Нанооптоволокно помогло атомам сверхизлучать на расстоянии

Соединив с помощью оптического нановолокна два атома рубидия, физики смогли увеличить расстояние, на котором наблюдается эффект сверхизлучения — совместного испускания когерентного пучка света повышенной интенсивности несколькими атомами — до расстояния в несколько сот длин волн. Этот же механизм можно использовать и для возбуждения субизлучения — кооперативного снижения интенсивности излучения, — пишут авторы статьи, опубликованной в Nature Communications.

Обычно сверхизлучение — испускание когерентного пучка электромагнитных волн группой атомов — наблюдается в системе возбужденных частиц, которые находятся друг от друга на очень небольшом расстоянии, но при этом почти не сталкиваются друг с другом. При определенных условиях это приводит к спонтанному коллективному переходу с уровня возбуждения в основное состояние, который сопровождается излучением с интенсивностью больше, чем чем у отдельного атома. Предполагается, что если ограничить электромагнитное взаимодействие между атомами до двух или даже одного измерения, то расстояние, на котором атомы будут коррелировать и сверхизлучать, можно сильно увеличить.

Чтобы исследовать, что в действительности происходит в подобной системе, группа американских и мексиканских физиков под руководством Пабло Солано (Pablo Solano) из Мэрилендского университета в Колледж-Парке рассмотрела, как между собой взаимодействуют холодные атомы рубидия-87, если они взаимодействуют через оптическое нановолокно. Для этого оптоволокно радиусом 240 нанометров помещали в облако охлажденных с помощью магнитооптической ловушки атомов, которые после этого с помощью лазера переводились в возбужденное состояние.

Оказалось, что атомы рубидия могут сверхизлучать, даже находясь на расстоянии вплоть до 400 длин волн (резонансная длина, которая использовалась в эксперименте, составляла 780 нанометров). По словам ученых, это расстояние может быть значительно увеличено, и ограничивается только практической реализацией. По словам ученых, к такому эффекту приводит взаимодействие дипольных моментов атомов, которое благодаря электромагнитному взаимодействие через оптическое нановолкно синхронизирует состояния атомов. Авторы работы отмечают, что обнаруженный эффект может использоваться для создания систем защищенной передачи информации между атомами, находящимися на удалении друг от друга.

Кроме того, при определенных условиях ученым удалось обнаружить для таких атомов эффект субизлучения — тоже кооперативного эффекта, который приводит не к усилению интенсивности излучения, а наоборот, к ослаблению. В отличие от сверхизлучения, субизлучение наблюдается значительно реже, тем не менее это может быть очень полезным инструментом для квантово-оптических устройств.

Использование холодных атомов рубидия для исследования необычных эффектов, связанных со сверх- и субизлучением, — не редкость. Например, именно на них впервые удалось показать возможность субизлучения не для нескольких атомов, а сразу для огромного облака, состоящего из миллиардов атомов. Исследовать же более традиционные аспекты сверхизлучения можно, например, с помощью массивов излучающих красителей, прикрепленных к ДНК-оригами.

Александр Дубов