сверхизлучательный фазовый переход

В тесной шеренге атомов, замерших на расстоянии меньше длины световой волны, прячется удивительное состояние. Возбуждение распределено по всем частицам так, что их излучение гасит само себя — это субизлучательное состояние, коллективная квантовая «тишина».

В глубине алмазного кристалла, усыпанного NV-центрами, дремлет симфония. Каждый дефект — как камертон, готовый отозваться на пробегающую акустическую волну. Но поодиночке их голоса еле слышны: связь спина и фонона слабее шёпота. Нужен маэстро, способный превратить робкие колебания в громогласный хор. И такой маэстро — лазерный луч.

Сёрфер на доске скользит по глади океана, пока не приходит большая волна — и вот он уже летит вперёд. Примерно так же свободный электрон взаимодействует со светом: обычно обмен энергией едва заметен, но если среда вокруг начинает ритмично меняться, каждый гребень волны подталкивает частицу всё сильнее.

Струна звучит идеально чисто, пока её не тронет сквозняк. Примерно так работает суперрадиантный лазер: пучок атомов, заранее заряженных энергией, пролетает сквозь комнату из двух зеркал — оптический резонатор (ловушку, где свет мечется туда-сюда). Атомы дружно отдают запасённый свет, и рождается луч с чрезвычайно стабильной частотой — такой хоть в атомные часы ставь.

Сверхпроводник похож на идеальное шоссе без светофоров: электроны мчатся без помех. Но стоит подать напряжение, и картина меняется. В новом эксперименте физики обнаружили, что электрическое поле проникает в сверхпроводник и создаёт внутри смешанный режим.

Квантовый мир полон сюрпризов. В параметрическом осцилляторе Керра — устройстве, где свет заперт в кольце и раскачивается внешним полем, — недавно заметили странную вещь: пары энергетических уровней сливаются в объятиях. Физики назвали это «спектральным поцелуем» спектроскопия. Слияние уровней — признак квантового фазового перехода в возбуждённом состоянии.

Обычный источник фотонов можно представить как вход в клуб с одним вышибалой. Он старается пропускать посетителей поодиночке, но иногда «парочки» просачиваются. В квантовой оптике это называют проблемой чистоты: фотоны должны излучаться строго по одному, иначе в квантовых вычислениях возникают ошибки.

В квантовой механике свет и вещество находятся в непрерывном обмене энергией. Долгое время их взаимодействие описывали статично — как серию застывших поз, отдельных квантовых состояний. Новый подход фокусируется на самой динамике: на переходах между состояниями как на непрерывной последовательности движений.

Свет в оптоволокне бежит по сердцевине, почти не выходя наружу. Но если подойти вплотную, можно почувствовать слабое дрожание поля у поверхности — затухающую волну. Именно в таком «световом тумане» над поверхностью крошечного кремниевого кольца физики поймали одиночный атом рубидия. Ловушка работает как невидимая рука, которая гасит скорость атома одним касанием.

Когда много возбуждённых атомов собраны вместе, они часто выстреливают светом согласованно — как толпа, которая аплодирует в такт. Это давно известное явление называется сверхизлучением Дике. Но авторы новой работы задались вопросом: что будет, если атомы не одинаковы и каждый ощущает своих соседей?

Обычный почтовый конверт имеет прямоугольную форму, и письмо внутри неё не меняет свойств конверта. С фотонами — частицами света — ситуация иная: их «форма» во времени может быть разной, и эта форма сама по себе несёт информацию.

В тёмной комнате вспыхивает инфракрасный лазер, и кусочек чёрного порошка K3C60 на долю секунды начинает проводить ток без сопротивления. Свет бьёт на частоте 10 терагерц — это в тысячу раз быстрее, чем работает микроволновка. Эффект усиливается в сто раз по сравнению с другими частотами. Почему именно эта частота? Учёные построили компьютерную модель и нашли ответ.

Квантовый вакуум — не абсолютная пустота, а, согласно стандартной модели физики частиц, физическая среда, подобная туго натянутой струне, в которой непрерывно рождаются и аннигилируют виртуальные частицы.

Представьте танцпол: световые эффекты и движения танцоров обычно независимы – огни мигают сами по себе, люди двигаются в своём ритме. В микромире аналогичная картина: электроны и фотоны почти не синхронизируются. Это явление описывается теоремой о запрете сверхизлучения – фундаментальным ограничением, не позволяющим частицам и свету спонтанно обрести общий ритм.

Гамма-всплеск — это короткая, но очень мощная вспышка света, какие рождаются при слиянии нейтронных звёзд или коллапсе массивной звезды. Внутри такой вспышки потоки плазмы несутся с огромной скоростью и сталкиваются друг с другом.

Магнитный материал внутри микроволновой печи — не самый очевидный герой научной работы. Но именно такая картина помогает понять, что сделали авторы: они поместили крошечную сферу из железо-иттриевого граната (YIG) внутрь резонатора — полости, где микроволновые фотоны мечутся между стенок, как свет в зеркальной комнате.

Свет, который испускает атом, — не просто вспышка. Он несёт отпечаток того, в каком состоянии был атом в момент излучения. Физики взяли сверхпроводящий кубит — искусственный атом размером с микросхему — и заставили его светиться в открытый волновод, как лампочку в длинный коридор. Затем они ловили каждый фотон и смотрели, как меняется его фаза.

Лазерный луч, проходя через нелинейный кристалл, способный удваивать частоту света (превращая, скажем, красный в синий), спонтанно переходит в состояние «кота Шрёдингера» — квантовую суперпозицию двух макроскопически различимых состояний.

Обычный свет — как толпа на площади: каждый фотон движется сам по себе, сталкиваясь и разлетаясь. Но в некоторых средах фотоны, как свора собак, начинают бежать вместе — группируются. Учёные создали лазер на случайном волокне, где световые частицы собираются в особенно плотные стайки. Это явление называется сверхгруппировкой фотонов.

В сверхпроводящем резонаторе свет не просто отражается — он обнимает кубит так крепко, что их общий танец уже не описать старыми учебниками. Исследователи взяли нанопроволоку из арсенида индия, сделали из неё сверхпроводящий кубит и поместили в микроволновый резонатор.

В тёмной комнате атом и свет заперты вместе в зеркальной коробочке. Коробочка настолько мала, что атом не может просто так выпустить свет — они постоянно обмениваются энергией, как два танцора, которые не отпускают рук. Такая ультрасильная связь меняет сами правила игры: уровни энергии перестраиваются, и свет выходит наружу не обычными одиночными порциями, а целыми созвездиями.

Физики заперли облачко атомов лития в оптический резонатор — между двумя зеркалами. Свет мечется внутри, словно в эхо-комнате, многократно отражаясь, и заставляет атомы синхронно излучать. Возникает сверхизлучение — коллективное испускание фотонов, подобное хору, где отдельные голоса сливаются в единый гром.

В двух зеркальных комнатах, стоящих перпендикулярно, живёт облако атомов. Каждый атом — как певец в хоре: сам по себе он может молчать, но когда соседи начинают петь, он подхватывает. Здесь роль дирижёра играет сама геометрия: одна комната помогает атомам излучать свет сообща, а другая — мягко подталкивает их к этому, но не напрямую, а через хитрый обходной манёвр.

Обычный лазер подобен хору, где каждый певец исполняет партию сам по себе — звук получается громким, но с неизбежными шероховатостями. В новом квантовом лазере атомы, словно певцы, слышат друг друга и выравнивают свои «голоса».

Множество атомов способны действовать подобно слаженному оркестру: когда каждый атом излучает свет в унисон с остальными, результирующая вспышка оказывается многократно ярче, чем сумма отдельных излучений. Это явление, известное как сверхизлучение, детально исследовано в лабораторных условиях, однако в космическом пространстве его почти не искали.

В кристалле кремния атом фосфора держит лишний электрон на двух очень близких орбитах. Эти орбиты похожи на два соседних этажа в доме, где лестница почти незаметна. Короткий лазерный импульс в среднем инфракрасном диапазоне толкает электрон с нижнего этажа на верхний, и тот начинает качаться между ними, как маятник.

Свет от множества крошечных излучателей — атомов или искусственных «квантовых точек» — обычно расходится в разные стороны, как толпа, где каждый кричит сам по себе. Но если заставить их «петь хором», вспышка становится ярче во много раз.

Одиночный ион кальция парит в вакуумной ловушке, удерживаемый электрическими полями, как горошина в невидимой чаше. Вокруг него — два зеркала, образующие оптическую полость: свет мечется между ними, усиливая взаимодействие с ионом.

Свет от обычной лампы — это хаос: фотоны разлетаются кто куда, без всякого порядка. Но если заставить множество атомов испускать свет одновременно и в такт, получается короткая мощная вспышка — как аплодисменты, которые из отдельных хлопков складываются в единый залп. Такое согласованное излучение называют сверхизлучением.

Волоконный лазер со случайной обратной связью — это тонкая нить из стекла, по которой свет бежит, но отражается не от зеркал, а от мельчайших неоднородностей самого волокна. Такой лазер не выдаёт ровный луч: его свет дрожит и вспыхивает, как пламя свечи на сквозняке.

Обычный свет — это поток независимых частиц: фотоны пролетают друг сквозь друга, не замечая соседей. Но в сверхпроводящих цепях, охлаждённых почти до абсолютного нуля, ситуация меняется. Там фотоны путешествуют по узким дорожкам из металла, и если в эти дорожки встроить крошечные элементы, называемые джозефсоновскими переходами, свет начинает «чувствовать» сам себя.

Обычный лазер выпускает фотоны по одному, как кран, капающий водой. А если нужно сразу несколько частиц света, родившихся в один и тот же миг? Физики заставили облако холодных атомов рубидия испускать четвёрки фотонов — как если бы кран вдруг выдавал по четыре капли разом, и каждая падала в свою пробирку. Облако охлаждают почти до абсолютного нуля, чтобы атомы едва шевелились.

Оксид ванадия — материал, который может быть то изолятором, не проводящим ток, то проводником, как металл. Переключение занимает триллионные доли секунды, и на этом хотят строить сверхбыстрые электронные устройства. Но как именно это происходит, долго оставалось загадкой.

Цепочка атомов, размещённая на светопроводящем чипе, ведёт себя подобно ряду маятников на общей перекладине: раскачиваясь в противоположных направлениях, они почти не передают энергию воздуху и замирают надолго.

Сверхизлучение (суперфлуоресценция) — это синхронизированный «выдох» света кристаллом, когда множество возбуждённых частиц одновременно испускают фотоны. Недавно исследователи впервые наблюдали его зеркальное отражение: суперабсорбцию — скоординированный «вдох», при котором кристалл коллективно поглощает свет, словно время потекло вспять.