Квантовая оптика позволит отказаться от дорогостоящих лазеров в спектроскопии

Аспирантка физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова в составе международной коллаборации учёных разработала метод время-разрешенной спектроскопии, позволяющий изучать быстропротекающие процессы в образцах. Новый метод работает на основе анализа квантованного света, пропускаемого через исследуемый образец без использования фемтосекундных лазеров и сложных систем детектирования. Разработка значительно дешевле используемых в этой области и, кроме того, позволяет исследовать образец, не разрушая его. Работа ученых опубликована в престижном журнале Scientific Reports.

Один из распространенных способов исследования процессов, происходящих в веществе, основан на оценке времени, за которое исследуемый образец откликается на воздействие внешних электромагнитных полей. По временному отклику можно судить, какие связи существуют между компонентами вещества. Часто эти времена измеряются фемтосекундами (10−15 сек), поэтому в подобных опытах принято применять фемтосекундные лазеры, способные генерировать сверхкороткие импульсы.

Однако использование фемтосекундных лазеров сопряжено с рядом проблем. Во-первых, они обладают высокой мощностью из-за чего могут повреждать исследуемый объект, а во-вторых, стоимость этих лазеров высока. Для решения обеих проблем ученые разработали схему, позволяющую исследовать образцы одиночными фотонами, производимые обыкновенными лазерами. На основе разработанной схемы исследователи собрали экспериментальную установку.

Созданная установка представляет собой интерферометр простейшей схемы, позволяющей изучать интерференцию света. В собранной схеме на пути лазера расположен нелинейный кристалл, в котором рождаются пары перепутанных фотонов, разлетающихся под определенным углом. Явление квантовой перепутанности возникает в двух или более частицах, которые можно разнести на сколь угодно далекие расстояния, но при этом они продолжают «чувствовать» друг друга, то есть попытка измерить параметры одной частицы приводит к моментальному определению состояния другой.

«Благодаря нашей разработке мы можем без фемтосекундного лазера измерять фемтосекундные времена, используя одиночные фотоны», — пояснила соавтор статьи, аспирантка физического факультета МГУ Елизавета Мелик-Гайказян.

Внутри одного из «плеч» интерферометра устанавливается исследуемый образец, через него пропускаются фотоны, которые затем встречаются на оптическом делителе с фотонами, прошедшими сквозь второе «плечо». После светоделителя фотоны попадают на один из двух детекторов, которые реагируют на одиночные фотоны. Благодаря этому возможно построить схему совпадений: если оба фотона идут к одному детектору, это ноль совпадений, и одно совпадение, если они идут к разным датчикам. В момент, когда задержка между двумя плечами становится абсолютно одинаковой, возникает эффект квантовой интерференции: совпадения полностью пропадают, поскольку фотоны никогда не попадают на оба детектора одновременно.

В том случае, если на пути фотонов встречается исследуемый образец, происходят изменения в картине квантовой интерференции. В таком случае пришедшие к делителю пары запутанных фотонов становятся менее одинаковыми, чем в ситуации без образца. Из-за этого меняется статистика приема фотонов на двух детекторах, и по изменению этой статистики можно судить о характере взаимодействий в исследуемом веществе, например, оценить время перехода из возбужденного в невозбужденное состояние.

Для своей работы Мелик-Гайказян получила поддержку в рамках стипендиальной программы SIPGA, учрежденной Агентством по науке, технологиям и исследованиям (Agency for Science, Technology and Research, республика Сингапур). Ею была собрана экспериментальная установка, проведены измерения интерференционной картины при наличии и отсутствии исследуемого образца, получены экспериментальные данные и проведен их анализ.

Разработанный метод ученые испытали и проверили на двух образцах: на кристалле Nd:YAG (алюмо-иттриевый гранат с неодимом) и матрице диэлектрических наночастиц.

«Новый метод анализа неизвестных веществ может найти применение в химии, биологии, материаловедении, — рассказала Елизавета Мелик-Гайказян. — Кроме того, он может пригодиться при создании квантового компьютера и для понимания того, как использовать квантовый свет в информационных технологиях».

Фото: Интерферометр, разработанный в МГУ