Новости науки 12.07.02. Управляемое спиновое сверхизлучение

Российские ученые из Объединенного института ядерных исследований в недавней теоретической работе показали, что может быть реализован необычный режим спинового сверхизлучения - управляемое спиновое сверхизлучение. Эффект управлемого спинового излучения может быть использован в системах обработки информации.

Спиновое сверхизлучение является в каком-то смысле аналогом оптического сверхизлучения. Эффект сверхизлучения - когерентного спонтанного излучения - состоит в коллективном спонтанном испускании электромагнитного излучения системой возбужденных излучателей (например, атомов). Этот эффект отличен от обычного спонтанного излучения, когда процессы испускания для различных атомов протекают независимо: при когерентном спонтанном излучении атомы излучают, условно говоря, синхронно и характерная длительность импульса излучения на несколько порядков меньше, чем для некогерентного спонтанного излучения (в простейшем случае она обратно пропорциональна числу атомов). Для генерации импульса сверхизлучения необходимо, чтобы атомы находились в инвертированном состоянии, что обычно достигается с помощью короткого мощного импульса накачки. После этого по истечении времени задержки (много меньшего характерного времени спонтанного излучения), необходимого для установления корелляций между дипольными моментами атомов, и имеет место импульс сверхизлучения.

Схожий эффект может иметь место и для спиновой подсистемы (в радиодиапазоне), когда образец находится магнитном поле, если с помошью накачки добиться инверсной заселенностт зеемановских уровней. Отличие от оптического сверхизлучения состоит в том, что спины взаимодействуют не друг с другом, а с резонансным электрическим контуром.

Рис.1. Четыре группы импульсов спинового сверхизлучения (расчет).

До настоящего времени было известно два режима спинового сверхизлучения. В первом, как и в описанном выше оптическом сверхизлучении, инвертированная система спинов когерентно переходит в основное состояние, что сопровождается мощным импульсом излучения. Второй (импульсный) режим отличается тем, что имеет место постоянное воздействие на систему (накачка), поддерживающее инвертированную спиновую поляризацию. В результате происходит периодическая когерентная релаксация спинов, соответственно, имеет место серия импульсов сверхизлучения. Ученые из Объединенного института ядерных исследований рассмотрели возможность реализации третьего режима спинового сверхизлучения, существенно отличающегося от двух упомянтых выше, - режима управляемого спинового сверхизлучения (в оригинале - punctuated spin superradiance) [1]. В этом режиме также имеет место серия импульсов сверхизлучения, однако, в отличие от импульсного режима, для которого параметры серии (задержка между импульсами и число импульсов) жестко заданы условиями эксперимента, в режиме управляемого спинового сверхизлучения можно генерировать группы импульсов с требуемой задержкой между импульсами в группе и между группами импульсов (см. рис.1).

В основе предлагаемой идеи управляемого спинового сверхизлучения лежит следующее предположение - при определенных условиях в результате импульса спинового сверхизлучения система инвертированных спинов переходит в основное состояние таким образом, что спиновая поляризация практически полностью сохраняется (если до импульса практически все спины были направлены против поля, то после - по полю). Если теперь опять перевести систему в неравновесное состояние (например, изменить направление поля на 180 градусов или перевернуть образец), то через определенное время (время задержки) снова произойдет когерентная релаксация спиновой системы в основное состояние. Эту процедуру можно повторять, получая, таким образом, последовательность импульсов с требуемыми характеристиками. Естественно, для того, чтобы получить достаточно большое число импульсов, требуется выполнение определенных условий (эти условия должны выполняться для целого ряда материалов).

Возможность генерировать большое число групп импульсов с требуемыми задержками между импульсами и группами импульсов позволяет реализовать своего рода алфавит наподобие азбуки Морзе и, следовательно, может быть использована для передачи и обработки информации.

1. V.I.Yukalov and E.P.Yukalova. Phys.Rev.Lett., v.88, 257601 (2002).

перейти к началу страницы