Атомы ослабят лазер без поглощения фотонов

Благодаря постселекции облако атомов в основном состоянии может гасить и усиливать падающий на него лазерный луч даже в том случае, если состояние атомов не изменяется. Ключевую роль в этом эффекте играет переменное и заранее неизвестное число фотонов, содержащихся в падающем пучке. Теоретическую статью с описанием эффекта американские физики опубликовали в Physical Review A, а препринт статьи выложили на сайте arXiv.org.

Если достаточно сильно охладить облако атомов и некоторое время подождать, то все атомы «свалятся» в основное состояние, в котором их энергия минимальна. Такое облако поглощает фотоны, но не может их испускать. Следовательно, если пропустить сквозь него лазерный луч, атомы будут «выдергивать» из него фотоны и отбирать энергию. Впрочем, в квантовой механике процесс поглощения фотона происходит не наверняка, поэтому с небольшой вероятностью атомы могут остаться в основном состоянии даже после пропускания лазерного луча. Естественно ожидать, что после такой обработки энергия луча не изменится.

Тем не менее, в квантовой механике такие интуитивные соображения не всегда работают. Например, в 2017 году группа исследователей под руководством Джеймса Франсона (James Franson) теоретически показала, что оптический параметрический усилитель может подавлять излучение даже в том случае, если его вспомогательная мода (idler mode) не содержит фотонов. Для этого нужно провести постселекцию квантового состояния усилителя, то есть намеренно выбрать состояния без фотонов и «выбросить» остальные состояния. После такой обработки будет казаться, что усилитель ничего не делает, однако интенсивность выходящего (сигнального) лазерного луча будет уменьшаться.

По словам ученых, такое контринтуитивное поведение можно легко объяснить, если вспомнить, что падающий на усилитель лазерный пучок в каждом эксперименте содержит неопределенное число фотонов. С одной стороны, чем больше фотонов в падающем пучке, тем больше вероятность, что какой-либо из атомов перейдет в возбужденное состояние. С другой стороны, при постобработке мы выбираем только такие состояния, в которых с атомным облаком ничего не происходит. Следовательно, при постобработке эксперименты с бо́льшим числом падающих фотонов будут учитываться с меньшим весом, и среднее число фотонов на выходе будет меньше среднего числа фотонов на входе. При этом закон сохранения энергии не нарушается — «отбракованные» фотоны просто не попадают в детектор.

В новой статье та же группа повторила эти рассуждения для облака атомов и показала, что после постселекции оно также ослабляет сигнал без видимых изменений квантового состояния. Такое устройство работает более эффективно, чем обычное поглощающее облако, для которого конечное состояние атомов не имеет значения, а в некоторых случаях даже может служить усилителем. Для простоты ученые рассмотрели взаимодействие когерентного излучения с одним-единственным двухуровневым атомом (помимо основного состояния такой атом может находиться в одном возбужденном), а потом обобщили результат на случай большого числа атомов, каждый из которых по очереди взаимодействует с излучением. Полученные аналитические зависимости ученые проверили с помощью численных расчетов в Wolfram Mathematica.

Кроме того, физики отдельно рассмотрели случаи слабой и сильной связи между атомом и электромагнитным полем. Чем больше дипольный момент атома и чем дольше он взаимодействует с импульсом, тем больше соответствующая константа связи r. В случае слабой связи (r < 0,5) и до, и после постобработки облако поглощало фотоны, причем во втором случае гораздо интенсивнее. Например, при r = 0,25 и числе атомов N = 10 из десяти фотонов падающего пучка в среднем выживали 5,88 или 4,92 фотона соответственно. Качественно этот результат объясняется так же, как и в случае параметрического усилителя.

Однако в случае сильной связи поведение облака после постелекции изменялось, и оно могло не только гасить, но и усиливать падающее излучение. Например, при r = 0,45 и N = 10 десять фотонов падающего пучка превращались в 1,04 фотона, однако при r = 0,6 среднее число фотонов в выходящем пучке подскакивало до 19,15. Без постобработки число фотонов в выходящем пучке при тех же условиях составляло 2,72 и 2,39. По словам ученых, усиление сигнала можно списать на осцилляции Раби: чем больше число фотонов в падающем пучке, тем больше вероятность, что цикл Раби будет завершен, а атом вернется в основное состояние. Следовательно, вес состояний с большим числом фотонов увеличится, и при постселекции среднее число атомов в выходящем пучке может вырасти.

Стоит отметить, что пока не понятно, можно ли реализовать предложенный метод на практике, поскольку сущестсвующие методы постселекции работают с небольшим количеством атомов и имеют крайне низкую эффективность (порядка 10⁻³). Тем не менее, если ученым все-таки удастся построить работающий усилитель по предложенной схеме, то он пригодится для большого числа экспериментов, работающих с квантовыми состояниями атомов, поскольку он эти состояния практически не изменяет.

Благодаря сложности механизмов, которые управляют взаимодействие атомов и лазерного излучения, физики до сих пор открывают в таких системах новые интересные эффекты. Например, в июле 2016 итальянские физики-теоретики описали эксперимент, в котором с помощью одного фотона можно возбудить сразу два атома. В апреле 2018 исследователи из Франции и Бразилии научились связывать атомы с помощью лазерного излучения (несмотря на то, что этому процессу должно мешать вязкое трение). А в июне этого года американские ученые построили атомное радио, для которого приемником служат ридберговские атомы, просвечиваемые двумя парами лазеров. Не считая небольших помех, напоминающих потрескивания виниловой пластинки, принятый радио сигнал оказался довольно чистым.

Дмитрий Трунин