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.
Рис.1. Схема энергетических уровней для системы Pr3+:Y2SiO5.
Стрелками показаны сигнальное (пробное) поле (wP),
управляющее (в [2] - coupling field)(wC) и вспомогательное
поля (wA).
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.
Рис.2. Остановка, хранение и высвобождение светового импульса.
Сплошной линией показан обусловленный пробным импульсом сигнал на
выходе из кристалла, пунктиром - изменение управляющего поля. На
вставке справа видно, что увеличении управляющего поля групповая
скорость растет, в результате пробный сигнал доходит до места регистрации
быстрее. Слева демонстрируется возможность захвата и хранения светового
импульса при выключении управляющего поля. Короткий управляющий
импульс "в центре" связан с тем, что необходимо "обратить" связанную
с неоднородным уширением спиновую дефазировку (по механизму так
называемого спинового эхо).
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).
|