Заглянуть вглубь атома. Как ученые приблизились к созданию квантового света

Новый уровень квантового контроля

Авторы исследования, опубликованного в конце 2022-го в журнале Nature, уверяют, что новый тип «квантового света» позволит ученым заглянуть еще глубже внутрь атомов, а также предоставит новые инструменты контроля субатомных частиц.

Речь идет о новом состоянии света, возникающем в результате генерации высоких гармоник, 一 нелинейного процесса, во время которого газ, плазма или твердый образец подвергают воздействию высокочастотного лазерного излучения.

«Хотя генерация высоких гармоник была хорошо изучена с точки зрения классической физики, использование ее квантовых свойств могло бы проложить путь к разработке новых состояний света в широкополосном спектре и способствовать амбициозной цели объединения квантовой оптики и аттофизики», — цитирует результаты исследования издание Vice.

Аттофизикой называют область исследований быстропротекающих физических процессов, которые длятся в течение мельчаший доступных для измерения долей секунд (аттосекунда — одна квинтиллионная доля секунды).

По словам одного из авторов исследования, младшего научного сотрудника Гарвардского университета Николаса Ривера, квантово-механические эксперименты часто демонстрируют новые свойства света, котоыре невозможно объяснить с помощью классической физики. Поэтому свет, проявляющий такие свойства, принято называть «квантовым».

«Особенно привлекательными являются „многофотонные квантовые состояния света“, проще говоря, состояния света с уникальными квантовыми свойствами, которые также состоят из множества фотонов, которые, как считается, обеспечивают прогресс в сверхточных измерениях, системах связи и квантовых вычислениях», — рассказал Ривера.

Создать такое состояние света можно с помощью преобразования лазерных фотонов в инфракрасном диапазоне длин волн в более энергичные ультрафиолетовые или рентгеновские диапазоны светового спектра. Полученный квантовый импульс можно наблюдать в течение примерно 100 аттосекунд. Но даже за такое короткое время ученые успевают проаназилировать некоторые физические и химические процессы внутри атомов этого света.

В новом исследвоании команда ученых предполагает, что квантовую версию генерации высоких гармоник можно получить благодаря запутыванию автомов в целевом материале. Таким образом физики-теоретики хотят создать «коррелированную квантовую материю, которая будет отражать внутренние корреляции между составляющими материи».

Исследователи из Гарварда говорят, что реализация этого эксперимента в перспективе позволит визуализирвовать различные биологические образцы с беспрецедентной точностью, а также поможет засекать скрытые детали сверхбыстрых взаимодействий и свойств объектов в субатомных масштабах.

«Тем не менее, работа здесь — это только начало этого видения, и в конечном итоге пройдет некоторое время, прежде чем мы сможем узнать весь потенциал использования корреляций света для полезных выводов корреляций материи», — резюмирует Ривера.

Новая запутанность

Ранее коллеги гарвардских физиков из Брукхейвенской лаборатории в пригороде Нью-Йорка обнаружили необычное взаимодействие ионов золота во время экспериментов на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC).

Оказалось, что мельчайшие частицы в определенных условиях не сталкивались друг с другом непосредственно, но при этом они отражали внутренню структуру противоположных ионов.

Авторы открытия заявили, что это было «первое в истории экспериментальное наблюдение квантовой запутанности между разнородными частицами».

Благодаря чрезвычайно высокой интенсивности столкновений тяжелых ионов, физики смогли «расплавить» отдельные протоны и нейтроны, вытащив наружу их строительные блоки — кварки, связанные между собой глюонами.

В результате взаимодействия фотонов с глюонами ученые также обнаружили промежуточную частицу ро-мезон, которая немедленно распадается на два пи-мезона с противоположными зарядами, отмеченными как π+ и π-. Именно квантовая интерференция, наблюдаемая между частицами π+ и π-, впервые позволила физикам проанализировать распределение глюонов в нескольких измерениях внутри атомного ядра.

«Теперь мы можем получить изображение, на котором действительно можно различить плотность глюонов под определенным углом и радиусом. Изображения настолько четкие, что мы даже можем начать видеть разницу между тем, где находятся протоны и где расположены нейтроны в этих больших ядрах», — заявил бывший сотрудник Брукхейвенской лаборатории Джеймс Дэниел Бранденбург.

Дальнейшие эксперименты в RHIC позволят более детально исследовать распределение глюонов внутри атомных ядер и, вероятно, обнаружить другие виды квантовой запутанности.