Eine Theorie der nicht störenden Starkfeldphysik, angetrieben durch Quantenlicht

Nicht störende Wechselwirkungen (dh Wechselwirkungen, die zu stark sind, um durch die sogenannte Störungstheorie beschrieben zu werden) zwischen Licht und Materie waren Gegenstand zahlreicher Forschungsstudien. Doch die Rolle, die Quanteneigenschaften des Lichts bei diesen Wechselwirkungen und den daraus resultierenden Phänomenen spielen, ist bisher weitgehend unerforscht.

Forscher am Technion-Israel Institute of Technology stellten kürzlich eine neue Theorie vor, die die Physik beschreibt, die nicht störenden Wechselwirkungen zugrunde liegt, die durch Quantenlicht angetrieben werden. Ihre Theorie, eingeführt in Naturphysikkönnte künftige Experimente zur Untersuchung von Phänomenen der Starkfeldphysik sowie die Entwicklung neuer Quantentechnologien leiten.

Diese aktuelle Arbeit war das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen drei verschiedenen Forschungsgruppen am Technion unter der Leitung der Hauptforscher Prof. Ido Kaminer, Prof. Oren Cohen und Prof. Michael Krueger. Die Studenten Alexey Gorlach und Matan Even Tsur, Co-Erstautoren der Arbeit, leiteten die Studie mit Unterstützung und Ideen von Michael Birk und Nick Rivera.

„Das war eine große wissenschaftliche Reise für uns“, sagten Prof. Kaminer und Gorlach gegenüber Phys.org. „Bereits im Jahr 2019 begannen wir, über die Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) und ihre Quanteneigenschaften nachzudenken. Damals wurde das Licht in allen HHG-Experimenten klassisch erklärt und wir wollten herausfinden, wann die Quantenphysik dort eine Rolle spielt.“

„Ehrlich gesagt hat es uns gestört, dass mehrere grundlegende Phänomene der Physik jeweils durch eine völlig unterschiedliche Theorie erklärt wurden und es daher nicht möglich war, sie in Beziehung zu setzen. Beispielsweise basierte HHG auf einer Theorie, die der Theorie widersprach, die normalerweise zur Berechnung spontaner Emission angewendet wird. jedes auf einer anderen Grundlage erklärt.

HHG ist ein hochgradig nichtlinearer physikalischer Prozess, der eine starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie mit sich bringt. Konkret tritt es auf, wenn intensive Lichtimpulse, die auf Materie einwirken, diese dazu veranlassen, sogenannte Hochharmonische des treibenden intensiven Lichtimpulses auszusenden.

Seit einigen Jahren versuchen Prof. Kaminer und seine Forschungsgruppe, einen einzigen auf der Quantentheorie basierenden Rahmen zu entwickeln, der alle photonischen Phänomene, einschließlich HHG, kollektiv erklären würde. Ihre erster Aufsatz zu diesem Themaveröffentlicht in Naturkommunikation stellte im Jahr 2020 eine vorgeschlagene Version dieses vereinheitlichenden Rahmens vor und analysierte HHG in der Sprache der Quantenoptik.

„Diese Studie hat dazu beigetragen, das jetzt aufstrebende Feld der Quanten-HHG zu erschließen“, erklärten Prof. Kaminer und Gorlach. „Dennoch wurden alle HHG-Experimente von klassischen Laserfeldern angetrieben. Es schien sogar so, als ob es kein Quantenlicht geben könnte, das intensiv genug wäre, um HHG zu erzeugen. Werke von Prof. Maria Tschechowa zeigten, dass es möglich ist, ausreichend intensives Quantenlicht in einer Form zu erzeugen, die als helles gequetschtes Vakuum bekannt ist. Dies motivierte unsere neue Untersuchung.“

Im Rahmen ihrer neuen Studie haben Prof. Kaminer, Gorlach und ihre Kollegen einen vollständigen Rahmen zur Beschreibung von durch Quantenlicht angetriebenen Starkfeldphysikprozessen entwickelt. Um ihren Rahmen theoretisch zu validieren, wandten sie ihn auf HHG an und sagten voraus, wie sich dieser Prozess ändern würde, wenn er durch Quantenlicht angetrieben würde.

„Wir haben gezeigt, dass sich entgegen den Erwartungen viele wichtige Merkmale wie Intensität und Spektrum durch die Verwendung einer Antriebslichtquelle mit unterschiedlichen Quantenphotonenstatistiken ändern“, sagten Prof. Kaminer und Gorlach. „Das von uns verfasste Papier sagt auch experimentell realisierbare Szenarien voraus, die auf keine andere Weise als durch die Berücksichtigung der Photonenstatistik erklärt werden können. Diese bevorstehenden Experimente werden für dieses aufstrebende Gebiet der Starkfeld-Quantenoptik von noch größerer Bedeutung und Bedeutung sein.“

Bisher ist die Arbeit dieses Forscherteams rein theoretisch. Ihr Artikel stellt die allererste Theorie nicht-störender Prozesse vor, die durch Quantenlicht angetrieben werden, und zeigt gleichzeitig theoretisch, dass der Quantenzustand von Licht messbare Größen wie das emittierte Spektrum beeinflusst.

„Die Funktionsweise unserer Theorie besteht darin, das treibende Licht in eine von zwei Darstellungen aufzuteilen, die als verallgemeinerte Glauber-Verteilung oder Husimi-Verteilung bezeichnet werden, und dann die herkömmlichen Simulationen des HHG-Feldes, die zeitabhängige Schrödinger-Gleichung (TDSE), zur Simulation zu verwenden.“ „Wir analysieren die Teile der Verteilung separat, bevor wir die Simulationen miteinander kombinieren, um das Gesamtergebnis abzuleiten“, sagten Prof. Kaminer und Gorlach.

„Diese Verbindung der Standardwerkzeuge der Community in ein solches quantenoptisches Berechnungsschema hat unsere Arbeit leistungsstark und nützlich gemacht – anwendbar auf einen beliebigen Quantenzustand von Licht und ein beliebiges Emittersystem.“

Die neue Theorie von Prof. Kaminer, Gorlach und ihren Kollegen könnte bald in Studien in verschiedenen Bereichen der Physik einfließen. Tatsächlich geht es in ihrer Arbeit darum, die Idee über HHG hinaus auf ein breites Spektrum nicht störender Prozesse auszuweiten, die alle durch nicht-klassische Lichtquellen angetrieben werden können.

Diese theoretische Vorhersage könnte bald in experimentellen Umgebungen getestet und validiert werden. Beispielsweise kann die Theorie des Teams direkt auf die Erzeugung von Attosekundenpulsen über HHG angewendet werden, ein Prozess, der die Funktionsweise von Quantensensorik- und Quantenbildgebungstechnologien unterstützen kann.

Diesbezüglich veröffentlichte das Team kürzlich einen theoretischen Artikel in Naturphotonik darin wurde vorgeschlagen, die Attosekunden-Pulsprofile mithilfe der Quantennatur des Lichts zu steuern und beispielsweise vielversprechende Bedingungen mithilfe einer Mischung aus klassischem Licht und quantengequetschtem Licht aufzuzeigen.

Darüber hinaus könnte ihre Theorie auf andere Phänomene angewendet werden, die auf der Starkfeldphysik basieren, beispielsweise auf den Compton-Effekt, einen Prozess zur Erzeugung von Röntgenpulsen.

„Wir haben kürzlich ein Folgepapier zu diesem Antrag veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte„, das aufgrund von Verzögerungen im Peer-Review-Prozess früher erschien“, fügten Kaminer und Gorlach über den Compton-Effekt hinzu. „Wir arbeiten jetzt daran, das in unserem Artikel theoretisch diskutierte Experiment durchzuführen.“

„Ein weiteres ehrgeiziges Ziel wird darin bestehen, die entwickelte Theorie über HHG hinaus zu verallgemeinern und Quanteneffekte in verschiedenen Materialien zu untersuchen, die durch intensives Licht angetrieben werden, was unsere neuen Entwicklungen in der Quantenoptik mit den Grenzen der Physik der kondensierten Materie verbindet.“

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