Исследователи из Института структуры и динамики материи Макса Планка (MPSD) теоретически доказали, что фотоны, запертые внутри оптической полости, несут подробную информацию о материале, помещённом в неё. Измеряя свойства фотонов, выходящих из полости, учёные могут исследовать, как оптическая полость изменяет свойства встроенных материалов.
Новые возможности
Это открытие открывает новые возможности для экспериментальных методов исследования запутанных систем свет–вещество. Их работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.
Основы квантовой механики
Согласно основам квантовой механики, пустое пространство на самом деле не пусто — оно заполнено частицами, которые постоянно появляются и исчезают, — явление, известное как флуктуации вакуума. Этот процесс чем-то похож на атомы на поверхности кипящей воды, которые постоянно выпрыгивают из жидкости и возвращаются обратно.
Интересно, что многие свойства магнитных и изоляционных материалов чувствительны к этим флуктуациям. Хотя среднее значение флуктуаций равно нулю, их дисперсия конечна и может существенно влиять на поведение материалов.
Оптические ловушки и управление флуктуациями
Используя высококачественные зеркала, учёные могут создавать оптические ловушки, известные как оптические полости, которые контролируют флуктуации вакуума и, в свою очередь, изменяют магнитные или электрические свойства материала, помещённого внутрь. Этот метод предлагает новый мощный способ управления материалами в состоянии теплового равновесия, представляя собой привлекательную альтернативу традиционным методам, основанным на неравновесных условиях, таких как лазерное возбуждение.
Модификация, индуцированная оптической полостью, может быть понята как эффект геометрического ограничения, поскольку фотоны отражаются между зеркалами и проходят через материал снова и снова. Это приводит к эффективному увеличению связи между светом и веществом.
Однако измерение того, что происходит внутри полости, является серьёзной проблемой в такого рода экспериментах. Поскольку эти структуры очень малы, с боковым размером порядка 1 микрона, разместить детектор внутри очень сложно. В результате экспериментальная проверка модификаций материалов, вызванных полостью, оставалась нерешённой задачей.
Решение проблемы
В исследовании учёные из MPSD предлагают способ обойти эту проблему, используя захваченные в полости фотоны для изучения свойств встроенного вещества. Они демонстрируют, что каждый раз, когда фотон естественным образом выходит из полости, он несёт с собой ценную информацию о материале. Измеряя свойства этих испущенных фотонов, исследователи показывают, что можно исследовать встроенный материал и изучить модификации, вызванные полостью.
«Из-за взаимодействия между фотонами и веществом определённые свойства материальной системы отпечатываются на фотонах», — объясняет Лукас Грюнвальд, ведущий автор и докторант в MPSD.
В качестве доказательства концепции команда рассмотрела состояние водородной модели как функцию магнитного поля. По мере увеличения магнитного поля эта система переходит из немагнитного и запутанного состояния, так называемого «спинового синглетного состояния», в магнитное состояние, называемое «спиновым триплетом» с конечной намагниченностью.
«Удивительно, но мы можем отследить этот переход, просто подсчитав количество фотонов, захваченных в полости», — говорит Грюнвальд.
Исследователи также изучили более сложный пример, включающий небольшой кластер магнитных ионов, взаимодействующих с полостью. И в этом случае они обнаружили, что свойства материала закодированы в фотонах.
«Возможные магнитные состояния материала непосредственно видны в частотной характеристике испускаемых фотонов», — говорит Эмиль Виньяс Бострём, соавтор и старший научный сотрудник MPSD. «Интересно, что эти предсказания должны быть проверены с помощью существующих измерений оптической интерферометрии».
Перспективы
В более общем плане команда надеется, что эти новаторские идеи могут быть использованы для понимания взаимодействия между материалами и фотонами в полости, а также того, как флуктуации в полости влияют на состояние материала.
«Мы только в начале понимания принципов работы этих гибридных систем», — говорит Анхель Рубио, директор теоретического отдела MPSD. «Наша цель — использовать неклассические состояния света, чтобы раскрыть свойства материалов, которые остаются скрытыми для традиционных спектроскопических методов, и, в конечном итоге, лучше понять, как флуктуации в полости можно использовать для манипулирования материей».
Предоставлено Институтом структуры и динамики материи Макса Планка