Найден способ обнаружить квантовое сверхпоглощение

AdTG4Nq6pBw1

Физики из Оксфордского университета нашли способ экспериментально обнаружить квантовое сверхпоглощение — противоположное сверхизлучению явление, которое, в отличие от последнего, до сих пор никогда не наблюдалось в опыте. Ключевым для этого, по словам авторов, может стать сборка квантовой системы в кольцо. Исследование опубликовано в Nature Comminications.

На фото: Схема сверхпоглощения с падающими фотонами и кольцом квантовых элементов. Изображение: K. D. B. Higgins, Nature Communications, 2014

Сверхпоглощение и сверхизлучение — это кооперативные феномены поведения квантовых систем, состоящих из многих элементов — атомов или молекул. Впервые описание обоих процессов было предложено Робертом Дике в 1954 году, а экспериментально наблюдать сверхизлучение удалось 1973 году. Тем не менее, наблюдать зеркальное явление — сверхпоглощение — до сих пор не удавалось.

Когда мы говорим не об одном, а о системе атомов, то при определенных условиях рассматривать излучение отдельных атомов нельзя; необходимо рассматривать излучение всей системы. Явление сверхизлучения связано с тем, что для системы из N тождественных атомов время излучения уменьшается в N раз по сравнению со временем спонтанного излучения одного атома (cпонтанное излучение — это процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами при их переходе из возбужденного состояния в основное).

Если интенсивность обычного спонтанного излучения экспоненциально затухает с течением времени, то сверхизлучение представляет собой интенсивный импульс, который происходит с некоторой задержкой после приготовления возбужденного состояния системы, причем пиковая интенсивность оказывается пропорциональной N2. Фактически при этом происходит синфазное сложение дипольных моментов излучающих атомов и возникает макроскопический дипольный момент, пропорциональный N. Так как интенсивность пропорциональна квадрату дипольного момента, то ее зависимость от количества атомов в итоге оказывается квадратичной.

Законы квантовой механики утверждают, что для систем со сверхизлучением должно наблюдаться также противоположное ему явление — сверхпоглощение. Другими словами, системы с увеличенной скоростью испускания должны также обладать увеличенной скоростью поглощения.

Если возбужденная система находится в вакууме, излучение, естественно, доминирует над поглощением, так как отсутствуют фотоны, которые она могла бы поглотить. Но так происходит не только в вакууме — даже в высокоинтенсивных полях во всех исследованных до сих пор системах излучение доминирует над поглощением.

Явление сверхпоглощения так бы и осталось эфемерным теоретическим предсказанием, если бы не последняя работа ученых из Оксфорда. Вдохновленные природой, а именно белковым комплексом LH1, являющимся «антенной» в процессе фотосинтеза, авторы статьи предложили организовать составляющие систему атомы (молекулы, квантовые точки, дефекты кристалла) в кольцо.

Стоит, однако, заметить, что LH1 и вообще все системы естественного происхождения свойством сверхпоглощения не обладают. Для этого необходимо, чтобы скорости перехода ограничивались динамикой двухуровневой системы, то есть все переходы должны происходить на одной частоте, которую физики назвали «хорошей». В невзаимодействующей системе атомов этого добиться невозможно. Однако включив небольшое взаимодействие между атомами, добиться желаемого эффекта реально.

Теория Дике требует, чтобы атомы были идентичны, но взаимодействие между ними возможно, если они особым образом организованы — например, образуют кольцо. Для того, чтобы частота переходов оставалась «хорошей», ученые предложили использовать методы квантовой инженерии: например, помещая систему в фотонный кристалл, в фотонной запрещенной зоне которого находятся «плохие» частоты. Таким образом, поглощенные фотоны будут пойманы и не будут переизлучаться.

Хотя экспериментальное подтверждение сверхпоглощения все еще не было получено, ученые предложили только несколько систем, в которых его можно было бы пронаблюдать: например, набор квантовых точек, организованных в кольцо, или конденсат Бозе-Эйнштейна. Явление сверхпоглощения может найти применение при создании сенсоров для сверхбыстрых камер или в принципиально новых детекторах излучения.