Σε μια θεωρητική και πειραματική μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Physics, μια διεθνής ομάδα ερευνητών (από ICFO/ICREA-Ισπανία, Technion-China, MBI-Germany, ELI-ALPS-Ουγγαρία, UoC και ΙΤΕ-Ελλάδα) με επικεφαλής τον καθ. Maciej Lewenstein (ICFO-Ισπανία) και τον Δρ. Παρασκευά Τζάλλα (Διευθυντή Ερευνών στο ΙΤΕ), καταδεικνύουν τη δημιουργία εξαιρετικά μη κλασικών καταστάσεων φωτός σε έντονες αλληλεπιδράσεις λέιζερ-ατόμων. Η θεωρία αναπτύχθηκε από τους J. Rivera-Dean (ICFO), M.F. Ciappina (Technion-China), E. Pisanty (MBI-Germany), P. Stammer (ICFO) και M. Lewenstein, και το πείραμα πραγματοποιήθηκε στο ΙΤΕ-ΙΗΔΛ από τον Θ. Λάμπρου (διδάκτορας στο τμήμα Φυσικής του Παν. Κρήτης) και τον Π. Τζάλλα.

Τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες, έχει γίνει εκπληκτική πρόοδος στον τομέα των τεχνολογιών λέιζερ και της κατανόησης των μη γραμμικών αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης. Χάρη σε αυτό, οι επιστήμονες μπόρεσαν να πραγματοποιήσουν εξαιρετικά πολύπλοκα πειράματα που σχετίζονται, για παράδειγμα, με πολύ γρήγορους παλμούς φωτός στην ορατή και υπέρυθρη περιοχή, με εκπληκτικά αποτελέσματα στην κατανόηση της υπερταχείας δυναμικής των συστημάτων του μικρόκοσμου.

Η ανάπτυξη λέιζερ υψηλής ισχύος επέτρεψε στους επιστήμονες να μελετήσουν τη φυσική των ισχυρών αλληλεπιδράσεων λέιζερ-ύλης, η οποία, στην τυπική της έκδοση, αντιμετωπίζει τους παλμούς λέιζερ λαμβάνοντας υπόψη μόνο κλασσική εικόνα. Η διάσημη θεωρία που δημιουργήθηκε ως το «μοντέλο τριών βημάτων»-που είχε την 25η επέτειό του το 2019-περιγράφει με κομψό τρόπο την αλληλεπίδραση του ατόμου με ισχυρά πεδία λέιζερ. Ωστόσο, λόγω του γεγονότος ότι αυτοί οι παλμοί του λέιζερ περιέχουν τεράστιο αριθμό φωτονίων, η περιγραφή της αλληλεπίδρασης ήταν μέχρι στιγμής ατελής, επειδή αντιμετώπισε το ατομικό σύστημα με κβαντικό τρόπο, αλλά το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με κλασσικό τρόπο.

Τώρα, στην περιγραφή των διαδικασιών που επάγονται από την αλληλεπίδραση των ισχυρών πεδίων λέιζερ με την ύλη (όπως η παραγωγή υψηλής αρμονικής (HHG), ιονισμός άνω του ορίου, διάθλαση ηλεκτρονίων που προκαλείται από λέιζερ, διαδοχικός και μη διαδοχικός ιονισμός πολλών ηλεκτρονίων κ.λ.π.), οι επιπτώσεις της κβαντικής διακύμανσης του ηλεκτρικού πεδίου του λέιζερ (ακόμη και τα μαγνητικά πεδία) είναι αμελητέες. Ωστόσο, η κβαντική φύση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι πάντα παρούσα σε αυτές τις διαδικασίες, οπότε προκύπτει ένα φυσικό ερώτημα: εκδηλώνεται αυτή η κβαντική φύση του φωτός στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις με την ύλη και, αν ναι, σε ποιες καταστάσεις εμφανίζεται;

Στην πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature Physics, οι συγγραφείς απέδειξαν ότι οι έντονες αλληλεπιδράσεις λέιζερ-ατόμου μπορούν να οδηγήσουν στη δημιουργία εξαιρετικά μη κλασικών καταστάσεων φωτός. Αυτό επιτεύχθηκε με τη χρήση της διαδικασίας HHG σε άτομα, κατά την οποία μεγάλος αριθμός φωτονίων από έναν παλμό κίνησης λέιζερ υπέρυθρης συχνότητας μετατρέπονται σε φωτόνια υψηλότερων συχνοτήτων στο βαθύ υπεριώδες. Η κβαντική ηλεκτροδυναμική θεωρία, που διατυπώθηκε σε αυτή τη μελέτη, προβλέπει ότι εάν η αρχική κατάσταση του λέιζερ οδήγησης είναι σύμφωνη, παραμένει σύμφωνη, αλλά μετά την αλληλεπίδραση μετατοπίζεται το πλάτος της.

Ομοίως, οι κβαντικές καταστάσεις των παραγόμενων αρμονικών καταστάσεων είναι σύμφωνες. Ωστόσο, η κβαντική κατάσταση του παλμού λέιζερ που οδηγεί την παραγωγή των αρμονικών εξαρτάται από αυτήν την αλληλεπίδραση, η οποία μπορεί να την μετατρέψει σε μια μη-κλασσική κατάσταση φωτός, αποκαλούμενη ως οπτική κατάσταση γάτας του Schrödinger. Αυτή η κατάσταση αντιστοιχεί σε μια κβαντική υπέρθεση δύο διαφορετικών σύμφωνων καταστάσεων φωτός: της αρχικής κατάστασης του λέιζερ και της σύμφωνης κατάστασης μειωμένου πλάτους που προκύπτει από την αλληλεπίδραση με τα άτομα. Οι ερευνητές βρήκαν τρόπο να δημιουργήσουν και να μετρήσουν αυτήν τη κβαντική κατάσταση στο εργαστήριο.

Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης ανοίγουν το δρόμο για έρευνες προς τη δημιουργία και τον έλεγχο των υψηλής έντασης μη κλασικών καταστάσεων φωτός χρησιμοποιώντας φυσικές διαδικασίες παρόμοιες με την παραγωγή των αρμονικών. Αυτό ελπίζουμε ότι θα συνδέσει την φυσική των ισχυρών αλληλεπιδράσεων με λέιζερ και την αττο-επιστήμη με την κβαντική επιστήμη της πληροφορίας και τις κβαντικές τεχνολογίες με έναν νέο, και εντελώς απροσδόκητο τρόπο.

Σχηματική αναπαράσταση του τρόπου δημιουργίας των μη-κλασσικών καταστάσεων φωτός.

Δημοσίευση: M. Lewenstein, M. F. Ciappina, E. Pisanty, J. Rivera-Dean, P. Stammer, Th. Lamprou and P. Tzallas, Generation of optical Schrödinger “cat” states in intense laser-matter interactions, Nature Physics 17 (10), 1104-1108 (2021), https://www.nature.com/articles/s41567-021-01317-w