Исследователи из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого выяснили, что возбужденные атомы в волноводе спонтанно распадаются в основном из-за поляризационного отбора. Открытие будет полезно в контексте развития квантовых технологий. Работа ученых опубликована в журнале Physical Review A.

Атомы могут находиться в основном и возбужденном состояниях. Первое является стабильным — в нем атом проводит большую часть времени. Однако если с помощью какого-либо воздействия ему сообщается избыток энергии, то он может переходить в возбужденное состояние. Как правило, в таком состоянии атом находится недолго и сразу переходит обратно в основное. В обычных условиях возбужденное состояние одиночного атома полностью распадается до основного. Это значит, что вся энергия возбуждения излучается из системы в виде фотона.

Если же атом поместить в волновод, то его свойства кардинально меняются. Пространственная структура электромагнитного поля будет другой, из-за того что на нее накладываются граничные условия волновода. В такой системе любое электромагнитное взаимодействие усиливается, так как пространство ограничено стенками, и даже на очень большом расстоянии атомы могут сильно влиять друг на друга.

«Мы исследовали динамику спонтанного распада, то есть скорость, с которой атом переходит из возбужденного в основное состояние. В частности, мы обнаружили явление неполного распада из-за поляризационного отбора. То есть определенная поляризационная компонента атомного возбуждения распадается и рождает фотоны, а другая поляризационная компонента так и остается в атоме. Поэтому он будет наполовину возбужден, наполовину нет», — рассказывает первый автор статьи, доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий СПбПУ Алексей Курапцев.

Помимо неполного распада одного атома, ученые проанализировали механизм взаимодействия двух атомов в волноводе. И если в одноатомном распаде остается половина энергии, то в ситуации с двумя атомами эта доля будет другой в зависимости от взаимного расположения атомов.

Исследование таких систем поможет усовершенствовать квантовые технологии, которые основаны на взаимодействии фотонов с атомами. В частности, в последнее время ученые проявляют все больший интерес к квантовым информационным технологиям — вычислениям, повторителям, криптографии и так далее.

«Важно не только понимать свойства атомов и характер их взаимодействия, но и уметь контролировать их. Структура волноводов позволяет добиться управления свойствами атомов. Если мы знаем, что в волноводе характер спонтанного распада другой, стало быть, можно предсказуемым образом изменять размеры волновода и воздействовать на атомы. То есть моделировать среду с заранее заданными свойствами», — резюмировал Курапцев.