Новости науки |
13.05.01 Фермионный лазер? |
Известно, что бозоны при определенных условиях могут "сваливаться"
в единое квантовое состояние и образовывать бозе-конденсат.
Его важное свойство заключается в том,
что все процессы, связанные с пополнением конденсата,
значительно усилены. Именно на основе этого явления работают,
к примеру, лазеры. В последние же годы похожие явления
наблюдаются и в экспериментах с атомными бозе-конденсатами.
Однако в отличие от фотонов, атомы могут быть и фермионами,
поэтому возникает вопрос: может ли существовать усиление
в рассеянии облаков фермионов? Как показали работы
[W.Ketterle and S.Inouye, Phys.Rev.Lett.86, 4203 (2001)]
и [M.G.Moore and P.Meystre, Phys.Rev.Lett.86, 4199 (2001)],
ответ на этот вопрос утвердительный, как не парадоксально
это казалось бы на первый взгляд.
Для того, чтобы понять идею, давайте сначала разберемся
с механизмом вынужденного излучения лазерного света.
Грубо говоря, если N фотонов, находящихся в одном квантовом состоянии,
пролетают мимо возбужденного атома, то вероятность того, что
атом излучит еще один фотон в это квантовое состояние усилена
в N+1 раз по сравнению с другими альтернативами.
Именно так образуется когерентный лазерный свет.
Стандартное объяснение этого усиления: начальные фотоны являются
бозонами и находятся в состоянии бозе-конденсата,
и потому процесс пополнения этого конденсата всегда усилен.
(Отметим, что усиление амплитуды в корень из двух раз существует,
конечно, и без конденсата, всего лишь на одном фотоне.
Однако нас здесь интересуют эффекты макроскопического усиления.)
Заметьте, что в таком объяснении, казалось бы, бозонная
природа фотонов играет ключевую роль, и без нее никуда.
Однако на ситуацию можно взглянуть и по-иному.
Вокруг возбужденного атома будущий, еще не излученный фотон
всегда есть, но только в виртуальном состоянии.
Этот виртуальный фотон интерферирует с полем налетающего
фотонного конденсата и образует некую периодическую пространственную
структуру своего рода дифракционную решетку из света.
На этой дифракционной решетке и рассеивается атом. Заметьте пикантность
ситуации: не свет рассеивается на дифракционной решетке из вещества,
а вещество (атом) рассеивается на решетке из света
(ведь в квантовом мире вещество тоже обладает волновыми качествами).
Но как известно, дифракционная решетка существенно меняет
картину рассеяния частиц (в нашем случае, рассеяния атома):
рассеяние идет теперь практически в строго определенных направлениях.
Поэтому атом рассеивается не как попало, а преимущественно
в неком конкретном направлении. Тогда
получается, что виртуальный фотон должен превратиться в реальный
и, по закону сохранения импульса, тоже должен идти в некотором конкретном
направлении. Так вот, оказывается, что это направление
совпадает с направлением исходного фотонного пучка!
Это, конечно, не случайность, а просто иной взгляд на вынужденное
излучение фотона. Однако тут бозе-природа фотонов не упоминается
явно! Самое главное здесь это дифракционная решетка
частиц одного типа, на которых рассеивается частица другого типа.
И поэтому возникает идея: если мы будет сталкивать
облака фермионов и каким-то образом заставим их образовывать
периодическую структуру, дифракционную решетку, может быть
тогда можно будет наблюдать и вынужденное усиление
в фермионных системах?
Этот вопрос и обсуждается в двух одновременно вышедших работах
[W.Ketterle and S.Inouye, Phys.Rev.Lett.86, 4203 (2001),
cond-mat/0008232]
и [M.G.Moore and P.Meystre, Phys.Rev.Lett.86, 4199 (2001),
cond-mat/0008264].
В них показывается, что не бозе-статистика,
а образование упорядоченной пространственной структуры
играет принципиальную роль в процессах усиленного рассеяния частиц.
В частности, ничто не запрещает наблюдать усиленное
взаимодействие как в системах бозонов, так и в фермионных
и даже классических системах.
Между тем, бозоны все же имеют одно важное преимущество:
необходимую пространственную структуру создать в бозе-газе
проще простого достаточно перевести систему в состояние
бозе-конденсата. В случае фермионов такой возможности нет,
и потому эффекты усиления будут видны только в специально
приготовленных фермионных системах.
Это, конечно, делает экспериментальную проверку явления
несколько более трудоемкой. Однако доказательство
принципиальной возможности такого усиления очень
красивая и полезная работа в квантовой физике.
|