Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н.Л. Духова, Евгений Андрианов и Олег Толстихин, разработали теорию, демонстрирующую, как на первый взгляд пассивное скопление свободных электронов, порожденных ионизацией газа мощным лазером, может кардинально изменить квантовую природу самого лазерного излучения. Их статья, опубликованная в Physical Review A и отмеченная редакцией как Editors’ Suggestion, предсказывает генерацию неклассических и негауссовых состояний света, включая кольцевые структуры функции Вигнера, что открывает новые перспективы для управления квантовым светом.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 24-12-00055).
Изучение взаимодействия сверхинтенсивных ультракоротких лазерных импульсов с веществом — это один из фронтиров современной физики, давший начало аттосекундной науке, отмеченной Нобелевской премией 2023 года. В этой области фотоны выступают одновременно инструментом и объектом исследования, позволяя наблюдать процессы, протекающие во времени порядка 10-18 с. Обычно мощное лазерное излучение рассматривают как когерентное состояние, близкое к классической волне, где флуктуации квантовых параметров почти незаметны.
Однако несколько лет назад было обнаружено, что в процессах высокой гармоники и надпороговой ионизации активное лазерное поле само может испытывать квантовые преобразования. Это показало, что даже в экстремальных условиях интенсивного излучения проявляются квантовые эффекты, хотя ранее предполагали классическое поведение таких полей.
При этом оставался незакрытым вопрос об эффекте «электронного облака» — тысяч свободных электронов, образующихся в газовой мишени. Как их коллективное взаимодействие с лазерным полем влияет на квантовое состояние света и какую роль играют эти «осиротевшие» электроны? Именно эту проблему взялись решить Андрианов и Толстихин.
Авторы предложили точно решаемую модель, в основе которой лежит гамильтониан — оператор полной энергии системы из N свободных электронов и одной моды квантованного поля, описывающей лазерный импульс. Модель учитывает энергию электронов, энергию поля, описанную операторами рождения и уничтожения фотонов, и, главное, член их взаимодействия.
Ключевым шагом стало введение фазовых множителей для каждого электрона, зависящих от его положения, что отразилось в безразмерном параметре η, характеризующем когерентность взаимодействия всего ансамбля. Второй важный параметр, ξ, определяется плотностью свободных электронов и их плазменной частотой.
Далее гамильтониан был диагонализирован в два этапа: сначала применили преобразование Боголюбова, эквивалентное операции «сжатия» света, а затем оператор смещения, изменяющий положение волновой функции в фазовом пространстве. Как результат, исходное когерентное состояние трансформируется в смещенно-сжатое состояние, параметры которого зависят от η, ξ и распределения импульсов электронов, описываемого параметром χ.
Расчеты показали, что при определённых сочетаниях параметров образуются неклассические состояния света со субпуассоновской статистикой (δ < 0) и негауссовыми кольцевыми функциями Вигнера.
Особая роль отводится фазе η, зависящей от размеров газовой мишени относительно длины волны: без учёта этой протяжённости эффект формирования неклассических состояний существенно ослабевает.
Кроме того, функция Вигнера светового поля приобретает кольцевую негауссову форму, что демонстрирует выход за рамки обычного гауссового «холма» для когерентного состояния.
При увеличении ξ кольцо становится более выраженным, что наглядно видно на срезе вдоль одной из осей фазового пространства.
Главный вывод работы — взаимодействие лазерного поля с образующимся облаком электронов является значимым и ранее недооценённым механизмом квантового изменения самого света. Его необходимо учитывать наряду с генерацией высоких гармоник и надпороговой ионизацией для построения полной квантовой картины лазерно-материального взаимодействия.
«Наши результаты показывают, что даже сверхмощный лазер, ранее считающийся по сути классической волной, чувствительно реагирует на созданное им же облако электронов: его квантовое состояние сжимается и приобретает кольцевой облик функции Вигнера. Это не просто академический интерес — управление такими неклассическими и негауссовыми состояниями открывает путь к новым квантовым технологиям, от мощных квантовых вычислений до защищённых средств связи.»
Евгений Андрианов, старший научный сотрудник и доцент кафедры теоретической физики им. Л.Д. Ландау МФТИ
Предложенный механизм важен для практических квантовых технологий: сжатые состояния востребованы в квантовых вычислениях с непрерывными переменными, а негауссовы состояния могут стать ресурсом для достижения квантового преимуществa. Управляя параметрами газа, интенсивностью и длиной волны лазера, можно конструировать нужные квантовые состояния.
В дальнейшем предстоит экспериментальная проверка предсказаний — измерение статистики фотоотсчетов и реконструкция функции Вигнера в условиях, определяемых теорией. Также актуально расширение модели для многомодовых полей и других сред, а также разработка единой теории, объединяющей все ключевые процессы: генерацию высоких гармоник, надпороговую ионизацию и взаимодействие со свободными электронами.
Источник: Andrianov E.S., Tolstikhin O.I. Formation of nonclassical and non-Gaussian states of a strong electromagnetic field due to its interaction with free electrons produced by ionization of a target gas. Physical Review A 110, 023115 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevA.110.023115.
