Физики заставили фотоны интерферировать с магнонами

Китайские физики продемонстрировали квантовую интерференцию между волнами различной природы, а именно между фотонами и магнонами. Они повторили опыт Хонга — У — Мандела, где в роли светоделителя выступили темные поляритоны, возбужденные в атомном облаке. Управляя свойствами поляритонов с помощью дополнительного лазера, ученые могли менять характер интерференции от бозонного к фермионному. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Квантовой интерференцией называют класс явлений с участием элементарных частиц, атомов или достаточно небольших объектов, чье поведение может быть объяснено только с помощью волновых представлений. Ричард Фейнман неспроста считал этот феномен «лежащим в сердце квантовой механики», поскольку его признаки встречаются в большом количестве областей физики, начиная от ультрахолодной химии и заканчивая атомной гравиметрией. Поскольку фотоны — это тоже квантовые частицы, квантовая интерференция включает в себя и обычную интерференцию света, хорошо описываемую в рамках классической физики. Подробнее о границе между квантовым и классическим читайте в материале «Власть частичного».

Хрестоматийным примером квантовой интерференции по сей день остается мысленный эксперимент с двумя щелями, придуманный Фейнманом. В нем, а также в его различных модификациях и аналогах одна частица переходит в состояние суперпозиции, обусловливающей интерференцию. Вопрос о том, могут ли интерферировать разные частицы, долгое время оставался открытым. Например, Поль Дирак был уверен, что ответ отрицательный. Но великий физик ошибся: его тезис опровергли экспериментально в 1963 году. С тех пор ученые доказали, что квантовая интерференция двух идентичных частиц и квазичастиц наблюдается для любых их типов: от плазмонов до атомов.

Следом физикам стало интересно, могут ли интерферировать неидентичные частицы. Ключом к наблюдению этого необычного эффекта стал элемент, который реализует когерентную связь между двумя типами возбуждений. Именно так удалось экспериментально доказать интерференцию фотонов с различными частотами, а также фотонов и коллективных атомных возбуждений.

Кэюй Су (Keyu Su) из Южно-китайского педагогического университета со своими китайскими коллегами решили пойти дальше и увидели квантовую интерференцию между одиночными фотонами и одиночными магнонами (квантами спинового возбуждения). Для этого они создавали для разных частиц аналог интерферометра Хонга — У — Мандела, где в роли светоделителя выступали темные поляритоны, возбужденные в ансамбле атомов. Предложенный подход включал в себя полный контроль взаимодействия фотонов с магнонами, включающий управление фазой их гибридного состояния. В результате ученые смогли менять статистический исход интерференции, что выглядело так, будто бы фотоны и магноны ведут себя как фермионы.

Эффект Хонга — У — Мандела заключается в отклонении статистки счета фотонов при их одновременном прохождении через один и тот же светоделитель от классических предсказаний. В опыте, проведенном в 1987, году фотоны падали на светоделитель с разных сторон. Свойства пластинки были таковы, что вероятность и прохождения, и отражения была равна 50 процентам. В результате из-за квантовой интерференции фотоны существенно чаще регистрировались парами по одну из сторон (эффект группировки). Но эксперименты с электронами показывают противоположный результат: частицы стремятся оставаться по разные стороны от делителя (эффект антигруппировки). Физики объясняют это разницей статистик: бозонной у фотонов и фермионной у электронов, которая влияет на фазовые соотношения при перестановке частиц.

Чтобы провернуть такой же трюк парами фотонов и магнонов, физикам понадобился аналог делителя, который связывает оба типа частиц. Лучше всего на эту роль подошли темные (то есть долгоживущие) поляритоны — гибридная форма фотон-магнонных возбуждений в среде, которую используют для реализации квантовой памяти. Облучая среду дополнительным лазером, физики могли контролировать фазовые свойства этих квазичастиц, а также вероятности их распада на фотон или магнон.

В роли среды авторы использовали облако атомов рубидия-85, захваченных в магнитооптическую ловушку. В качестве источника одиночных фотонов они использовали дополнительно атомное облако. В начале каждого экспериментального цикла это облако генерировало пару фотонов, один из которых сигнализировал об успешном рождении пары, а второй направлялся в среду, где возбуждал темный поляритон. Затем физики таким же способом создавали второй фотон, запускали его в среду и инициировали интерференцию Хонга — У — Мандела с помощью перекрытия волновых функций двух поляритонов. Для подсчета вылетевших фотонов они использовали однофотонные детекторы, а для подсчета магнонов — конвертировали их в фотоны дополнительным импульсом управляющего лазера, а затем также направляли на детекторы.

Важной особенностью представленной схемы была зависимость потерь поляритонов от свойств лазера и оптической глубины атомов. Эта неэрмитовость, в свою очередь, помогала физикам настраивать разность фаз между каналом отражения и каналом прохождения. Меняя ее от 0 до π, авторы управляли корреляционной функцией второго порядка в диапазоне от 0,4 (группировка) до 1,71 (антигруппировка), что лежит за пределами, разрешенными в классической статистике. Исследователи добились эффекта антигруппировки также и для трех фотонов.

В спиновые волны может превращаться не только свет, но и звук. Мы уже рассказывали, как физики увидели биения сильно связанных магнонных и фононных мод.

Марат Хамадеев