Аттосекундная интерферометрия проникает в квантовую оптику: новый взгляд на взаимодействие света и материи

Аттосекундная интерферометрия, позволяющая измерять сверхбыстрые процессы в атомах и молекулах, впервые была расширена на квантовую область. Международная группа исследователей продемонстрировала, что взаимодействие интенсивных лазерных импульсов с веществом генерирует квантовые состояния света, несущие информацию о динамике электронов. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics и открывают новые возможности для квантовой метрологии и управления химическими реакциями.

Аттосекундная интерферометрия встречается с квантовой оптикой

Ученые из Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) и Венского технического университета совершили прорыв, объединив две области физики: аттосекундную науку и квантовую оптику. В эксперименте они использовали фемтосекундные лазерные импульсы для генерации высоких гармоник (HHG) в газовой среде. Обычно HHG применяется для создания аттосекундных импульсов, но в этот раз команда сосредоточилась на квантовых свойствах генерируемого излучения. Измеряя корреляции между фотонами, они обнаружили, что спектральная интерференция несет информацию о фазе и амплитуде электронных волновых пакетов с точностью до аттосекунд.

Предыстория и контекст

Аттосекундная физика традиционно фокусируется на временно́й динамике электронов, используя интерферометрические методы для восстановления фаз. Квантовая оптика, напротив, изучает статистику фотонов и квантовые состояния света. До сих пор эти подходы развивались параллельно. Новая работа объединяет их, показывая, что HHG-излучение является не просто классическим, а квантовым, и его квантовые свойства можно использовать для получения более глубокой информации. Это стало возможным благодаря развитию методов гомодинного детектирования и корреляционной спектроскопии.

Как именно квантовые свойства света помогают изучать электроны?

Ключевая идея заключается в том, что высокие гармоники, генерируемые при облучении атомов интенсивным лазерным полем, находятся в сжатом (squeezed) квантовом состоянии. Интерференция таких состояний в частотной области создает характерные биения, которые зависят от временно́й задержки между лазерными импульсами. Анализируя эти биения с помощью квантовой томографии, ученые могут извлечь информацию о фазе электронной волновой функции с аттосекундным разрешением. Это похоже на классическую аттосекундную интерферометрию, но с дополнительным квантовым каналом.

Технические подробности эксперимента

В эксперименте использовался титан-сапфировый лазер с длительностью импульсов 25 фемтосекунд и интенсивностью 10^14 Вт/см². Импульсы фокусировались в струю аргона, генерируя гармоники до 25-го порядка. Излучение гармоник разделялось на два плеча интерферометра: одно проходило через газовую мишень, другое — через управляемую задержку. Затем оба пучка сводились в нелинейном кристалле для генерации суммы частот, что позволяло измерять квантовые корреляции. Результаты показали, что сжатие фотонных состояний достигает 3 дБ, а точность восстановления фазы составляет 50 аттосекунд.

Кого затронет и как

Это открытие имеет значение для нескольких областей. Для физиков-атомщиков и специалистов по квантовой оптике оно предлагает новый инструмент для изучения электронной динамики в реальном времени. Для химиков — возможность управлять фотохимическими реакциями с беспрецедентной точностью. В долгосрочной перспективе метод может быть применен в квантовой метрологии для создания сверхчувствительных сенсоров времени и частоты. Российские исследователи, работающие в смежных областях, могут использовать результаты для развития отечественных лазерных технологий.

Что будет дальше

Исследователи планируют расширить метод на более сложные молекулярные системы и многофотонные процессы. Также ведется работа по миниатюризации установки для практического применения. Ожидается, что в ближайшие годы появятся первые приложения в области квантовой спектроскопии и управления химическими реакциями.

Итог

Объединение аттосекундной интерферометрии с квантовой оптикой открывает новую главу в изучении сверхбыстрых процессов. Теперь ученые могут не только видеть движение электронов, но и использовать квантовые свойства света для получения более полной информации. Это шаг к созданию квантовых сенсоров нового поколения.