Непертурбативна теорія фізики сильного поля, керована квантовим світлом

Непертурбативні взаємодії (тобто взаємодії, які є надто сильними, щоб їх описати так званою теорією збурень) між світлом і матерією були предметом багатьох досліджень. Однак роль, яку відіграють квантові властивості світла в цих взаємодіях і явищах, які з них виникають, досі залишалася в основному невивченою.

Дослідники з Техніон-Ізраїльського технологічного інституту нещодавно представили нову теорію, яка описує фізику, що лежить в основі квантових непертурбативних взаємодій, керованих світлом. Їх теорія, представлена ​​в Фізика природиЦе могло б стати основою для майбутніх експериментів, що досліджують явища фізики сильного поля, а також розробки нової квантової технології.

Ця остання стаття стала результатом тісної співпраці між трьома різними дослідницькими групами Техніону під керівництвом головних дослідників професора Ідо Камінера, професора Орена Коена та професора Міхаеля Крюгера. Студенти Олексій Горлач і Матан Евен-Цур, перші автори статті, очолили дослідження за підтримки та ідей Майкла Берка та Ніка Рівери.

«Для нас це була велика наукова експедиція», — сказали Phys.org професори Камінер і Горлах. «Ми почали думати про генерацію високих гармоній (HHG) і її квантові властивості ще в 2019 році. У той час світло в усіх експериментах HHG пояснювалося класично, і ми хотіли знати, коли квантова фізика почне відігравати тут певну роль.

“Відверто кажучи, нас непокоїло те, що так багато фундаментальних явищ у фізиці пояснювалися абсолютно різними теоріями, і тому їх не можна було пов’язувати. Наприклад, HHG базувався на теорії, яка суперечила теорії, яка зазвичай застосовується для розрахунку спонтанного випромінювання, і пояснювала кожне на іншій основі».

ГВГ — це дуже нелінійні фізичні процеси, які спричиняють сильну взаємодію між світлом і матерією. Зокрема, це відбувається, коли інтенсивні світлові імпульси, прикладені до матеріалу, випромінюють так звані високі гармоніки інтенсивного рухового світлового імпульсу.

Протягом кількох років професор Камінер і його дослідницька група намагалися розробити єдину структуру, засновану на квантовій теорії, яка б сукупно пояснювала всі оптичні явища, включаючи ГВГ. Вони Перша стаття на цю темуопублікована в Комунікації природи У 2020 році я представив запропоновану версію цієї уніфікованої основи для аналізу HHG мовою квантової оптики.

«Це дослідження сприяло відкриттю нової галузі кількісного HHG», — пояснили професор Камінер і Горлах. “Однак усі експерименти з ГВГ керувалися класичними лазерними полями. Навіть здавалося, що квантове світло не може бути достатньо інтенсивним, щоб створити ГВГ. Однак, Праці професора Марії Чехової Він показав, що можна створити досить інтенсивне квантове світло у формі, відомої як яскравий компактний вакуум. «Це спонукало до нашого нового розслідування».

У рамках свого нового дослідження професор Камінер, Горлах та їхні колеги створили повну структуру, яка описує процеси фізики сильного поля, керовані квантовим світлом. Щоб теоретично перевірити свою структуру, вони застосували її до HHG і передбачили, як зміниться цей процес, якщо його керуватиме квантове світло.

«Ми показали, що, всупереч очікуванням, багато важливих характеристик, таких як інтенсивність і спектр, змінюються в результаті використання джерела провідного світла з іншою статистикою квантових фотонів», — сказали професор Камінер і Горлах. «Написана нами стаття також передбачає експериментально можливі сценарії, які неможливо пояснити жодним іншим способом, окрім розгляду статистики фотонів. Ці майбутні експерименти матимуть ще більший вплив і важливість для цієї нової галузі квантової оптики сильного поля».

Поки що робота, виконана цією групою дослідників, вважалася суто теоретичною. Їхні дослідження створюють першу теорію непертурбативних процесів, керованих квантовим світлом, а також теоретично демонструють, що квантовий стан світла впливає на вимірювані величини, такі як випромінюваний спектр.

«Наша теорія працює шляхом поділу дальнього світла на одне з двох представлень, які називаються узагальненим розподілом Глаубера або розподілом Хаусімі, а потім за допомогою традиційного моделювання поля HHG, залежного від часу рівняння Шредінгера (TDSE), для моделювання окремих частини розподілу», – сказали професор Камінер і Горлах, перш ніж об’єднати симуляції, щоб отримати загальний результат».

«Саме цей зв’язок між стандартними інструментами спільноти в схемі оптичних квантових обчислень зробив нашу роботу настільки потужною та корисною – її можна застосувати до довільного квантового стану світла та довільної системи випромінювачів».

Нова теорія, виведена професором Камінером, Горлахом та їхніми колегами, незабаром може принести користь дослідженням у різних областях фізики. Насправді, їх стаття передбачає виведення ідеї за межі HHG, до широкого спектру непертурбативних процесів, усі з яких можуть керуватися некласичними джерелами світла.

Це теоретичне передбачення незабаром можна буде перевірити та підтвердити в експериментальних умовах. Наприклад, теорія команди може бути безпосередньо застосована до генерації аттосекундних імпульсів за допомогою HHG, процесу, який може підтримувати роботу технологій квантового зондування та квантового зображення.

У зв’язку з цим команда опублікувала нещодавню теоретичну статтю в Фотоніка природи які пропонують керувати аттосекундними імпульсними котушками за допомогою квантової природи світла, наприклад, показуючи багатообіцяючі умови з використанням комбінації класичного світла та стисненого квантового світла.

Крім того, їх теорія може бути застосована до інших явищ, заснованих на фізиці сильного поля, таких як ефект Комптона, процес, який використовується для генерації рентгенівських імпульсів.

«Нещодавно ми опублікували додатковий документ щодо цієї програми в Розвиток науки«Це з’явилося раніше через затримки в процесі експертної перевірки», — додали Камінер і Горлах про ефект Комптона. «Зараз ми працюємо над реалізацією експерименту, теоретично розглянутого в нашій статті.

«Інша амбітна мета полягає в тому, щоб узагальнити розроблену теорію за межі HHG і дослідити квантові ефекти в різних матеріалах, що керуються конденсованим світлом, що пов’язує наші нові розробки в квантовій оптиці з кордонами фізики конденсованого середовища».