Нестационарные и коллективные квантовые эффекты в системах атомов и молекул, сильно взаимодействующих с плазмонными и волоконными структурами

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-72-10057

НазваниеНестационарные и коллективные квантовые эффекты в системах атомов и молекул, сильно взаимодействующих с плазмонными и волоконными структурами

Руководитель Андрианов Евгений Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-303 - Физика лазеров

Ключевые слова сильная связь, открытые квантовые системы, квантовая плазмоника, плазмонные лазеры, волоконные лазеры, нестационарные режимы генерации

Код ГРНТИ29.33.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время актуальной является задача исследования физики систем, в которых имеет место сверхсильное взаимодействие электромагнитного поля с веществом. Взаимодействие света с веществом в таких структурах приводит к формированию коллективных состояний электромагнитного (ЭМ) поля и поляризации атомов и/или молекул. Интерес к таким системам связан с возможностью создания на их основе оптических устройств нового поколения для оптоэлектроники, лазерной физики, сенсорики, квантовой криптографии и т.д. Например, использование систем, в которых реализуется режим сильной связи между ЭМ полем и веществом, позволяет многократно повысить чувствительность сенсоров и лазерных гироскопов. В экспериментах по рамановской спектроскопии сильная связь между органическими молекулами и плазмонными структурами позволяет достичь режима вибрационной неустойчивости молекул и усилить их рамановский отклик в экспериментах SERS. Интеграция NV-центров с плазмонными структурами и достижение режима сильной связи позволяет добиться увеличения скорости излучения одиночных фотонов на два порядка, что важно для квантовой криптографии. В лазерной физике сильная связь между ЭМ полем и активной средой позволяет достичь терагерцовой частоты модуляции сигнала в лазерах, которые используются в качестве источников когерентного излучения в оптических линиях связи. Более того, структуры, в которых реализуется режим сильной связи между ЭМ полем и активной средой, можно использовать для создания импульсных лазеров, работающих при отрицательной инверсной населенности активной среды. Отдельно стоит упомянуть возможность управления скоростью химических реакций при изменении энергетических уровней атомов и/или молекул, сильно связанных с плазмонными структурами. До сих пор различные явления, происходящие в системах атомов и молекул, сильно взаимодействующих с оптическими структурами, рассматривались по отдельности. В рамках проекта предполагается исследовать эти явления с единых позиций как теоретически, так и экспериментально. Планируется исследовать нестационарные явления, происходящие в плазмонных и волоконных структурах, в которых достигается режим сильной связи ЭМ поля с активными атомами/молекулами. С точки зрения фундаментальной физики сильное взаимодействие между ЭМ полем и атомами/молекулами приводит к формированию коллективных состояний ЭМ поля и поляризации атомов/молекул. Переход от режима слабой связи к режиму сильной связи сопровождается появлением в спектре собственных состояний системы особых точек. В особой точке два или более собственных состояния системы являются вырожденными, а соответствующие им собственные частоты равны друг другу. В результате собственные состояния не образуют полный базис при параметрах системы, соответствующих особой точке. Для того, чтобы сформировать полный базис, требуется дополнить собственные состояния системы присоединенными состояниями. Наличие таких состояний приводит к неэкспоненциальной зависимости интенсивности электромагнитного поля от времени. В результате переход к режиму сильной связи сопровождается существенным изменением во временной динамике системы. В плазмонных структурах режим сильной связи между ЭМ полем и отдельными атомами/молекулами был достигнут в 2016 году [R. Chikkaraddy, et al., Nature 535, 127 (2016)]. Данный результат был достигнут за счет сверхсильной локализации ЭМ поля в плазмонной структуре. В таком режиме наблюдается расщепление Раби в спектре излучения, а собственные моды системы являются коллективными (гибридными) состояниями ЭМ поля и атомных переходов. Из-за Раби расщепления временной отклик таких систем существенно отличается от такого для систем, работающих в режиме слабой связи. Например, временная модуляция мощности накачки в лазерах, работающих в режиме сильной связи, может приводить к существенному увеличению мощности выходного излучения и даже к лазерной генерации при отрицательной инверсной населенности [I.V. Doronin, et al., Phys. Rev. A, 100, 021801(R) (2019)]. В рамках проекта планируется исследовать вопрос о влиянии спонтанного излучения и шумов на лазерную генерацию в лазерах, работающих в режиме сильной связи, а также рассмотреть вопрос о когерентных свойствах и пространственном распределении излучения таких лазеров. Из-за сильной локализации ЭМ поля в плазмонных структурах режим сильной связи может достигаться даже при использовании одиночных атомов/молекул. В таких системах существенную роль играют квантовые эффекты. Например, при сильном взаимодействии между ЭМ полем и активной средой наблюдается квантово-механический сдвиг уровней атомов/молекул, который может приводить к изменению скорости фотохимических процессов в молекулах на несколько порядков. В рамках проекта для описания нестационарных и коллективных явлений в системах с сильной связью между ЭМ полем и атомами/молекулами, предполагается использовать полностью квантово-механический подход, разработанный для открытых квантовых систем [Шишков, В.Ю. и др., Успехи Физических Наук, 189, 544–558 (2019)]. В частности, такой подход позволяет учитывать кросс-релаксации между различными подсистемами, которые играют существенную роль в процессах термализации открытых квантовых систем и, как результат, оказывают влияние на нестационарные явления в рассматриваемых системах. С практической точки зрения режим сильной связи интересен тем, что в лазерах, использующих сильное взаимодействие между ЭМ полем и активной средой, реализуются нетривиальные нестационарные эффекты. Особый практический интерес здесь представляют волоконные лазеры, в которых сильное взаимодействие между ЭМ полем и атомами/молекулами возникает из-за высокой плотности допирования, в результате чего происходит кластеризация атомов активной среды. Сильное электромагнитное взаимодействие между близкорасположенными атомами приводит к изменению структуры уровней и скоростей релаксации. В частности, сильное взаимодействие ионов эрбия в оптических волокнах приводит к процессам с увеличением частоты падающего света, в результате чего возникают нестационарные режимы генерации волоконных лазеров с коротким резонатором. В рамках экспериментальной части проекта предполагается создать эрбиевые и иттербиевые одночастотные волоконные лазеры с распределенной обратной связью и классические лазеры с малой длиной резонатора, работающие как в режиме постоянной генерации, так и в режиме пассивной синхронизации мод. Предполагается изучить физические процессы, определяющие особенности нестационарной генерации иттербиевых лазеров с коротким резонатором. Использование полностью волоконных схем позволяет легко управлять параметрами лазера, создавать перестраиваемые лазерные системы. Использование лазеров с короткими резонаторами существенно упрощает технологию их изготовления и стабилизацию работы таких лазеров. На их базе предполагается провести проверку ряда теоретических результатов, полученных при реализации проекта. Таким образом, исследование систем, в которых реализуется режим сильной связи между электромагнитным полем и активной средой, представляет новое направление в оптике, которое только начинает формироваться. В рамках проекта планируется рассмотреть нестационарные и квантовые коллективные процессы в таких системах с единых позиций и заложить основы для создания оптических устройств нового поколения на базе таких систем.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ