Лазерный мир

Американские физики впервые экспериментально зарегистрировали связанные состояния из трех фотонов. Образование необычных для фотонов тримеров происходит при прохождении лазерного пучка через облако охлажденных атомов рубидия за счет формирования промежуточных поляритонных состояний

В отличие от квантовых частиц, обладающих массой, фотоны очень слабо взаимодействуют друг с другом и практически не образуют связанных состояний. Впервые связанное состояние между двумя фотонами ученым удалось экспериментально зарегистрировать только в 2013 году. Для того, чтобы могли образоваться фотонные димеры, распространение света должно происходить в нелинейной квантовой среде, в которой между возбужденными состояниями атомов и фотонами происходит взаимодействие с формированием поляритонов. Вопрос о том, могут ли при этом фотоны образовывать связанные состояния с большим числом частиц больше двух, оставался до настоящего дня открытым.

Потенциалы взаимодействующих фотонного димера и одиночного фотона. Если расстояние между фотонами меньше критического, то происходит перекрывание потенциалов с образованием тримера
Qi-Yu Liang et al./ Science, 2018

Суть работы

В качестве такой нелинейной квантовой среды в данной работе использовалось облако из атомов рубидия-87, охлажденных до миллионных долей кельвина — то есть практически до абсолютного нуля. Облучая облако из сверххолодных атомов слабым лазерным пучком, на выходе можно зарегистрировать отдельные фотоны и достаточно надежно определить их свойства.

Взаимодействие между фотонами в такой системе происходит через ридберговское состояние атома — высоковозбужденное состояние с маленьким потенциалом ионизации и большим временем жизни. Взаимодействие осуществляется за счет механизма электромагнитно-индуцированной прозрачности, который за счет эффектов квантовой интерференции приводит к появлению полосы пропускания света в области поглощения.

Образующиеся ридберговские поляритоны, каждый из которых включает в себя возбуждение атома рубидия и фотон, взаимодействуют друг с другом, формируя димеры и тримеры.

В таком связанном виде они перемещаются по охлажденному атомному облаку, после чего возбуждение вместе с атомом рубидия остается внутри облака, а фотоны. связанные между собой парами и тройками, вылетают дальше.

Схема эксперимента по регистрации фотонных тримеров и соответствующая схема энергетических переходов. На выходе излучение, проходящее через облако возбужденных атомов, регистрируется с помощью трех однофотонных детекторов. На третий детектор приходит сигнал, смешанный с сигналом дополнительного осциллятора, что позволяет провести измерение фазы
Qi-Yu Liang et al./ Science, 2018

В своей работе физики также предлагают способы для увеличения устойчивости образовавшихся тримеров: в частности, это использование атомных облаков большего размера и изменение формы и площади лазерного пучка. По словам авторов работы, поскольку фотоны в таких димерах и тримерах оказываются запутанными, то за счет довольно сильной связи между ними, это связанное состояние можно использовать для более эффективной передачи информации в квантовых фотонных устройствах.

Роль в эксперименте лазера

За счет взаимодействия лазера с облаками охлажденных атомов могут меняться свойства не только фотонов, но и самих атомов. Например, за счет эффекта электрострикции сферическое облако атомов можно растягивать и сжимать лазером. Кроме того, подобное взаимодействие можно использовать и в практических целях, например, для подавления шума при регистрации гравитационных волн.

Читать далее: https://nplus1.ru/news/2018/02/16/three-photon-bounded-state