Антигруппировку фотонов связали с некогерентным излучением
Физики экспериментально продемонстрировали связь между антигруппировкой одиночных фотонов и некогерентной составляющей излучения квантовой точки. Для этого они изучали спектры излучения источника одиночных фотонов и следили за их антигруппировкой при использовании разных спектральных фильтров в эксперименте Хэнбери Брауна — Твисса. Работа принята к печати в Physical Review Letters, препринт доступен на arXiv.org.
Источники одиночных фотонов на квантовых точках интересны не только применением в квантовой оптике и квантовых вычислениях, но и как отдельный объект для исследований. Квантовая точка — это двухуровневая система, в которой электрон может переходить с нижнего уровня на верхний и обратно с поглощением или испусканием фотона. Для того, чтобы квантовая точка могла излучать фотоны, необходимо перевести электрон с нижнего уровня на верхний. Чаще всего квантовые точки накачивают тоже фотонами, для чего используют лазерное излучение. В зависимости от мощности и спектральных характеристик накачки можно наблюдать разные режимы генерации излучения от квантовых точек.
Явление антигруппировки помогает удостовериться в том, что квантовая точка генерирует одиночные фотоны. Излучение одиночных фотонов отличается от когерентного излучение тем, что во втором случае фотоны могут лететь не только по одному, но и группами. Это легко проверить, если разделить пучок на света на светоделителе и измерять время прихода фотонов в каждом плече с помощью однофотонных детекторов. В случае антигруппировки, одиночный фотон, который приходит на светоделитель, пойдет либо в одно плечо схемы, либо в другое. То есть детекторы всегда будут кликать по очереди и никогда не кликнут одновременно. Если в такой схеме фотоны приходят одновременно, то это значит, что изначально они рождались группами, а не отдельно каждый. Такой эксперимент называется экспериментом Хэнбери Брауна — Твисса и нужен для проверки однофотонных источников.
Группа ученых из Мюнхенского технологического университета, шведского Королевского технологического института, Российского квантового центра и ряда других организаций под руководством Клауса Йонса (Klaus Jöns) экспериментально показала связь антигруппировки фотонов с наличием нерезонансного излучения и изучила эволюцию генерируемого квантовой точкой состояния в зависимости от мощности накачки.
Для эксперимента авторы использовали источник одиночных фотонов на квантовых точках из арсенида галлия. Они облучали его лазером с разными мощностями и наблюдали за антигруппировкой фотонов в эксперименте Хэнбери Брауна — Твисса, а параллельно следили за спектром генерируемого излучения.
Если накачивать квантовую точку слабым резонансным сигналом, то она будет переизлучать несгруппированные фотоны. В случае сильной накачки, квантовая точка переходит в режим насыщения и излучает фотоны спонтанно. Если внимательно посмотреть на спектр излучения квантовой точки, то помимо интенсивного и узкого пика можно обнаружить и второй — менее интенсивный и более размытый. Он отвечает за некогерентное излучение квантовой точки. Оказалось, что именно наличие некогерентной составляющей необходимо для наблюдения антигруппировки фотонов в системе.
Для того, чтобы оценить влияние некогерентной составляющей на качество антигруппировки, авторы использовали разные спектральные фильтры на детекторах в эксперименте Хэнбери Брауна — Твисса. Спектральные фильтры позволяют вырезать ограниченную часть спектра и детектировать только ее. По мере сужения полосы пропускания фильтра антигруппировка становится слабее, а при пропускании фильтром только когерентной составляющей пропадает совсем. Этот эксперимент подтверждает связь антигруппировки с некогерентной составляющей излучения.
То, насколько хорошо разгруппированы фотоны, показывает корреляционная функция второго порядка. Физики выделили три составляющие этой функции и показали, как они меняются в разных режимах накачки. Первые две — это суб- или супер-пуассоновский характер квантовых флуктуаций и аномальный импульс, а третья описывает сжатие света и доминирует при переходе от режима слабой накачки к сильной.
Понимание и изучение процессов генерации излучения квантовыми точками может открыть новые возможности для их применения и совершенствовать уже существующие, которых уже большое множество. Помимо квантовых вычислений, алгоритмы для которых удалось реализовать ученым из Нидерландов и генерации пар запутанных фотонов на основе спонтанного излучения квантовых точек, которое наблюдали австрийские ученые, у квантовых точек есть менее очевидные применения. Например, американские физики селективно синтезировали производные циклобутана с помощью квантовых точек. А другой группе ученых квантовые точки помогли заглянуть в растущую опухоль.
Оксана Борзенкова
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.