Однофотонную нелинейность реализовали при комнатной температуре

Однофотонную нелинейность реализовали при комнатной температуре

Физики экспериментально продемонстрировали систему, в которой возникает нелинейный отклик всего лишь от одного фотона при комнатной температуре. Для этого исследователи возбуждали поляритоны в полимерной пленке и следили за их конденсацией в зависимости от интенсивности затравочных импульсов. Работа опубликована в Nature.

Взаимодействие вещества со светом в нелинейном режиме стало довольно важным явлением, нашедшим применение во множестве практических приложений, начиная от телекоммуникации и заканчивая микроскопией высокого разрешения. Его главный признак — нелинейная зависимость отклика среды на воздействие светом, например, переизлучение средой света с удвоенной частотой или самофокусировка пучка.

Традиционно нелинейность ассоциируется с большими интенсивностями падающего излучения. Однако, как оказалось, в некоторых средах нелинейного режима можно достичь и при облучении их всего одним фотоном. Это удавалось наблюдать для атомов и атомоподобных систем, помещенных в резонатор, либо для ультрахолодных атомных ансамблей. В последнем случае сильная и устойчивая однофотонная нелинейность достигается за счет сильно скоррелированных состояний, например, в бозе-эйнштейновском конденсате, однако его создание требует очень сложных условий для реализации, включая очень низкие температуры.

Группа физиков из Германии, России и Швейцарии под руководством Антон Заседателев (Anton Zasedatelev) и Павлоса Лагудакиса (Pavlos Lagoudakis) из Сколковского института науки и технологий экспериментально показала, что однофотонную нелинейность можно получить при комнатной температуре, объединив преимущества подхода, основанного на усилении взаимодействия света с веществом с помощью резонаторов, с сильными корреляциями, наблюдаемыми в бозе-конденсатах. Для этого они помещали пленку из полипарафенилена (MeLPPP) толщиной 35 нанометров, окруженную двумя прокладками из диоксида кремния толщиной 50 нанометров, в оптический микрорезонатор на основе брэгговских зеркал. Физики имели возможность резонансно возбуждать в полимере экситоны с помощью импульса накачки. За счет правильно подобранных свойств среды эта энергия эффективно передавалась в колебательные степени свободы с образованием соответствующего поляритона, то есть квазичастицы, объединяющей в себе возбуждения среды с фотоном. Начиная с некоторого порога интенсивности накачки, спонтанно рождаемые поляритоны конденсировались, что отражалось на излучении, выходящем из системы.

Затем авторы решили усилить конденсацию с помощью затравочных импульсов, которые напрямую возбуждали новые поляритоны. Они следили за величиной, названной контрастом, которая характеризовала то, насколько затравочных поляритонов больше, чем спонтанно образованных. Построив зависимость контраста от энергии одного импульса, физики обнаружили степенной закон, который подтвердил численные симуляции. Экстраполируя эту зависимость до энергии импульса, соответствующей энергии одного фотона, они получили контраст, равный 28 процентам.

Исследователи обратили внимание на то, что полученное значение нельзя считать истинно однофотонным, поскольку в проделанном опыте свет был классическим. Иными словами, распределение вероятности встретить в моде n фотонов носило пуассоновский характер. Это означает, что в измерениях с накоплением данных после множества повторений неизбежно возникнут вклады от многофотонных состояний. Чтобы обойти эту проблему, физики измеряли фотолюминесценцию после каждого затравочного импульса. Повторение эксперимента в таком режиме снизило значение контраста до 11 процентов для импульсов, содержащих в среднем один фотон.

В заключении авторы подчеркивают, что проведенный ими эксперимент стал четким подтверждением однофотонной нелинейности при комнатной температуре, что может быть полезно для разработки устройств фотоники на чипе. Они также отмечают, что отношение сигнал/шум эксперимента может быть увеличено путем управления свойствами фильтрации и накачки, размерами конденсата, конфигурацией затравочных состояний и многим другим.

Физики с большим интересом изучают нелинейные эффекты в конденсированных средах. Мы уже рассказывали, как они получили «двуцветный» фотон и исследовали генерацию высших гармоник в графене.

Самые свежие новости медицины на нашей странице в Вконтакте

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>