Физики разобрались с динамикой коллективного взаимодействия атомов с одним фотоном

Физики разобрались с динамикой коллективного взаимодействия атомов с одним фотоном

Физики экспериментально исследовали динамику коллективного поглощения и испускания ансамблем атомов одиночных фотонов. Они выяснили, что такие взаимодействия нарастают вдоль массива атомов в направлении распространения света. Ученые также обнаружили оптические коллективные эффекты для атомов, разнесенных на десятки метров. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Открытие законов квантового мира позволило обнаруживать и изучать новые необычные коллективные эффекты. К их числу можно отнести явление сверхизлучения, которое впервые теоретически описал Дикке. Оно заключается в способности атомов, расстояние между которыми меньше, чем длина волны, коллективно испускать одинаковые фотоны, что сказывается на интенсивности и скорости излучения.

Со временем стало понятно, что если между несколькими атомами есть связь, то они могут коллективно поглотить даже один фотон с образованием так называемого состояния Дикке. Более того, оказалось, что состояние Дикке может образоваться, даже тогда, когда расстояние между атомами превышает длину волны. В этом случае оно модифицируется фазовыми множителями, включающими в себя координаты атомов. Такая модификация приводит к тому, что свойства сверхизлучения становятся зависящими от направления по законам квантовой интерференции. Несмотря на успехи в наблюдении коллективного поглощения и излучения атомами одного фотона, динамика этих процессов до недавнего времени изучалась лишь теоретически.

Физики из Австрии и Германии при участии Арно Раушенбойтеля (Arno Rauschenbeutel) из Берлинского университета имени Гумбольдта экспериментально изучили детали коллективного взаимодействия ансамбля атомов со светом, распространяющимся в одномодовом оптическом волноводе. Они показали, что каскадное взаимодействие между атомами и одиночным фотоном вызывает постепенное нарастание коллективных эффектов вдоль ансамбля атомов в направлении распространения света.

Авторы создавали облако холодных атомов цезия, захваченных в магнито-оптическую ловушку вокруг суженного до 400 нанометров оптического волокна (с длиной сужения один сантиметр). Такое волокно пропускало оптический импульс с длительностью 150 наносекунд и длиной волны 852 нанометров в одномодовом режиме. Свет, полностью отражаясь от стен волновода, тем не менее, взаимодействовал с атомами посредством эванесцентного поля. Чтобы изучать состояния Дикке, физики создавали импульсы со средней мощностью, намного меньшей, чем энергия одного фотона, деленная на время жизни атомного возбужденного состояния. По этой причине пропускание и отражение света измеряли однофотонные детекторы.

Авторы несколько отстраивали частоту света от резонансного перехода в атомах цезия и наблюдали за тем, как это влияет на временну́ю форму количества прошедшего через волновод света. Все измерения они сопроводили квантово-механическими симуляциями без свободных параметров, которые учитывали поатомные взаимодействия. Вычисления оказались в превосходном согласии с измеренным пропусканием, что позволило авторам проанализировать поведение отдельных атомов в модели.

Физики обнаружили, что, чем дальше расположен атом от входа в волновод, тем сильнее модифицируются его осцилляции Раби, что вызвано интерференцией между входным импульсом и переизлученным первыми атомами светом. Кроме того, они увидели, что, чем дальше атом, тем больше скорость его излучения, что есть характерный маркер сверхизлучения. Авторы верифицировали эти результаты, наблюдая за тем, как меняется эта скорость для света, прошедшего вперед и отраженного назад, при изменении количества атомов и расстройки. В частности, в условиях резонанса скорость излучения назад сравнялась с таковой для одиночного атома, в то время как излучение вперед сильно ускорилось.
Ученые обратили внимание на то, что нарастание коллективных эффектов не связано с расстояниями между атомами. Теория предсказывает, что эффект должен сохраниться, даже если оно много больше, чем расстояние, которое проходит свет за время жизни их возбужденных состояний. Чтобы убедиться в этом, физики встроили одномодовое волокно в 45-метровый кольцевой резонатор. В результате свет взаимодействовал с ансамблем атомов несколько раз, а достаточно большая задержка позволяла рассматривать эти взаимодействия независимо. В результате опыта авторы увидели, что с ростом числа проходов света через сужение в конце импульса нарастает когерентная супервспышка, чья скорость излучения также увеличивается.

Если коллективное испускание света обнаружить сравнительно легко, то коллективное поглощение — гораздо тяжелее. Недавно мы рассказывали, как физикам удалось создать оптическую квантовую батарею на основе этого эффекта.