Российские и американские ученые научились контролируемым образом создавать локализованные импульсы света в атомной среде.

Рис.1. a - задействованные энергетические уровни атома рубидия (два уровня сверхтонкого расщепления и возбужденный уровень), синим обозначены распространяющиеся в двух направлениях управляющие лазерные лучи, красным - сигнальный импульс; b - схематическое изображение пространственной модуляции поглощения в среде (черным) и распределения электрического поля сигнального импульса (красным) в присутствии стоячей волны, образованной двумя распространяющимися в противоположном направлении лазерными лучами (синим показано положение чисто спинового возбуждения среды в отсутствии управляющих лазерных полей).

Одними из самых поразивших воображение широкой общественности новостей науки на рубеже тысячелетий стали эксперименты по уменьшению скорости распространения света до 17 м/с и даже "остановке света" . Способность совершать подобные манипуляции с электромагнитным излучением связана с возможностью когерентного управления прохождением импульса через резонансно поглощающую среду в режиме фотоиндуцированной прозрачности. В нашумевших экспериментах было продемонстрировано управление скоростью распространения импульса света в атомных парах, а также осуществлен "захват", "хранение" и "высвобождение" импульса света.

В подобных экспериментах оптическая среда при обычных условиях полностью непрозрачна для света с определенной длиной волны из-за резонансного поглощения (эффект резонансный), однако при определенных условиях среда становится прозрачной под действием электромагнитного излучения (эффект фотоиндуцированной прозрачности). Более мощный "управляющий" лазерный луч делает возможным распространение в среде на порядок более слабого "сигнального" (пробного) светового импульса (с которым и производятся манипуляции). Управляющий лазерный луч и сигнальный световой импульс связывают (рис.1a) уровни, отличающиеся магнитными квантовыми числами и, таким образом, электромагнитное поле оказывается "завязанным" со спиновой подсистемой атомов среды. В результате уже нельзя говорить отдельно об электромагнитном поле и отдельно о спиновых возбуждениях: из фотонов и элементарных возбуждений среды образуется новое, "составное", возбуждение (поляритон). При этом скорость распространения возбуждения среды (которая гораздо меньше скорости света), а также "относительная доля" электромагнитного поля и спиновой компоненты в таком "составном" возбуждении, зависят от интенсивности управляющего лазерного луча. Адиабатически медленно убрав управляющий лазерный луч, можно остановить поляритон, при этом поляритонное состояние не разрушается, а полностью переходит в спиновые возбуждения (электромагнитного поля в среде при этом нет). Адиабатически медленным включением управляющего лазерного поля можно "возродить свет к жизни"; время "хранения света" лимитируется характерным временем спиновой релаксации в системе. Подробнее об экспериментах по "захвату", "хранению" и "высвобождению" импульса света можно прочитать в упомянутой выше заметке .

Рис.2. Схема эксперимента. Распространяющиеся в противоположных направлениях управляющие лазерные лучи создаются за счет разделения луча титан-сапфирового лазера; кювета с парами рубидия заэкранирована, чтобы избежать воздействия посторонних магнитных полей.

Ученые из Гарвардского университета и Физического института РАН сделали еще один шаг на пути "приручения" импульсов света: они научились создавать локализованные световые импульсы в атомной среде [1]. Схема эксперимента была модифицирована (рис.2): вместо одного управляющего лазерного луча в ячейку, содержащую пары ⁸⁷Rb при температуре 90 C (с концентрацией атомов 10¹² - 10¹³ см^-3) можно было вводить два управляющих лазерных луча, распространяющихся в противоположных направлениях. Первый этап эксперимента совпадал с тем, что было делалось раньше: слабый сигнальный импульс совместно с более сильным управляющим лазерным излучением с немного (на величину сверхтонкого расщепления - см. рис. 1a) отличающейся частотой заводился в кювету с парами рубидия. Потом, уменьшая интенсивность управляющего лазерного поля до нуля, исследователи, как и раньше, переводили импульс света в чисто спиновые возбуждения. Затем они могли вновь восстановить сигнальный импульс, заводя в кювету один из управляющих лазерных лучей (либо тот, направление распространения которого совпадает с первоначальным распространением сигнального импульса, либо тот, который распространяется в противоположном направлении). Соответственно, можно было вывести из кюветы "замороженный" в парах рубидия сигнальный импульс в том направлении, в котором распространялся "ожививший импульс" управляющий лазерный луч.

Ситуация существенно изменялась, когда в кювету с полностью отображенным в спиновые возбуждения импульсом света одновременно заводилось два лазерных луча с одинаковой мощностью и частотой, распространяющиеся в противоположном направлении. Под действием управляющего лазерного поля сигнальный импульс частично "размораживался", т.е. некоторая (небольшая) часть энергии локализованного спинового возбуждения переходила в форму электромагнитного поля и, соответственно, "составное возбуждение" в принципе обретало способность распространяться. Если бы не одно "но" - два распространяющихся в противоположном направлении лазерных луча образовывали стоячую волну. В результате поглощение сигнального импульса было подавлено везде, кроме узкой области вблизи узлов стоячей волны (рис. 1b). За счет резкой модуляции поглощающих свойств среды световой импульс терял возможность распространяться - из-за брэгговского отражения в периодической одномерной структуре. Ситуация здесь напоминает то, что имеет место в фотонных кристаллах для фотонов определенных длин волн с той разницей, что в фотонных кристаллах невозможность распространения света с определенной длиной волны обусловлена периодическим изменением показателя преломления в структуре.

Рис.3. Вверху - сигнал на выходе из кюветы с рубидием; внизу - изменение интенсивностей распространяющихся "вперед " (FD) и "назад"(BD) управляющих лазерных лучей (синей стрелкой показан момент "включения" этих двух лучей, зеленой - момент выключения одного из лучей). Левый пик на верхнем графике обусловлен частью сигнального импульса , которая покинула кювету до преобразования импульса в спиновое возбуждение ("остановки"), кривая i соответствует случаю, когда у включается только один управляющий лазерный луч. Кривые ii и iii - сигналы на выходе из кюветы в направлении "вперед" и "назад", соответственно.

В атомной среде устанавливалось стационарное распределение электромагнитного поля (рис. 1b) и, как целое, сигнальный импульс не двигался (поляритонное возбуждение оказывалось локализованным в той же области, где было локализовано чисто спиновое возбуждение после "остановки" сигнального импульса). Конечно, в реальных условиях эксперимента во время локализации импульса происходил постепенный выход света из кюветы (рис. 3, кривые ii и iii) - из областей вблизи прозрачных стенок кюветы. Когда один из управляющих лазерных лучей выключался, периодическая структура, образованная стоячей волной, исчезала, и сигнальный импульс покидал кювету в том направлении, в котором распространялся оставшийся управляющий луч.

Хотя в описанных экспериментах продемонстрировано создание локализованных в одном измерении импульсов света, в принципе ничто не мешает контролируемым образом работать со световыми импульсами и в трех измерениях. Это открывает новые возможности для аккуратного управления импульсами света: теперь можно не только управлять распространением световых импульсов в среде и обратимым образом отображать их в спиновые возбуждения среды, но также создавать и хранить локализованные световые импульсы, и управляемым образом высвобождать их (естественно, и управлять их движением). По-видимому, сделан еще один шаг к созданию быстродействующих оптических квантовых компьютеров.

1. M.Bajcsy, A.S.Zibrov, D.M.Lukin. Nature, v.426, 638 (2003).

Е.Онищенко