Квантовая электродинамике в резонаторе

И вот тут в этой истории появляется «вираж», очень характерный для современной физики. Создание высокодобротных резонаторов — такое, казалось бы, совершенно техническое достижение — открыло перед физиками новый раздел фундаментальной физики — квантовую электродинамику резонатора (по-английски cavity quantum electrodynamics, CQED). Это позволило поставить такие опыты с фотонами, которые буквально «прощупывали» самые основы квантовой физики и позволяли по-новому изучать загадочный переход между квантовым и классическим поведением частиц (см. обзорную статью: Г. Вальтер. Одноатомный мазер и другие эксперименты квантовой электродинамики резонатора // УФН 166, 777 (1996)).

Один из ярких примеров таких экспериментов, выполненный в группе Сержа Ароша, — экспериментальная демонстрация того, что время жизни единичного возбужденного атома можно сильно изменить, поместив его в такой резонатор.

Постановка опыта проста, а результат, на неискушенный взгляд, просто удивительный. Между двумя зеркалами пустого резонатора (то есть без фотонов внутри) пролетает атом, находящийся в возбужденном состоянии. Вообще, возбужденные атомы нестабильны, и через небольшое время электрон в нём прыгает на более низкий уровень, излучая при этом фотон. Казалось бы, это спонтанное излучение — сугубо внутриатомный процесс, и время жизни возбужденного состояния — собственная характеристика атома. Однако оказывается, что пролетая сквозь пустой резонатор, атом может ускорить или, наоборот, замедлить процесс «высвечивания» фотона!

Я предлагаю еще раз вдуматься в эту ситуацию. Возбужденный атом находится в пустоте, его никто не «трогает» (стенки резонатора удалены от атома на сантиметр!), мы на него не воздействуем никакими внешними электромагнитными полями. Мы всего лишь ограничиваем вакуум вокруг него — и этого уже достаточно, чтобы помешать или, наоборот, поспособствовать излучению фотона.

С точки зрения житейской интуиции — ситуация совершенно необыкновенная. Мы привыкли, что результат может вызвать только прямое воздействие на объект: либо через непосредственное соприкосновение с ним, либо через силовые поля. А тут получается так, словно мы запрещаем или «поощряем» распад, вообще не воздействуя на атом!

Разгадка этого кажущегося парадокса состоит в том, что квантовые объекты нелокальны, неточечны. Конкретно, когда атом излучает фотон, то этот фотон вовсе не вылетает прямо из атома (рис. 3). Оптический фотон вообще невозможно локализовать с атомной точностью. Именно поэтому атомы и молекулы не видны в оптический микроскоп, а также именно поэтому бессмысленно спрашивать, например, из какой части сложной молекулы (скажем, молекулы красителя) вылетает фотон при излучении. Фундаментальная причина этого состоит в том, что электромагнитное взаимодействие довольно слабо, так что постоянная тонкой структуры — маленькая величина.

Рис. 3. Схематичное изображение того, как возбужденный атом излучает фотон. Стандартное изображение вылетающего фотона как объекта, локализованного на атомном масштабе (вверху), дает очень неправильное представление о «начальных размерах» фотона. Гораздо более предпочтительней будет картинка, на которой фотон изображен в виде облака с размерами намного больше атомных (внизу)

Правильнее процесс излучения представлять себе так, словно фотон появляется сразу в некотором объеме вокруг атома и затем расширяется во все стороны (рис. 3). Этот объем на порядки больше, чем объем самого атома, и он увеличивается еще больше при увеличении длины волны фотона, то есть при уменьшении разницы между энергетическими уровнями, между которыми произошел переход. Поэтому если какие-то посторонние предметы находятся в этом объеме, за которые может «зацепиться» будущий фотон, то они могут изменять скорость его излучения.

В опытах Ароша использовались особые, сильновозбужденные атомы (это так называемые ридберговские состояния атома). В них разница между энергетическими уровнями, между которыми идет переход, так мала, что длина волны излученного фотона составляет вполне макроскопическое значение — миллиметры и сантиметры. Хотя атом сам по себе и крошечный, но когда он «пытается» излучить фотон, он «прощупывает обстановку» в сантиметровом объеме.

Резонатор, использованный Арошем, был сопоставимого размера, и это позволяло ему влиять на скорость распада. Например, в совсем маленьком резонаторе излученный фотон просто не поместился бы — и уже один этот факт предотвращает его излучение, стабилизирует возбужденное состояние. Если же размер резонатора подобрать так, чтоб фотон ровненько в него вписывался, то атому будет даже удобнее излучить такой фотон, вероятность излучения резко возрастает (рис. 4).

Рис. 4. Темп излучения фотона возбужденным атомом в неограниченном пространстве определяется лишь внутренними атомными процессами (слева). Однако если атом находится в резонаторе, то излучение можно сильно либо сильно подавить (в центре), либо резко усилить (справа)

Справедливости ради надо сказать, что этот эффект вовсе не был для физиков сюрпризом. Такое поведение было теоретически предсказано Эдвардом Пёрселлом еще в 1946 году, а первые экспериментальные намеки на такое поведение появились в начале 70-х годов. Правда, тогда речь шла об излучении молекул, расположенных между двумя плоскими зеркалами, и эффект был довольно «грязным». Серж Арош и его сотрудники добились гораздо более сильного и чистого эффекта: в их статье 1983 года сообщается о примерно пятисоткратном (!) ускорении излучения фотона. Еще раз почувствуйте изюминку: свечение усилилось только за счет того, что мы правильным способом ограничили пространство в вакууме вокруг излучателя!

Спустя четыре года эффект был продемонстрирован сразу несколькими исследовательскими группами и в оптическом диапазоне, причем как в сторону усиления, так и ослабления излучения в десятки раз. Без преувеличения можно сказать, что началась эпоха манипулирования темпами внутриатомных процессов. Описание ситуации по состоянию на 1989 год можно найти в популярной статьеАроша и Клеппнера в журнале Physics Today. А группа Сержа Ароша тем временем двинулась дальше...

Дата добавления: 2015-05-24