Исследователи из Института структуры и динамики материи Общества 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.
Это открытие открывает новые возможности для экспериментальных методов изучения запутанных систем света и вещества. 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 вакуума
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 тепловом равновесии, представляя собой привлекательную альтернативу традиционным методам, основанным на неравновесных условиях, таких как лазерное возбуждение.
Модификация, вызванная оптической полостью, может быть понята как эффект геометрического ограничения, поскольку фотоны отскакивают 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 проблемой.
В исследовании учёные из MPSD предлагают способ обойти эту проблему, используя захваченные в полости фотоны для изучения свойств встроенного вещества.
Как они демонстрируют, время от времени фотон естественным образом выходит из полости, неся с собой ценную информацию о материале. Измеряя свойства этих излучаемых 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 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 «синглетного состояния со спином», в магнитное состояние, называемое «триплетным состоянием со спином» с конечной намагниченностью.
«Удивительно, но мы можем считывать этот переход, просто подсчитывая 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 излучаемых фотонов», — говорит Эмиль Виньяс Бострём, соавтор и старший научный сотрудник MPSD. «Интересно, что эти предсказания должны быть проверены с помощью существующих измерений оптической интерферометрии».
В более общем плане команда надеется, что эти новаторские идеи можно будет использовать для понимания взаимодействия между материалами и фотонами в полости, а также того, как флуктуации в полости влияют на состояние материала.
«Мы только в начале пути к пониманию 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 управления материей».