Физики нашли новый фактор, влияющий на коллективное поведение атомных систем в волноводе

Ученые выяснили, что, если атомы помещены в волновод – полую трубку, способную проводить электромагнитные волны на большие расстояния практически без потерь, – то частота их перехода из возбужденного состояния в основное зависит от местоположения. Эту особенность частиц можно применять для управления атомными системами в устройствах для хранения, шифрования и передачи квантовой информации. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) опубликованы в журнале Physical Review A.

Если атом поместить в абсолютный вакуум — пространство, в котором полностью отсутствует вещество, — то можно подумать, что он не будет испытывать никаких внешних воздействий. Однако развитие научных представлений в первой половине ХХ века привело к пониманию того, что в этом случае на атом влияет электромагнитное поле, которое присутствует даже в вакууме. Взаимодействие этого вакуумного поля с атомом приводит к тому, что у частицы меняется энергия квантовых состояний. Это изменение энергии, вызванное вакуумным полем, называется лэмбовским сдвигом.

Существует два различных квантовых состояния атомов: стационарное — когда электроны заполняют наиболее близкие к ядру энергетические позиции — и возбужденное, когда эти частицы «перепрыгивают» на более высокие уровни. Находясь в возбужденном состоянии, атом может «сбросить» лишнюю энергию, испустив фотон — частицу света. Длина волны фотона определяется разницей энергий между возбужденным и стационарным состояниями атома. Поэтому лэмбовский сдвиг непосредственно приводит к изменению длины волны испускаемого фотона, что вызывает широкий интерес к данному явлению в атомной спектроскопии, поскольку он позволяет точно определить спектры люминесценции, то есть «свечения» атомов.

Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета имени Петра Великого (Санкт-Петербург) исследовали лэмбовский сдвиг у атомов, помещенных в волновод — полую трубку, которая служит для проведения электромагнитных волн. Волноводы широко применяются в радиотехнике, связи, передаче сигналов. Стандартное оптическое волокно, по которому передается интернет, тоже представляет собой волновод в оптическом диапазоне. В связи с этим информация о том, как ведут себя частицы, помещенные в волновод, может быть полезной при разработке высокоскоростных систем передачи и хранения информации.

Ученые смоделировали ситуацию, когда в волноводе находится группа атомов. В этом случае каждый атом испытывал влияние не только вакуумного электромагнитного поля, но также действие своих «соседей».

Авторы определили, что величина лэмбовского сдвига зависит от местоположения частиц относительно стенок волновода. Атомы в центре трубки испытывают больший лэмбовский сдвиг, чем частицы у стенок волновода. Это объясняется тем, что из-за особенностей распространения волн в трубке в ее центре электромагнитное поле оказывается больше, чем у стенок, и, следовательно, оно сильнее взаимодействует с атомами.

В свою очередь, величина лэмбовского сдвига влияет на характер взаимодействия атомов, в частности, на их способность обмениваться фотонами. Различие в частоте перехода между основным и возбужденным состояниями у разных атомов ослабляет взаимодействие между ними.

«В этой работе мы показали, что лэмбовский сдвиг атомов зависит от их расположения в волноводе. Этот эффект можно использовать, чтобы управлять атомными системами, что важно при разработке устройств квантового хранения и передачи информации, которые используются, например для квантовой криптографии — перспективного подхода к шифрованию и защите информации. В дальнейшем мы планируем исследовать влияние описанного эффекта на макроскопические свойства атомных систем, которые непосредственно измеряются в экспериментах, такие как, например, коэффициент пропускания атомной среды и интенсивность рассеянного ею света», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Курапцев, кандидат физико-математических наук, доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий СПбПУ, старший научный сотрудник лаборатории «Волоконная оптика» СПбПУ.