Twierdzą, iż po raz pierwszy udało się zmierzyć czas trwania pojedynczych impulsów światła kwantowego. Chodzi o pojedyncze strzały, a nie o uśredniony obraz z tysięcy powtórzeń.
Zespół z Technionu (Israel Institute of Technology) poinformował, iż po raz pierwszy udało się bezpośrednio zmierzyć czas trwania pojedynczych impulsów niezwykłego kwantowego światła nazywanego Bright Squeezed Vacuum (BSV). Klucz tej historii nie polega na tym, iż to ultraszybkie zjawiska (bo femtosekundowe impulsy w optyce są znane od dawna), tylko na tym, iż tu udało się zejść do poziomu pojedynczego strzału. W przypadku BSV uśrednianie tysięcy powtórzeń potrafi zabić informację, bo ten stan ma średnie pole elektryczne bliskie zeru, a cała fizyka siedzi w ogromnych fluktuacjach kwantowych, które w każdej realizacji wyglądają inaczej.
Badacze pokazali metodę, która pozwala odtworzyć czasowy profil (kształt) pola elektrycznego dla wszystkich impulsu z osobna. Zmieszali wiązkę BSV z dokładnie scharakteryzowanym impulsem referencyjnym (klasycznym, spójnym) i z analizy wzorów interferencyjnych odzyskali przebieg w czasie dla pojedynczych impulsów. Właśnie dzięki temu dało się policzyć rzeczywisty czas trwania pojedynczego kwantowego błysku, zamiast oglądać tylko jego uśredniony cień.
Średni czas trwania impulsu BSV wyniósł 27,2 femtosekundy, a zmienność między kolejnymi impulsami (strzał do strzału) autorzy podali jako 5,5 femtosekundy odchylenia standardowego.
Jak w ogóle udało się to zmierzyć?
Zamiast próbować wymusić stabilność na BSV, badacze zmieszali badaną wiązkę z referencją, którą da się opisać bardzo dokładnie. W pracy opisano źródło femtosekundowych impulsów BSV przy 1040 nm i pomiar metodą jednostrzałowej interferometri spektralnej, gdzie BSV interferuje z w pełni scharakteryzowanym, zsynchronizowanym impulsem klasycznym. Z analizy prążków interferencyjnych można odzyskać fazę spektralną pojedynczego impulsu, a z niej przejść do rekonstrukcji w dziedzinie czasu.
Autorzy podkreślają, iż interferometria spektralna pozwala obejść ograniczenia metod nieliniowych (które często wymagają iteracyjnych algorytmów i odpowiednich intensywności). Tu dostają informację o pojedynczym impulsie bez konieczności uśredniania natury BSV do postaci, którą dopiero da się mierzyć.
Dlaczego tego nie dało się tego zrobić normalnie?
W ultrakrótkich laserach mierzenie impulsów jest codziennością, ale zwykle dotyczy światła klasycznego, z dobrze zdefiniowaną fazą i przewidywalną strukturą. BSV zachowuje się inaczej, bo każdy impuls jest inną realizacją rozkładu statystycznego, a faza ma charakterystyczną niejednoznaczność. Autorzy opisują ją jako losową z dwuznacznością o π rad i wiążą z nią specyficzną węzłową strukturę we wzorach interferencyjnych.
Do tej pory dało się opisać BSV narzędziami optyki kwantowej, ale gdy celem jest fizyka ultraszybkich zjawisk (rzędu femtosekund i niżej), potrzebny jest pełny, czasowy przebieg pola dla wszystkich pojedynczego impulsu. Wcześniejsze podejścia potrafiły pokazać uśredniony kształt, ale nie to, jak wygląda pojedynczy kwantowy strzał i jak bardzo różni się od kolejnego.
No dobra, ale po co to komu?
Technion wprost ustawia tę pracę jako narzędzie do ekstremalnej fizyki. Ultrakrótkie i intensywne impulsy są podstawą zjawisk nieliniowych i obserwacji ruchu elektronów w materii w bardzo krótkich skalach czasu. Autorzy w artykule wskazują, iż możliwość rekonstrukcji przebiegu pola dla pojedynczego impulsu jest warunkiem dla eksperymentów attosekundowych, w tym metrologii podokresowej, gdzie liczy się to, co dzieje się wewnątrz jednego cyklu fali.
Naukowcy wskazują, iż BSV, jako światło o naturze kwantowej, ma potencjalnie pozwalać badać silne oddziaływania światło-materia łagodniej niż klasyczne impulsy o podobnej średniej intensywności. W samej pracy pada powiązana obserwacja, iż BSV bywa użyteczne w kontekstach ponad konwencjonalnym progiem uszkodzeń, ale to już obszar, w którym potrzebne są kolejne eksperymenty, bo praktyka zależy od materiału i konkretnego procesu nieliniowego.
