Изготавливать зеркала стали в бронзовом веке: за сотни лет люди испробовали с дюжину технологий производства, подразумевающих использование различных материалов. В 2020 году немецкие физики разработали кардинально новую технологию, с помощью которой они создали квантовое зеркало — самое тонкое и лёгкое в мире.
Учёные из Института квантовой оптики имени Макса Планка в Гархинге разработали зеркало, которое состоит из одного слоя атомов рубидия-87. Для его создания Джун Руи и его коллеги охладили несколько сотен атомов слаборадиоактивного изотопа рубидия до температуры, близкой к абсолютному нулю. Данный процесс происходил в два этапа: сперва физики использовали лазерное охлаждение, осуществляемое при помощи фотонов. Чтобы понять его принцип, представьте себе летящий баскетбольный мяч, который со всех сторон «обстреливается» теннисными мячиками. Столкновения будут так или иначе замедлять движения баскетбольного мяча, то есть он будет терять энергию. Если заменить баскетбольный мяч атомом, а теннисные мячи – фотонами, то мы получим лазерное охлаждение.
На втором этапе физики прибегли к испарительному охлаждению, которое захватывает атомы в магнитную ловушку. В результате столкновения некоторые атомы берут на себя энергию «соседей» и покидают ловушку, тем самым понижая тепловую энергию оставшихся атомов. Принцип испарительного охлаждения напоминает гораздо более привычный для нас процесс образования водяного пара. Путём настолько сильного охлаждения достигается агрегатное состояние вещества, известное как конденсат Бозе – Эйнштейна, при котором большинство атомов обретают минимальное энергетическое состояние.
В естественных условиях атомы рассеяны в пространстве случайно, потому каждый из них взаимодействует со светом независимо друг от друга. Однако при упорядочивании атомов в строгую однослойную решётку связи между атомами изменяют их оптические свойства. Таким образом в организованной конфигурации прежде разрозненные атомы получают коллективные свойства. Из-за малого расстояния между атомами, они неспособны рассеивать или отражать свет вразнобой. При помощи перекрёстной связи атомы образуют двумерную плоскость, которая организовано отражает направленный на неё свет.
Доктор Джун Руи рассказал, что сформированное из 200 атомов зеркало практически невесомо и имеет диаметр около 7 микрометров и толщину менее 10 нанометров. Эти цифры учитывают не размер самих атомов, но диапазон их перемещения в вакууме, поскольку даже при столь низкой температуре сохраняется броуновское движение частиц. Само по себе зеркало невидимо, так как оно слишком маленькое, чтобы увидеть его невооружённым глазом. Однако учёные всё же убедились в его отражающих свойствах, направляя на зеркало луч поляризованного света и измеряя количество отражённых фотонов.
Исследователи не обещают, что столь необычное зеркало когда-либо будет использовано в бытовых целях, поскольку для его создания и поддержания необходимо сложное массивное устройство, которое весит около двух тонн. Однако оно определённо применимо в научной сфере. В первую очередь взаимодействие пребывающих в вакууме атомов со светом представляет огромный интерес для специалистов квантовой оптики, которые изучают распространение света в специфических условиях. Кроме того, такое зеркало может помочь в создании более совершенных квантовых компьютеров, использующих фотоны для хранения и передачи информации. Помимо этого, учёные считают, что подобные технологии могут стать основой сенсоров для лазерной передачи данных на большие расстояния.