Ученые научились увеличивать время жизни фотонов в микрорезонаторе


Феномены, известные как эффект Парселла и лэмбовский сдвиг, были открыты еще в середине прошлого века. Оба они связаны с проявлением так называемых нулевых колебаний – случайных флуктуаций электромагнитного поля, которые всегда присутствуют в вакууме. В результате взаимодействия этих колебаний с квантовой системой (например, атом, молекула или квантовая точка), возбужденная система может самопроизвольно испустить электромагнитное излучение и перейти в стабильное состояние. Этот процесс называется спонтанным излучением, и в 1946 году американский ученый Эдвард Парселл показал, что скорость спонтанного излучения зависит от окружения возбужденной системы. Годом позже его коллеги Уиллис Лэмб и Роберт Резерфорд экспериментально показали, что нулевые колебания к тому же воздействуют на тонкую структуру уровней энергии в водородоподобных атомах. Они влияют на колебания электрона, в результате чего его уровень энергии смещается. За свою работу в 1955 году Лэмб был удостоен Нобелевской премии по физике.

Оба этих феномена широко известны в контексте квантовой электродинамики – обычно к ним обращаются для того, чтобы описать переходы электронов. В своей работе коллектив исследователей из Университета ИТМО, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Австралийского национального университета и компании VPI Development Center показали, что эти эффекты применимы и для фотонов – квантов света. В отличие от электронов они, с одной стороны, не обладают ни зарядом, ни массой покоя, а с другой – не требуют для проявления эффектов низких температур и нанометровой точности.

b=02,left

Ученые рассмотрели поведение света в системе из оптического волновода, вблизи которого находится микрорезонатор. В силу особенностей своей волновой природы, фотоны могут проникать из волновода в микрорезонатор и обратно. В сам волновод также внедрены два отражателя, которые формируют еще один резонатор низкой добротности. Вычисления показали, что в зависимости от расстояния между этими отражателями меняется время жизни фотонов в микрорезонаторе, то есть наблюдается эффект Парселла, но уже для безмассовых частиц. Кроме того, проявляется и лэмбовский сдвиг – с тем отличием, что смещается не уровень энергии электрона, а резонансная частота микрорезонатора.

«Мы смоделировали эффект при помощи фотонного кристалла – это искусственная структура из рукотворных атомов, расстояние между которыми соответствует длине волны излучения. В нем сделали волновод, убрав атомы вдоль одной из линий. Роль атомов в этом кристалле выполняют цилиндры из диэлектрика. В такой структуре возникают запрещенные длины волн, на которых свет не может распространяться никуда, кроме как вдоль дефектов кристалла, то есть вдоль волновода. Уменьшив один из цилиндров рядом с волноводом, мы создали еще один дефект – микрорезонатор, в котором фотон может находиться длительное время. Дополнительно в волноводе мы добавили пару цилиндров-отражателей так, чтобы микрорезонатор оставался между отражателями, формирующими окружение микрорезонатора, – объясняет первый автор статьи, старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО и лаборатории спектроскопии твердого тела ФТИ им. А.Ф. Иоффе Михаил Рыбин. – Мы рассмотрели динамику при изменении расстояния между отражателями и получили увеличение времени жизни фотонных состояний в 25 раз».

По словам ученого, полученные результаты могут быть востребованы для создания различных оптоэлектронных устройств, к примеру, элементов оптической памяти. Работа показывает, что добиться качественного изменения характеристик микрорезонаторов возможно при помощи достаточно простых манипуляций.

b=00,left

«Наверное, вы замечали, что еще десять лет назад компьютеры очень быстро морально устаревали, однако техника, купленная в последние пять лет, и поныне соответствует современным требованиям. Все чаще слышны разговоры о том, что скорость увеличения вычислительной мощности компьютеров подходит к своему пределу. Одна из причин этому заключается в том, что электроны обладают зарядом и массой, из-за чего увеличение рабочей частоты электронных устройств и уменьшение размеров элементов имеет определенные физические ограничения, – комментирует Михаил Рыбин. – Есть альтернативный путь развития – построение новых фотонных устройств, в которых быстрые фотоны должны заменить медленные (из-за наличия массы) электроны. В этом направлении предстоит еще много работы, и наше исследование – очередной шаг в сторону создания фотонных устройств, фотонных интегральных схем, оптического компьютера. Мы показали, что даже без оптимизации параметров системы время жизни света в микрорезонаторе можно изменять в 25 раз, а с учетом оптимизации результаты могут быть совсем другого порядка».

Статья: Mikhail V. Rybin, Sergei F. Mingaleev, Mikhail F. Limonov, Yuri S. Kivshar «Purcell effect and Lamb shift as interference phenomena», Scientific Reports 6, Article number: 20599. DOI:10.1038/srep20599

Александр Пушкаш,

Редакция новостного портала Университета ИТМО