Одиночный атом получил управляемую прозрачность

Практически одновременно двум научным группам с разных концов света удалось реализовать в одиночном атоме эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности. Уникально то, что успех был достигнут одними учёными с помощью настоящих атомов, а другими – с использованием рукотворных аналогов.

Эффект EIT (electromagnetically induced transparency) известен тем, что позволяет создать среду с очень узким провалом в спектре поглощения. Это явление наиболее легко регистрируется при воздействии на трёхуровневую квантовую систему (вроде представленной на рисунке ниже) двух резонансных полей, частоты которых различаются.

Такую структуру энергетических уровней, когда есть два близких нижних состояния и верхнее, отстоящее от них на энергию кванта оптического диапазона, — принято называть ?-схемой.

Схематическое представление опыта с атомом рубидия и трёхуровневая система, где в вертикальном направлении откладывается энергия состояния. Два нижних уровня горизонтально разнесены для наглядности. Синие стрелки показывают измерительный луч, оранжевые – управляющий (иллюстрация Martin Mucke et al.).

Суть EIT можно описать так: действие управляющего поля в одном "плече" ?-схемы (переход между вторым и третьим уровнем) делает систему прозрачной для испытательного поля (переход типа первый – третий уровень), действующего во втором "плече".

Иными словами, система становится прозрачной для комбинации двух световых полей, когда разность их частот совпадает с частотой перехода между двумя нижними уровнями.

Следует заметить, что EIT-эффект даёт занятные возможности для изучения распространения света. Так, в зоне провала в спектре поглощения, среда демонстрирует очень крутой ход показателя преломления. При определённых условиях это может привести, например, к колоссальному снижению групповой скорости распространения света в среде.

Именно EIT-эффект лежит в основе известных опытов по "замедлению" света – впоследствии вылившихся в создание такого занимательного устройства как "ловушка для радуги", демонстрирующего в видимом диапазоне частот замерший свет.

На графике отражены величины относительного пропускания и контраста (т.е. разности показаний при включении и выключении управляющего лазера) в экспериментах, где участвовало различное число атомов (иллюстрация Martin Mucke et al.).

Авторы первой рассматриваемой работы, из немецкого Института квантовой оптики им. Макса Планка (MPQ), выбрали для проведения опыта атомы рубидия ⁸⁷Rb, из-за того, что организация энергетических уровней этого металла позволяет построить ?-схему.

Как сообщают учёные, чья статья выложена в открытый доступ (PDF-документ), они использовали одиночный атом, находящийся в оптическом резонаторе. В случае включения управляющего лазера, относительное пропускание, оцениваемое с помощью другого (пробного) лазера, составляло 96%. После выключения управляющего излучения, значение снизилось на 20%.

Что вполне логично, с увеличением числа атомов, максимальное относительное пропускание пропорционально уменьшалось — так привлечение в опыт семи атомов рубидия, давало коэффициент лишь в 78%.

Однако в то же время EIT-эффект становился более выраженным, и, в случае с семью атомами, при выключении управляющего лазера коэффициент относительного пропускания падал сразу на 60%.

Чёрной линией показано относительное пропускание в случае "пустого" оптического резонатора, красной — при наличии атомов, синей — при реализации EIT-эффекта. Разные графики отражают эксперименты с различным числом атомов (N) (иллюстрация Martin Mucke et al.).

Второе исследование на ту же тему провела научная группа, в которую вошли специалисты из Японии, Узбекистана, Великобритании и России. Не удовольствовавшись существующими элементами, физики создали искусственный "атом", в котором также был успешно испытан EIT-эффект.

Как следует из статьи авторов, также выложенной в открытый доступ (PDF-документ), их детище построено на основе сверхпроводящей петли диаметром около 1 мкм, содержащей четыре перехода Джозефсона (Josephson effect, тонкие слои диэлектрика, отделяющие сверхпроводники друг от друга). Устройство было испытано путём измерения потока микроволн через искусственный атом при изменении интенсивности контролирующего пучка.

Как предполагают авторы исследования, такая система может использоваться в качестве переключаемого зеркала для СВЧ-излучения – и, если в будущем эффект удастся распространить на диапазон оптической длины волн, задействовать в фотонных системах квантовой обработки информации.

Эти две стороны одного открытия – на самом деле крохотный, но очень важный прорыв для физики. На протяжении более десяти лет учёные могли осуществлять EIT-эффект только в атомных газах, но никак не в отдельных атомах.