Новости науки 13.05.01 Фермионный лазер?
Известно, что бозоны при определенных условиях могут "сваливаться"
в единое квантовое состояние и образовывать бозе-конденсат. Его
важное свойство заключается в том, что все процессы, связанные с
пополнением конденсата, значительно усилены. Именно на основе этого
явления работают, к примеру, лазеры. В последние же годы похожие
явления наблюдаются и в экспериментах с атомными бозе-конденсатами.
Однако в отличие от фотонов, атомы могут быть и фермионами, поэтому
возникает вопрос: может ли существовать усиление в рассеянии облаков
фермионов? Как показали работы [W.Ketterle and S.Inouye, Phys.Rev.Lett.86,
4203 (2001)] и [M.G.Moore and P.Meystre, Phys.Rev.Lett.86,
4199 (2001)], ответ на этот вопрос утвердительный, как не парадоксально
это казалось бы на первый взгляд.
Для того, чтобы понять идею, давайте сначала разберемся с механизмом
вынужденного излучения лазерного света. Грубо говоря, если N фотонов,
находящихся в одном квантовом состоянии, пролетают мимо возбужденного
атома, то вероятность того, что атом излучит еще один фотон в это
квантовое состояние усилена в N+1 раз по сравнению с другими альтернативами.
Именно так образуется когерентный лазерный свет. Стандартное объяснение
этого усиления: начальные фотоны являются бозонами и находятся в
состоянии бозе-конденсата, и потому процесс пополнения этого конденсата
всегда усилен. (Отметим, что усиление амплитуды в корень из двух
раз существует, конечно, и без конденсата, всего лишь на одном фотоне.
Однако нас здесь интересуют эффекты макроскопического усиления.)
Заметьте, что в таком объяснении, казалось бы, бозонная природа
фотонов играет ключевую роль, и без нее никуда.
Однако на ситуацию можно взглянуть и по-иному. Вокруг возбужденного
атома будущий, еще не излученный фотон всегда есть, но только в
виртуальном состоянии. Этот виртуальный фотон интерферирует с полем
налетающего фотонного конденсата и образует некую периодическую
пространственную структуру своего рода дифракционную решетку
из света. На этой дифракционной решетке и рассеивается атом.
Заметьте пикантность ситуации: не свет рассеивается на дифракционной
решетке из вещества, а вещество (атом) рассеивается на решетке из
света (ведь в квантовом мире вещество тоже обладает волновыми качествами).
Но как известно, дифракционная решетка существенно меняет картину
рассеяния частиц (в нашем случае, рассеяния атома): рассеяние идет
теперь практически в строго определенных направлениях. Поэтому атом
рассеивается не как попало, а преимущественно в неком конкретном
направлении. Тогда получается, что виртуальный фотон должен превратиться
в реальный и, по закону сохранения импульса, тоже должен идти в
некотором конкретном направлении. Так вот, оказывается, что это
направление совпадает с направлением исходного фотонного пучка!
Это, конечно, не случайность, а просто иной взгляд на вынужденное
излучение фотона. Однако тут бозе-природа фотонов не упоминается
явно! Самое главное здесь это дифракционная решетка частиц
одного типа, на которых рассеивается частица другого типа. И поэтому
возникает идея: если мы будет сталкивать облака фермионов и каким-то
образом заставим их образовывать периодическую структуру, дифракционную
решетку, может быть тогда можно будет наблюдать и вынужденное усиление
в фермионных системах?
|