Свет лопающихся пузырьков оказался неклассическим

Канадские физики детально исследовали статистические свойства света, рождаемого при однопузырьковой сонолюминесценции. Применив два независимых метода, они выяснили, что сонолюминесцентные фотоны испытывают антигруппировку, что свидетельствует о неклассическом механизме их рождения. Исследование пока не прошло научное рецензирование, но с его препринтом уже можно ознакомиться.

Сонолюминесценция представляет собой периодическое излучение, возникающее при резком схлопывании кавитационных пузырьков за счет давления, созданного акустической волной. Для его наблюдения в емкости с жидкостью создают стоячую ультразвуковую волну. Сонолюминесценция может происходить в однопузырковом и многопузырьковом режиме, свойства излучения при этом различаются.

Несмотря на то, что сонолюминесценцию активно изучают с 90-х годов прошлого века, то сих пор нет четкого понимания лежащих в ее основе механизмов. Единственный способ разобраться в них — изучать рождаемое излучение. В типичном эксперименте по однопузырковой сонолюминесценции объем пузырька резко сокращается на три порядка, что приводит к генерации примерно миллиона фотонов, разлетающихся во всех направлениях. Спектр такого излучения близок к излучению черного тела с температурой порядка 6000 кельвин, что соответствует температуре поверхности Солнца. Физики пытались объяснить этот феномен с помощью тормозного излучения или рекомбинации электронов и ионов в плазме. Джулиан Швингер предложил более экзотический механизм, основанный на модификации электромагнитного вакуума и напоминающий динамический эффект Казимира. Тем не менее, у ученых пока нет достоверных свидетельств в пользу какого либо из этих механизмов.

Группа канадских физиков под руководством Эбрахима Карими (Ebrahim Karimi) из Университета Оттавы подробно исследовала менее очевидные свойства светового потока, рождаемого в процессе однопузырковой сонолюминесценции, которые связаны со статистикой фотонов. Применив два разных подхода, ученые выяснили, что такой свет имеет существенно неклассическую природу. Обнаруженные корреляции, хотя и не дают точного ответа, какой из механизмов ответственен за сонолюминесценцию, сильно ограничивают возможные объяснения.

Квантовая оптика сильно расширила наше понимание того, как может быть устроен свет. Переход от волновых воззрений к корпускулярным привел к новому описанию светового поля: теперь физики представляют его в виде чисел заполнения, соответствующим различным модам. В такой картине излучение черного тела (тепловое излучение) на множестве длин волн или излучение когерентного монохроматического лазера описываются с помощью распределения Пуассона для вероятности встретить n фотонов. Поскольку такой свет может быть описан с помощью электродинамики, его еще называют классическим.

Возникновение же дополнительной квантовой связи между процессами излучения может вызвать изменение в фотонной статистике. Его можно обнаружить, как считая отдельные фотоны в небольшом окне времени, так и наблюдая за тем, с каким интервалом фотоны долетают до детектора. В последнем случае в распределении этих интервалов возникает некоторый порядок, который можно оценить, вычисляя их взаимные корреляции различных порядков. Для теплового излучения эти коэффициенты больше единицы, для идеального когерентного излучения — равны ей. Когда же они меньше единицы, говорят про неклассический свет. Для идеального однофотонного источника эти коэффициенты равны нулю.

Физики использовали оба подхода, чтобы исследовать статистику однопузырковой сонолюминесценции, которую они наблюдали в сферической колбе, наполненной дегазированной водой. Авторы создавали в ней ультразвуковую волну на частоте 28,06 килогерца с помощью пьезоэлектрического преобразователя, прикрепленного ко дну колбы.

На первом этапе эксперимента они с помощью зеркал собирали свет, идущий из колбы в семи различных направлениях, таким образом, чтобы он попадал в объектив камеры в различные моменты времени. Это позволило измерить корреляционные функции сигнала вплоть до пятого порядка, которые оказались ощутимо ниже единицы. Средние от этих функций уменьшались с ростом порядка от 0,82 до 0,6.

На втором этапе авторы измеряли непосредственно статистику фотонов с помощью детектора, разрешающего число фотонов. Минимальное окно экспозиции детектора составляло 172,8 микросекунд, что соответствовало примерно пяти импульсам света. В такой схеме взаимная корреляция второго порядка оказалась равна 0,87±0,02, а распределение вероятности встретить n фотонов — существенно суб-пуассоновским.

Оба результата свидетельствуют о том, что процессы, в результате которых происходит однопузырковая сонолюминесценция, имеют квантовую природу. Следовательно, это явление не может быть объяснено с помощью одних лишь тепловых процессов. Полученный результат отдает предпочтение объяснению на основе динамического эффекта Казимира, которое, однако, содержит в себе противоречие, связанное со схлопыванием пузырька быстрее скорости света. С другой стороны, обнаруженные учеными свойства сонолюминесценции делают ее самым дешевым и доступным на сегодня источником неклассического света, что может найти применение в квантовых технологиях.

Ранее мы рассказывали про необычное поведение пузырьков, возникающих при облучении золотой наночастицы лазером.

Марат Хамадеев