Физики из томских вузов представили исследование, способное лечь в основу нового подхода к квантовой диагностике света. Используя компьютерное моделирование на базе формул квантовой электродинамики, ученые установили, что, если воздействовать на фотонный газ зондирующими фотонами, в результате их рассеяния возникнет голограмма, по которой можно определить важные характеристики мишени, включая квантовое состояние ее фотонов. Потенциальных областей применения фундаментальной работы немало: от астрофизики до экспериментов с высокоэнергетическими фотонами. Подробнее об исследовании корреспонденту «Научной России» рассказали его авторы — профессор кафедры квантовой теории поля и ведущий научный сотрудник лаборатории теоретической и математической физики Томского государственного университета, доктор физико-математических наук Петр Олегович Казинский и ассистент отделения математики и математической физики Томского политехнического университета, аспирант кафедры квантовой теории поля ТГУ Алексей Алексеевич Соколов.
В фокусе исследования — рассеяние света на свете. Это явление в квантовой электродинамике было предсказано еще в начале прошлого века, но его пока не удавалось воспроизвести в лаборатории. Результаты работы были представлены в журнале Physical Review D.
«Если говорить совсем упрощенно, мы изучаем, как взаимодействуют два пучка света. В обычной жизни два луча света проходят друг через друга и практически никак друг на друга не влияют. Но на квантовом уровне фотоны все-таки способны взаимодействовать. Этот эффект очень слабый, однако современная техника уже близка к тому, чтобы его можно было наблюдать экспериментально, — объяснили ученые. — В нашей работе мы рассматриваем следующий сценарий: газ фотонов мишени просвечивается пучком зондирующих высокоэнергетических фотонов, как на рентгене. Благодаря взаимодействию с фотонами мишени интенсивность и поляризация пучка зондирующих фотонов немного изменяются. Оказывается — и это не было известно ранее — эти изменения несут информацию о квантовом состоянии фотонного газа мишени, через которое прошел зонд.
Мы называем возникающую картину фотонной голограммой по аналогии с обычной голографией: часть пробного света проходит практически без изменений, другая часть рассеивается, а затем эти две составляющие интерферируют. В результате по наблюдаемой интерференционной картине — голограмме — можно восстановить информацию о состоянии исследуемой системы».
Описанный процесс теоретически возможно наблюдать в лабораторных условиях. И получаемая в результате голограмма, как обнаружили исследователи, должна отражать немало значимых характеристик фотонного газа: сколько фотонов находятся в отдельной точке пространства, как они поляризованы, насколько согласованы между собой их квантовые состояния.
Профессор кафедры квантовой теории поля и ведущий научный сотрудник лаборатории теоретической и математической физики физфака ТГУ Петр Олегович Казинский.
Фото: Владимир Костенков / пресс-служба ТГУ
«Особенность нашего подхода в том, что он позволяет видеть больше, чем просто распределение интенсивности света. Он чувствителен к квантовой когерентности, то есть, простыми словами, к тому, насколько согласованно ведут себя разные части квантовой системы, — отметили исследователи. — Чтобы показать это, мы специально рассмотрели в статье две решетки из фотонов, чьи интенсивности практически одинаковы, но квантовые состояния устроены по-разному. Получившиеся картины рассеяния оказались совершенно разными. Это показывает, что по такой голограмме можно получать информацию, которую невозможно увидеть, просто измеряя интенсивность света.
Данная работа продолжает серию исследований, проводимых нашей научной группой и касающихся изучения голограмм квантовых состояний различных систем, в том числе одиночных элементарных частиц. Оказывается, такие голограммы можно снимать и с одной элементарной частицы — например, электрона. При снятии голограммы электрон ведет себя не как точечная частица, а как некоторый размазанный объект с определенным коэффициентом преломления, определяемым его квантовым состоянием. То же наблюдается и в случае с одиночным фотоном. Что касается последнего, то в нашей работе мы впервые нашли его диэлектрическую проницаемость (коэффициент преломления) и, в частности, показали, что при высоких энергиях зондирующего фотона эта диэлектрическая проницаемость такая же, как у плазмы, несмотря на то, что обычного вещества — атомов, электронов или ионов — в мишени нет».
Этот результат особенно важен — обычно коэффициент преломления присваивается различным средам из макромира, таким как кристаллы, стекло или плазма. Ученые же определили его как для одиночного фотона, так и для фотонного газа в произвольном квантовом состоянии.
Ассистент отделения математики и математической физики Томского политехнического университета Алексей Алексеевич Соколов.
Фото: пресс-служба ТГУ
«Один из главных выводов из нашей работы состоит в том, что фотонный газ или даже один фотон, приготовленные в некотором квантовом состоянии, обладают диэлектрической проницаемостью. А один из главных результатов нашей работы — явное выражение для этой диэлектрической проницаемости и определение ее основных свойств. Найденный тензор диэлектрической проницаемости обладает линейным и круговым двойным лучепреломлениями, — сообщили авторы статьи. — Ниже порога рождения электрон-позитронных пар он описывает прозрачную среду, а выше — среду с поглощением. В высокоэнергетическом пределе тензор диэлектрической проницаемости такой же, как у двулучепреломляющей плазмы. Данный тензор диэлектрической проницаемости полностью определяет свойства рассеянных фотонов и, в частности, голограмму квантового состояния фотонов мишени».
При линейной поляризации фотонов мишени наблюдается линейное двулучепреломление, при круговой — круговое. Кроме того, фотоны мишени, обладающие круговой поляризацией, могут менять поляризацию зондирующего света. Интенсивность взаимодействия зондирующих фотонов с фотонным газом напрямую зависит от плотности энергии последнего — или, проще говоря, от яркости света в мишени.
«Это расширяет наши представления о свойствах квантовых состояний элементарных частиц и позволяет использовать их, например, для управления поляризацией высокоэнергетических фотонов (с энергиями от ГэВ и выше), для которых не работают обычные способы управления поляризацией», — подытоживают исследователи.
Авторы статьи также поделились подробностями работы над исследованием и перспективами проверки результата на практике: «Основная часть работы — это, прежде всего, разработка теоретической модели. Мы исходили из законов квантовой электродинамики и рассчитывали, как должно изменяться состояние высокоэнергетического зондирующего фотона при прохождении через газ фотонов мишени, то есть как меняется вероятность его регистрации, направление распространения и поляризация. Для аналитических преобразований, вычислений, проверяющих теоретические выкладки, и построения графиков мы использовали специально написанный код в Wolfram Mathematica.
Конкретная экспериментальная программа с нашим участием по проверке разработанной теории пока не запланирована. На данный момент как в России, так и за рубежом есть несколько научных центров, где проводятся экспериментальные и теоретические исследования, направленные на регистрацию процесса рассеяния света на свете. В этих работах изучается рассеяние низкоэнергетических (оптических) фотонов на интенсивном когерентном лазерном пучке. В нашей работе мы показали, что более сильный сигнал можно зарегистрировать, если облучать фотоны мишени высокоэнергетическими фотонами. Однако это требует соответствующих детекторов и источников зондирующих фотонов. Такие детекторы и источники фотонов имеются, и в нашей работе мы показали, что снять голограмму фотонного газа с их помощью вполне реально, но их использование не запланировано в рамках экспериментальных программ, реализуемых в настоящее время. Мы планируем подготовить предложение о проведении возможных экспериментов, где более подробно опишем требуемые параметры экспериментальной установки и схему проведения эксперимента».
В обеих схемах расположение узлов и средняя плотность фотонов одинаковы. В когерентной решетке (а) относительные фазы волновых пакетов одинаковы. В некогерентной решетке (б) относительные фазы волновых пакетов случайны.
Источник изображения: предоставлено ученым физического факультета ТГУ Петром Казинским
Проведенная работа играет важную роль сразу для нескольких направлений науки. Так, она развивает сильнополевую квантовую электродинамику и расширяет знания человека об элементарных частицах, а также открывает новые возможности для экспериментов с высокоэнергетическими фотонами. Очень важен новый подход для астрофизических исследований.
«В нашей работе мы впервые получили точное описание того, как меняются поляризация и интенсивность высокоэнергетического фотона, проходящего через электромагнитное излучение, которое может находиться в любом квантовом состоянии — будь то плотный лазерный импульс, разреженный газ реликтовых фотонов или даже одиночный квант, — пояснили физики. — До сих пор в астрофизике для таких расчетов почти всегда применяли так называемое низкоэнергетическое приближение, связанное с именами Вернера Гейзенберга и Ганса Эйлера. Оно хорошо работает, когда энергия зондирующего фотона не слишком велика. Однако как только она приближается к порогу рождения электрон-позитронных пар — а для фотонов оптического диапазона это происходит уже при энергиях порядка сотен ГэВ, — это приближение начинает заметно искажать картину. И даже при нескольких ГэВ полагаться на него уже рискованно.
Между тем Вселенная полна гораздо более энергичных фотонов. Астрономы регистрируют частицы с энергиями, превышающими 100 тыс. ГэВ — это так называемые фотоны сверхвысоких энергий. На пути к Земле они сталкиваются с самыми разными электромагнитными полями: от космического микроволнового фона до излучения активных галактических ядер. То, как меняются их поляризация и спектр по пути, — это бесценная кладовая информации о далеких источниках и о среде, через которую они прошли. Чтобы правильно расшифровать эти данные, нужна теория, которая работает во всем диапазоне энергий, а не только в низкоэнергетическом пределе.
Наша работа восполняет этот пробел: мы предлагаем универсальный формализм, справедливый как ниже, так и выше порога рождения пар, и показываем, что при высоких энергиях поведение фотона кардинально отличается от предсказаний старой модели. Это значит, что теперь астрофизики смогут точнее интерпретировать наблюдения, а возможно, и открыть новые эффекты, которые раньше были скрыты за несовершенством теории».
Исследователи заключают: благодаря современным технологиям новая теоретическая модель имеет высокие шансы воплотиться в жизнь в реальных физических экспериментах.
«Наши результаты могут пригодиться не только астрофизикам, изучающим далекий космос. Одно из захватывающих применений лежит гораздо ближе — в лабораториях, где сегодня создаются лазерные импульсы высокой мощности. Современные лазерные установки способны генерировать электромагнитные поля такой интенсивности, что даже самые слабые квантовые эффекты, включая рассеяние света на свете, перестают быть теоретической абстракцией и становятся доступны для прямого эксперимента. Именно там мы можем не только проверить наши предсказания, но и впервые “сфотографировать” фотонный газ, получив его голограмму», — подчеркнули ученые.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Источник изображения на превью: предоставлено ученым физического факультета ТГУ Петром Казинским.
Источники изображений на странице: предоставлены ученым физического факультета ТГУ Петром Казинским, Владимир Костенков / пресс-служба ТГУ, пресс-служба ТГУ.
