Очень медленное движение атомов повлияло на их свечение

Ученые установили, что свечением атомных структур, охлажденных до минус 273 °С, можно управлять. Так, тепловое движение атомов, даже при экстремально низких температурах, дает дополнительную степень свободы, что можно использовать для управления свечением атомных ансамблей.

Полученные данные могут найти применение при разработке ячеек квантовой памяти для квантовых компьютеров, где переносчиком информации служит свет, а в качестве хранителя этой информации выступают атомы. Исследование поддержано грантом президентской программы Российского научного фонда.

Атомные структуры, флуоресценцией — то есть свечением — которых есть возможность быстро и точно управлять, можно использовать для создания ячеек квантовой памяти, которые используются в квантовом компьютере. На данный момент исследователи изучают особенности флуоресценции атомных ансамблей в разных условиях, в том числе при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю (порядка 0,0001 кельвина, или минус 273 °С). В таком состоянии атомы взаимодействуют друг с другом, образуя «сгустки» — атомные кластеры, излучение которых сильно отличается от светимости отдельных атомов. При этом если электроны в атомах такого кластера колеблются синхронно, они создают интенсивное спонтанное излучение, которое можно использовать в квантовой информатике. В обратном случае, если электроны в атомах колеблются асинхронно, излучение оказывается более тусклым.

Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (Санкт-Петербург) исследовали, как незначительное на первый взгляд тепловое движение влияет на флуоресценцию атомных структур. Авторы рассмотрели атомные ансамбли, охлажденные до минус 273 °С и возбужденные импульсным лазерным излучением. При этом исследователи изучили свечение атомов на трех временных масштабах. Первый — стадия сверхизлучения, во время которой электроны в атомах колебались синхронно и излучали быстро, что сопровождалось высокой интенсивностью света. Второй — стадия пленения света, при которой излученные атомами фотоны — частицы света — рассеивались по среде и могли вторично поглощаться и излучаться. Третий — стадия субизлучения, когда флуоресценция затухала очень медленно.

Исследователи обнаружили, что на всех трех стадиях тепловое движение повлияло на характер флуоресценции по сравнению с идеализированным случаем абсолютно неподвижных атомов. Оказалось, что в ряде случаев нагревание приводит не к ожидаемому ослаблению эффектов сверхизлучения и субизлучения, а, напротив, к их усилению. Так, мгновенная скорость затухания флуоресценции при температуре в районе минус 273 °С отличается в два-три раза по сравнению с модельным случаем абсолютно неподвижных атомов. Полученные данные позволят, незначительно меняя температуру системы, контролировать свечение атомных конгломератов и использовать их для решения проблем квантовой информатики.

«В дальнейшем мы планируем применить разработанную теорию, чтобы описать изменения свечения примесных атомов в твердых телах. Тепловые колебания твердотельных примесей могут оказывать существенное влияние на их флуоресценцию. При этом в данной тематике остается еще немало вопросов, которые требуют более тщательного исследования»,— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Курапцев, кандидат физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

Подготовлено при поддержке РНФ, использованы материалы статьи.