Научные группы

Теоретические вопросы атомной физики, когерентной и квантовой оптики

 

Спектр исследований данной научной группы охватывает широкий круг актуальных проблем современной теоретический физики. Изучается взаимодействие резонансного излучения с холодными атомами, а также с примесными центрами в твердотельной среде. Проводятся исследования электромагнитного-индуцированной прозрачности в горячих атомарных газах. Изучаются вопросы, связанные с одноатомным лазером и генерацией неклассических состояний света. Развивается теория вейвлетов для обработки нестационарных сигналов.    

 

Руководитель группы – Соколов Игорь Михайлович, д.ф-м.н., профессор

Состав участников

Литвинов Андрей Николаевич, к.ф-м.н., доцент

Божокин Сергей Валентинович, к.ф-м.н., доцент

Ларионов Николай Владимирович, к.ф-м.н., доцент

Попов Евгений Николаевич, к.ф-м.н., старший преподаватель, м.н.с.  

Курапцев Алексей Сергеевич, к.ф-м.н., доцент.

Баранцев Константин Анатольевич, к.ф-м.н., доцент.

 

Направления исследований

1. Взаимодействие света с ансамблями точечных неподвижных рассеивателей

В рамках данного направления проводятся теоретические исследования ансамблей холодных атомов и их взаимодействия с резонансным излучением. В нашем научном коллективе разработана последовательная квантовая микроскопическая теория кооперативных эффектов в плотных холодных атомных ансамблях. Рассчитаны такие величины как диэлектрическая проницаемость холодного атомарного газа, коэффициент поглощения, длина волны в среде. Проанализирован коллективный спонтанный распад возбужденного атома. Решена задача рассеяния квазирезонансного монохроматического излучения на холодных атомах. По результатам работы опубликован ряд статей в престижных международных изданиях, таких как Physical Review A и др.

В настоящее время в рамках данного направления активно исследуется взаимодействия света с ансамблями точечных примесных центров в твердой среде. На основе квантового микроскопического подхода решён ряд задач, связанных с рассеянием излучения на неподвижных примесных центрах, а также когерентным зеркальным отражением от границы среды. Доказано, в ряде случаев классические формулы Френеля несправедливы.  

Зависимость коэффициента отражения от угла падения. Падающий свет резонансный, характерное расстояние между примесными центрами порядка длины волны резонансного света. 1, 3 – микроскопический расчет; 2, 4 – формулы Френеля. 1, 2 – s-поляризация; 3, 4 – p-поляризация.

Одним из наиболее интересных эффектов в физике неподвижных примесных центров является подавление спонтанного распада возбужденного атома в резонаторах и волноводах, а также связанное с этим пленение излучения. Сейчас в нашей группе активно ведутся исследования влияния межатомного диполь-дипольного взаимодействия на радиационный распад возбужденного атома в резонаторе Фабри-Перо.

Особый интерес вызывает случай, когда расстояние между пластинами резонатора меньше половины длины волны, резонансной атомному переходу. В этом случае наблюдается существенное замедление спонтанного распада для определенных зеемановских подуровней возбужденного состояния атома.

Динамика спонтанного распада возбужденного примесного атома в резонаторе Фабри-Перо. Расстояние между пластинами резонатора меньше половины длины волны, резонансной атомному переходу. Среднее расстояние между примесными атомами порядка длины волны света. m – проекция углового момента на ось квантования.

На рисунке видно, что для зеемановского подуровня m=-1 спонтанный распад существенно замедлен (красная кривая). Для m=-0 (синяя кривая) динамика распада не описывается одноэкспоненциальным законом, что связано с формированием в системе коллективных квантовых состояний.

В работе используется современное вычислительное оборудование, имеющееся на кафедре квантовой электроники СПбПУ, в частности два многоядерных сервера IBM с оперативной памятью 32 и 112 Гб.

Практическое применение исследуемые явления могут найти в квантовой метрологии, стандартизации частоты, лазерной генерации, а также в квантово-информационных приложениях.

 

2. Нелинейные оптические резонансы в горячих атомных газах и твердотельных наноструктурах

При распространении электромагнитного излучения в какой-либо среде это излучение может оказывать влияние на оптические свойства данной среды. В частности при воздействии на среду многочастотного излучения может возникать просветление среды для одной гармоники излучения, вызванное действием другой гармоники. Это наиболее ярко проявляется при резонансе электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИП), который был открыт тридцать лет назад, но исследования этого явления и смежных эффектов активно проводятся и в настоящее время.

В практически значимых приложениях удобно использовать среды при комнатной температуре во избежание громоздких охлаждающих установок. Поэтому в данном направлении мы сконцентрировали внимание на исследовании газов горячих атомов и твердых тел комнатной температуры. Нами изучается резонанс ЭИП в газе щелочных атомов, схема уровней внешней электронной оболочки которых имеет вид так называемой лямбда-системы (см. рис. a). Газ находится в стеклянной ячейке, на которую воздействует двухчастотное лазерное излучение (рис. b).

Когда отстройки обеих мод равны нулю, атомы переходят в так называемое темное состояние, являющееся суперпозицией состояний |1> и |2>. Это состояние перестает взаимодействовать со светом и среда просветляется. На кривой прозрачности среды в зависимости от отстройки одного из полей появляется узкий резонанс - резонанс ЭИП. При этом населенность скапливается на нижних состояниях |1> и |2>  - так называемый эффект когерентного пленения населенности (КПН).

Резонанс ЭИП может иметь ширину гораздо меньше естественной ширины атомных уровней, что позволяет контролировать частоту лазерного излучения с высокой точностью. Это находит применение в квантовых стандартах частоты и магнитометрии. Также возможно контролировать распространение импульса пробного излучения, резонансного переходу 2-3, излучением, действующим на переходе 1-3, в том числе и записывать информационный импульс на атомы, что представляет собой квантовую память.

Подобную лямбда-систему уровней можно реализовать в полупроводниковых наноструктурах, что переносит все вышеперечисленные применения на твердотельные приборы. Так в нашем коллективе была предложена лямбда-схема уровней на двойных туннельно-связанных квантовых ямах (рис. с), лазерное поле в которых вызывает межзонные переходы.

В рамках данного направления проводятся также исследования фотонного эха. Фотонное эхо – одно из наиболее интересных и широко исследуемых явлений в оптике нестационарных процессов. За полвека с момента открытия ФЭ развилось в отдельное направление в спектроскопии и квантовой памяти. На сегодняшний день существует целый ряд модификаций этого явления, а первым его видом было двухимпульсное фотонное эхо. Потом появились трёхимпульсное, стимулированное, долгоживущее, столкновительное и другие модификации. Несмотря на то, что ФЭ не находит массового применения в коммерческих проектах, оно популярно в научной и лабораторной среде, поскольку позволяет учёным исследовать сложные процессы динамики и релаксации атомов.

В обзоре речь пойдёт о долгоживущем фотонном эхе на переходе 1 – 1 (ДФЭ) как методе хранения поляризационного кубита. Рабочая среда представляет собой газ из горячих двухуровневых атомов, например, пар щелочного металла.

Схема-последовательность формирования долгоживущего фотонного эха

Алгоритм формирования ДФЭ в газовой среде можно условно разделить на шесть этапов, идущих последовательно друг за другом:

  1. Накачка среды: Газовая ячейка просвечивается первым коротким лазерным импульсом, который создаёт в среде оптическую когерентность. Атомы переходят в состояние суперпозиции возбуждённого и основного уровней.
  2. Доплеровская релаксация: После импульсной накачки оптическая когерентность быстро затухает под действием доплеровской релаксации. В течение промежутка времени, за который происходит обратимая релаксация когерентности, но не успевает произойти спонтанный распад, среда подготовлена к записи поляризационного кубита.
  3. Запись кубита: Спустя время ‘τ после первого лазерного импульса через газовую ячейку проходит второй (информационный) импульс. В результате часть атомов переходит из состояния суперпозиции, в котором атом обладает дипольным моментом, в основное или возбуждённое состояние, в которых дипольный момент атома равен нулю. Это приводит к «замораживанию» фазы состояния атомов, записавших кубит, и возможному возвращению их оптической когерентности в будущем.

Схема энергетических уровней натрия, на которых может быть реализовано долгоживущее фотонное эхо.

Принцип записи кубита

Поляризационный кубит представляет собой суперпозицию двух ортогональных состояний поляризации второго импульса: |q> = C1|12>+C2|22>. Квантовая информация хранится в коэффициентах C1 и C2. Благодаря вырождению нижнего и верхнего уровней с угловыми моментами 1 в схеме существует 4 перехода между зеемановскими подуровнями (рис.2), которые по-разному взаимодействуют с полями в зависимости от поляризации. Таким образом, информация о поляризации второго импульса может быть перенесена на населённость зеемановских подуровней основного и возбуждённого состояний.

  1. Хранение кубита: После записи динамика среды определяется процессами релаксации. В течение времени хранения ‘τs атомы полностью распадаются в основное состояние, однако конфигурация населённости зеемановских подуровней при распаде переносится из возбуждённого состояния в основное, и записанная информация не пропадает.
  2. Вторичная накачка среды: Для воспроизведения кубита через среду пропускают третий лазерный импульс, поляризация которого совпадает с поляризацией первого. Атомы, на которых записана информация, снова переходят в промежуточное состояние суперпозиции основного и возбуждённого уровней, а их «замороженная» фаза дипольного момента восстанавливается.
  3.  Воспроизведение кубита: Третий лазерный импульс инвертирует направление набега фазы дипольных моментов под действием доплеровской релаксации. Поэтому, спустя время ‘τ после действия третьего импульса оптическая когерентность атомов, на которых записан кубит, восстанавливается, и формируется сигнал долгоживущего фотонного эха. Поляризация эха может быть представлена в форме, аналогичной второму импульсу, и рассматриваться как воспроизведение средой поляризационного кубита.

Из последних результатов

В рамках работы над задачей было найдено общее аналитическое выражение для поляризации ДФЭ на переходе 1 – 1, которое может быть легко модифицировано на случай произвольного перехода. Также найдено условие, при котором поляризация эха совпадает с поляризацией второго импульса:

cos ( θ3 / 2 ) = ( 1 + α / 2) / ( 2 – α ),

где θ3 – площадь третьего импульса, а α – доля распада населённости из возбуждённого уровня на основной. Это условие может быть выполнено в натрии, для которого α = 1 / 6 и, следовательно:

Na:  θ3 = 0.598 π

Важно, что точность записи и воспроизведения не зависит от поляризации самого кубита, а определяется только схемой атомных переходов (рис.2) и площадью третьего импульса. Благодаря этому фактору, среда может выступать в роли ячейки квантовой памяти, которая «не знает», какой именно кубит записан, но способна воспроизвести его. Это необходимо при работе с большим количеством информации, или в квантовой криптографии, где информация должна быть скрыта от наблюдателя.

 

3. Нестационарные сигналы и вейвлеты

Тема «Разработка и анализ новых количественных характеристик нестационарных ритмов живых организмов на основе развития метода вейвлет-преобразования сигналов» посвящена развитию изучению сигналов электроэнцефалограммы, кардиоритмограммы и циркадных ритмов живых организмов с целью создания новых диагностических параметров.

Особенностью методов диагностики во время проведения многих функциональных проб является нестационарность обрабатываемых медицинских сигналов, обусловленная изменением во времени их спектральных свойств. Это приводит к тому, что прежние методы (статистический подход, оконное преобразование Фурье, корреляционный анализ) оказываются малопригодными для обработки реальных медицинских сигналов. Авторы предлагаемого проекта используют новый комплекс методов, который заключается в математическом моделировании нестационарных сигналов и модификации метода непрерывного вейвлетного преобразования, способного определить временную динамику изменения спектральных свойств реальных биомедицинских сигналов во время функциональных проб.

Актуальность задач анализа ритмов мозга состоит в необходимости объективного количественного описания амплитудно-частотных свойств как каждой вспышки ЭЭГ, так и ансамбля вспышек. Эти характеристики позволят осуществить более точную классификацию вспышек в задачах диагностики заболеваний, разработать методы контроля эмоциональных состояний и когнитивных функций, вычислить нестационарную корреляцию различных отведений головного мозга, использовать новые методы обработки ЭЭГ при разработке интерфейса мозг-компьютер и распознавании паттернов, связанных с когнитивной деятельностью. Актуальность планируемых исследований ритмограммы состоит в создании математического аппарата для определения спектральных характеристик ритмов сердца в переходные этапы осуществления функциональных проб, когда происходят явления перестройки ритмов. Актуальность задач изучения циркадных ритмов живых организмов связана с важностью использования новых показателей корреляции различных каналов активности (двигательная и питательная активность) для определения влияния  конкретных условий жизни и труда на здоровье человека.

Научная новизна получаемых результатов состоит в создании и экспериментальной апробации новых количественных показателей, характеризующих нестационарность  медицинских сигналов, получаемых во время диагностических процедур, и разработке комплекса компьютерных программ для расчета таких сигналов. С помощью применения адаптивного материнского вейвлета, изучения динамики спектральных интегралов, разработки методов динамической корреляции различных каналов будет получена объективная информация о динамике перестройки многих физиологических структур человека под действием различных внешних воздействий.

 Предлагаемый метод позволяет вычислять изменения спектральных характеристик медицинских сигналов, а также находить параметры нестационарной корреляции различных сигналов. На основании этих данных будут разработаны рекомендации для задач медицинской диагностики, которые позволят анализировать работу сердечно-сосудистой и нервной систем человека во время проведения функциональных проб. Разрабатываемые в проекте методы могут найти применение: при анализе адаптивных возможностей человека; в задачах нейрофизиологии при анализе ритмов отдельных нейронов; в кардиологии при исследовании аритмий; при расшифровке динамики пространственно-временной структуры нейронных ансамблей; при выработке рекомендаций по выбору оптимальных дневных ритмов и изменения графика работы, связанного с изменением  времени  суток.

4. Квантовые состояния света и неклассическая статистика

К настоящему времени существует ряд экспериментов, в которых роль активной среды лазера могут играть несколько или даже один излучатель (атом, ион, квантовая точка и т.п.). Такие лазеры – нанолазеры – являясь базовыми квантово-электродинамическими моделями, в первую очередь, представляют собой интерес с точки зрения фундаментальной физики, так как на их основе могут быть проверены основные положения квантовой оптики. Существует и практический интерес, связанный с тем, что нанолазеры могут выступать в роли источников неклассического света или быть структурной единицей в сложной квантовой сети. Это все делает такие «одноатомные» системы востребованными в квантово-информационных приложениях, включающие в себя задачи квантовых коммуникаций, квантовой криптографии и квантового компьютера.

В отличие от квантовой теории обычных лазеров – лазеров работающих в режиме большого (макроскопического) числа излучателей, квантовая теория нанолазеров практически не разработана.  Основной подход к изучению таких задач основан на численных моделированиях, что в свою очередь не дает полного понимания физических процессов. Поэтому, интерес представляет получение аналитических выражений, подобных тем, которые существуют в теории обычных лазеров, позволяющих оценивать и разграничивать различные режимы генерации. Так в рамках этих исследований нами был разработан оригинальный подход анализа стационарного режима работы одноатомного нанолазера: двухуровневый атом с замкнутой схемой некогерентной накачки, взаимодействующий с одной модой затухающего резонатора. Данный подход основан на анализе замкнутого уравнения для P-функции квазивероятности Глаубера-Сударшана (N.V. Larionov, M.I. Kolobov, Phys. Rev. A 88, 013843 (2013); E.N. Popov , N.V. Larionov , «Glauber-Sudarshan P function in the model of a single-emitter laser generating in strong coupling regime», to be published in Proceedings of SPIE (2016)). Были получены приближенные аналитические решения этого уравнения, позволившие исследовать переход от порогового к беспороговому режиму работы нанолазера, а также оценить значения параметров нанолазера, необходимых для генерации света с субпуассоновской статистикой.

Участие в научных конференциях в 2015 году

- A. S. Kuraptsev and I. M. Sokolov, Coherent light scattering from a disordered ensemble of cold atoms, 47th Conference of the European Group on Atomic Systems (EGAS), Riga, Latvia, 14 – 17 July 2015

Общая фотография участников конференции EGAS 2015 на фоне главного входа в Университет Латвии

- A. S. Kuraptsev and I. M. Sokolov, Quantum microscopic analysis of resonant light reflection from a plane surface of an ensemble of motionless point scatters, The ninth Alexander Friedmann international seminar on gravitation and cosmology and third satellite symposium on the Casimir effect, St. Petersburg, 22 – 26 June 2015

Стендовая секция Фридмановского семинара. Возле постера А.С. Курапцев и студенты старших курсов кафедры «Квантовая электроника»

- К. А. Баранцев, А. Н. Литвинов, Е. Н. Попов, Transfer of laser irradiation with broadband spectrum in optically dense atomic medium under the coherent population trapping, 9-th Alexander Friedmann International seminar, С.-Петербург, 21-27 июня 2015.

- E. N. Popov, A. N. Litvinov, K. A. Barantsev, E. N. Velichko, Feed-back in scheme of noble gas pumping realized by spin-exchange interaction with alkaline atoms, 9-th Alexander Friedmann International seminar, С.-Петербург, 21-27 июня 2015. 

- N. V. Larionov, Nanolasers based on few emitters, the Ninth Alexander Friedmann International Seminar on Gravitation and Cosmology and Third Satellite Symposium on the Casimir Effect, Санкт-Петербург, 21-27 июня 2015г.

Участники научной группы в кулуарах Фридмановского семинара. Слева направо: Н.В. Ларионов, К.А. Баранцев, Е.Н. Попов.

- А. С. Курапцев, Квантовый микроскопический расчет резонансного отражения света от плоской границы ансамбля неподвижных точечных рассеивателей, 9-й семинар Д.Н. Клышко, Москва, 25 – 27 мая 2015

- И. М. Соколов, Влияние магнитного поля на характер переноса излучения в плотных ультрахолодных атомных газах, Девятый семинар Д.Н. Клышко, 25-27 мая 2015, Москва, Россия (приглашенный доклад)

- Е. Н. Попов, А. Н. Литвинов, К. А. Баранцев, Искусственная ядерная намагниченность газовой смеси 129Xe и 131Xe и методы управления ею, 9-й семинар Д.Н. Клышко, Москва, 25 – 27 мая 2015

- Н. В. Ларионов, А. С. Курапцев, Нанолазер на нескольких излучателях, 9-й семинар Д.Н. Клышко, Москва, 25 – 27 мая 2015

Общая фотография членов научной группы, принявших участие в 9-ом семинаре Д.Н. Клышко в 2015 году. Слева направо: Е.Н. Попов, А.С. Курапцев, И.М. Соколов, Н.В. Ларионов, А.Н. Литвинов, К.А. Баранцев 

- С. В. Божокин, И. Б. Суслова, Нестационарная корреляция ансамбля вспышек ЭЭГ: вейвлет-анализ, XVII  Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Нейроинформатика-2015», Москва, 19 – 23 января 2015

- К. А. Баранцев, А. Н. Литвинов, Е. Н. Попов, Обмен энергией между лазерными импульсами в атомной среде с замкнутым контуром возбуждения, XII International workshop on quantum optics IWQO-2015, Москва, Троицк, 11-16 августа 2015 г.

- Е. Н. Попов, А. Н. Литвинов, К. А. Баранцев, Эффективные гиромагнитные отношения в смеси благородных газов с искусственной ядерной намагниченностью, XII International workshop on quantum optics IWQO-2015, Москва, Троицк, 11-16 августа 2015 г.

Общая фотография участников конференции IWQO-2015 у входа в Институт спектроскопии РАН.

Закрытие XII Международных чтений по квантовой оптике IWQO-2015

- I. M. Sokolov, Radiation trapping in a cold and dense atomic ensemble in a magnetic field, Laser Physics Workshop (LPHYS'15), August 21 - 24, 2015 Shanghai, China (приглашенный доклад)

- I. M. Sokolov, Light localization in a cold and dense atomic ensemble in a magnetic field, XIV International Conference on Quantum Optics and Quantum Information 2015, Minsk, October 27–30, 2015, Minsk, Belarus (приглашенный доклад)

- N. V. Larionov, Single-emitter laser in the presence of external atom, XIV Международная конференция по квантовой оптике и квантовой информатике, 27–30 октября 2015 г., Минск, БЕЛАРУСЬ, (ICQOQI’2015).

- I. M. Sokolov, Magnetic-field-driven localization of light, Waves and imaging in random media, Paris, November 9-10, 2015 (приглашенный доклад)

- Е. Popov, N. Larionov, Glauber p-function in model of single-atom laser generating in strong coupling regime, Международный симпозиум по оптике и биофотонике Saratov Fall Meeting (SFM-2015) Саратов. 22-25 сентября 2015 г.

- Е. Н. Попов, Н. В. Ларионов, Одноатомный лазер в стационарном режиме и квантовая статистика поля резонатора, XIII Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике Самара. 11-14 ноября 2015 г.

- А. В. Викентьев, В. Ю. Горяинов, Н. В. Ларионов, Особенности P-функции Глаубера-Сударшана для одноатомного лазера, Девятая международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2015», Санкт-Петербург, 12 октября 2015 г.

Конкурсы и награды

- Курапцев А.С., конкурс СПбПУ «Аспирант года» 2015, III место

- Курапцев А.С., конкурс фонда Дмитрия Зимина «Династия» 2015 (программа поддержки аспирантов и молодых ученых без степени), победитель

- Курапцев А.С., конкурс грантов Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук 2014 г., победитель (в категории – аспиранты)

- Баранцев К.А., Диплом за высокий уровень доклада на XII Международных чтениях по квантовой оптике (IWQO-2015), 2015 г.

- Баранцев К.А., Диплом за II место в XIII Всероссийском молодежном Самарском конкурсе-конференции научных работ по оптике и лазерной физике 2015 г.

- Попов Е.Н., Диплом первой степени за лучший стендовый доклад. IWQO-2015. Москва-Троицк.

- Попов Е.Н., Благодарственное письмо за приглашённый доклад и верность конференции, Самара 2015

Финансовая поддержка

- Министерство Образования и Науки Российской Федерации

- Российский Фонд Фундаментальных Исследований

- Совет по грантам Президента Российской Федерации

- Фонд Дмитрия Зимина «Династия»

- Программа 5-100