• 16.10.2021 14:11

    Пару атомов возбудили одним фотоном

    Автор:beron

    Сен 1, 2021 ,
    Пару атомов возбудили одним фотоном

    Пару атомов возбудили одним фотономПару атомов возбудили одним фотономПару атомов возбудили одним фотономПару атомов возбудили одним фотономПару атомов возбудили одним фотоном

    H. Konishi et al / Nature, 2021

    Швейцарские физики экспериментально доказали существование новой частицы — парного поляритона, то есть объединенного возбуждения поля и пары атомов. Для этого они поместили ферми-газ в сильном режиме взаимодействия в оптический резонатор. Исследование опубликовано в Nature.

    Если облучать атом интенсивным светом с частотой, соответствующей переходу из основного в возбужденное состояние, населенность его уровней (то есть вероятность встретить атом на уровне) начинает осциллировать с частотой Раби. Такая ситуация описывается с помощью так называемых «одетых» состояний, которые включают в себя и состояния поля, и атома. Оказалось, что такой подход справедлив не только для атомов, молекул или квантовых точек, но и вообще для любых систем, где есть фотоиндуцированный переход, даже самых экзотических.

    Одной из таких систем оказался ферми-газ, состоящий из взаимодействующих друг с другом атомов. В нем может возникать элементарное возбуждение, которое происходит, когда два атома переходят в особое молекулярное состояние, чья протяженность существенно ниже, чем характерные расстояния между свободными атомами в газе. Образование такого состояния за счет поглощения фотона называется фотоассоциацией и определяется по спектрам пропускания излучения через газ. При «одевании» такого перехода светом в спектрах также проявляют себя осцилляции Раби. Их наблюдали всего пару раз, но лишь для слабовзаимодействующих атомов в газе, для которых этот процесс фотоассоциации остается крайне несущественным.

    Физики из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством Жана-Филиппа Брантю (Jean-Philippe Brantut) смогли экспериментально реализовать сильную связь поля с веществом в условиях сильной связи между атомами ферми-газа. В результате они зафиксировали гибридные возбуждения, которые смешивают пару атомов и фотон в одну квазичастицу — парный поляритон. Парные поляритоны объединяют в себе быструю динамику резонансного взаимодействия, присущую свету, и универсальность парных корреляций, характерную для атомов, что отражается в оптических спектрах.

    Для реализации этого эффекта авторы помещали облако изотопов лития 6Li, состоящее из примерно 460000 атомов, в резонатор с высокой добротностью в присутствии магнитного поля. ферми-газ был сильно охлажден для достижения вырожденного состояния, а наличие резонатора обеспечивало сильную связь излучения с веществом. Магнитное поле было подобрано таким образом, чтобы при изменении отстройки зондирующего излучения ферми-газ испытывал кроссовер БКШ—БЭК, то есть последовательность состояний газа, соответствующая различным режимам парных корреляций атомов. Физики построили частотную диаграмму, меняя отстройку частоты резонатора и частоты зондирующего излучения, и обнаружили несколько сигналов фотоассоциации во всех режимах кроссовера.

    Пару атомов возбудили одним фотономПару атомов возбудили одним фотономПару атомов возбудили одним фотономПару атомов возбудили одним фотономПару атомов возбудили одним фотоном

    Схематическое изображение двухчастичных волновых функций для трех режимов кроссовера БКШ—БЭК (оттенки синего) и для молекулярного состояния (черная линия).

    H. Konishi et al / Nature, 2021

    Исследуя корреляционную функцию в парного поляритона, авторы обнаружили, что ее зависимость от силы взаимодействия носит универсальный характер. Иными словами, связь поля с переходами фотоассоциации зависит только от особенностей атомов в основном состоянии, а не от деталей перехода в молекулярное состояние. Чтобы проверить эту гипотезу, физики измерили зависимость частоты Раби от различных параметров при разных режимах и для разных переходов. Результаты измерения оказались в согласии с вычислениями, сделанными в рамках упрощенных орбиталей, подтверждая гипотезу.

    Помимо этого, ученые показали, что в такой системе можно производить динамические измерения, отслеживая свойства парных поляритонов со временем. Для этого авторам нужно было научиться различать сигнал фотоассоциации от сигнала одиночных атомов. Это было сделано с помощью наклона поляризации падающего излучения по отношению к магнитному полю. В этом случае различные сигналы оказывались поляризационно чувствительными.

    Физики проводили 50 измерений с интервалом в 10 миллисекунд. В результате они смогли обнаружить уменьшение коллективной частоты Раби со временем, частично связанное с потерями атомов в самом газе. Вместе с тем нормализованная частота Раби, связанная с парными поляритонами, оставалась неизменной, что подтверждает, что многочастичный характер взаимодействия сохраняется даже после многократных измерениях на одном и том же атомном ансамбле. Авторы надеются, что полученные результаты будут полезны при исследовании корреляций старших порядков.

    Измерение динамических параметров атомных и молекулярных систем в последнее время вышло на новый уровень. Недавно мы рассказывали, как когерентную динамику молекулы йода измерили с фемтосекундным разрешением.

    Марат Хамадеев

    Источник: nplus1.ru



    голоса

    Рейтинг статьи




    Adblock test .

    Источник
    Автор: Физик Александр Пушной