Пару атомов возбудили одним фотоном

Швейцарские физики экспериментально доказали существование новой частицы — парного поляритона, то есть объединенного возбуждения поля и пары атомов. Для этого они поместили ферми-газ в сильном режиме взаимодействия в оптический резонатор. Исследование опубликовано в Nature.

Если облучать атом интенсивным светом с частотой, соответствующей переходу из основного в возбужденное состояние, населенность его уровней (то есть вероятность встретить атом на уровне) начинает осциллировать с частотой Раби. Такая ситуация описывается с помощью так называемых «одетых» состояний, которые включают в себя и состояния поля, и атома. Оказалось, что такой подход справедлив не только для атомов, молекул или квантовых точек, но и вообще для любых систем, где есть фотоиндуцированный переход, даже самых экзотических.

Одной из таких систем оказался ферми-газ, состоящий из взаимодействующих друг с другом атомов. В нем может возникать элементарное возбуждение, которое происходит, когда два атома переходят в особое молекулярное состояние, чья протяженность существенно ниже, чем характерные расстояния между свободными атомами в газе. Образование такого состояния за счет поглощения фотона называется фотоассоциацией и определяется по спектрам пропускания излучения через газ. При «одевании» такого перехода светом в спектрах также проявляют себя осцилляции Раби. Их наблюдали всего пару раз, но лишь для слабовзаимодействующих атомов в газе, для которых этот процесс фотоассоциации остается крайне несущественным.

Физики из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством Жана-Филиппа Брантю (Jean-Philippe Brantut) смогли экспериментально реализовать сильную связь поля с веществом в условиях сильной связи между атомами ферми-газа. В результате они зафиксировали гибридные возбуждения, которые смешивают пару атомов и фотон в одну квазичастицу — парный поляритон. Парные поляритоны объединяют в себе быструю динамику резонансного взаимодействия, присущую свету, и универсальность парных корреляций, характерную для атомов, что отражается в оптических спектрах.

Для реализации этого эффекта авторы помещали облако изотопов лития ⁶Li, состоящее из примерно 460000 атомов, в резонатор с высокой добротностью в присутствии магнитного поля. Ферми-газ был сильно охлажден для достижения вырожденного состояния, а наличие резонатора обеспечивало сильную связь излучения с веществом. Магнитное поле было подобрано таким образом, чтобы при изменении отстройки зондирующего излучения ферми-газ испытывал кроссовер БКШ—БЭК, то есть последовательность состояний газа, соответствующая различным режимам парных корреляций атомов. Физики построили частотную диаграмму, меняя отстройку частоты резонатора и частоты зондирующего излучения, и обнаружили несколько сигналов фотоассоциации во всех режимах кроссовера.

Исследуя корреляционную функцию парного поляритона, авторы обнаружили, что ее зависимость от силы взаимодействия носит универсальный характер. Иными словами, связь поля с переходами фотоассоциации зависит только от особенностей атомов в основном состоянии, а не от деталей перехода в молекулярное состояние. Чтобы проверить эту гипотезу, физики измерили зависимость частоты Раби от различных параметров при разных режимах и для разных переходов. Результаты измерения оказались в согласии с вычислениями, сделанными в рамках упрощенных орбиталей, подтверждая гипотезу.

Помимо этого, ученые показали, что в такой системе можно производить динамические измерения, отслеживая свойства парных поляритонов со временем. Для этого авторам нужно было научиться различать сигнал фотоассоциации от сигнала одиночных атомов. Это было сделано с помощью наклона поляризации падающего излучения по отношению к магнитному полю. В этом случае различные сигналы оказывались поляризационно чувствительными.

Физики проводили 50 измерений с интервалом в 10 миллисекунд. В результате они смогли обнаружить уменьшение коллективной частоты Раби со временем, частично связанное с потерями атомов в самом газе. Вместе с тем нормализованная частота Раби, связанная с парными поляритонами, оставалась неизменной, что подтверждает, что многочастичный характер взаимодействия сохраняется даже после многократных измерениях на одном и том же атомном ансамбле. Авторы надеются, что полученные результаты будут полезны при исследовании корреляций старших порядков.

Измерение динамических параметров атомных и молекулярных систем в последнее время вышло на новый уровень. Недавно мы рассказывали, как когерентную динамику молекулы йода измерили с фемтосекундным разрешением.

Марат Хамадеев