Физики впервые запретили атомам излучать в массовом порядке

Ученые из Бразилии и Франции впервые смогли экспериментально «пленить» часть фотонов, поглощенных большим количеством частиц - облаком из миллиарда атомов рубидия. Исследование основано на эффекте субизлучения - явления, обратного так называемой сверхсветимости или коллетивному спонтанному излучению. Время жизни возбужденных состояний при этом увеличилось более чем в 300 раз по сравнению со стандартными значениями. Авторы считают, что их исследование может стать основой для нового способа записи и считывания информации. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Коллективное спонтанное излучение (или сверхизлучение Дикке, «сверхсветимость») – явление, наблюдаемое в системе близко расположенных возбужденных частиц, частота соударений между которыми достаточно низкая. При определенных условиях в такой системе происходит спонтанный коллективный переход с уровня возбуждения в основное состояние. Переход сопровождается испусканием узкого пучка когерентных электромагнитных волн.

Явление возникает из-за наличия корреляций между состояниями  частиц – согласованности фаз волновых функций, в результате чего вся система ведет себя как единое целое. Название сверхизлучение появилось по аналогии со сверхпроводимостью и сверхтекучестью, которые также являются кооперативными когерентными явлениями.

По своим характеристикам сверхизлучение отличается от привычных спонтанного и вынужденного – излучательные переходы в обоих случаях происходят независимо в каждой отдельно взятой частице за счет внешнего поля или самопроизвольно. Сверхизлучение реализуется при инверсной заселенности (когда количество частиц в возбужденном состоянии больше чем в основном) и его интенсивность пропорциональна квадрату количества частиц, как и вынужденное излучение. Но по длительности оно гораздо короче и не требует накапливания фотонов в системе.

Для объяснения эффекта сверхсветимости ученые используют модель атомного диполя. Она исходит из предположения, что во внешнем электромагнитном поле (например, световой волне) атом поляризуется, и, таким образом, его можно рассматривать как электрический диполь. Мысленно переведем большинство атомов в возбужденное состояние. Через некоторое время произойдет спонтанное излучение некоторых из них. Оно будет выступать в роли источника внешнего электромагнитного поля и «запустит» процесс образования атомных диполей. Если они при этом расположены на расстоянии, на котором возможно диполь-дипольное взаимодействие, это приведет к корреляциям между направлениями и фазами дипольных моментов отдельных атомов. Их волновые функции будут согласованы, и система в целом станет когерентной.    

Если атомы-диполи при этом колеблются в фазе и их дипольные моменты сонаправлены, создаваемое ими спонтанное излучение будет представлять собой интенсивную, направленную вспышку когерентного монохроматического излучения – это и есть сверхизлучение. Но возможна и обратная ситуация. Если диполи колеблются в противофазе, суммарный дипольный момент системы окажется нулевым и излучение атомов такой системы запрещено. Это явление называется субизлучением.

Создать состояние со сверхсветимостью гораздо проще, чем «заморозить» спонтанное излучение. В первом случае спонтанная вспышка происходит настолько быстро, что явление оказывается нечувствительно к таким эффектам как тепловое движение, соударения атомов, допплеровский, лэмбовский или штарковский сдвиг и другие. При этом субизлучение, наоборот, явление длительное, и подобные эффекты начинают разрушать симметрию дипольных взаимодействий. Поэтому, хотя состояние с субизлучением уже было получено на системе из двух диполей, прямых экспериментальных доказательств «подавления» спонтанного излучения на системе из большого количества частиц до сих пор не было получено.

Авторы новой работы смогли реализовать состояние с субизлучением для системы из порядка миллиарда атомов рубидия. Для этого они поместили газ из частиц в магнитооптическую ловушку и охладили до температур в 50 микровельвин. Затем ученые отключили лазерные лучи и градиентное поле ловушки на 3 миллисекунды, позволив газу расширяться, в результате чего все атомы перешли в одно из основных энергетических состояний. 

Серией из коротких лазерных импульсов газовое облако переводили в возбужденное состояние, а в промежутках между ними собирали спонтанное излучение с помощью фотодетектора. Эксперимент циклично повторяли около 500 тысяч раз. В большинстве случаев излучение «приходило» к детектору быстро, но некоторая его часть приходила с задержкой в 300 раз по сравнению со стандартным временем жизни возбужденного состояния. Таким образом, авторы делали вывод, что в этот цикл часть атомов облака находилась в состоянии субизлучения.

Добиться успеха по сравнению с предыдущими экспериментами авторам помог новый подход к постановке задачи. Ранее считалось, что создать когерентное состояние атомных диполей возможно только в том случае, если образец - атомное облако - сжать до размеров порядка длины волны испускаемого излучения. Но в таком режиме упругие столкновения между атомами приводят к быстрому разрушению когерентного субизлучательного состояния. Более поздние теоретические работы авторов данной статьи показали, что наблюдать субизлучение возможно и при больших межатомных дистанциях, главное, чтобы расстояние было достаточно малым для возникновения диполь-дипольных взаимодействий. 

Ученые полагают, что научившись создавать и переключать состояния со сверх- и субизлучением, можно создать новые способы записи и передачи информации для квантовых компьютеров. Антисимметричные субизлучательные состояния могут «хранить» поглощенные фотоны в течение долгого периода времени, а контролируемое переключение в состояние со сверхизлучением позволит быстро ее считывать.