Физики ТГУ предложили получать голограммы квантового состояния света
Физики рассчитали, как по рассеянию высокоэнергетических фотонов получить «отпечаток» квантового состояния фотонного газа. Такая голограмма может показать распределение, поляризацию и когерентность фотонов.
Источник: Визуализация голографической диагностики фотонного газа: взаимодействие зондирующего излучения с фотонной мишенью формирует интерференционную картину
МОСКВА, 3 сентября /Новости науки/. Физики ТГУ предложили определять квантовое состояние фотонного газа по голограмме. Об этом сообщила пресс-служба вуза, результаты опубликованы в журнале Physical Review D.
Работа пока носит теоретический характер: такую голограмму ещё не получили в эксперименте. Однако расчёты показывают, что эффект можно зарегистрировать на существующих установках и использовать для квантовой диагностики света, а также для изучения высокоэнергетического излучения в астрофизике и космологии.
«Голограмма позволяет отследить когерентность состояния фотонного газа. Расчёт показывает, что голограммы в этих случаях оказываются разными», — рассказал соавтор исследования, аспирант кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Алексей Соколов.
Предложенный метод основан на рассеянии света на свете — редком эффекте квантовой электродинамики. Зондирующий фотон проходит через скопление других фотонов, после чего его свободно прошедшая и рассеянная части интерферируют на детекторе. Возникающая картина и представляет собой голограмму фотонного газа.
Речь идёт не о привычном объёмном изображении. В данном случае голограмма является интерференционным узором, в котором зашифрована одночастичная матрица плотности фотонного газа. По ней теоретически можно восстановить пространственное распределение фотонов, особенности их поляризации и фазовую когерентность.
Чтобы проверить чувствительность метода к когерентности, учёные рассчитали голограммы двух фотонных решёток, составленных из одинаковых волновых пакетов. В первой решётке фазы фотонов были согласованы, во второй — распределены случайным образом. Хотя плотность фотонов в обеих системах совпадала, интерференционные картины заметно различались, в том числе условиями возникновения резонансных конусов.
Авторы также рассчитали диэлектрическую восприимчивость фотонного газа и даже одиночного фотона. Оказалось, что при когерентном рассеянии они могут вести себя подобно оптической среде с линейным и круговым двулучепреломлением. Иными словами, поляризация зондирующего излучения может меняться при прохождении через другое световое поле.
Ниже порога рождения электрон-позитронных пар такая среда должна оставаться прозрачной, а выше него — поглощать часть излучения. Её диэлектрическая восприимчивость пропорциональна плотности энергии: чем интенсивнее фотонный газ, тем сильнее он воздействует на зондирующий пучок.
По оценке исследователей, голограмму можно будет обнаружить при энергии зондирующих фотонов около 1 ГэВ и выше и энергии фотонов мишени порядка 1 эВ. Когерентный вклад в этом случае значительно превосходит вероятность обычного некогерентного рассеяния, которое чрезвычайно трудно зарегистрировать.
Взаимодействие света со светом было предсказано квантовой электродинамикой ещё в 1930-х годах. Однако прямое рассеяние реальных фотонов на реальных фотонах до сих пор не удалось надёжно наблюдать в лабораторном эксперименте.
Работа пока носит теоретический характер: такую голограмму ещё не получили в эксперименте. Однако расчёты показывают, что эффект можно зарегистрировать на существующих установках и использовать для квантовой диагностики света, а также для изучения высокоэнергетического излучения в астрофизике и космологии.
«Голограмма позволяет отследить когерентность состояния фотонного газа. Расчёт показывает, что голограммы в этих случаях оказываются разными», — рассказал соавтор исследования, аспирант кафедры квантовой теории поля физического факультета ТГУ Алексей Соколов.
Предложенный метод основан на рассеянии света на свете — редком эффекте квантовой электродинамики. Зондирующий фотон проходит через скопление других фотонов, после чего его свободно прошедшая и рассеянная части интерферируют на детекторе. Возникающая картина и представляет собой голограмму фотонного газа.
Речь идёт не о привычном объёмном изображении. В данном случае голограмма является интерференционным узором, в котором зашифрована одночастичная матрица плотности фотонного газа. По ней теоретически можно восстановить пространственное распределение фотонов, особенности их поляризации и фазовую когерентность.
Чтобы проверить чувствительность метода к когерентности, учёные рассчитали голограммы двух фотонных решёток, составленных из одинаковых волновых пакетов. В первой решётке фазы фотонов были согласованы, во второй — распределены случайным образом. Хотя плотность фотонов в обеих системах совпадала, интерференционные картины заметно различались, в том числе условиями возникновения резонансных конусов.
Авторы также рассчитали диэлектрическую восприимчивость фотонного газа и даже одиночного фотона. Оказалось, что при когерентном рассеянии они могут вести себя подобно оптической среде с линейным и круговым двулучепреломлением. Иными словами, поляризация зондирующего излучения может меняться при прохождении через другое световое поле.
Ниже порога рождения электрон-позитронных пар такая среда должна оставаться прозрачной, а выше него — поглощать часть излучения. Её диэлектрическая восприимчивость пропорциональна плотности энергии: чем интенсивнее фотонный газ, тем сильнее он воздействует на зондирующий пучок.
По оценке исследователей, голограмму можно будет обнаружить при энергии зондирующих фотонов около 1 ГэВ и выше и энергии фотонов мишени порядка 1 эВ. Когерентный вклад в этом случае значительно превосходит вероятность обычного некогерентного рассеяния, которое чрезвычайно трудно зарегистрировать.
Взаимодействие света со светом было предсказано квантовой электродинамикой ещё в 1930-х годах. Однако прямое рассеяние реальных фотонов на реальных фотонах до сих пор не удалось надёжно наблюдать в лабораторном эксперименте.
