Идея звучит волшебно, чисто и просто. Вы создаете световой луч, который может заставить вещества исчезнуть, придать им свойства, которыми они не должны обладать, или полностью превратить их в идеальную имитацию другого вещества. Это алхимия 21 века, которая в принципе способна не только сделать свинец похожим на золото, но и превратить обычные материалы в сверхпроводники.
Общий подход, развивающийся на протяжении десятилетий, заключается в использовании специализированных оптических импульсов для изменения формы электронных облаков атомов и молекул.
Ранее этим летом группа исследователей из Университета Тулейн в Новом Орлеане и их сотрудники расширили идею. Они выяснили, как применить импульсную стратегию к твердым и сыпучим материалам, переписав обычные законы, определяющие, как их свойства определяются их химическим составом и структурой.
Между тем, другие исследователи уже использовали световые импульсы, чтобы вызвать сверхпроводимость - способность проводить электричество без сопротивления - в материалах, которые иначе не вели бы себя таким образом.
Но, возможно, реальный потенциал этой техники заключается не в том, чтобы создавать чудеса мимикрии, а в том, чтобы вызывать другие виды трансформации. Световые лучи можно использовать для создания оптических компьютеров, достаточно мощных для решения таких сложных задач, как факторизация.
Химические вещества могут стать временно и выборочно невидимыми, что облегчит анализ сложных смесей. Теоретические возможности кажутся ограниченными только нашим воображением. На практике ограничения могут быть связаны с тем, насколько хорошо мы понимаем и контролируем взаимодействия света и материи.
План для импульса
После изобретения лазера в начале 1960-х годов многие исследователи быстро поняли, что эти устройства можно использовать для управления молекулами, поскольку электронные облака молекул чувствуют электромагнитные поля лазерного света и реагируют на них.
Чтобы действительно контролировать что-то, вам нужно иметь возможность подталкивать или направлять это в той шкале времени, в которой изменяется его траектория, что очень быстро для молекул и даже быстрее для электронов.
Поначалу лазерные импульсы просто не могли быть достаточно короткими, чтобы обеспечить достаточно быструю последовательность толчков.
Однако в конце 1980-х и начале 1990-х годов длительность импульсов была уменьшена до нескольких фемтосекунд (фемтосекунда равна 10 в -15 степени секундам), что приблизилось к временным рамкам движения атомов. Это позволило лазерам избирательно стимулировать и исследовать их движения.
Однако, чтобы фактически контролировать такие движения, в начале 1990-х годов Гершель Рабиц, химик из Принстонского университета, и его сотрудники указали, что необходимы импульсы определенной формы: сложные формы волны, которые могут направлять молекулярное поведение по определенным путям. Эта технология формирования импульсов, по счастливой случайности, была разработана в то время для оптических телекоммуникаций.
Задача до безумия сложна. Чтобы управлять траекторией макроскопического объекта - скажем, планера - вам нужно знать траекторию, которую вы хотите изменить. Для квантово-механической системы эквивалент состоит в том, чтобы знать, как ее квантовая волновая функция развивается во времени, что определяется математической функцией, называемой гамильтонианом.
И вот в чем проблема - во всех системах, кроме простейших, таких как атом водорода, гамильтониан становится слишком сложным для исследователей, чтобы точно рассчитать динамику волновой функции.
В отсутствие этих знаний - необходимых для того, чтобы заранее рассчитать, какой управляющий импульс вам нужен - единственной альтернативой, казалось, был метод проб и ошибок: опробовать некоторый начальный управляющий импульс, а затем повторить его, повторяя один и тот же эксперимент снова и снова.
Это похоже на то, как пилот-планер учится приземляться, пробуя случайные движения ручки управления, а затем постепенно совершенствуя эти движения, увидев, что работает.
Для квантовых систем это намного сложнее (хотя и менее опасно, чем для планеров). Формирование импульса означает добавление дополнительных частот. Задача состоит в том, чтобы выяснить, какая комбинация частот необходима. Сегодня формирование импульсов может включать около тысячи частотных компонентов.
Теперь Маккол, работая с Денисом Бондаром в Тулейне и его коллегами, описал теоретическую схему для предварительного расчета необходимого пульса.
В квантовой механике определенное свойство вещества - например, электропроводность, оптическая прозрачность или отражательная способность - соответствует среднему или «ожидаемому значению» наблюдаемой величины.
Если у вас есть волновая функция вещества и вы знаете, какой световой импульс вы используете, вы можете предсказать результат - математическое ожидание, которое вы получите.
Команда Бондара меняет проблему: вы начинаете с результата, которого хотите достичь (математическое ожидание), и вычисляете световой импульс, который его произведет. Для этого вам также необходимо знать волновую функцию системы или, что эквивалентно, ее гамильтониан, чего вы, как правило, не знаете, но это нормально, если вы можете найти достаточно хорошее приближение: своего рода "игрушечную" волновую функцию, которая подходит достаточно близко, чтобы уловить важные особенности реальной.
Таким образом, исследователи выяснили, как расширить методы от небольших наборов молекул, где есть всего несколько электронов, которые нужно контролировать, до больших массивных твердых тел с целым морем электронов.
Мы смотрим на систему как на облако электронов и начинаем деформировать это облако.
- сказал Бондарь. Управляющий импульс создает своего рода трек, по которому должны следовать электроны, поэтому такой подход называется трекинг-контролем.
Кристиан Аренц, химик-теоретик из группы Рабица в Принстоне, который сотрудничает с командой Бондара, объяснил, что такой подход значительно упрощает поиск правильного поля управления для управления свойствами вещества.
Раньше проектирование поля управления было вопросом постепенного, итеративного улучшения, но подход слежения открывает новые возможности для управления системами многих тел.
Изменяя форму твердого тела
Большая часть ранних работ по квантовому когерентному управлению была сосредоточена на том, чтобы вызвать четко определенные изменения в отдельных молекулах - например, выборочную накачку энергии в данную химическую связь, чтобы заставить ее вибрировать до предела разрыва, и, возможно, тем самым контролировать ход химической реакции. Но когерентное управление множеством электронов одновременно в материале - более сложная задача.
Когда атомы объединяются в твердые тела, внешние электронные оболочки соседей перекрываются и образуют «полосы», которые простираются по всему материалу. Электронные и оптические свойства зависят от характеристик этих полос.
В металлах, например, электроны с самыми высокими энергиями занимают полосу, которая не заполнена до отказа, поэтому электроны могут перемещаться по решетке атома, позволяя материалу проводить электричество.
Между тем в изоляционном материале зона с наивысшей энергией, занятая электронами, полностью заполнена, поэтому для этих электронов нет "пространства", в которое они могли бы двигаться. Они остаются локализованными на своих атомах, и материал не проводит.
Более экзотические типы электронного поведения могут возникать из-за квантово-механических эффектов, которые делают движения электронов взаимозависимыми (то есть коррелированными), как например, движение групп людей в толпе.
В обычных сверхпроводниках, например, электроны с самой высокой энергией образуют коррелированные пары (называемые куперовскими парами), которые движутся синхронно, даже если два электрона могут находиться на некотором расстоянии друг от друга - как человек, преследующий другого через толпу.
Все эти куперовские пары ведут себя одинаково, давая им непреодолимый импульс, который позволяет сверхпроводнику проводить электричество без какого-либо сопротивления. Это как если бы электроны больше не замечали основную решетку атомных ядер.
Но какие материалы вызывают такие свойства? Обычно для того, чтобы найти их, нужно порыбачить в море перестановок разных стихий. Это очень медленно и трудоемко - посмотрите, сколько времени и усилий затрачивается на разработку новых сверхпроводящих материалов.
Однако представьте себе, что можно вызвать желаемое свойство в более или менее любом материале, используя световые импульсы, чтобы изменить способ распределения электронов. С этой точки зрения структура электронных зон не является чем-то фиксированным самим материалом: вместо этого ленты становятся своего рода замазкой, которой можно придать любую форму, которую вы пожелаете.
Найдите правильный управляющий импульс, и вы сможете объединить массив подвижных электронов в куперовские пары и таким образом сделать сверхпроводник, возможно, из какого-нибудь скромного вещества, такого как железо или медь, в условиях, в которых иначе это было бы невозможно.
Идея использования сформированных лазерных импульсов для определения и управления свойствами материалов уже принесла свои плоды. Например, исследователи использовали его для переключения материалов между изоляционным и металлическим поведением, для управления магнитными свойствами и для запуска сверхпроводимости.
Общая идея состоит в том, что световые импульсы перераспределяют электроны между энергетическими зонами таким образом, чтобы нарушить баланс между одной фазой системы и другой - например, между металлом и изолятором. Таким образом, исследователи создали сверхпроводимость при температурах на десятки градусов выше обычно необходимых экстремальных температур.
Тем не менее, несмотря на ранние обещания, исследователи предупреждают, что экспериментальная работа только начинается. И независимо от того, насколько успешна стратегия, эти измененные свойства будут сохраняться только до тех пор, пока вы применяете управляющий импульс.
Переделанная электронная структура не останется на месте сама по себе, так же как кусок резинки не останется растянутым, если вы не будете продолжать тянуть. Но для некоторых приложений - например, в электронных устройствах - это может не иметь значения: вы можете «записать» желаемые свойства в материал только в тот момент, когда они необходимы.
Будущие возможности
Вы можете возразить, что этот подход создает только поверхностную мимикрию - способ, которым некоторые алхимики утверждали, что "сделали золото", применив некоторую поверхностную обработку к другому металлу, которая вызвала химические реакции, придавая металлу золотой блеск. Это не было золотом в прямом смысле слова.
Бондарь не согласен: оптически индуцированная трансформация, по его словам, "действительно фундаментальна". Чтобы заставить один тип атома щелочного металла (например, натрия) оптически имитировать другой (например, рубидий), вы должны использовать управляющий луч для управления дипольным моментом атомов - неоднородным способом распределения электрического заряда каждого атома в пространстве, что определяет его взаимодействие с электрическими полями света.
Однако это не означает, что потенциальные "лазерные" алхимики будут иметь возможность превращать любое вещество во что-нибудь еще. Михаэль Ферст, физик из Института структуры и динамики материи им. Макса Планка в Гамбурге, Германия, считает, что возможно вызвать поведение, которое потенциально уже существует в материале при определенных условиях.
Мы не можем имитировать ответ материала, если его вообще не существует. Должно быть что-то в свойствах равновесия - может быть, при другой температуре, давлении или, скажем, в магнитном поле - где материал уже обладает свойствами, которые вы ищете.
- сказал он.
Таким образом, вместо того, чтобы превращать свинец в золото, исследователи пробуждают определенную реакцию, подобную золоту, в том, что есть и всегда остается свинцом. Таким образом, индуцированная светом сверхпроводимость, которую Ферст изучал экспериментально, заключается не в создании сверхпроводимости с нуля, а в том, чтобы задействовать ее при более высоких температурах, чем это было бы возможно в противном случае.
Кристиана Кох из Свободного университета Берлина, которая работает над методами квантового управления для систем из многих частиц, считает, что для того, чтобы действительно изменить материал на фундаментальном уровне, вместо того, чтобы заставить его поверхностно имитировать конкретный ответ, исследователям нужно будет очень тщательно изучить электронные облака.
Это потребует очень интенсивных управляющих лучей, так что сила задействованных электромагнитных полей конкурирует с внутренними силами, которые формируют внутреннюю электронную структуру.
Легкость решения сложных проблем
По словам Бондаря, световые лучи в принципе являются отличными носителями информации для вычислений, потому, что в них можно втиснуть большой объем информации, используя одновременно несколько длин волн. Основная проблема состоит в том, что два или более лучей не могут разговаривать друг с другом, в отличие от электронов.
Схема управления трекингом Бондаря показывает, как этого взаимодействия можно достичь: с помощью куска материи, в принципе размером с один атом, которым манипулирует управляющий луч. Второй луч, содержащий входящие данные, затем взаимодействует с веществом. Взаимодействие преобразует данные в вычисление. Это открывает путь к одноатомным вычислениям.
Что еще более поразительно, можно было бы использовать этот оптический подход для решения сложных проблем, таких как факторизация, намного быстрее, чем это могут сделать классические электронные компьютеры. Бондарь считает, что должна быть возможность реализовать алгоритм квантовой факторизации, называемый алгоритмом Шора, одним из первых предложенных для квантовых компьютеров, с использованием того, что сводится к классической оптике.
Также исследователи надеются использовать отслеживающий контроль для анализа сложных химических смесей - проблема, с которой часто сталкиваются, например, при открытии лекарств.
Допустим, у вас есть большая смесь различных химикатов. Если вы знаете спектр каждого компонента - как он поглощает свет разных частот, чтобы создать характерную сигнатуру - тогда вы можете определить, какие соединения находятся в смеси.
Спектры часто могут быть похожи друг на друга, и поэтому анализ становится очень сложным, если есть много компонентов. Контроль слежения может позволить исследователям отключать оптический отклик каждого вида по одному, делая их выборочно невидимыми.
Можно будет добавить и невидимость к подвигам оптической алхимии, что может стать возможным благодаря отслеживанию. По крайней мере теоретически, это показывает нам, что в правильном свете все может быть совсем не тем, чем кажется.
