Физики ТГУ предсказали голограмму квантового состояния фотонного газа
Ученые физического факультета Томского государственного университета (ТГУ) с помощью формул квантовой электродинамики доказали, что даже одиночный фотон может вести себя как среда с диэлектрической проницаемостью, а рассеяние зондирующего фотона на фотонном газе создает голограмму — точный слепок квантового состояния мишени. Фундаментальные закономерности, полученные авторами, можно использовать как новый инструмент квантовой диагностики света.
В основе явления, описанного в работе, лежит «рассеяние света на свете» — один из самых тонких эффектов квантовой электродинамики, предсказанный еще в 1930-х годах и до сих пор не наблюдавшийся в лабораторных условиях.
Вместо того, чтобы измерять крошечное сечение некогерентного рассеяния фотона на фотоне, авторы предлагают сфокусироваться на когерентном вкладе в рассеяние — той части процесса, где интерференция между свободно прошедшей и рассеянной частями волновой функции зондирующего фотона создает голограмму. Этот когерентный вклад, как выясняется, больше на два порядка по постоянной тонкой структуры (то есть приблизительно в 20 000 раз), чем обычное сечение рассеяния света на свете, что делает эффект доступным для наблюдения.
«Голограмма позволяет отследить когерентность состояния фотонного газа. Мы рассмотрели два случая: когерентную и некогерентную решетки фотонов, плотности энергии которых совпадают в момент времени t=0. Расчет показывает, что голограммы в этих случаях оказываются разными. Это означает, что голограмма несет информацию не только о том, сколько фотонов в каждой точке пространства, но и о том, как они когерентно связаны друг с другом», — объяснил один из авторов работы, аспирант кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Алексей Соколов.
Как поясняют ученые, фотонный газ представляет собой облако фотонов. Исследователи предлагают направлять на него другой, зондирующий фотон и регистрировать результат его рассеяния. В результате возникает голограмма, по которой можно определить, как фотоны распределены в пространстве, как они поляризованы и насколько согласованы между собой состояния фотонов.
Чтобы проверить чувствительность метода, ученые рассчитали голограммы для двух фотонных решеток с одинаковым распределением числа фотонов. В одном случае состояния фотонов были согласованы между собой, а в другом — нет. Несмотря на одинаковое распределение фотонов, голограммы оказались разными. Таким образом, метод позволяет получать сведения не только о количестве фотонов, но и об особенностях их квантового состояния.
Один из важнейших результатов работы — вычисление коэффициента преломления для фотонного газа, находящегося в произвольном квантовом состоянии, и даже для одиночного фотона. Коэффициент преломления, характеристика, которую обычно приписывают макроскопическим средам – стеклам, кристаллам, плазме, — оказывается присущей отдельному фотону.
Фотонный газ и одиночный фотон ведут себя как среда с линейным и круговым двулучепреломлением. Если фотоны мишени линейно поляризованы, возникает линейное двулучепреломление. При круговой поляризации появляются круговое двулучепреломление и естественная оптическая активность — способность поворачивать поляризацию зондирующего света. Ниже порога рождения электрон-позитронных пар эта среда прозрачна; выше — становится поглощающей. В высокоэнергетическом пределе она напоминает двулучепреломляющую плазму. При этом, как отмечаю ученые, диэлектрическая восприимчивость пропорциональна плотности энергии фотонного газа. Это означает, что чем ярче свет в мишени, тем более «осязаемой» становится эта среда для зондирующих фотонов.
«В фундаментальном плане эта работа открывает новые горизонты сразу для нескольких областей: она вносит вклад в сильнополевую квантовую электродинамику, предлагает новые методы в астрофизике и космологии, дает импульс экспериментам с высокоэнергетическими фотонами и углубляет наше понимание природы элементарных частиц», — прокомментировал полученные данные профессор кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Петр Казинский.
Особую ценность, по словам ученого, исследование представляет для астрофизики. Оно дает строгое описание изменения поляризации высокоэнергетических фотонов при прохождении сквозь космическую среду, предлагая тем самым мощный инструмент интерпретации наблюдательных данных. Более того, когерентное рассеяние фотонов с энергиями порядка ГэВ и выше на фотонном газе открывает возможность управлять поляризацией зондирующего пучка в той энергетической области, где традиционные методы уже бессильны.