Свет: остановка по требованию?
Чуть больше месяца назад средства массовой информации поразили
воображение общественности небывалым известием - ученые остановили
свет! Как же, со школьной скамьи мы помним, что максимальная возможная
скорость - это скорость света в вакууме c = 300000 км/с (примерно).
Также мы помним, что свет - это фотоны, частицы, не имеющие массы.
Поэтому крайне затруднительно представить себе фотоны, словно по
мановению волшебной палочки "зависшие" в воздухе (или в парах рубидия).
Теперь, когда ажиотаж схлынул, самое время разобраться, как и для
чего "остановили" свет.
Свет практически одновременно"остановили" сразу две группы, использовавшие
схожие методики. Группа Лизы Хау [1] в качестве "рабочей среды"
использовала ультрахолодные пары натрия (при температуре около микрокельвина
- условия, прямо скажем, достаточно экзотические). Зато в группе
Филлипса и Лукина [2] использовались пары рубидия, причем температуры
были самые "рабоче-крестьянские" - 70 - 90 С. Мы будем поэтому говорить
об экспериментах второй группы.
Импульс света (длина волны - 795 нм) длительностью от 10 до 30
мкс пропускался через пары рубидия (с концентрацией атомов 1011
- 1012 см-3), содержащиеся в кювете (длина
кюветы - 4 см) при температуре 70 - 90 C (схема эксперимента изображена
на рис.1c). В обычных условиях при подобных концентрациях атомов
оптическая среда полностью непрозрачна для света с такой длиной
волны из-за резонансного поглощения (это очень важный момент - эффект
резонансный). Однако существует возможность сделать среду прозрачной,
воздействуя на нее электромагнитным излучением (эффект фотоиндуцированной
прозрачности). Более мощное "управляющее поле" (свет с правой циркулярной
поляризацией) делает возможным распространение в среде на порядок
более слабого "сигнального поля" (упоминавшийся выше импульс, свет
с левой циркулярной поляризацией), скорость распространения "сигнального
импульса" при этом существенно уменьшается. Управляющее и сигнальное
поля связывают (рис.1a) через возбужденное состояние пару зеемановских
подуровней (зеемановское расщепление вызвано самим электромагнитным
полем), отличающихся магнитными квантовыми числами (0 и 2). Таким
образом, электромагнитное поле "завязано" со спиновой подсистемой
атомов рубидия.
Рис.1. (a) L-конфигурация: пара зеемановских подуровней,
отличающиеся магнитными квантовыми числами (0 и 2), "завязана" через
возбужденное состояние управляющим c и сигнальным s полями. (b)
Эффект очень тонкий: расстояние между зеемановскими подуровнями
- десятки килогерц, что демонстрируется уменьшением пропускания
- "потерей прозрачноcти"- при приложении малого магнитного поля
вследствие выхода из резонансных условий. (с) Схема эксперимента;
можно видеть, что кювета (cell) с парами рубидия заэкранирована,
чтобы избежать воздействия на систему посторонних магнитных полей.
Необходимо сделать отступление. Групповая скорость распространения
электромагнитных волн может быть отлична от c - этот факт вряд ли
может кого-то удивить: в среде с показателем преломления n групповая
скорость равна c/n. На самом деле n не является константой, показатель
преломления зависит от энергии (частоты w ) фотона, поэтому
правильнее писать n(w ). Очевидно, возможна ситуация, когда
энергия кванта близка или совпадает с какой-либо особенностью энергетического
спектра среды (будь-то расстояние между уровнями энергии атома,
как в описываемых экспериментах, или возбуждения среды в твердом
теле - экситоны, фононы, магноны). В этом случае уже нельзя представлять
дело так, будто имеют место отдельно фотоны и отдельно возбуждения
среды. В физике твердого тела уже давно известно, что в такой ситуации
реализуется смешанное состояние, называемое поляритонным, - отчасти
электромагнитное поле (фотоны), отчасти возбуждения среды. Показатель
преломления в районе подобной особенности может претерпевать существенные
изменения. Схожий резонансный эффект, как уже подчеркивалось, и
имел место в эксперименте американских ученых. Примерно за год до
успешно осуществленного эксперимента Флейшхауер и Лукин провели
теоретические расчеты и показали [3], что при распространении света
соответствующей частоты в атомных парах в режиме фотоиндуцированной
прозрачности возникает связанное состояние электромагнитного поля
и коллективных спиновых возбуждений атомов - "темный поляритон"
(число фотонов в сигнальном импульсе должно быть при этом существенно
меньше числа атомов в ячейке). Причем групповая скорость распространения
сигнального импульса зависит от величины управляющего поля. Поэтому,
меняя величину управляющего поля, можно изменять свойства (скорость
и относительную долю электромагнитного поля и спиновых возбуждений)
"темного поляритона". В частности, адиабатически медленно выключив
управляющее поле, можно остановить поляритон.
Рис.2. "Хранение света".
Свет с левой циркулярной поляризацией, регистрируемый на выходе
из кюветы (жирная линия). Пунктирная линия обозначает управляющее
поле. Когда часть импульса (I) уже покинула кювету, управляющее
поле выключают и из кюветы ничего не выходит до тех пор, пока управляющее
поле не включат вновь. Тогда выходит "замороженная" часть импульса
(II). Время везде указано в микросекундах.
Собственно, дальнейшее было делом техники. Групповая скорость
света в среде уменьшалась более чем на пять порядков - до 1 км/c
(cам по себе такой результат не является рекордным, два года назад
Лизе Хау и др. [4] удалось уменьшить групповую скорость света до
17 м/c, т.е. более чем в десять миллионов раз (!)). Пока сигнальный
импульс распространялся в кювете, исследователи адиабатически медленно
(3 мкс) выключали управляющее поле, "замораживая" часть импульса
в кювете (часть успевала выйти из кюветы до выключения управляющего
поля). Поляритонное состояние не разрушалось, а полностью переходило
в спиновые возбуждения атомов. Т.е. в это время в кювете не оставалось
никаких фотонов - ВСЯ энергия электромагнитного поля преобразовывалась
в коллективные возбуждения среды. Ключевой момент состоит в том,
что это преобразование происходило КОГЕРЕНТНО и было ОБРАТИМЫМ.
Именно когерентность и обратимость преобразования и дали повод говорить
об "остановке света": фотоны, "возвращенные к жизни" адиабатически
медленным включением управляющего поля, были идентичны фотонам,
вошедшим в кювету - они "помнили" свое состояние до "остановки"
(выходил свет с левой циркулярной поляризацией). Время "хранения
света" в парах рубидия (рис.2) лимитируется характерным временем
релаксации атомного магнитного момента вследствие столкновения со
стенками кюветы. Максимальное достинутое время "удержания света"
- 0.5 мс (большая величина по меркам оптики).
Настала пора, наконец, ответить на сакраментальный вопрос - для
чего это все нужно? В настоящее время бурно развивается новое направление
исследований, связанное с квантовыми вычислениями и, соответственно,
"квантовыми вычислителями" - квантовыми компьютерами. Слово "квантовый"
означает здесь, что принципиальным является квантовомеханический
характер поведения системы. Квантовые компьютеры должны дать гигантский
выигрыш в скорости вычислений по сравнению с обычными, классическими
компьютерами. Для создания квантовых компьютеров необходимо, чтобы
при переносе, записи, хранении и считывании информации не разрушалось
квантовое состояние системы (идет "борьба за когерентность"). Фотоны
являются наиболее быстрыми и удобными носителями информации, однако
проблема состоит в том, чтобы научиться "неразрушающим" образом
локализовать и сохранять их. И описанные выше работы дают ключ к
решению этой проблемы. Был, кстати, такой вариант экспериментов
в группе Лизы Хау - "хранящийся" импульс света высвобождался ...
по частям: управляющее поле включалось на небольшой промежуток времени,
а затем снова выключалось. Таким образом можно было вывести импульс
из кюветы в несколько приемов. По существу происходило неоднократное
(и не нарушающее состояние системы) считывание хранящейся информации.
|