Введение к работе
Актуальность темы. Данная работа посвящена описанию взаимодействия одиночных атомов с неклассическим светом, а также описанию возбуждаемой лазерным светом одиночной примесной молекулы, помешенной в аморфную матрицу.
Первая проблема исследована на примере резонансных взаимодействий одиночного двухуровневого атома с полем, приготовленном в начальный момент времени в суиерпозиционном когерентном состоянии (СКС). Выбор такого полевого состояния обусловлен рядом причин.
Хорошо известно, чю все неклассические зффекгы квантовой оптики есть результат квантовой интерференции между компонентами квантовой суперпозиции, реализующей разложение исследуемого состояния в каком-либо базисе. Из всевозможных суперпозшшонньгх состояний поля СКС замечательны тем, что представляют наиболее простой пример суперпозиции квантовых состояний, позволяющий увидеть разнообразные проявления квантовой тштерференции. Среди всех квантовых состояішй поля когерентные стоят по своим свойствам наиболее близко к классическим состояниям. Вместе с тем квантовая интерференция амплитуд вероятностей когерентных состояний, образующих суперпозицию, наделяет irx целым рядом типично неклассических свойств, среди которых сжатие, субпуассоновская статистика и антшрушшровка фотонов. При больших амплитуда», когерентного состояния СКС представляют собой макроскопически различимые состояния, т.е. состояния кота Шредишера. а потому ли состояния чрезвычайно важны для проверки оснований квантовой теории. Помимо фундаментального интереса к данным состояниям имеется и прикладной, связанный с их многообещающими приложениями в квантовых компьютерах, квантовой коммуникации и сверхточных квантовых измерений.
Возникающие вследствие квантовой интерференции неклассические свойства СКС подробно изучены и предложено немало способов их генерашш и детектирования. Генерация, деіекгирование, а также практическое использование квантового поля нельзі представить икс аспектов атомно-цоневого взаимодействия. Вместе с тем для СКС в этой; области имелся большой пробел, поскольку наиболее фундаментальная проблема резонансного взаимодействия с одиночным атомом в свободном пространстве до сих пор не была рассмотрена. Это связано как с существующими пока экспериментальными трудностями генерации СКС (по-видимому, как раз связанными с недостаточным пониманием того, что происходит при взаимодействиях таких полей с веществом), так и с
2 теоретическими проблемами, проистекающими из отсутствия общей теории взаимодействю атомов с неклассическими полями.
Вторая проблема, рассмотренная в диссертации, относится к актуальной проблеме квантовой оптики одиночных молекул. Достижения спектроскопии одиночных молекуі (СОМ) позволяют наблюдать одиночные примесные молекулы хромофоров в различньп окружениях при низких температурах порядка \К. Возбуждаемые резонансным лазерные светом, такие молекулы проявляет сложную динамику, зависящую от свойств окружения Исследование стохастической динамики одиночной молекулы хромофора дает уникальнук возможность изучения наноструктур в локальном окружении молекулы. Существует двг основных класса сред, исследуемых методами СОМ — кристаллические и аморфные матрицы. На сегодняшний день наиболее полно исследованы локальные свойствг крист&члических материалов.
В данной работе исследована стохастическая динамика возбуждаемой лазерным светом одиночной молекулы хромофора, помещеішой в аморфную матрицу. Спектральная диффузия в одиночной молекуле и многие другие интересные явления, наблюдавшиеся і экспериментах с такими объектами, наглядно демонстрируют квантовые скачки между ямами ближайших взаимодействующих с хромофором туннелирующих двухуровневых систем (ДУС), формируемых аморфной матрицей.
Квантовые скачки в одиночных атомах впервые наблюдались более 10 лет назад Тогда для их описания была разработана теория непрерывных квантовых измерений (ТНКИ), которая позволяет детально описать статистику квантовых скачков на основе описания вігутренней динамики атома. Аналогично ТНКИ может быть применена для описания квантовых скачков в одиночной молекуле. Описание на основе этой теории использованное в данной диссертационной работе, позволяет моделировать сложнук квантовую динамику молекулы и представить процесс квантовых скачков с максимальной возможной степенью детализации.
Связь работы с научными программами и темами. В диссертацию вошли работы, выполненные в рамках проектов, поддерживаемых Фондом фундаментальных исследований Беларуси (проекты Ф203-18, МП18-96), Международным научным фондом (проект RWJ300), Национальным научным фондом США (Грант No.PHY-9414515) и международной Соросовской программой образования в области точных наук.
Цель работы можно сформулировать в виде следующих пунктов: 1. Развить методы описания взаимодействия одиночных атомов с суперпозиционными полями.
-
Выявить возможное влияние сложной квантовой структуры начального полевого состояния на динамику РФ.
-
І Ірєдложнть способ экспериментального наблюдения такого эффекта.
-
Построить модель одиночной молекулы хромофора, помещенной в аморфную матрицу и возбуждаемой резонансным лазерным полем.
-
Исследовать квантовую динамику изолированной молекулы в лазерном поле методами теории кинстичекого уравнения и теории непрерывных квантовых измерений.
-
Определить возможности управления динамикой квантовых скачков молекулы посредством изменения параметров возбуждающего поля.
Научная тгеттптга и практическая значимость. Изложенные в диссертации результаты являются новыми. К ним оіносится метод вычисления функции Глаубера-Сударшана для произвольных суперпозиций когерентных состояний и демонстрация эффективности метода фазового пространства при решении задачи о резонансной флуоресценции двухуровневого атома, возбуждаемой СКС. Приоритетным является и главный результат диссертации: предсказание эффекта квантовой неустойчивости среднего дипольного момента атома при взаимодействии с суперпозицией когерентных состояний. Этот результат заставляет по-новому взглянуть на проявление и методы описания квантовой интерференции при резонансных атомно-полевых взаимодействиях. Хоія квантовая когерентность полевою состояния очень быстро разрушается, в диссертации показывается, что при с\тлсствующих сегодня параметрах резонаторов оптического и микроволнового диапазонов их можно использовать для наблюдения эффекта квантовой неустойчивости. В работе впервые показано, что в общем случае для неклассических начальных состояний поля не существует классического предела, позволяющего использовать метод кинетически* уравнений для описання долговременной эволюции открытых систем, взаимодействующих с квантовыми резервуарами. Новым является описание динамики примесных молекул на языке теории непрерывных квантовых измерений. Помимо величин, которые уже измерялись экспериментально (корреляционная функция пар фотонов, статистика "медленных" скачков), в диссертации рассчитана также скорость циклических переходов в молекуле, которая связана с локальным нагреванием или охлаждением окружения молекулы. Впервые приведен анализ зависимости наблюдаемой стохастической динамики молекулы от строения двухъямного потенциала основного и возбужденного электронного состояний.
Результаты решения проблемы взаимодействия одиночного атома с СКС могут быть практически использованы для увеличения времени когерентности в квантовых компьютерах. Изучение квантовой динамики примесных молекул важно не только в связи с
задачами СОМ, но и с возможными приложениями одиночных молекул в нанотехнологиях, например, в разработке элементов памяти.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Функции Глаубера-Сударшана для произвольных суперпозиций когерентных состояний являются обобщенными функциями аналитического продолжения.
-
При взаимодействии одиночного двухуровневого атома с набором мод свободного пространства, резонансная мода которого приготовлена в суперпозиционном когерентном состоянии с амплитудой выше порогового, средний дипольный момент атома экспоненциально нарастает.
-
Наблюдение эффекта экспоненциального роста среднего дипольного момента атома, шш эффекта квантовой неустойчивости, возможно в высокодобротных резонаторах оптического и микроволнового диапазонов.
-
Теория непрерывных квантовых измерений, примененная для описания квантовых скачков молекулы хромофора в аморфной матрице, приводит к результатам, хорошо согласующимся с экспериментальными данными.
-
Статистика "ярких" и "темных" периодов флуоресценции одиночной молекулы хромофора, сильно взаимодействующей с ближайшей конформационной двухуровневой системой, формируемой аморфной матрицей, зависит от интенсивности и частоты лазерного излучения, когда скорости туннелироваїшя в основном и возбужденном состоянии различаются.
-
В случае, когда туннелирование в двухъямном конфигурационном потенциале аморфной среды вызвано взаимодействием с фононами, облучение примесного хромофора может приводить к локальному охлаждению или нагреванию, в зависимости от структуры потенциалов, соответствующих основному и возбужденному электронному состоянию хромофора.
Личный вклад соискателя. Автором диссертации получена основная часть результатов, содержащихся в диссертации. Постановка задач и интерпретация полученных результатов осуществлялись совместно с научным руководителем. Численный расчет динамики квантовых внутрирезонаторных взаимодействий атома с учетом полевого и атомарного затухания, приведенный в главе 3, вьшолнен на основе метода, предложенного С.Я.Килиньш. Экспериментальные данные, включенные в главу 4, принадлежат Й.Врахтрупу, К. фон Борцисковскому, и Л.Флери. П.Берман и А.П.Низовцев являются
соавторами теоретической модели, обсуждаемой в этой главе. Компьютерное моделирование динамики квантовых скачков проделано Т.М.Маевской.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в работу, докладывались на конференциях:
Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, С.-Петербург. 1995;
Международном семинаре "Нелинейные явления в сложных системах", Минск, 1995;
Международной рочестерской конференции "Когерентная и квантовая оптика", Рочестер, США, 1995;
Международном семинаре "Нелинейные явления в сложных системах'", Минск, 1996:
Международной конференции "Квантовая интерферометрия-11", Триест, Италия, 1996;
Международном Семинаре до квантовой оптике -VI, Минск. 1W6;
Международной конференции CLEO/EQEC96, Гамбург, ФРГ, 1996;
Международной конференции LALS'96, Йена, ФРГ, 1996.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, числе которых 3 статьи в реферируемых журналах и 6 статей в сборниках трудов и тезисах международных конференций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и двух приложений. Ье объем составляет 120 страниц, в том числе 15 рисунков. Список цитированной литературы насчитывает 135 ссылок. Каждая глава содержит выводы, в которых кратко формулируются основные результаты главы.
