Experimente mit Einzelphotonendetektoren haben überraschende Statistiken über Licht ergeben, das durch Wechselwirkungen mit hochfrequenten Schallwellen erzeugt wird.
Wenn sich Licht in einem Material wie Glas ausbreitet, kann das elektrische Feld des Lichts die Atome im Material in Bereiche hoher und niedriger Dichte ziehen und so eine Schallwelle erzeugen. Dieses als Brillouin-Mandelstam-Streuung bekannte Phänomen ist eine der am besten untersuchten Formen optischer Nichtlinearität und hat eine breite Palette neuer Anwendungen in der Lasertechnologie ermöglicht, darunter Sensorik, Informationsverarbeitung und Mikroskopie.
Die Brillouin-Mandelstam-Streuung bietet ein erhebliches Potenzial für weitere Anwendungen, einschließlich der spannenden Möglichkeiten für neue, auf akustischen Feldern basierende Quantenwissenschaft und -technologie.
Forscher des Imperial College London, der Universität Oxford und des Niels-Bohr-Instituts haben Experimente durchgeführt, um dieses Phänomen mit Laserlicht zu untersuchen, das sich direkt unter der Oberfläche einer Glaskugel im Mikromaßstab ausbreitet. Während das Licht zirkuliert, unterliegt es der Brillouin-Mandelstam-Streuung, wobei sich hochfrequente Schallwellen auch innerhalb der Mikrosphäre ausbreiten und eine neue Lichtfarbe erzeugen, die die Kugel in umgekehrter Richtung verlässt.
Durch sorgfältige Messung der statistischen Eigenschaften dieser neuen Lichtfarbe mithilfe von Einzelphotonenzählern beobachtete das Team dann das erwartete Verhalten, wenn das erzeugte Licht zu einem Laser wurde, und enthüllte außerdem unerwartete „superthermische Statistiken“ knapp unterhalb der Laserschwelle. Die Methodik dieser Studie und die erzielten Ergebnisse tragen dazu bei, einen fruchtbaren neuen Weg für weitere Studien zu eröffnen.
Die Details des Experiments des Teams werden in der Zeitschrift veröffentlicht Optik.
Ein zentraler Bestandteil dieses Experiments ist ein optischer Mikrokugelresonator aus Siliziumdioxid, siehe Bild unten. Licht gelangt über eine sich verjüngende Glasfaser in den Resonator, die hundertmal dünner als ein menschliches Haar ist. Sobald das Licht in den sphärischen Resonator eintritt, zirkuliert es in einem „Flüstergalerie-Modus“, der nach einem ähnlichen Geräuscheffekt benannt ist, der im 19. Jahrhundert in der St. Pauls-Kathedrale beobachtet wurde, wo sich Flüstern entlang der gekrümmten Wand der Kuppel ausbreitet und gehört werden kann auf der anderen Seite.
Durch die Steuerung der optischen Eingangsleistung, die sich im Resonator aufbaut, führte das Team Experimente über die Schwelle hinweg durch, bei der das gestreute Licht zu einem Laser wird, und maß die „Kohärenz zweiter Ordnung“ in diesem gesamten Bereich mithilfe der Einzelphotonendetektion.
„Ich war begeistert, dieses Verhalten zu sehen“, sagt Ph.D. Student und gemeinsamer Erstautor des Projekts Evan Cryer-Jenkins, der erklärt: „Dieses Experiment hatte eine Fülle, die wir zunächst nicht erwartet hatten. Es war dann faszinierend, eine Kombination aus Experimenten, analytischen Berechnungen und numerischen Simulationen zu verwenden, um ein Ergebnis zu erzielen.“ tieferes Verständnis der Physik jenseits der Brillouin-Mandelstam-Laserschwelle.“
„Dieses Projekt ist ein wichtiger Meilenstein für die Forschung unseres Teams in diese Richtung und hat zu einigen überraschenden Ergebnissen geführt, die vielfältige Auswirkungen auf unser Labor und darüber hinaus haben werden“, sagt Projektleiter Michael R. Vanner vom Quantum Measurement Lab bei Imperial Hochschule London.
Mehr Informationen:
EA Cryer-Jenkins et al, Kohärenz zweiter Ordnung über die Brillouin-Laserschwelle hinweg, Optik (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.501089