Новое исследование показывает, что самопроизвольное излучение, ключевое явление во взаимодействии света и атомов, проявляется в новой форме в фотонных временных кристаллах. Исследование, проведённое командой KAIST, не только опровергает существующие теории, но и предсказывает новое явление: возбуждение самопроизвольного излучения. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Исследовательская группа профессора Бумки Мина из физического факультета KAIST в сотрудничестве с профессором Джонхва Шином из департамента материаловедения и инженерии, профессором Вонджу Джон из департамента машиностроения, профессором Гил Ён Чо из физического факультета и исследователями из Института базовых наук (IBS), Калифорнийского университета в Беркли и Гонконгского университета науки и технологий доказала, что скорость распада самопроизвольного излучения в фотонном временном кристалле, напротив, увеличивается, а не «гасится», как предполагалось в статье, опубликованной в журнале Science в 2022 году. Кроме того, они предсказали новый процесс — возбуждение самопроизвольного излучения, при котором атом переходит из основного состояния в возбуждённое, одновременно испуская фотон.
Самопроизвольное излучение — это процесс, при котором атом спонтанно испускает фотон. Оно является фундаментальным для квантовой оптики и исследований в области фотонных устройств. До настоящего времени контроль над самопроизвольным излучением достигался путём создания пространственных структур, таких как резонаторы или фотонные кристаллы. Однако появление фотонных временных кристаллов, которые периодически модулируют показатель преломления среды во времени, привлекло внимание к потенциалу управления этим процессом во временной области.
Предыдущая теория предсказывала, что скорость распада самопроизвольного излучения в фотонном временном кристалле полностью исчезнет на определённой частоте. Однако это исследование впервые доказало, что скорость распада значительно увеличивается. Это объясняется эффектом неоортогональных мод, подчёркивая важность исследований в области неэрмитовой оптики.
Исследовательская группа также предсказала и описала новый процесс — «возбуждение самопроизвольного излучения», при котором атом получает энергию и переходит из основного состояния в возбуждённое, одновременно испуская фотон. Этот процесс является неравновесным и становится возможным благодаря среде с временным кристаллом, которая обеспечивает внешнюю энергию. Это новое явление взаимодействия света и вещества, которое не может быть объяснено с помощью традиционной равновесной оптики.
Результаты фундаментально меняют парадигму исследований самопроизвольного излучения и обещают широкие возможности применения в таких областях, как проектирование квантовых источников света и неравновесная квантовая оптика.
Профессор Мин заявил: «Это достижение восстанавливает фундаментальную теорию, описывающую самопроизвольное излучение в быстро меняющейся среде. Увеличение скорости распада самопроизвольного излучения и явление «возбуждения самопроизвольного излучения» могут изменить парадигму исследований взаимодействия света и вещества».
Предоставлено The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).