Российские и немецкие физики теоретически показали возможность того, что в нелинейной среде очень короткий световой импульс может остановиться сам по себе. Численные симуляции и аналитические вычисления показали, что это происходит из-за образования минимума в эффективном потенциале, который формируется из-за нелинейного взаимодействия импульса с атомами. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Свет летит в пустоте с максимально возможной в физике скоростью. Это становится преимуществом, когда мы хотим передавать с его помощью информацию на далекие расстояния. Однако, когда нужно сильно воздействовать светом на какой-то объект, его скорость желательно сделать как можно меньше, чтобы продлить контакт между ними — идеальным был бы полностью остановившийся на объекте свет.
Несмотря на кажущуюся фантастичность, остановка света — это вполне реальная технология. В ее основе лежит тот факт, что скорость света равна ровно c только в вакууме. В любой другой среде групповая скорость светового пакета будет меньше этого предельного значения в той или иной степени за счет взаимодействия с составляющими ее атомами или свободными зарядами. Вместо того, чтобы ежемоментно учитывать это взаимодействие, физики описывают такой свет не с помощью чистых фотонов, а с помощью различных квазичастиц, в структуру которых оно уже включено по умолчанию. Так, объединению света и колебаний коллективных атомных диполей соответствуют квазичастицы поляритоны (подробнее о других квазичастицах и о поляритонах читайте в наших материалах «Зоопарк квазичастиц» и «Квантовые кентавры»).
Групповая скорость поляритонов тем меньше, чем сильнее они настроены на резонанс со средой. У этого, однако, есть и обратная сторона — поглощение. Оно также усиливается при приближении к резонансу. Одним из способов борьбы с поглощением стало явление самоиндуцированной прозрачности. Оно наблюдается тогда, когда длительность светового импульса совпадает с периодом когерентных колебаний населенности в атомном ансамбле (или кратна ему). Другими словами, за время пролета импульса его энергия успевает один или несколько раз перейти к атомам и вернуться обратно в импульс. Пока таким способом удается замедлять достаточно длинные световые импульсы, но не останавливать их полностью. Однако насколько хорошо этот механизм работает для очень коротких импульсов пока неизвестно.
Физики из Санкт-Петербургского государственного университета, Физико-технического института имени Иоффе РАН и Ганноверского университета имени Готфрида Вильгельма Лейбница при участии Николая Розанова (Nikolay Rosanov) теоретически показали, что короткий световой импульс, распространяющийся в условиях самоиндуцированной прозрачности в однородной нелинейной среде, может полностью остановиться. Образующаяся при этом структура из света и возбуждений среды обладает необычными пространственно-временными свойствами, которые ранее не наблюдались для нелинейных локализованных световых волн (солитонов).
Авторы рассмотрели падение одноциклового светового импульса (то есть такого импульса, в котором вектор напряженности электрического поля успевает за время его длительности совершить только одно колебание) с длиной волны 700 нанометров на слой нелинейного материала толщиной 3,2 микрометра (примерно 4,6 длины волны). Материал состоял из плотно расположенных (6,3×1022 единиц на кубический сантиметр) двухуровневых атомов, переход между уровнями которых находился в резонансе с частотой света.
Численное решение нелинейного волнового уравнения совместно с уравнениями Блоха для матрицы плотности атомов позволило понять, как в таком случае изменяются в пространстве и во времени электрическое поле, поляризация среды и инверсия населенности. Оказалось, что распространение света в материале при выбранных параметрах можно разделить на три ярко выраженных этапа.
На первом из них импульс в течение нескольких фемтосекунд распространяется с постоянной, чуть замедленной скоростью, однако осцилляции его полной энергии начинают существенно нарастать. На втором этапе, который длится около 27 фемтосекунд, среднее значение полной энергии остается примерно постоянным, в то время как скорость самого импульса замедляется, пока он не останавливается на расстоянии от границы сред примерно равном 3,6 длины волны. Центр масс импульса при этом совершает низкочастотные колебания вокруг этого значения. Наконец, на завершающем этапе импульс остается в том же положении, однако начинает терять энергию за счет ее излучения в разные стороны. Значительная ее часть при этом движется в виде отдельного импульса в направлении, противоположном изначальному. В таком виде стационарный импульс остается ощутимым даже по прошествии сотни фемтосекунд.
Доступ ко всем параметрам импульса в ходе симуляции позволил физикам детально разобраться в том, что именно происходит со световой и атомной энергией в любой момент времени. Так, они выяснили, что спектр импульса сразу после входа в материал испытывает сильное смещение с увеличением частоты почти в четыре раза. При этом вектора электрического поля и поляризации колеблются в противофазе, в то время как инверсия населенности колеблется в два раза чаще, чем они. За такое необычное поведение физики назвали осциллирующую во времени связанную структуру поля и вещества осциллоном по аналогии со солитоноподобными структурами, которые возникают в гранулированных средах.
Оказалось, что поведение оптического осциллона можно качественно понять аналитически, если поместить его в эффективный потенциал, который возникает из-за нелинейного взаимодействия. Этот потенциал обладает локальным минимумом, который и притягивает к себе осциллон, заставляя последний колебаться вокруг его середины. Неидеальность же осциллона добавляет к потенциалу ангармонические члены, что приводит к его последующему рассеянию. Простые аналитические оценки показали, что его частота должна в этом случае увеличится в пять раз, что очень похоже на то, что авторы увидели в результате симуляции.
Ранее другие физики из Санкт-Петербурга, а именно из Университета ИТМО, смогли экспериментально задержать свет с помощью полимерного квазикристалла.
Марат Хамадеев
Без ухудшения параметров детектирования
Физикам удалось увеличить разрешение сверхпроводниковой камеры до 400 тысяч пикселей. Скорость работы и чувствительность камеры позволяет получать изображение от сигналов очень слабой мощности, а ее структура — масштабировать устройство в дальнейшем. Работа опубликована в Nature.Детекторы на сверхпроводниках применяются во многих областях — от исследований черной материи до квантовых вычислений и коммуникации. Сложно выделить какой-то один параметр, по которому детекторы на сверхпроводниках превзошли полупроводниковые лавинные детекторы — они обладают и высокой эффективностью детектирования фотона (порядка 98 процентов) и небольшим мертвым временем (меньше трех пикосекунд), работают в диапазоне от ультрафиолета до ИК-излучения, а их темновой шум составляет не больше микрогерца. Один из возможных путей развития технологии сверхпроводниковых детекторов — создание сверхчувствительных камер. Чтобы собрать из детекторов камеру, необходимо очень быстро и очень точно определять, какой именно детектор сработал. Для этого можно считывать сигнал отдельно с каждого детектора, подводя к нему свою шину, но такой подход сложно масштабировать — для 20 тысяч пикселей нужно 20 тысяч управляющих шин — такая система окажется очень громоздкой. Можно делать длинные детекторы и измерять время прилета электрона, обрабатывать эти данные и тоже получать изображения. Однако, и тут возникает сложность масштабирования — изготовить такие детекторы технически сложно.Группа физиков из Национального института стандартов и технологий под руководством Адама Маккогана (A. N. McCaughan) объединила два этих подхода и сделала камеру с разрешением в 400 тысяч пикселей. Им удалось превзойти предыдущую реализацию камеры на сверхпроводниковых диодах в 20 раз. Авторы собрали матрицу из детекторов, где у каждой строки и каждого столбца были свои шины считывания. Чувствительные области камеры, которые поглощают фотоны, чередуются с диэлектрическими прослойками, в которых плотность тока мала, поэтому они никак не реагируют на прилет фотона и позволяют отделять детекторы друг от друга. Прилетевший фотон создает в цепи сопротивление, которое отводит ток смещения их детектора на нагревательный элемент термодатчика. Он, в свою очередь, генерирует фононы, которые разрушают сверхпроводимость и создает два противоположных по полярности напряжения импульса. Оба импульса распространяются по считывающей шине в разные стороны и с большими скоростями. По разности времен прихода можно определить, какой именно детектор сработал. Физики следили за темновым шумом системы и отключали детекторы, которые вносили наибольший вклад в общий шум. Таких оказывалось всего порядка 58 на 1300 работающих исправно. Кроме этого очень важно следить за тем, чтобы детектор поймал фотон и конечный импульс добрался до шины передачи сигнала. Авторы отметили, что энергия, необходимая для срабатывания шины, на два порядка ниже реальной энергии, которую передает детектор. Единственная проблема, которую пока еще не удалось решить — это повышение эффективности оптического детектирования фотонов, с ней физикам еще предстоит разобраться. Помимо создания камер на основе сверхпроводниковых детекторов ученые исследуют возможности сверхпроводников и в других направлениях. Например, создают детекторы, способные считать число фотонов (пока только до четырех) или увеличивают их в размере для повышения эффективности.