Физики впервые поймали ультрабыстрые импульсы света, рожденного из абсолютной пустоты

Все время оптическая физика развивалась по двум независимым направлениям, которые практически не пересекались друг с другом. Первое направление — сверхбыстрая наука. Она изучает процессы, происходящие за аттосекунды (квинтиллионные доли секунды), например, движение электронов внутри атомов и молекул. Для управления такими процессами требуются очень большие мощности: используются сверхинтенсивные лазерные импульсы, каждый из которых несет в себе триллионы фотонов. Второе направление — квантовая оптика. Здесь исследователи работают со светом на уровне одиночных или запутанных фотонов, изучая фундаментальные свойства материи при минимальных уровнях энергии.

Объединить эти две области было критически важно для дальнейшего развития науки о материалах, но технически эта задача казалась невыполнимой. Квантовые эффекты, которые легко наблюдать при слабом излучении, теряются в мощном потоке лазерного света, необходимого для аттосекундных экспериментов. Ну либо физикам требовался принципиально новый источник излучения. Он должен был обладать квантовой природой, но при этом иметь достаточную интенсивность для запуска высокоэнергетических процессов.

Решением стала концепция так называемого «яркого сжатого вакуума» (Bright Squeezed Vacuum, сокращенно BSV). Международная группа исследователей из Израильского технологического института (Технион) и Института изучения света Макса Планка совершила прорыв в работе с этим состоянием света. В исследовании, опубликованном в научном журнале Optica, они представили первую успешную методику точного измерения спектральных и временных характеристик каждого отдельного сверхкороткого импульса яркого сжатого вакуума.

Чтобы осознать значимость этой работы, стоит разобраться в физической природе самого вакуума и проблемах измерения непредсказуемых световых волн.

Физика пустоты и процесс усиления

В классическом понимании вакуум представляет собой пространство, полностью лишенное материи и энергии. Однако квантовая теория поля утверждает обратное: вакуум никогда не бывает абсолютно пустым. В нем непрерывно происходят флуктуации электромагнитного поля — кратковременные и хаотичные изменения энергетического состояния на микроскопическом уровне.

Метод генерации яркого сжатого вакуума строится на прямом взаимодействии с этими флуктуациями. В экспериментальной установке используется специальный оптический элемент — нелинейный кристалл бета-бората бария. На этот кристалл направляется мощный сверхкороткий лазерный импульс, который физики называют накачкой. Суть процесса, известного как оптическое параметрическое усиление, заключается в следующем: энергия мощного лазера передается кристаллу, но на вход системы не подается никакого дополнительного управляющего светового сигнала.

В отсутствие внешнего сигнала кристалл начинает усиливать то единственное, что присутствует в системе — нулевые флуктуации самого квантового вакуума. Энергия лазера накачки трансформируется в мощный направленный поток излучения. На выходе получается свет, рожденный непосредственно из квантового шума.

Проблема отсутствия стабильности

Полученный яркий сжатый вакуум кардинально отличается от света обычных лазеров. Классический лазер генерирует когерентное излучение. Это означает, что световые волны в импульсе синхронизированы, их амплитуда и фаза предсказуемы, а каждый последующий импульс практически идентичен предыдущему.

Свет, полученный из вакуума, обладает иными характеристиками. Поскольку его источником служит хаотичный квантовый шум, среднее значение электрического поля в таком излучении равно нулю. Однако отклонения от этого нуля (флуктуации) достигают экстремальных значений. За доли секунды количество фотонов в одном импульсе может случайным образом возрастать до десяти триллионов.

Каждая вспышка такого света уникальна. Форма световой волны, ее длительность и точное время возникновения максимальной интенсивности меняются от выстрела к выстрелу. Именно эта нестабильность стала главным препятствием для использования BSV в точных физических экспериментах.

Чтобы применять свет для исследования субцикловой динамики (например, для отслеживания движения электрона в течение одного периода колебания световой волны), ученым необходимо знать точный профиль электрического поля в момент удара по мишени. Традиционные приборы для измерения лазерных импульсов работают по принципу накопления данных: они фиксируют тысячи вспышек и выдают усредненный результат. Но если усреднить тысячи хаотичных и совершенно разных импульсов квантового шума, итоговая картина получится плоской и не будет содержать никакой полезной информации об их реальной структуре.

Одноимпульсная спектральная интерферометрия

Перед исследователями стояла задача измерить форму волны в реальном времени, фиксируя параметры каждого импульса в отдельности. Для этого они применили метод спектральной интерферометрии.

Рабочая длина волны источника BSV в эксперименте составила 1040 нанометров. Этот параметр был выбран намеренно, так как он совместим с широко распространенными в современной физике иттербиевыми лазерными системами.

Процесс измерения базируется на наложении двух световых полей. Физики разделили первоначальный лазерный луч. Одна часть ушла на накачку кристалла для создания хаотичного квантового импульса. Вторую часть пропустили через оптоволокно для расширения спектра и превратили в эталонный (опорный) импульс, характеристики которого были предварительно измерены с абсолютной точностью.

Затем неизвестный импульс яркого сжатого вакуума и эталонный импульс направили на спектрометр так, чтобы они столкнулись. При наложении электромагнитных волн друг на друга возникает интерференция: в точках, где пики волн совпадают, сигнал усиливается, а там, где пик одной волны встречается со спадом другой, сигнал гасится. Спектрометр фиксирует эту интерференционную картину в виде набора чередующихся полос.

Поскольку параметры эталонного импульса известны, компьютерный алгоритм, анализируя полученный узор полос, способен с высокой точностью вычислить спектральную фазу и интенсивность неизвестного квантового импульса. Этот процесс происходит за одно измерение, что полностью исключает проблему усреднения данных.

Временное сжатие и фазовая случайность

Расшифровка полученных интерферограмм позволила сделать два важнейших вывода о природе сгенерированного света.

Первое открытие касается длительности излучения. Выяснилось, что средняя продолжительность импульса яркого сжатого вакуума составляет всего 27,2 фемтосекунды. Для сравнения, длительность лазерного импульса накачки, который запускал процесс генерации, составляла 125 фемтосекунд. Произошло существенное временное сжатие. Физическое объяснение этого эффекта кроется в том, что нелинейный процесс усиления вакуума протекает максимально эффективно только на самом пике мощности лазера накачки. В результате квантовое излучение концентрируется в очень узком временном интервале. Стандартное отклонение длительности между разными импульсами составило 5,5 фемтосекунды, что подтверждает вариативность источника.

Второе и наиболее значимое наблюдение связано с фазой электрического поля. Анализ спектров показал наличие строгой фазовой неоднозначности, равной π радиан. На практике это означает следующее: электрическое поле световой волны при каждом новом импульсе случайным образом начинает свои колебания либо с положительного значения (движение вектора вверх), либо с отрицательного (движение вектора вниз).

Распределение вероятностей между этими двумя сценариями составило практически идеальную пропорцию — 50 на 50. Эта бинарная случайность является прямым доказательством того, что полученное излучение имеет истинно квантовое происхождение. Первоначальные флуктуации вакуума не обладают фиксированной фазой, поэтому в момент усиления система с равной долей вероятности принимает одно из двух возможных состояний.

Практическое значение для сверхбыстрой науки

Успешная реализация одноимпульсного измерения переводит яркий сжатый вакуум в разряд рабочих инструментов для экспериментальной физики.

Главное преимущество BSV заключается в большом разбросе количества фотонов при сохранении относительно низкой средней мощности. Традиционно, чтобы вызвать в твердом теле нелинейные эффекты — например, выбить электроны или сгенерировать оптические гармоники — ученым приходится повышать мощность обычного лазера. Однако существует предел: при слишком высокой энергии лазерный луч просто разрушает (плавит или испаряет) исследуемый образец.

Яркий сжатый вакуум решает эту проблему. Основная масса его импульсов обладает умеренной энергией, которая не повреждает материал. Но статистически среди них возникают редкие вспышки с гигантским, аномальным количеством фотонов. Именно эти экстремальные импульсы способны эффективно инициировать нелинейные реакции на субцикловом уровне.

Теперь, когда исследователи могут точно восстановить временной профиль каждого такого импульса после его взаимодействия с мишенью, открываются новые возможности для изучения материи. Физики получают инструмент для прямого наблюдения за динамикой электронов, процессами фотоионизации и оптического пробоя диэлектриков.