Teori fisika medan kuat non-perturbatif yang didorong oleh cahaya kuantum

Interaksi non-perturbatif (yaitu interaksi yang terlalu kuat untuk dijelaskan oleh apa yang disebut teori perturbasi) antara cahaya dan materi telah menjadi subjek banyak penelitian. Namun, peran yang dimainkan oleh sifat kuantum cahaya dalam interaksi ini dan fenomena yang ditimbulkannya sejauh ini masih belum banyak dieksplorasi.

Para peneliti di Institut Teknologi Technion-Israel baru-baru ini mempresentasikan teori baru yang menggambarkan fisika yang mendasari interaksi non-perturbatif yang digerakkan oleh cahaya kuantum. Teori mereka, disajikan di Fisika alamHal ini dapat memandu eksperimen masa depan yang menyelidiki fenomena fisika medan kuat, serta pengembangan teknologi kuantum baru.

Makalah terbaru ini adalah hasil kolaborasi erat antara tiga kelompok penelitian berbeda di Technion, yang dipimpin oleh peneliti utama Profesor Ido Kaminer, Profesor Oren Cohen, dan Profesor Michael Krüger. Siswa Alexei Gorlach dan Matan Even-Tzur, penulis pertama makalah ini, memimpin penelitian dengan dukungan dan ide dari Michael Burke dan Nick Rivera.

“Ini adalah ekspedisi ilmiah besar bagi kami,” kata Profesor Kaminer dan Gorlach kepada Phys.org. “Kami mulai memikirkan tentang pembangkitan harmonik tinggi (HHG) dan sifat kuantumnya pada tahun 2019. Saat itu, cahaya dalam semua eksperimen HHG dijelaskan secara klasik dan kami ingin tahu kapan fisika kuantum akan mulai berperan di sana.

“Sejujurnya, hal ini mengganggu kami karena begitu banyak fenomena fundamental dalam fisika yang dijelaskan oleh teori yang sama sekali berbeda sehingga tidak dapat dihubungkan. Misalnya, HHG didasarkan pada teori yang bertentangan dengan teori yang biasanya diterapkan untuk menghitung emisi spontan – dan menjelaskan masing-masing fenomena tersebut.” atas dasar yang berbeda.” ”

HHG adalah proses fisik yang sangat nonlinier yang memerlukan interaksi kuat antara cahaya dan materi. Secara khusus, hal ini terjadi ketika pulsa cahaya intens yang diterapkan pada material memancarkan apa yang disebut harmonik tinggi dari pulsa cahaya penggerak intens.

Selama beberapa tahun, Profesor Kaminer dan tim penelitinya telah mencoba merancang kerangka tunggal berdasarkan teori kuantum yang secara kolektif dapat menjelaskan semua fenomena optik, termasuk HHG. mereka Makalah pertama tentang topik iniditerbitkan di Komunikasi Alam Pada tahun 2020, saya mempresentasikan versi yang diusulkan dari kerangka terpadu ini, untuk menganalisis HHG dalam bahasa optik kuantum.

“Studi ini berkontribusi dalam membuka bidang HHG kuantitatif yang kini sedang berkembang,” jelas Profesor Kaminer dan Gorlach. “Namun, semua eksperimen HHG didorong oleh medan laser klasik. Tampaknya tidak ada cahaya kuantum yang cukup kuat untuk menciptakan HHG. Namun, Karya Profesor Maria Chekhova Dia menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk menciptakan cahaya kuantum yang cukup kuat dalam bentuk yang dikenal sebagai ruang hampa kompak terang. “Ini memotivasi penyelidikan baru kami.”

Sebagai bagian dari studi baru mereka, Profesor Kaminer, Gorlach dan rekan-rekan mereka menciptakan kerangka lengkap yang menggambarkan proses fisika medan kuat yang didorong oleh cahaya kuantum. Untuk memvalidasi kerangka kerja mereka secara teoritis, mereka menerapkannya pada HHG, dan memperkirakan bagaimana proses ini akan berubah jika didorong oleh cahaya kuantum.

“Kami telah menunjukkan bahwa, bertentangan dengan ekspektasi, banyak fitur penting seperti intensitas dan spektrum semuanya berubah akibat penggunaan sumber cahaya penggerak dengan statistik foton kuantum yang berbeda,” kata Profesor Kaminer dan Gorlach. “Makalah yang kami tulis juga memprediksi kemungkinan skenario eksperimental yang tidak dapat dijelaskan dengan cara lain selain dengan mempertimbangkan statistik foton. Eksperimen yang akan datang ini akan memiliki dampak yang lebih besar dan penting bagi bidang optik kuantum medan kuat yang sedang berkembang ini.”

Sejauh ini, pekerjaan yang dilakukan tim peneliti ini dianggap murni teoretis. Penelitian mereka memberikan teori pertama tentang proses non-perturbatif yang didorong oleh cahaya kuantum, sekaligus menunjukkan secara teoritis bahwa keadaan cahaya kuantum memengaruhi kuantitas terukur, seperti spektrum yang dipancarkan.

“Cara kerja teori kami adalah dengan membagi cahaya penggerak menjadi salah satu dari dua representasi yang disebut distribusi Glauber umum atau distribusi Haussimi, dan kemudian menggunakan simulasi tradisional bidang HHG, persamaan Schrödinger yang bergantung pada waktu (TDSE), untuk mensimulasikan secara terpisah. bagian dari distribusi,” kata Profesor Kaminer dan Gorlach, sebelum menggabungkan simulasi untuk mendapatkan hasil keseluruhan.”

“Hubungan antara alat standar komunitas dalam skema komputasi kuantum optik inilah yang membuat pekerjaan kami begitu kuat dan berguna – ini dapat diterapkan pada keadaan cahaya kuantum yang berubah-ubah dan sistem pemancar yang berubah-ubah.”

Teori baru yang dikemukakan oleh Profesor Kaminer, Gorlach dan rekan-rekannya akan segera bermanfaat bagi penelitian di berbagai bidang fisika. Faktanya, makalah mereka membayangkan membawa ide tersebut melampaui HHG, ke berbagai proses non-perturbatif, yang semuanya dapat didorong oleh sumber cahaya non-klasik.

Prediksi teoretis ini dapat segera diuji dan divalidasi dalam lingkungan eksperimental. Misalnya, teori tim dapat langsung diterapkan pada pembangkitan pulsa attodetik melalui HHG, sebuah proses yang dapat mendukung kerja teknologi penginderaan kuantum dan pencitraan kuantum.

Dalam hal ini, tim menerbitkan makalah teoretis terbaru di Fotonik alam yang mengusulkan pengendalian kumparan pulsa attodetik menggunakan sifat cahaya kuantum, misalnya menunjukkan kondisi yang menjanjikan menggunakan kombinasi cahaya klasik dan cahaya kuantum terkompresi.

Selain itu, teori mereka dapat diterapkan pada fenomena lain berdasarkan fisika medan kuat, seperti efek Compton, suatu proses yang digunakan untuk menghasilkan pulsa sinar-X.

“Kami baru-baru ini menerbitkan makalah tindak lanjut tentang aplikasi ini di Kemajuan ilmu pengetahuan“Yang akhirnya muncul lebih awal karena penundaan dalam proses peer review,” Kaminer dan Gorlach menambahkan tentang efek Compton. “Kami sekarang sedang berupaya menerapkan eksperimen yang dibahas secara teoritis dalam makalah kami.

“Tujuan ambisius lainnya adalah untuk menggeneralisasi teori yang dikembangkan di luar HHG, dan menyelidiki efek kuantum dalam berbagai material yang didorong oleh cahaya terkondensasi, yang menghubungkan perkembangan baru kami dalam optik kuantum dengan batas-batas fisika materi terkondensasi.”