Притяжение фотонов в квантовой нелинейной среде
Работая с коллегами из центра Ультрахолодных атомов Гарварда-Массачусетcа, группа профессора физики Гарварда Михаила Лукина и профессора физики МТИ Владана Вулетича смогла достичь того, чтобы фотоны связались вместе — состояние материи прежде бывшее только в чистой теории. Работа описана в статье Nature от 25 сентября 2013 года.
Фундаментальные свойства света определяются частицами, из которых свет состоит, - безмассовыми, невзаимодействующими друг с другом квантами (фотонами). Тем не менее, уже давно известно, что осуществление когерентных взаимодействий между отдельными фотонами, которые похожи на взаимодействия между массивными частицами, может дать возможность развитию широкого спектра теоретических и практических применений. В работе рассматривается квантовая нелинейная среда, внутри которой индивидуальные фотоны распространяются как массивные частицы с сильным взаимным притяжением таким, что преобладает распространение фотонных пар посредством двухфотонного связанного состояния. Это достигается путем рассеивающего сцепления света с сильно взаимодействующими атомами в высоковозбуждённых ридберговских состояниях.
«Этот эффект называется блокада Райдберга» — сказал Лукин. Эффект описывает состояние атомов, когда атом возбуждён соседние атомы не могут быть возбуждены в той же степени. На практике эффект означает, что как только два фотона входят в атомарное облако, первый возбуждает атом, но должен оказаться впереди раньше, чем второй фотон сможет возбудить соседние атомы.
Авторами работы была измерена динамическая эволюция двухфотонной волновой функции, с использованием квантовой томографии с разрешением во времени, и было продемонстрировано, что условный фазовый сдвиг, величиной более одного радиана, приводит к образованию поляризационно-запутанных фотонных пар. Конкретные применения этого метода включают оптические переключатели, детерминированную фотонную квантовую логику и генерацию сильно связанных состояний света.
Рисунок. Фотоны с сильным взаимным притяжением в квантовой нелинейной среде. а), б). Линейно поляризованный слабый лазерный пучок вблизи перехода |g> → |e> на 780 нм подается в охлажденный рубидиевый газ, контролируемый лазером вблизи перехода |e> → |r> на 479 нм. Сильные нелинейные взаимодействия между σ+-поляризованными фотонами обнаружены с использованием фотон-фотонных корреляционных функций пропускаемого света для набора различных значений поляризации, определяемых с помощью четвертьволновой пластинки (QWP), полуволновой пластинки (HWP) и поляризационного светоделителя (PBS). Здесь σ--фотоны выступают в качестве основной фазы.
Источник информации:
The above story is based on materials provided by Harvard University, via EurekAlert!, a service of AAAS.
Journal Reference:
- Ofer Firstenberg, Thibault Peyronel, Qi-Yu Liang, Alexey V. Gorshkov, Mikhail D. Lukin, Vladan Vuletić. Attractive photons in a quantum nonlinear medium. Nature, 2013; DOI: 10.1038/nature12512