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 (w_P), управляющее (в [2] - coupling field)(w_C) и вспомогательное поля (w_A).

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" (w_A), 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).

перейти к началу страницы