Фізика
Фізика

Атоми рубідію навчили контрольовано розпадатися у хмарі

Фізикам вдалося створити субвипромінення у хмарі з п’яти тисяч атомів рубідію і покерувати ним за допомогою лазера, щоб використати як квантову пам'ять для фотона. Атоми в такому стані запобігали розпадам один одного, що можна використовувати для створення колективного атомного відгуку на світло і, наприклад, передавати інформацію. Роботу вчені опублікували в Physical Review X.

Зліва атом у збудженому стані розпадається до основного стану, випускаючи фотон праворуч. У колекції збуджених атомів, розділених на відстань меншу, ніж довжина хвилі переходу, руйнівна інтерференція в їх випромінюванні перешкоджає колективному розпаду від збудженого стану (e) до основного стану (g). APS/Alan Stonebraker

Зліва атом у збудженому стані розпадається до основного стану, випускаючи фотон праворуч. У колекції збуджених атомів, розділених на відстань меншу, ніж довжина хвилі переходу, руйнівна інтерференція в їх випромінюванні перешкоджає колективному розпаду від збудженого стану (e) до основного стану (g). APS/Alan Stonebraker

Навіщо нам зберігати світло у рубідії?

Ми добре знаємо, як дворівневі поодинокі атоми, тобто ті, що мають всього два енергетичних рівня, взаємодіють із випромінюванням - відгук атома на нього описується резонансною частотою і швидкістю розпаду. А яскравим проявом цього є «субвипромінювання» — збудження атома в середовищі уповільнюється, а з ним і швидкість розпаду, що вже можна було б використовувати для зберігання і випускання світла за запитом. Однак, збереження і вивільнення світла можливо, коли відстань між атомами менше довжини хвилі світла і якщо зв'язок між атомами можна контролювати ззовні. Це можливо, якщо атоми діятимуть колективно — якщо їх розділити відстанню, меншою, ніж довжина хвилі випромінювання, вони можуть стати «темними» та запобігати розпаду один одного.

Експеримент вчених є доказом принципу тимчасового контролю такого субвипромінення в атомному середовищі. Їм вдалося стиснути до п’яти тисяч атомів рубідію-87 та у щільну хмару та використовувати відносно невелику потужність лазера для створення розладу між атомами. Такі інтерфейси взаємодії між атомами і світлом перспективні для протоколів квантової пам’яті, передачі інформації або підвищення точності вимірювань. Коли атоми близько розташовані, їхній вплив один на одного може викликати колективну взаємодію зі світловим полем.

Що таке субвипромінювання?

Однією зі змін, які переживає анасмбль атомів, якщо на нього почати діяти світлом — суб- та надвипромінювання. Їх ще називають випромінюваннями Діке, коли всі атоми одночасно переходять в основний стан за час, обернено пропорційний числу атомів. Надвипромінювання Діке називають також суперфлуоресценцією, бо всі атоми починають колективне спонтанне випромінювання багатьох збуджених атомів, зумовлене кореляцією дипольних моментів переходу завдяки взаємодії через електромагнітне поле.

Субвипромінювання є аналогом цього процесу, коли швидкістю розпаду є меншою, ніж атомна, а явище виникає в результаті опосередкованої фотонами диполь-дипольної взаємодії між атомами. Фотони, що випускаються атомами у надвипромінювальному стані конструктивно інтерферують, збільшуючи загальну випромінювання (і, отже, швидкість розпаду). А от у субвипромінювальному стані інтерференція деструктивна, і випромінювання атомного ансамблю придушується.

Це явище теоретики і пропонують використовувати для реалізації більш ефективних додатків для зберігання та вивільнення фотонів, розробки нових технологій вимірювання і нелінійної квантової оптики. Але досі досягнення таких малих відстаней між частинками для взаємодії з фотонами в упорядкованих масивах залишається проблемою.

Що зробили фізики із рубідієм?

Субвипромінювальні стани домінують у випромінюванні на пізніших етапах появи колективної взаємодії в атомах. Більш того, частина надвипромінювальних станів просочується у субвипромінювальні, а разом ці два процеси сприяють появі довгого емісійного хвоста, під час якого хмара з атомів повільно випромінює фотони. Геометрію цих хвостів і досліджували вчені та дійшли висновку, що еволюція субвипромінювального стану визначається виключно кількістю атомів в хмарі: у міру збільшення числа атомів, час життя цього стану збільшується. Це підтверджує теоретичні передбачення про те, що субвипромінювання «побудоване» з суперпозицій станів. Вчені викликали субвипромінювання в щільному атомному ансамблі, в якому значна частина атомів займає обсяг менше довжини хвилі випромінювання. Для цього вони «зловили» п’ять тисяч атомів рубідію-87 оптичним пінцетом за температури близько 650 мікрокельвінів та за один імпульс в інтервалі у половину наносекунди фіксували 0,01 фотона.

Як ним покерувати?

Вчені досліджували «багаточастинкові» субвипромінювальні стани, де не одне, а кілька збуджень розділяються між атомами. Вони збільшували інтенсивність падаючого світла, створюючи безліч надвипромінювальних збуджень, а затим порушували атоми резонансним лазером, затримуючи субвипромінювання. Потім другим лазером вчені «вимикали» взаємодію між атомами і вивільнювали накопичене світло. Це відбувалося завдяки порушенню атомного резонансу, що і викликало раптовий спалах випромінювання. Така здатність керувати колективним оптичним відгуком атомів в реальному часі має найрізноманітніші наслідки: від підвищення точності протоколів квантової інформації до вивчення фізики багатьох тіл в відкритих квантових системах, що знаходяться поза рівновагою.