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?

перейти к началу страницы