Een theorie van onverstoorde sterkveldfysica, aangedreven door kwantumlicht

Niet-storende interacties (dat wil zeggen interacties die te sterk zijn om te worden beschreven door de zogenaamde perturbatietheorie) tussen licht en materie zijn het onderwerp geweest van veel onderzoeken. De rol die de kwantumeigenschappen van licht spelen in deze interacties en de verschijnselen die daaruit voortkomen, is echter tot nu toe grotendeels onontgonnen gebleven.

Onderzoekers van het Technion-Israel Institute of Technology presenteerden onlangs een nieuwe theorie die de fysica beschrijft die ten grondslag ligt aan niet-turbulente interacties, aangedreven door kwantumlicht. Hun theorie, gepresenteerd in natuurfysicaHet zou een leidraad kunnen zijn voor toekomstige experimenten die natuurkundige verschijnselen met een sterk veld onderzoeken, evenals de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologie.

Dit nieuwste artikel was het resultaat van een nauwe samenwerking tussen drie verschillende onderzoeksgroepen aan het Technion, onder leiding van hoofdonderzoekers prof. Edo Kamener, prof. Oren Cohen en prof. Michael Kreuger. Studenten Alexei Gorlach en Matan Even Zur, de eerste auteurs van het artikel, leidden het onderzoek met steun en ideeën van Michael Burke en Nick Rivera.

“Dit is een grote wetenschappelijke reis voor ons geweest”, vertelden prof. Kaminer en Gorlach aan Phys.org. “We begonnen al in 2019 na te denken over hoge harmonische generatie (HHG) en de kwantumeigenschappen ervan. Destijds werd licht in alle HHG-experimenten klassiek uitgelegd en we wilden weten wanneer de kwantumfysica daar een rol gaat spelen.

“Eerlijk gezegd waren we verontrust dat veel fundamentele verschijnselen in de natuurkunde verklaard werden door een totaal andere theorie en dus niet met elkaar in verband konden worden gebracht. De HHG baseerde zich bijvoorbeeld op een theorie die in tegenspraak was met de theorie die normaal wordt toegepast om spontane emissie te verklaren – en legde elke theorie uit.” op een andere basis.”

HHG zijn zeer niet-lineaire fysieke processen die een sterke interactie tussen licht en materie met zich meebrengen. Concreet treedt dit op wanneer intense lichtpulsen die op het materiaal worden toegepast ervoor zorgen dat zogenaamde hoge harmonischen van een intens gepulseerde lichtpuls worden uitgezonden.

Professor Kaminer en zijn onderzoeksteam hebben jarenlang geprobeerd één enkel raamwerk te bedenken, gebaseerd op de kwantumtheorie, dat gezamenlijk rekening zou houden met alle optische verschijnselen, inclusief de HHG. zij Eerste artikel over dit onderwerpgepubliceerd in Natuurcommunicatie In 2020 presenteerde ik een voorgestelde versie van dit uniforme raamwerk voor het analyseren van HHG in de taal van de kwantumoptica.

“Deze studie heeft het nu opkomende gebied van kwantitatieve HHG geopend”, verklaarden prof. Kaminer en Gorlach. Alle HHG-experimenten werden echter aangestuurd door klassieke laservelden. Het leek er zelfs op dat er nooit enig kwantumlicht kon zijn dat intens genoeg was om de HHG te creëren. Werken van professor Maria Tsjechova toonde aan dat het mogelijk is om voldoende intens kwantumlicht te creëren in een vorm die bekend staat als een helder gecomprimeerd vacuüm. Dit was de aanleiding voor ons nieuwe onderzoek.”

Als onderdeel van hun nieuwe studie creëerden prof. Kaminer, Gorlach en hun collega’s een compleet raamwerk dat fysische processen met sterke velden beschrijft, aangedreven door kwantumlicht. Om hun raamwerk theoretisch te valideren, pasten ze het toe op HHG en voorspelden ze hoe dit proces zou veranderen als het zou worden aangedreven door kwantumlicht.

“We hebben aangetoond dat, in tegenstelling tot de verwachtingen, veel belangrijke kenmerken, zoals intensiteit en spectrum, allemaal veranderen als gevolg van het gebruik van een drijvende lichtbron met verschillende kwantumfotonstatistieken”, aldus professor Kaminer en Gorlach. “Ons artikel voorspelt ook experimenteel mogelijke scenario’s die alleen op een andere manier kunnen worden verklaard door naar fotonenstatistieken te kijken. Deze komende experimenten zullen van nog grotere invloed en betekenis zijn voor dit opkomende veld van kwantumoptica met een sterk veld.”

Tot nu toe is het werk dat dit team van onderzoekers heeft gedaan puur theoretisch. Hun artikel biedt de eerste theorie voor niet-storende processen die worden aangestuurd door kwantumlicht, terwijl ze ook theoretisch aantonen dat de kwantumtoestand van licht meetbare grootheden beïnvloedt, zoals het uitgezonden spectrum.

“De manier waarop onze theorie werkt, is door het aangestuurde licht te verdelen in een van twee representaties, de gegeneraliseerde Glauber-verdeling of de Hossemi-verdeling, en vervolgens een conventionele simulatie van het HHG-veld, de tijdsafhankelijke Schrödinger-vergelijking (TDSE), te gebruiken om te simuleren de afzonderlijke delen van de distributie,’ zeiden professor Kaminer en Gorlach, voordat ze de simulaties samenvoegden om het algehele resultaat af te leiden.

“Het is deze verbinding van de standaardinstrumenten van de gemeenschap in een optisch kwantumberekeningsschema dat ons werk zowel krachtig als nuttig heeft gemaakt – en het is toepasbaar op een willekeurige kwantumtoestand van licht en een willekeurig systeem van zenders.”

De nieuwe theorie, afgeleid door prof. Kaminer, Gorlach en hun collega’s, zou binnenkort studies op verschillende gebieden van de natuurkunde kunnen informeren. In feite is hun paper van plan om het idee verder te brengen dan HHG, naar een breed scala aan niet-storende processen, die allemaal zouden kunnen worden aangestuurd door niet-klassieke lichtbronnen.

Deze theoretische voorspelling kan binnenkort in experimentele settings worden getest en gevalideerd. De theorie van het team kan bijvoorbeeld rechtstreeks worden toegepast op het genereren van attosecondepulsen via HHG, een proces dat het werk van kwantumdetectie en kwantumbeeldvormingstechnieken kan ondersteunen.

In dit verband publiceerde het team een ​​recent theoretisch artikel in Natuur fotonica die voorstellen om attoseconde-pulsspoelen te besturen met behulp van de kwantumaard van licht, waarbij bijvoorbeeld veelbelovende omstandigheden worden getoond met behulp van een combinatie van klassiek licht en gecomprimeerd kwantumlicht.

Bovendien kan hun theorie worden toegepast op andere verschijnselen die zijn gebaseerd op sterke veldfysica, zoals het Compton-effect, een proces dat wordt gebruikt om röntgenpulsen te genereren.

We hebben onlangs een vervolgartikel over deze toepassing gepubliceerd in De wetenschap gaat vooruit“, dat uiteindelijk eerder verscheen vanwege vertragingen in het peer-reviewproces”, voegen Kaminer en Gorlach toe over het Compton-effect. “We werken nu aan de implementatie van het experiment dat theoretisch in ons artikel wordt besproken.

“Een ander ambitieus doel is om de ontwikkelde theorie te generaliseren tot ver buiten HHG, en om kwantumeffecten te onderzoeken in verschillende materialen, aangedreven door intens licht, wat onze nieuwe ontwikkelingen in de kwantumoptica verbindt met de grenzen van de fysica van de gecondenseerde materie.”