Новости науки | ||||
11.01.02. Твердотельная "ловушка" для света. | ||||
Похоже, известие об "остановке света" в начале года становится хорошей
традицией. На сей раз в Physical Review Letters сообщается о
манипуляциях с импульсом света в кристаллах Y2SiO5,
легированных празеодимом: группа ученых из США и Южной Кореи смогла
уменьшить скорость распространения импульса до 45 м/с, а также осуществить
"захват" и "высвобождение" импульса.
Год назад эксперименты по "остановке света" ,
связанные с возможностью когерентного управления прохождением импульса через
резонансно поглощающую среду в режиме фотоиндуцированной прозрачности,
поразили воображение людей. Тогда ученые управляли скоростью распространения
импульса света в атомных парах, а также осуществляли "захват", "хранение" и
"высвобождение" импульса света. В этот раз исследователи производили схожие
манипуляции со светом в кристаллах диэлектрика Y2SiO5,
содержащего 0.05 атомных процента празеодима, но в идейном плане
эксперименты близки. Подробно об экспериментах со светом в парах рубидия [1]
можно прочесть в
нашей заметке , здесь мы лишь в общих чертах скажем о механизме
управления световым импульсом.
В подобных экспериментах в обычных условиях оптическая среда полностью
непрозрачна для света с определенной длиной волны из-за резонансного
поглощения (это очень важный момент - эффект резонансный), однако при
определенных условиях среда становится прозрачной под действием
электромагнитного излучения (эффект фотоиндуцированной прозрачности). Более
мощное "управляющее поле" (грубо говоря, подсветка) делает возможным
распространение в среде на порядок более слабого "сигнального (пробного)
поля" (импульса, с которым производятся манипуляции). Управляющее и
сигнальное поля связывают (см. рис.1) уровни, отличающиеся магнитными
квантовыми числами и, таким образом, электромагнитное поле оказывается
"завязанным" со спиновой подсистемой атомов (и в парах рубидия, и в системе
Pr:Y2SiO5). Образуется смешанное состояние фотонов и
возбуждений среды (поляритон), причем скорость распространения поляритона в
среде (которая гораздо меньше скорости света), а также "относительная доля"
электромагнитного поля и спиновой компоненты в таком "составном"
возбуждении, зависит от величины управляющего поля. Адиабатически медленно
выключив управляющее поле, можно остановить поляритон, при этом поляритонное
состояние не разрушается, а полностью переходит в спиновые возбуждения.
Надо подчеркнуть, что в это время в среде не существует никаких фотонов,
поэтому термины "остановка света" и "хранение света" не следует понимать
буквально. Адиабатически медленным включением управляющего поля можно
"возродить свет к жизни"; время "хранения света" лимитируется характерным
временем спиновой релаксации в системе (и в парах рубидия, и в системе
Pr:Y2SiO5 это примерно 0.5 мс).
В первую очередь такие "игры со светом" представляют интерес с точки
зрения хранения и обработки квантовой информации - для работы квантовых
компьютеров требуется сохранение когерентности квантовых состояний. В силу
удобства интеграции с твердотельными электронными устройствами выгодно
использовать твердотельную среду для манипуляций с импульсом света, но
эффект резонансный и требуются малые спектральные ширины линий, а в твердых
телах спектральные ширины линий на порядки превышают ширины линий в атомных
спектрах. Однако и в твердом теле можно работать с достаточно узкими
линиями, если кристаллическая матрица содержит редкоземельные элементы. Это
связано с уникальными свойствами редкоземельных элементов, которые
определяются их сложной электронной структурой - у них происходит заполнение
электронами специфической 4f-облочки. 4f электроны иона
редкоземельного элемента в кристаллической матрице фактически экранированы
от внешних воздействий и поэтому слабо реагируют на окружение;
соответственно, спектральные ширины линий лишь в малой степени неоднородно
уширены вследствие локальных вариаций внутрикристаллических полей. Конечно,
твердотельная специфика проявляется. Даже из рисунка 1 видно, что методика
манипулирования импульсом несколько иная, например, присутствует третье
"поле" (свет с частотой, отличающейся от частоты управляющего и сигнального
полей) - "вспомогательное поле" (wA), оно определяет оптическую плотность
среды (степень прозрачности) для сигнального импульса.
В экспериментах группы американских и корейских ученых [2] использовался
лазер на красителях, генерирующий излучение с длиной волны 606 нмж; для
выделения трех частот использовались акустооптические преобразователи
частоты. Сигнальный импульс длительностью несколько десятков микросекунд
попадал в кристалл Y2SiO5, легированный празеодимом.
Путем изменения управляющего поля (интенсивности подсветки с сответствующей
частотой) ученые управляли скоростью распространения импульса света (рис.2);
оказывалось возможным уменьшить групповую скорость до 45 м/c (это почти в
десять миллионов раз меньше скорости света в вакууме). Также, посредством
выключения и включения управляющего поля оказывалось возможным остановливать
импульс и хранить его в течении определенного времени, а потом высвобождать
(рис.2). Таким образом, была продемонстрирована возможность когерентного
управления прохождением импульса через резонансно поглощающую
твердотельную среду в режиме фотоиндуцированной прозрачности.
Под конец заметим, что на самом деле демонстрация "хранения света" в
твердотельной матрице с редкоземельными ионами не есть еще один шаг вперед в
поступательном развитии науки - на самом деле статья Турухина и др. [2]
поступила в редакцию Physical Review Letters даже раньше, чем
статья Филлипса с соавторами [1].
1. D.F.Phillips, A.Fleischhauer, A.Mair, R.L.Walsworth, and M.D.Lukin. Phys.Rev.Lett., v.86, 783
(2001).
2. A.F.Turukhin, V.S.Sudarshanam, M.S.Sharhiar et al. Phys.Rev.Lett. v.88, 023602 (2002).
| ||||
|