Оптика – это наука о темноте и пластилине
Из научного фольклора

У студента, приходящего в лабораторию или на кафедру, возникает естественный вопрос, а чем же там занимаются. В двух словах объяснить это обычно довольно трудно (если лаборатория действительно занимается серьезной наукой). На самом деле новичку важнее знать, как устроен процесс исследований и какова может быть его, новичка, роль в этом процессе. Попытаемся рассказать, как происходит дело у нас.

Итак, в Лаборатории Оптики спина мы занимаемся «настольными» экспериментами (а также теорией, их описывающей – но об этом чуть позже). Настольными – в том смысле, что нам не нужен Большой адронный коллайдер (хотя современный оптический стол - тоже сооружение внушительное). Мы обходимся достаточно компактными приборами, для работы с которыми не нужен огромный штат физиков и инженеров – например, одну из наших основных оптических установок построили и работают на ней два студента 6-го курса. При этом физические явления, которые мы исследуем, отнюдь не просты. В очень общих словах можно сказать, что мы изучаем, как работают законы квантовой механики, пытаемся найти наглядные проявления этих законов (которые традиционно считаются противоречащими здравому смыслу). По возможности, мы также пытаемся придумать, нельзя ли из них извлечь какую-нибудь пользу (вообще-то пользы от квантовой физики уже произошло очень много – вся современная электроника на ней основана). Например, встроить оптические элементы в компьютерные чипы, что позволит в десятки раз увеличить быстродействие процессоров.

Удается нам это делать не только потому, что мы такие умные (хотя в лаборатории действительно работают талантливые физики). Определяющим является доступ к уникальным объектам исследования – полупроводниковым наноструктурам с квантовыми ямами и квантовыми точками, в которых квантовые состояния электронов и фотонов заранее заданы и рассчитаны. Сами мы их не производим – такие структуры изготавливают по нашему заказу ведущие европейские нанотехнологические центры, с которыми мы сотрудничаем, а также наши университетские технологи. А вот рассчитать на компьютере такую структуру многие наши студенты, аспиранты и молодые сотрудники вполне способны – так что мы имеем возможность работать со своего рода лабораториями атомных размеров, где положение квантовых частиц может быть задано с точностью до нанометра. Это дает колоссальные преимущества. Например, никакой коллайдер, будь он трижды Адронный, не даст вам возможности заглянуть в двумерный мир. А мы можем!

Второй важной составляющей успеха таких исследований является наличие современных оптических приборов. Дело в том, что, исследуя прохождение, отражение, переизлучение, рассеяние и другие приключения, происходящие с падающим на наноструктуру светом, можно узнать очень многое о свойствах находящихся там квантовых частиц – например, определить их энергию, импульс, момент импульса (он же спин – см. название лаборатории). Более того, с помощью света можно управлять их поведением. А если этот свет – не просто свет, а, например, последовательность лазерных импульсов длительностью в 100 фемтосекунд каждый? А если в вашем распоряжении две такие последовательности, и можно произвольно менять задержку между импульсами? Если можно задавать их спектр и поляризацию (помните, кстати говоря, что такое поляризация света? Так вот, для нас это едва ли не самый главный инструмент!).

В общем, поверьте на слово – возможности открываются фантастические. И такими возможностями мы располагаем, так как у нас есть высококлассные современные приборы – импульсные и непрерывные лазеры с перестраиваемой длиной волны излучения, управляемые компьютером спектральные фильтры, акустооптические модуляторы и многое другое. Из таких «кирпичей» можно собрать на оптическом столе именно ту конфигурацию, какая нужна для конкретного эксперимента. А связующим цементом служат зеркала, призмы и линзы, через которые проводятся многочисленные световые пучки. Для того, чтобы временно закрепить все эти оптические элементы, небогатые советские физики зачастую пользовались пластилином – отсюда эпиграф. У нас имеется достаточный запас всякого рода механического крепежа для оптики, поэтому для нас пластилин – история. А вот освещение в лаборатории при проведении экспериментов действительно приходится выключать, чтобы рассеянный свет не создавал помех.

Наконец, о теории и теоретиках. Лаборатория нацелена прежде всего на получение экспериментальных результатов. Однако хорошую экспериментальную работу в современной физике практически невозможно сделать без серьезной теоретической поддержки. Поэтому у нас работают сильные теоретики, с которыми можно обсудить любую задачу. Мы всячески поощряем наших студентов разбираться в теории и самостоятельно делать расчеты. Можно получить и чисто теоретическую тему для бакалаврской или магистерской работы, но это скорее исключение.

В общем, если вы неравнодушны к науке, хотите поразбираться в работе физических законов и готовы ради этого поработать головой и руками – добро пожаловать в лабораторию Оптики спина!

Старший научный сотрудник лаборатории оптики спина
Кирилл Витальевич Кавокин