Физики увидели осцилляции Раби с помощью экстремального ультрафиолета

Европейские физики сообщили о наблюдении характерных дуплетов в спектрах электронов, выбитых из атомов гелия когерентным светом в диапазоне экстремального ультрафиолета. Полученный результат свидетельствует о возникновении в атомах осцилляций Раби. Форму и положение дуплетов удалось теоретически воспроизвести только после учета эффектов квантовой интерференции, вовлекающих дополнительные уровни в ионизацию. Исследование опубликовано в Nature.

Осцилляциями Раби называют периодическую модуляцию населенности в квантовой двухуровневой системе, на которую воздействует некоторое переменное поле с частотой, близкой к резонансу. Впервые они были теоретически обнаружены Исидорам Айзеком Раби при решении задачи о фермионах с полуцелом спином, прецессирующих в магнитном поле, однако вскоре физики поняли, что это универсальное квантовомеханическое явление, которое встречается во множестве процессов.

Главные условия их возникновения — это ярко выраженная дискретная структура энергетических уровней и когерентность падающего излучения. В первую очередь это относится к атомам и молекулам, освещаемым лазерным излучением, но феномен можно увидеть и в более экзотических системах. Например, мы рассказывали про осцилляции Раби, связанные с превращением двух атомов и одного фотона в парный поляритон и магнонов в фононы, сборкой и распадом молекул и многим другим.

Помимо фундаментальной важности, этот процесс имеет практическую пользу в качестве инструмента для квантовых манипуляций. Так, с помощью когерентного переноса населенности физики научились пленять звуком спин и решать поисковые задачи при блуждании атомов между узлами оптической решетки. Ученые стремятся перенести этот инструмент на как можно большее число физических платформ, но это получается не всегда. Например, при облучении атомов или молекул фотонами в диапазоне экстремального ультрафиолета (нанометровые длины волн) возникает богатая процессами физика, однако из-за высокой частоты такого света сложно создать источники, в которых поддерживался бы высокий уровень когерентности и повторяемости импульсов.

К одному из таких источников — затравочному лазеру на свободных электронах FERMI (Free Electron laser Radiation for Multidisciplinary Investigations), расположенному в лаборатории ELETTRA близ Триеста, Италия — имела доступ группа физиков из Германии, Италии, Франции и Швеции под руководством Сайката Нанди (Saikat Nandi) из Лионского университета. Ученые направляли излучение этого лазера на гелиевый газ и пытались поймать эффекты осцилляций, настроив энергии фотонов на близость к резонансу в атомах. В результате они не только обнаружили характерную дуплетную структуру в спектрах вылетающих фотоэлектронов, но и уловили эффекты, вызванные квантовой интерференцией между различными каналами ионизации.

Довольно популярным способом описания осцилляций Раби стал подход на основе «одетых» состояний. Его суть заключается в том, что в присутствии достаточно интенсивного поля привычные состояния двухуровневой системы (их еще называют «голыми») перестают быть собственными. Чтобы рассчитать ее новый спектр, физики добавляют в гамильтониан взаимодействие с электромагнитным излучением. Новые собственные состояния представляют собой две возможные суперпозиции «голых» состояний (их обозначают |+> и |–>). При попытке измерить их в «голом» базисе, вероятность найти частицу в основном или возбужденном состоянии будет осциллировать со временем с частотой Раби. А поскольку |+> и |–> состояния обладают различной энергией, в спектрах «одетых» атомов появляется характерное расщепление, называемое расщеплением или дуплетом Аутлера — Таунса.

В поисках такого дуплета физики перестраивали энергию лазера в диапазоне 23,742 электронвольта, что соответствует переходу между основным 1s² и возбужденным 1s4p состояниями в атоме гелия. Длительность импульсов была в среднем равна 56 фемтосекундам с пиковой интенсивностью 1,4 × 10¹⁴ ватт на квадратный сантиметр. Помимо перемешивания состояний отдельные фотоны в импульсе приводили к фотоионизации атома гелия: однофотонной в возбужденном состоянии и двухфотонной — в основном. Вылетающие электроны попадали в камеру спектрометра с магнитной бутылкой, измерявшего их энергию.

В идеальной двухуровневой системе дуплет Аутлера — Таунса наблюдается при точном соблюдении условия резонанса (расстройка лазера относительно атома равна нулю), а его форма имеет симметричный вид. Авторы же столкнулись с асимметричным дуплетом, чьи компоненты выравнивались только при отстройке в коротковолновую область на несколько миллиэлектронвольт. В простой модели асимметрия возникает при ионизации с основного состояния из-за различного поведения соответствующих амплитуд в «одетых» состояниях, ионизация с возбужденного же состояния симметрична. Однако первый процесс должен быть на четыре порядка слабее, чем второй.

Чтобы понять причину расхождения, физики добавили в вычисления влияние дополнительных возбужденных состояний, включающих в себя континуум. Оказалось, что суперпозиция одно- и двухфотонных каналов фотоионизации приводит к деструктивной интерференции для первого из них. Этот же эффект отвечает за сдвиг дуплета, поскольку двухфотонная ионизация имеет нерезонансный характер. Просканировав энергию лазера в некотором диапазоне, физики увидели характерное антипересечение в электронных спектрах, которое было подтверждено численным и аналитическим моделированием.

Освоение коротковолновых оптических диапазонов сложнее, чем привычной видимой области вместе с приграничными ей диапазонами, но все же на этом пути физики уже достигли существенного прогресса. Не так давно они научились генерировать ультрафиолетовый суперконтинуум, создали металинзу, излучающую и фокусирующую вакуумный ультрафиолет, и даже изготовили ахроматическую рентгеновскую линзу.

Марат Хамадеев