Лаборатория квантовой инженерии света – одна из самых таинственных в ЮУрГУ. Она находится где-то в лабиринте коридоров, здесь в абсолютной тёмной комнате сверкают лазерные лучи. Здесь под руководством известного физика, профессора МГУ Сергея Кулика, создаются приборы будущего.
Сегодня одно из главных направлений лаборатории – изготовление сверхчувствительных датчиков. Проект под руководством Анны Патеровой называется «ИК-метрология на основе квантовой интерферометрии». К работе активно привлекаются молодые учёные, а сам проект поддержан Мегагрантом правительства РФ и грантом «Шаг в будущее».
ИК – значит инфракрасный. Существует спектр, видимый глазу, от красного до фиолетового. То, что находится за его пределами, называется соответственно инфракрасным и ультрафиолетовым. Человеческий глаз в инфракрасном диапазоне видеть не может, но на помощь приходит прибор.
На сегодня главная проблема инфракрасной спектроскопии в том, что приборы работают плохо из-за постороннего шума. Тепловой шум от объектов, движения самого экспериментатора «засвечивают» и без того слабый полезный сигнал.
«В квантовой оптике главные противники эксперимента – не темнота, а движение, шум, лишний свет, – поясняет Анна Патерова. – Чтобы его минимизировать, все эксперименты проводятся в особых условиях: лаборатории без окон, чтобы не проникал шум с улицы, охлаждаемые детекторы, оптические столы, гасящие вибрации, и даже специальные требования к одежде: светлые тона могут отражать свет от экрана ноутбука, что искажает данные».
Новый подход к измерениям в инфракрасном диапазоне основан на квантовой физике. Ключом к решению стало использование спонтанного параметрического рассеяния. Это явление возникает при взаимодействии лазерного излучения с электромагнитными флуктуациями вакуума.
Парадокс в том, что раньше эти квантовые флуктуации ассоциировались с шумом. Оказалось, что они не мешают, а помогают, запуская процесс рождения коррелированных пар фотонов.
В нелинейном кристалле лазер генерирует пары фотонов, связанных друг с другом, но один находится в видимом диапазоне, а другой в инфракрасном. Чем мощнее лазер, тем точнее будет измерение.
Изучая «видимое», физики делают выводы о невидимом – инфракрасном.
«Мы отказываемся от неэффективных инфракрасных детекторов и используем детекторы для видимого диапазона, которые нечувствительны к тепловому шуму, – комментирует Анна Патерова. – Благодаря квантовой корреляции между фотонами, проводя измерения на длине волны видимого фотона, мы можем судить о том, что произошло с его ИК-парой. Это значительно повышает отношение сигнал/шум по сравнению с классическими аналогами».
Такой подход открывает путь к более информативным измерениям, например, в биомедицине. Методика позволит проводить неинвазивный анализ биологических тканей, исследуя специфические линии поглощения белков, жиров, ДНК и РНК в инфракрасном диапазоне. В перспективе это может дать возможность выявлять изменения в тканях на самых ранних стадиях, например, при воздействии лекарств или развитии патологий.
Юлия Шерстобитова