиночных электронов, приводящего к ионизации атома.

И вот теперь дошло до «отрицания» принципа неопределенности Гейзенберга, простоявшего неприступным чуть ли не век. Речь идет о совместной работе университетских физиков Стокгольма, Лунда и Готенбурга, осуществивших фотоионизацию атома неона и впервые измеривших время этого процесса.

Электроны атомов этого благородного газа локализованы на трех уровнях (2–6–2) – по два на самом близком к ядру и наружном. Энергия двух последних в исходном, или стационарном, состоянии измеряется в фемтоджоулях, или миллионных долях миллиардной части джоуля. Накачка электрона энергией приводит к его переходу на более высокий энергетический уровень и к отрыву от атома, то есть ионизации. Это можно сравнить с уходом космического зонда с околоземной орбиты, например, к тому же Марсу или Венере.

Шведские физики сумели замерить время отрыва-ионизации с помощью сверхкоротких импульсов аттосекундного лазера. В этих устройствах продолжительность светового импульса составляет миллиардную долю миллиардной части секунды (10–18 с). Исследователи также замерили разницу скорости уходящего с орбиты электрона и остающегося на ней возбужденного. Она составила одну тысячную аттоджоуля (10–21). Тем самым впервые удалось «нарушить» принцип неопределенности, определив место и скорость субатомной частицы.

Естественно, что ученые не ставили перед собой задачу потрясения основ квантовой физики. Несмотря на несколько лет сложных теоретических расчетов, которые легли в основу разработки эксперимента, ими двигали вполне реальные заботы. Ведь пока никто не знает, что определяет временные и энергетические параметры электронного обмена в ходе химических реакций, приводящего к формированию или разрыву связей в молекулах. А знать это очень важно для овладения механизмами направленного синтеза или расщепления в нужных месте и времени, что позволит с повышенной точностью изучать сложные проблемы химии и биологии. Ведь с фотоионизации атома марганца в хлорофилле под действием падающего на лист света начинается фотосинтез, без которого практически невозможна жизнь биосферы на Земле.

Одним из представителей последней является абсолютно черная бабочка с красивым названием Пахилиопта аристолохиэ (Pachiliopta aristolochiae). Ученые Технологического института в германском Карлсруэ описали, как они сымитировали с помощью гидрогенизированного аморфного кремния поверхностную структуру крыла пахилиопты. Дело в том, что его черный окрас – результат полного поглощения света, который не может вырваться из сонма наноямок. В Карлсруэ опытным путем исследовали поглощающую способность тонких пленок кремния с нано-«оспинами» диаметром 133–375 нанометров. В результате удалось увеличить поглощение перпендикулярно падающего света более чем в два раза.

Практическое воплощение своего открытия авторы видят в повышении поглощающей способности тонкопленочных солнечных панелей (PV – photovoltaic, фотоэлектрических). Пока они сильно уступают по мощности батареям с кристаллическим кремнием. Поэтому повышение пленочного поглощения – одна из первоочередных задач. В настоящее время пленки используются в устройствах с низким поглощением энергии, таким как электронные часы и карманные калькуляторы. Расширение области использования высокоэффективных пленок крайне желательно.