Время-задержанная интерференция при нелинейных взаимодействиях света с веществом

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
ВЗ- интерференция
ВЗИ-фотона
ВПП
ДФВ - пакет НКО ОКС-эхо ОМС-эхо
ОФВ - пакет О- голограмма Уравнения - МБ ЭПР
ЭПР- парадокс ЯМР
ББ - решетки
- Время-задержанная интерференция.
- Время-задержанная интерференция фотона.
- Волновой пакет поляризации.
- Двухфотонный волновой пакет.
- Нелинейная когерентная оптика.
- Однофотонное комбинированное световое эхо.
- Однофотонное модифицированное стимулированное эхо.
- Однофотонный волновой пакет.
- Одномастичная (одыофотонная) голограмма.
- Уравнения Максвелла-Блоха.
- Электронный парамагнитный резонанс.
- Парадокс Эйндггейна-Подольского-Розена.
- Ядерный магнитный резонанс.
- Пространствешю-частотные (врагіаІ-Гтеяиепсу) решетки.
СОДЕРЖАНИЕ
ОСНОВІ 1ЫЕ СОКРАЩЕНИЯ........................................... 2 с.
ВВЕДЕНИЕ........................................................ 8 с.
ГЛАВА 1. ПЕРЕХОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ.......................... 9 с.
7.7 Первые работы по когерентным нелинейным оптическим явлениям.
Связь с магнитным резонансом................................9 с.
1.2 Уравнения Максвелла-Блоха...................................11 с.
7.3 Когерентная оптическая спектроскопия .......................13 с.
1.4 Применения переходных оптических явлений.................... 14 с.
1.4.1 Динамическая эхо-голография .......................... 14 с.
1.4.2 Квантовые компьютеры ................................. 15 с.
1.4.3 Квантовая электроника ................................17 с.
1.4.4 Фемтохимия ........................................... 17 с.
7.5 Исследование физических основ переходных оптических явлений 18 с.
1.5.1 "Внешние" причины..................................... 18 с.
1.5.2 "Внутренние"причины...................................21 с.
1.6 Интерференционные переходные когерентные пространственно -частотные структуры.........................................26 с.
1.7Актуальность исследования....................................29 с.
1.8 Цель исследования. Защищаемые положения. Апробация..........29 с.
ГЛАВА 2. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ РЕШЕТКИ В
РЕЗОНАНСНЫХ СРЕДАХ С ФАЗОВОЙ ПАМЯТЬЮ..................39 с.
2.1 Физика формирования переходных решеток...................... 39 с.
2.1.1 Физические основы. Интерференция Юнга-Френеля .......40 с.
2.1.2 Условия формирования переходных решеток...............44 с
2.1.3 Элементы полуклассической теории переходных
оптических явлений ......................................45 с
2.1.4. Физические закономерности формирования переходных
4
решеток (полуклассическая теория).........................52 с
2.1.5 Переходные решетки в неоднородно уширенных средах.........59 с.
А) Двухуровневые среды ....................................59 с.
Б) Многоуровневые среды ...................................61с.
2.2 Многоимпульсные режимы возбуждения среды.......................64 с.
2.2.1 Вопросы динамики многоволновых процессов .................64 с.
2.2.2 ("фазированные по пространству решетки ...................68 с.
2.2.3 Решетки ультра малого пространственного периода...........73 с.
А) Считывание решеток малого периода.......................80 с
2.2.4 Кинетика возбуждения решеток ультра малого периода........86 с.
2.2.5 Решетки с нелинейным профилем ............................96 с.
2.2.6 Формирование переходных решеток слабыми
классическими световыми полями............................. 100 с.
A) Многоимпульсные поля с фиксированной частотой .......... 101 с.
Б) Многоимпульсные поля с вариацией лазерной частоты 111 с.
B) Возбуждение некогерентными световыми полями............. 115 с.
2.3 Кинетика распада пространственно-частотных решеток............. 122 с.
2.3.1 Постановка задачи .........................................124с.
2.3.2 Кинетические уравнения распада пространственночастотных инверсионных (SF-) решеток............................ 127 с.
2.3.3 Случай «нулевых» флуктуаций атомной плотности............. 129 с.
А) Сигнал мгновенной дифракции............................. 130 с.
Б) Стимулированное световое эхо............................ 134 с.
Выводы по Главе 2..................................................140 с.
ГЛАВА 3. ДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОЛНОВЫХ ПАКЕТОВ В ПРОТЯЖЕННЫХ СРЕДАХ С ФАЗОВОЙ 11АМЯТЫО 142 с.
5
3.1. Волновой пакет поляризации.................................... 142 с.
3.2 Особенности генерации электромагнитных полей волновыми пакетами поляризации в условиях отклонения от волнового синхронизма........................................................149 с.
3.2.1 Излучение свободных полей................................. 154 с.
3.2.2 Электромагнитные поля, сопровождающие волновые
пакеты поляризации ....................................... 162с.
3.2.3 Излучение полег* фазирующейся поляризацией за счет существования в среде пространственных неоднородностей ... 165 с.
3.3 Импульсная «площадь» сигналов эха.............................. 167 с.
3.4 Световое эхо в оптически толстых средах........................ 172 с.
3.4.1 Теорема «площадей» Мак-Колла и Хана в условиях
сфазирования атомных колебаний ........................... 172с.
3.4.2 Первичное световое эхо в оптически толстой среде.......... 180 с.
3.4.3 О применении теоремы «площадей» в эхо-спектроскопии 186 с.
A) Многокомпонентные среды................................ 186 с
B) Импульсная «площадь» эха в резонаторах, тонкопленочных структурах..................................... 187 с
Выводы по Главе 3...........:......................................189 с.
ГЛАВА 4. ЭФФЕКТЫ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ В НЕСТАЦИОНАРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ДВУХУРОВНЕВЫХ СИСТЕМ С ВНЕШНИМИ ПОЛЯМИ.................................................... 191 с.
4.1 Нерезонансное поглощение энергии двухуровневым атомом.......... 191 с
4.1.1 Нерезонансная инверсия в классическом поле................ 194 с.
А) Нерезонансное поглощение полей непрямоугольной временной
формы................................................... 200 с.
4.1.2 Физический анализ ........................................ 203 с.
4.1.3 Нерезонансная инверсия в квантованном одномодовом поле 205 с.
6
А) Внешнее включение поля 205 с.
Б) Нерезонансное возбуждение в разнесенных квантованных
полях................................................... 207 с.
4.2. Взаимодействие фотона с атомами в резонаторе в условиях однородного и неоднородного уширения линии перехода 212 с.
4.2.1 Поглощение фотона в резонаторе 212 с.
A) Уравнения движения 213 с.
Б) Поглощение фотона 221 с.
B) Спектр атомного возбуждения 224 с.
4.2.2 Задача о влетающем возбужденном атоме.................... 227 с.
4.3. Мюонное спиновое эхо 232 с.
4.3.1 Основы мюон ной спектроскопии ........................... 232 с.
4.3.2 Одноимульсное мюонное спиновое эхо....................... 234 с.
4.3.3 Мюонное спиновое эхо в нулевом магнитном поле 239 с.
A) м&К-спектроскопия в нулевых магнитных полях.............. 239 с.
Б) Мюонное эхо в статических локальных магнитных полях 240 с.
B) Мюонное эхо в статических и динамических локшъных магнитных полях............................................. 245 с.
Выводы по Главе 4.................................................. 250 с.
ГЛАВА 5. В РЕМЯ-3 А ДЕР АЖАННАЯ № 1ТЕРФЕРННЦИЯ
ФОТОНОВ В СРЕДАХ С ФАЗОВОЙ ПАМЯТЬЮ....................... 252 с.
5.1 Введение....................................................... 252 с.
5.2 Время-задержанная интерференция фотона в двухуровневой среде ... 258 с.
5.3 Время-задержанная интерференция и однофотонное эхо в трехуровневой среде................................................. 269 с.
5.3.1 Взаимодействие фотона с системой трехуровневых атомов 272 с.
5.3.2 Однофотоиное эхо..........................................281 с.
7
Физический анализ 286 с.
5.4 Однофотонное модифицированное стимулированное эхо.
Особенности детектирования 293 с.
5.4.1 Одночастичная голограмма 293 с.
5.4.2 Однофотонное модифицированное стимулированное эхо 299 с.
5.5 Квантовые эффекты релаксации в однофотонном эхо................ 304 с.
5.5.1 Мачые времена наблюдения О-голограммы (I <7У............. 305 с.
5.5.2 Большие времена наблюдения (1>Т2)........................ 309 с.
5.5.3 Эффекты редукции в однофотонном комбинированном эхо 311 с.
5.6 Двухфотонные состояния. Неклассические поляризационные
свойства динамики двухфотонного эха.............................317 с.
5.6.1 Поляризованные двухфотонные состояния.....................318 с.
5.6.2 Двухфотонное модифицированное стимулированное эхо.........319 с.
А) Ортогональная поляризация двух фотонов 323 с.
Б) Перепутанное состояние поляризации фотонов............... 324 с.
Выводы по Главе 5 326 с.
Приложение 1. Неразрушающее считывание решеток методом
нерезонансной мгновенной дифракции 328 с
Приложение 2. Считывание решеток методом стимулированного эха .... 329 с Приложение 3. Влияние поглощение света на скорость распространения
импульсов света и волнового пакета поляризации 330 с
Приложение 4. Б(со,-со) матрица для взаимодействия фотона с
системой трехуровневых атомов 332 с
Приложение 5. Доказательство невозможности однофотонного эха в
двухуровневой среде 341 с.
Приложение 6. Оценка временной формы сигнала однофотонного эха.... 343 с.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 345 с.
ЛИТЕРАТУРА ........................................................ 348 с.
8
ВВЕДЕНИЕ
Современная оптика базируется на использовании уникальных свойств лазерного излучения, среди которых когерентность является, по-видимому, наиболее значимой, именно она открывает богатые возможности в изучении фундаментальных законов в поведении света и материи. Настоящая диссертация посвящена развитию научного направления в когерентной, нелинейной и квантовой оптике, основные задачи которого состоят в изучении фундаментальных закономерностей формирования когерентных интерференционных явлений, которые благодаря фазовой памяти вещества могут реализовываться в наиболее общих физических условиях.
В процессе теоретического исследования указанной проблемы были определены и изучены физические условия, при которых интерференционные явления приобретают качественно новые и разнообразные свойства. Выявлены фундаментальные проявления интерференции, присущие нестационарным когерентным взаимодействиям света с веществом, когда в условиях фазовой памяти их квантовая природа и динамические свойства особенно ярко проявляются. Данное обстоятельство определило выбор базового объеюга -переходных интерференционных «решеток» и когерентных волн поляризации, изучение свойств которых потребовало обобщения теории интерференции Юнга-Френеля на среды с фазовой памятью.
Проведенное в диссертации исследование показывает, что детальный анализ квантовых и нелинейных свойств когерентных интерференционных явлений открывает богатые возможности в изучении фундаментальных закономерностей нестационарных взаимодействий, которые охватывают как поведение отдельных микроскопических объектов, так и макроскопических квантовых систем. В первой главе, после обзора основных физических проблем современной оптики, более детально формулируются цели и задачи исследования, его основные результаты и защищаемые положения.
9
ГЛАВА 1. ПЕРЕХОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ.
/. 1 Первые работы по когерентным нелинейным оптическим явлениям.
Связь с магнитным резонансом
С изобретением лазера физики получили в свои руки свет, обладающий совершенно новым качеством - высокой когерентностью, благодаря чему в оптике появились возможности изучения нестационарных когерентных явлений, таких как нутации Раби, спиновое эхо Хана, которые были открыты ранее в магнитном резонансе [1,2]. Достижения импульсного магнитного резонанса оказали большое влияние на начальный период исследования нестационарных когерентных оптических (НКО-) явлений и становление НКО-спектроскопии. В полной мере это относится к эффекту ядерного спинового эха Хана [2], на возможность реализации которого на оптических электронных переходах указали Копвиллем и Нагибаров [3]. В независимой работе [4] Абелла, Кёрнит и Хартман впервые построили теорию спинового эха в оптике, назвав его фотонным эхо. На основе развитой ими теории стата возможна постановка эксперимента, который они и осуществили. Следующая фундаментальная работа, открывшая новое направление в исследовании когерентных оптических явлений, была сделана несколькими годами позже Ханом совместно с Мак-Коллом [5]. Они впервые наблюдали само-индуцированную прозрачность и оптические солитоны при распространении света в среде. Не менее важным результатом работы Мак-Колла и Хана явилась формулировка и успешное использование физико-математической модели, описывающей когерентное нелинейное взаимодействие света с веществом, которая известна сейчас, как модель Максвелла-Блоха.
Задача перенесения идеологии нестационарного магнитного резонанса в оптик}' стимулировала многие исследования. Один из основополагающих оригинальных экспериментов был поставлен в работе Брюэра и Шумейкера [6], которые обнаружили оптические нутации Раби и предложили новый метод
10
изучения фотонного эха в газах. Отметим, что предсказанный Дике эффект сверхизлучения [7] был впервые экспериментально обнаружен в оптике [7а], что оказало значительное влияние на развитие современной нелинейной когерентной и квантовой оптики [13,22,42].
На основе нестационарных когерентных оптических явлений разработаны нестационарные методы спектроскопии атомов и молекул [8-23,25-28], свойства НКО-явлений описаны в ряде монографий и трудах конференций [12-28]. В процессе изучения НКО-явлений появились методы, которые нс имеют аналогов в магнитном резонансе. Отметим метод когерентной активной (антистоксовой) римановской спектроскопии (КАРС) [17], динамических решеток [19], четырехволнового смешения [24] и т.д.. Использование лазеров в спектроскопии стимулировало исследования когерентных оптических явлений, связанных с интерференцией атомных состояний, таких как квантовые биения, эффект Ханле, параметрический резонанс [11]. Подобные поисковые исследования продолжаются и в настоящее время, некоторые из них будут рассмотрены далее.
Число работ, касающихся изучения свойств НКО-явлений в лазерной физике, исчисляется сотнями. Однако процесс переноса результатов магнитного резонанса в оптику по-прежнему не утрачивает своего значения. Например, представляется актуальным освоение идей двумерной спектроскопии, активно разрабатываемых в последние десятилетия в импульсном магнитном резонансе [31]. Также представляют интерес работы, относящиеся к фундаментальной проблеме изучения динамики многочастичных систем, в особенности, выяснению природы появления необратимости в их поведении. Напомним, имея в виду сложность и многогранность этой проблемы, что начатые еще в 50-х годах Э.Ферми исследования необратимости в системе связанных осцилляторов [154] неожиданно привели к необходимости более глубокого изучения нелинейных явлений и способствовали в
11
последующем открытию метода обратной задачи рассеяния [32], развитию солитонной физики (см., например, монографию [33] и сборник статей [37]). Работы по изучению динамики солитонов, а вслед за этим работы по динамическому хаосу показали сложность сценариев перехода многочастичных систем к равновесному состоянию [272]. В этой связи, для оптики одним из интересных прототипов исследования фундаментальных вопросов необратимости могут, по-прежнему, служить работы по изучению магического дипольного эха в магнитном резонансе [34]. Перспективными объектами для реализации подобных исследований в оптическом и ИК-диапазонах могут быть молекулярные системы, в особенности, кристаллы (электронные и колебательные переходы в таких веществах). Здесь межмолекулярные взаимодействия похожи на межчастичные взаимодействия в ЯМР, реализуемые в системе ядер кристаллов СаРг, на которых в настоящее время проводятся эксперименты по магическому дипольному эхо [34,35 ].
Примечательно, что в последнее время все заметнее становится процесс переноса полученных в оптике результатов в область магнитного резонанса. Отметим, в частности, наблюдение в ЯМР эффекта сверхизлучения [80], что стало возможно после более полного изучения этого эффекта в оптике [22,23,42]. Неожиданно оказалось, что реализация эффекта сверхизлучения в ЯМР открывает дополнительные возможности для поляризации ядерных мишеней, что является важным для решения ряда задач ядерной физики.
1.2 Уравнения Максвелла-Блоха
Большой интерес вызывают работы, объединенные использованием системы уравнений Максвелла-Блоха, которая стала основным инструментом исследования многих задач взаимодействия света с веществом: квантовой электроники, нелинейной светодинамики, оптической спектроскопии, квантовой оптики, в последнее время с успехом используется и при решении задач
12
квантовой нуклионики [88] и т.д. Наиболее часто эта система используется в сокращенном для поля виде, известном, как укороченная система уравнений -МБ [5,13]. Значительное влияние в обосновании и введении в обиход нелинейной оптики укороченной системы уравнений Максвелла оказали работы Хохлова и Ахманова [36]. В последние годы в нелинейной и квантовой оптике возникают задачи, где требуется использовать более строгие математические подходы. Квантовые модели Максвелла-Блоха и её простейший вариант в виде модели Джейнса-Каммингса [13,341] стали наиболее фундаментальными базовыми теоретическими моделями такого рода. Интересно, что система уравнений-МБ имеет аналогом квантово-полевую массивную модель Тирринга [37], поэтому задача квантования системы уравнений - МБ приобрела значение не только для современной оптики [13,37-40], но и квантовой теории поля, статистической физики [40]. Возможность использования средств современной экспериментальной лазерной физики для проверки теоретических результатов значительно усиливает интерес к этим моделям квантовой оптики. Вкратце перечислим еще ряд направлений лазерной физики и полученные результаты, где использование уравнений Максвелла-Блоха играет ведущую роль.
Обнаружение Мак-Коллом и Ханом оптических солитонов [5] стимулировало изучение нелинейных волн в различных веществах: молекулярных системах, акустике, магнитоакустике [41], биологии [129,130]. Интересные результаты получены при изучении солитонов в многоуровневых средах, где было предсказано формирование новых нелинейных уединенных световых волн, таких как симултоны [43]. В периодических средах были открыты новые типы локализованных возбуждений, называемые зуммеронами [44]. Практически важное обобщение теории уравнений-МБ, записанных в интегральном виде, идет по пути развития теоремы погашения в оптике [45]. Главным объектом данных исследований является более точное рассмотрение локальных полей в нелинейных оптических эффектах [46,47]. Развитие этих
13
математических методов связано с поиском более универсальных способов решения уравнений-МБ в волокнах, пленках, нелинейная оптика которых представляет все больший интерес [48,49,304-306]. Поиски новых возможностей в улучшении лазерной генерации вызывают интерес к когерентной динамике уравнений-МБ в многокомпонентных средах [50,51,131], в периодических средах [53,55,56]. Среди направлений, актуальных для теории лазеров, отметим также исследования но теории уравнсний-МБ в средах с двухфотонным поглощением [58], изучению роли релаксации когерентности в нелинейной динамике [59]. В последнее время большое значение приобретает развитие теории фемтосекундных солитонов. Исследовательская работа в этом направлении интенсивно ведется (см., например, [60-67 ]).
1.3 Когерентная оптическая спектроскопия
Еще десять-пятнадцатъ лег назад экспериментальные спектроскопические исследования с использованием переходных оптических явлений можно было проводить лишь при гелиевых температурах, за исключением г азовых сред, где подобные эксперименты [6,7а] возможны и при комнатных температурах. Благодаря появлению перестраиваемых субпикосекундных и фемтосекундных лазеров ситуация за последние годы значительно изменилась, и исследования НКО-явлений стали проводиться во многих лабораториях мира. Возникли широкие возможности в изучении квантовой динамики атомов и молекул при комнагных температурах. Кроме того, фемтосекундные перестраиваемые лазеры позволяют изучать атомы всей таблицы Менделеева, находящиеся практически в любых средах, независимо от их агрегатного состояния. Эти два обстоятельства имеют принципиальное значение для решения ряда фундаментальных проблем естествознания. К таким проблемам, например, относится расшифровка механизмов переноса электрона в фотосинтетическом реакционном центре [68,69]. Многие побудительные причины использования
14
переходных оптических явлений диктуются необходимостью изучения новых конкретных перспекгивных материалов, например, пленок, световых волокон, полупроводниковых наноструктур [70-72], фуллеренов и фуллереио-содсржащих соединений [73], веществ, перспективных для микроэлектроники, нанотехнологий, квантовой электроники, медицины, биологии.
В большинстве экспериментов используются лишь некоторые из методов НКО-спек1росконии, основанные на наиболее простых вариантах формирования переходных явлений. Среди таких методов значительное место занимает световое двух - и трехимпульсное фотонное (хановское) эхо [3,4,18], комбинационная активная рамановская спектроскопия [17], динамические решетки [8-10,19,74]. Например, развивается соответствующая теория и проводятся эксперименты по наблюдению двух - и трехимпульсного эха в жидкостях, полупроводниках [72,75 ].
1.4 Применения переходных оптических явлений
1.4.1 Динамическая эхо-голография
Исследования переходных явлений, не связанные с их непосредственным спектроскопическим применением, стали проводиться в первой половине семидесятых годов, когда началось более детальное изучение пространственно-временных свойств этих явлений. Эти работы были инициированы задачами динамической голографии [76], обращения волнового фронта [77-79,125], закономерности пространственно-временного поведения которых в то время привлекали большое внимание и были более изучены в рамках общей концепции неодновременного многоволнового взаимодействия (смешения) в средах. Благодаря работам Штыркова и Самарцева [76,116,117] появилось новое направление исследования в изучении переходных оптических явлений, получившее название эхо-голографии. Развивая работы Проктора в магнитном резонансе [132], Елютин, Захаров и Маныкин [133] показали, что в эхо-
15
голографии также возможно воспроизведение временной формы возбуждающих импульсов. Таким образом, были показаны возможности фиксации динамики предельно быстропротекающих процессов с использованием лишь одного пространственного лазерного пятна в веществе, что очень важно. Экспериментально это свойство у фотонного эха в твердых телах было впервые продемонстрировано в работе Самарцева с соавторами [134], а затем Мёссберга с коллегами [135]. Для светового эха в газах соответствующее теоретическое исследование было проведено Евсеевым, Решетовым [136] и экспериментально реализовано Василенко и Рубцовой [137]. Эхо-голография привлекает внимание, как метод обработки информации, на основе которого можно добиться и большого объема, и большой скорости обработки данных [81,27-29]. Отметим ряд работ, посвященных развитию этого направления [82-84 ,138-145]. Следует особо обратить внимание на реализацию эхо-голографии в газовых средах [138], а также на многообещающее направление - цветную эхо-голографию, разрабатываемую Нефедьевым и Самарцевым [139-141]. Так, в многоуровневых средах появляется интересная возможность изменения пространственного и временного масштаба записываемых сигналов. Использован изо эхо-голографии в качестве средства быстрого хранения и обработки информации посвящен ряд работ [83,84,142-145]. В экспериментальной работе [145] реализованы следующие параметры: запоминание -356 килобайт на одном пространственном лазерном пятне в кристалле, допированном редкоземельными элементами, скорость обработки 300 мегабит/сек, битная ошибка около 10'7. Достигнутые параметры оцениваются подходящими для практической реализации данных процессов в целях создания средств вычислительной техники.
1.4.2 Квантовые компьютеры
В последние пять лет отмечается быстрое развитие нового направления исследований, цель которого - создание компьютера нового поколения,
16
основанного на использовании квантово-механических закономерностей в поведении атомов и молекул. Это направление, известное как "квантовые компьютеры" [85 ], ориентировано на использование аномально больших с классической точки зрения взаимных корреляций атомов (фотонов, спинов, молекул и т.д.), а также на использование принципа суперпозиции квантовых состояний. Количество работ в этой области лавинообразно растет (см. обзор [363]). В настоящее время анализируются различные «носители» квантовых методов обработки информации, в том числе основанные на использовании магнитного резонанса, квантовой оптики. При этом следует отметить важность использования идеи квантовой криптографии [364,368], которая открывает новые возможности при решении задач повышения уровня защищенности в получении информации адресатом. Это свойство обусловлено невозможностью клонирования квантового состояния в силу его фрагильности, мягкости [370], благодаря редукции волновой функции, возникающей в процессе измерения этого состояния. Примером практического использования квантовых корреляций может служить экспериментально реализованная телепортация состояния фотона [112-114]. Этот эффект открывает принципиально новые перспективы использования квантовых закономерностей в передаче и кодировании информации [368,369].
Отмстим, что такие вопросы, как динамика квантовой когерентности, закономерности ее распада, методы задания начальных условий и считывания результатов квантовой эволюции являются основными в реализации квантовых вычислений. Эти вопросы квантовой динамики традиционно являлись объектом исследования НКО-явлений в оптике, магнитном резонансе, однако, в контексте проблем информатики их изучение приобретает новые черты, диктуемые спецификой конкретных практических задач.
17
1.4.3 Квантовая электроника
Исследование переходных оптических явлений имеет традиционно фундаментальное значение при решении задач квантовой электроники, выступая одним из основных разделов нелинейной лазерной светодинамики. Важными примерами использования НКО-явлений может послужить применение эффекта сверхизлучения Дике [22,42] в качестве беззеркального механизма генерации когерентного излучения. По прежнему большие надежды связаны с попытками реализации этого эффекта в коротковолновом, гамма-диапазоне [86,94]. Взаимодействие излучения с когерентными многоуровневыми атомными системами, сопровождающееся эффектом безинверсной лазерной генерации [87] - новая идея, которая открывает дополнительные возможности в использовании когерентности для квантовой электроники. В настоящее время эти две идеи являются основными при разработке путей создания новых типов квантовых оптических генераторов. Значительное влияние эти исследования оказывают на развитие физики гамма-лазера, которое оформилось в самостоятельное направление «Квантовая нуклионика» [88 ,94].
1.4.4 Фемтохимия
Появление фемтосекундных лазеров не только расширило диапазон изучаемых атомов и молекул, но и привело к увеличению числа возможных практических приложений переходных когерентных явлений. Изучение фемтосекундной динамики атомов и молекул привлекает все большее внимание химиков и биологов [30], поскольку использование фемтосекундных лазеров дает возможность управления поведением атомов и молекул на временах, сопоставимых и короче, чем период колебания атомов в молекуле. При разработке методов управления ходом химических реакций открываются заманчивые перспективы использования свойств когерентности в поведении
18
молекул, затрагивающей электронную, колебательную, вращательную и спиновую подсистемы. Эти проблемы еще далеки от детального изучения. Возникающее на стыке оптики и химии новое направление получило название фемтохимии [69,89 ]. Отметим, что обращение к методам НКО-спектроскопии представляется особенно актуальным для решения задач фемтохимии. Например, использование фотонного эха позволяет исследовать скрытые детали динамики фотоиндуцированных реакций, так, в работе [365] убедительно демонстрируются возможности фотонного эха для изучения гарпунного механизма реакций.
1.5 Исследование физических основ переходных оптических явлений
Наряду с непрерывным потоком спектроскопических работ и исследований, ориентированных на использование свойств НКО- явлений, по-прежнему продолжает сохраняться интерес к их физической природе. 11обудитсльиые мотивы данных исследований можно связать с двумя главными причинами, условно разделяющимися на «внешние» и «внутренние» причины.
1.5.1 «Внешние» причины
Эти причины связаны с необходимостью использования переходных явлений во все более многообразных физических условиях, в том числе при решении новых практических проблем, о чем упоминалось и выше. Примером подобных исследований являются работы по аккумулированному и шумовому световому эхо [90,91]. В них были выявлены более общие закономерности интерференции световых полей, обладающих временем когерентности много меньше их длительности. При этом было найдено, что увеличение временного разрешения при изучении временной динамики атомов можно добиться, используя световые поля со временем корреляции много меньше длительности импульса. Таким образом, был получен важный результат, что время разрешения данных методов определяется уже не длительностью импульсов, а
19
минимальным временем корреляции полей. А именно, в принципе методы аккумулированного и шумового фотонного эха могут заменять при решении спектроскопических задач использование сверхкоротко-импульсных (фемтосекундных !) лазеров. Это вызывает интерес к их экспериментальному использованию [92]. Важные для практических приложений следствия можно, по-видимому, ожидать в процессе переноса методов шумового светового эха на многофотонные процессы, в том числе, в методы комбинационного рассеяния, КАРС, а также и в магнитный резонанс. В настоящее время такие исследования пока еще не проводились. Возможности использования методов аккумулированного и шумового фотонного эха остаются еще недостаточно изученными.
Доступность изучения фемто- и субпикосекундной динамики в полупроводниках и молекулах при комнатной температуре поставило перед теоретиками задачу построения адекватных теорий. Характерная специфика теоретического описания фемтосекундной динамики по сравнению с импульсным ЯМР проявилась в дальнейшем развитии теории возмущений для описания воздействия лазерного поля, которая позволяет наиболее строго рассматривать динамику внутримолекулярных и межмолекулярных процессов при взаимодействии молекул со световыми полями сложного временного профиля [93 ].
Отметим, что в процессе развития многих областей физики и граничащих с ней наук интерес к переходным когерентным явлениям, в том числе оптическим, вызывается необходимостью детального изучения особенностей взаимодействия света с веществом. Изучение роли квантовой когерентности и квантовых флуктуаций излучения сопровождает исследования, относящиеся к очень широкому кругу проблем. Например, световые поля, находящиеся в специфическом квантовом состоянии - “сжатом” состоянии, с подавленными квантовыми флуктуациями в одной из компонент ноля, привлекают внимание
20
исследователей проблемы детектирования гравитационных волн [152,366]. Отметим актуальность изучения новых аспектов когерентного взаимодействия излучения с системой ядер, в том числе, при решении проблемы создания рентгеновского и у-лазера [94]. Для реализации преимуществ лазерной генерации, возникающих в условиях наведения когерентности в системе ядер, встает вопрос о механизмах переноса когерентности из электронной подсистемы на ядерные переходы. Задача осложняется множеством факторов, в том числе, слабой элсктрон-ядсрной связью и, соответственно, слабой корреляцией в динамике коллективных ядерных и электронных оптических переходов. Усиление этой корреляции является одной из важнейших задач квантовой нукпионики [88]. Большой процесс в развитии методов лазерного охлаждения атомов и молекул [95] в дальнейшем может быть связан с использованием когерентных механизмов поведения квантовых ансамблей. В настоящее время эта идея развивается при изучении оптического охлаждения атомов в конденсированных средах при использовании эффекта сверхизлучения Дике [96]. При этом удается добиться большей управляемости коллективного поведения коллектива атомов и, соответственно, более сильного его охлаждения. Заметим, что использование когерентности в охлаждении атомов не исчерпывается реализацией лишь эффекта Дике. В особенной степени это касается многоуровневых систем с большим числом степеней свободы. Здесь существует ряд возможностей для управления когерентным движением частиц, основанных на использовании электромагнитного излучения из различных диапазонов частот.
Для НК О-явлений характерно возрастание проявлений нелинейных особенностей в динамике атомов (молекул). Изучение закономерностей нелинейной динамики НКО-явлений имеет непосредственное отношение и к изучению физических закономерностей атомной и молекулярной когерентности в более сложных квантовых задачах, которые представляют общефизический
21
интерес. Например, такой задачей является изучение динамики расплывания волновых пакетов, характеризующих поведение возбужденных молекул или атомов. Подобные системы позволяют экспериментально реализовывать задачи типа «Шредингеровского кота» [367]. Эти вопросы имеют отношение к уяснению фундаментальных положений квантовой теории, что также определяет неослабевающий интерес к переходным явлениям.
1.5.2 «Внутренние» причины
Поскольку на основе НКО-явлений можно получать наиболее точную информацию о поведении и свойствах микрочастиц, поэтому многие научные достижения, связанные с пониманием основных закономерностей в поведении микроскопических объектов, имеют прямое отношение к исследованием НКО-явлений. Появление новых фундаментальных представлений о свойствах и поведении микрочастиц в первую очередь гребует постановки принципиально новых экспериментов. Таким обещающим направлением исследования может быть изучение физики электрослабых взаимодействий методами НКО-явлений. Однако это направление, ставшее реальностью после работ Хрипловича и его коллег [153], остается не освоенным оптическими лабораториями, которые традиционно изучают нестационарные когерентные явления, что можно рассматривать, как вызов к постановке подобных НКО-экспериментов.
Сопутствующая причина интереса к исследованиям НКО-явлений диктуется необходимостью преодоления сложностей строгого теоретического описания реального эксперимента. Так, в последнее время были получены новые частные анатитические решения, описывающие поведение сигналов фотонного эха при действии непрямоугольных возбуждающих импульсов [176,177,307]. Значительный интерес математиков и специалистов из математической физики вызывает поиск точных решений в квантовой модели Дике [38]. В большинстве случаев исследование реального объекта немыслимо
22
без упрощающих физических предположений о взаимодействии атомов и молекул с окружением и внешним полем. Важно иметь В ВИДУ', что типичный эксперимент по наблюдению переходных явлений может включать несколько оптических эффектов на макроскопическом уровне. Это обстоятельство в ряде ситуаций может существенно осложнить описание и интерпретацию экспериментальных результатов. Например, генерация сигналов светового эха и импульса сверхизлучения Дике часто сопровождается влиянием эффектов дифракции, формированием солитонов, возбуждением в среде когерентных пространственно-частотных решеток и т.д. Использование современных методов анализа нелинейных уравнений [33] позволяет существенно продвинуться в математическом решении этих задач, однако, эти методы в большей степени развиты для сильно идеализированных случаев, которые напрямую связаны с образованием в среде солитоноподобных решений. Реально, почти каждая конкретная экспериментальная ситуация требует самостоятельного анализа, из-за влияния множества сопутствующих факторов. По этой причине в настоящее время приходится прибегать и к численным расчетам, например, при изучении взаимодействия многоимпульсного излучения с протяженными средами [126,127,299,304-306]. В этом случае представляет большой интерес изучение общих закономерностей взаимодействия многоимпульсных лазерных полей в переходной области, где идет процесс -образования или распада солитонов, сопровождающихся генерацией фотонного эха. Можно сказать, что в этих условиях солитоны не успевают сформироваться и уединиться друг от друга на достаточные расстояния, а сигналы светового эха могут значительно усиливаться. Такая ситуация может иметь место при рассмотрении сред как с явно ограниченными, так и достаточно протяженными пространственными размерами. Наиболее мощное орудие анализа подобных задач связано с использованием теоремы площадей Мак-Колла и Хана [5]. Однако её непосредственное применение в
23
условиях взаимодействия среды с многоимпульсными полями представляется невозможным. Получение общих результатов в этих условиях является актуальной задачей при использовании переходных явлений в спектроскопических целях, для оптической обработки информации, динамической голографии и др.
В последнее десятилетие активно изучались проявления квантовой природы света в эффектах взаимодействия света с атомами. Наиболее существенные итоги этих исследований зафиксированы в работах [97-99]. Значительный прогресс в понимании вопросов микроскопической динамики атомов и взаимодействующего с ним поля не может не опираться на использование совершенствующихся методов НКО-спектроскопии, на дальнейшее развитие квантовой теории переходных оптических явлений, их объединение с другими методами, например, с методами магнитного резонанса.
Актуальность исследований квантовых свойств света, проявляющихся у переходных оптических явлений, связана с тем, что в отличие от родоначальника переходных когерентных явлений - ядерного магнитного и электронного парамагнитного резонанса, в оптике имеется возможность детектирования сигнала на уровне счета отдельных фагонов. На использовании этой возможности, например, основаны работы фон Борщисковского с соавторами [100] по оптическому детектированию маг нитного резонанса от одной молекулы. Подобного рода эксперименты открывают новые возможности в исследовании физических явлений, реализующихся в масштабе одной молекулы (атома). Например, изучение свойств переходных явлений, таких как спиновое эхо Хана на одной молекуле позволяет получать уникальную информацию о микроскопических свойствах твердых тел, окружающих молекулу [101]. Экспериментальная реализация спектроскопии отдельной молекулы в настоящее время стала возможной от криогенных до комнатных температур. В работе [371] демонстрируются возможности этого метода для
24
изучения процессов межмолекулярного переноса возбуждения. Оптическая спектроскопия отдельной молекулы или атома сравнивается и даже превосходит в своих возможностях известный метод мюонной спектроскопии [120,121], так как вся получаемая информация приобретает точный микроскопический пространственный адрес в веществе, определяемый с точностью до одного атома. Уникальность подобных экспериментов состоит в том, что в них в реальном масштабе времени непосредственно проявляется квантовая природа света и молекулы, взаимодействие последней с внутренними и внешними полями. Отметим, что отдельный атом в резонаторе является объектом пристального изучения в оптике (см., например, характерную работу Вальтера с соавтором, посвященную изучению динамики отдельного атома [146] и ссылки в ней, обзор Ораевского [150] ). Описание большинства рассматриваемых при этом явлений основано на использовании квантовополевой модели Джейнса-Каммингса [13,22,326,337-341], описывающей взаимодействие двухуровневого атома с квантованным одномодовым полем. В настоящее время эта квантово-полевая модель остается базовой моделью квантовой оптики. Отмстим, что на основе этой модели удается объяснить эффекты восстановления Раби-осцилляций [147], суб-пуассоновскую статистику фотоотсчетов [148], возможность представления стационарных состояний факторизованными по отношению к атомным и полевым параметрам на больших временах [149]. В ее различных обобщениях удается учитывать более богатую структуру уровней, реальное число резонансных атомов, наличие дополнительных релаксационных каналов процессов наблюдения и т.д. К настоящему моменту' времени наблюдаемые экспериментальные данные о поведении отдельных атомов еще нельзя считать изученными в полной мере, большой объем информации остается ещё недоступным. Привлекательно то, что сложности носят фундаментальный характер, и это связано с тем, что поведение отдельной молекулы определяется её взаимодействием с
25
окружением и непосредственно с макроскопическим детектором. Изучение возможностей управления поведением микроскопических объектов в таких условиях является очень важной задачей.
Квантовая природа поля непосредственно проявляется в задачах когерентного взаимодействия не только одной молекулы с полем, но также и ансамбля из большого числа атомов со световыми полями, содержащими малое число фотонов [102-108]. Эти исследования представляют исключительный иіггерес для изучения фундаментальных свойств света, определяемых их квантовой природой [102,122,123]. Важно, что построение соответствующих теорий стимулируется современными достижениями экспериментальной квантовой оптики, неуклонным проірессом лазерной физики, методов детектирования квантованных полей [99].
В общем случае фундаментальный характер проблемы взаимодействия квантованного света, как с отдельными атомами, так и с макроскопическими квантовыми объектами проявляется в сложности математического описания и в более богатой физической картине рассматриваемых явлений. Существенно то, что объектом изучения оказываются явления, имеющие самое непосредственное отношение к фундаментальным основаниям квантовой теории. Например, устойчивый интерес вызывает изучение оптическими методами проявлений ЭПР-парадокса [336] в экспериментах, основанных на анализе нарушений неравенств Бэлла [102,103,108 ,360]. Неугасаемый интерес к этой стороне квантовой механики в настоящее время привел к открытию новых неожиданных неклассических эффектов: эффекта Зеннона [109,110],
обнаружению распространения света со скоростью больше света (благодаря туннелированию фотонов) [111,151]. Эта деятельность приводит к более ясному пониманию проявлений неклассической природы квантовой механики, а также к разработке методов переноса-воспроизведения информации на большие расстояния - квантовой телепортации [112,113]. Как отмечалось выше,
26
экспериментальное наблюдение телеиортации фотона [114 ] привело к усилению интереса к этому эффекту.
Необходимо иметь в виду, что последовательная квантовая теория переходных оптических явлений во взаимодействии света с веществом, как макроскопическим квантовым объектом, неизбежно должна привнести много нового в известные полуклассические теории НКО-явлений и обогатить нас новыми знаниями о фундаментальных проявлениях квантовой природы нестационарных процессов. В связи с этим, становится все более актуальной и понятной высказанная Халфином [115 ] мысль, что парадоксальные свойства квантовой теории в большей степени должны проявляться в нестационарных (динамических) задачах. Для этих целей исследование подобных квантовых свойств у переходных оптических явлений представляет богатые возможности.
1.6 Интерференционные переходные когерентные пространственно-частотные структуры
В работах [19,74, 76-79, 116 ] отмечается, что переходные оптические явления сопровождаются возбуждением в среде переходных когерентных пространственно-временных структур, в значительной степени изменяющих физические свойства этих веществ. Имеются в виду такие переходные пространственные струкгуры как солитоны, неравновесные волны поляризации, пространственно-частотные (БЕ-) инверсионные решетки. Необходимо отметить, что такие неравновесные структуры могут формироваться в различных физических подсистемах среды: в населенности уровней,
поляризации, намагниченности, квадрупольном порядке, выстраивании [26,167], в мультипольных моментах атомных и молекулярных переходов. Изучая релаксацию мультипольных моментов молекул на основе поведения переходных решеток, можно получать информацию о характере упругих и неупругих столкновений молекул в газах, что имеет важное значение для выяснения физических основ протекания химических реакций, физики плазмы,
27
газовых лазеров. Основополагающий вклад в использование метода фотонного эха для спектроскопии атомных и молекулярных столкновений был внесен теоретическими работами Нагибарова, Нефедьева, Самарцева, Евсеева [26,156-163]. Первые экспериментальные исследования были проведены в работах Василенко, Рубцовой, Чеботаева и их коллег [164-167].
Отметил«, что использование свойств неравновесных пространственных когерентных структур, характеризующих состояния атомов и молекул в средах с фазовой памятью, представляет собой один из путей развития спектроскопии, а также является перспективным методом целенаправленного изменения свойств веществ. Например, путем создания динамических решеток можно управлять параметрами лазерных полей, что в значительной степени развивается на основе методов обращения волнового фронта [24]. Надежды на появление новых важных результатов в исследовании переходных явлений с точки зрения выяснения их структурных закономерностей удобно связать с известной аналогией в появлении Фурье-анализа и рентгеноструктурного анализа. В данном случае качественно новые возможности в методах изучения могут быть связаны с появлением у физических объектов пространственно-временных степеней свободы вместо только пространственных, или временных.
К настоящему времени показано, что наличие фазовой памяти среды существенно сказывается на интерференции света в этих средах, проявляющейся через формирование своеобразных свойств у переходных когерентных БЕ-решеток атомной инверсии. Наличие фазовой памяти способствует формированию у БЕ-решеток уникальных свойств по сравнению с подобными же структурами, формируемыми в обычных условиях оптической интерферометрии. Появление больших возможностей в управлении их параметрами будет способствовать дальнейшему прогрессу мегода и его приложений.
28
Первоначальное использование 8Р-структуры получили при решении задач оптической эхо-спектроскопии 118], связанных с преодолением, так называемой, проблемы «мертвого» времени в магнитной спектроскопии, ограничивающей возможности наблюдения откликов среды [52\. Возможности пространственной селекции откликов сняло проблему. Эти свойства 5Р-структур в особенной степени оказались привлекательными при решении спектроскопических задач в фемтосекундном диапазоне длительностей. В этом случае новым обстоятельством для формирования переходных оптических явлений оказывается то, что пространственные размеры фемтосекундных импульсов становятся существенно меньше реальных размеров изучаемых сред. Эгот фаю может сильно сказываться на характере и свойствах когерентных эффектов в среде. Именно на этой почве возникает интерес к методу угловой эхо-спектроскопии [118 ,119 ], открывающему дополнительные возможности в получении спектроскопической информации об атомах, относящихся к различным участкам спектральных линий.
Отметим, что физические свойства переходных пространственных решеток определяются особенностями поведения атомов (молекул) при резонансном взаимодействии со светом. Принцип суперпозиции квантовых состояний и нелинейный характер атомного отклика на воздействие света могут сильно изменять параметры переходных решеток. Возможности квантовой динамики в формировании переходных решеток с уникальными свойствами остаются еще мало изученными. Исследование этих вопросов имеет важное значение для развития метода спектроскопии динамических решеток [19], а также различных приложений. Наиболее фундаментальное направление должно быть связано с построением более строгой теории оптической интерференции в средах с фазовой памятью, учитывающей квантовую теорию света.
29
1.7 Актуальность исследования
Приведенный выше обзор отражает растущую актуальность изучения когерентных взаимодействий излучения с квантовыми системами. Анализ приведенных работ показывает, что наибольшую научную значимость эта проблема приобретает при исследовании динамики обі>ектов, которые проявляют нелинейные закономерности в поведении, макроскопические свойства. В последнем случае возникают качественно новые особенности, изучение которых является одной из фундаментальных задач квантовой теории. Эти проблемы определили тему настоящей диссертации. Она посвящена изучению динамики квантовых систем (атомов, или совокупности атомов) при нестационарных нелинейных взаимодействиях с внешними классическими и квантовыми полями. При этом автор ставит своей целью выявление принципиальной роли квантовых интерференционных явлений, которые могут приводить к качественно новым свойствам в поведении изучаемых объектов.
Полученные результаты позволили, с одной стороны, более общим образом рассмотреть свойства интерференционных явлений в материальных средах с фазовой памятью, а, с другой стороны, лучше понять роль квантовой интерференции в поведении как отдельных квантовых объектов: атомов, молекул, двухуровневых систем, фотонов, так и квантовых ансамблей и макроскопических квантовых систем.
1.8 Цель исследования. Защищаемые положения. Апробация
Настоящая диссертационная работа посвящена теоретическому изучению закономерностей нестационарного взаимодействия излучения с квантовыми системами в условиях наиболее общих для формирования интерференционных явлений, сопровождающихся образованием переходных пространственно-частотных структур.
Эта задача включает две взаимосвязанные части:
30
1. С одной стороны, это изучение закономерностей формирования интерференционных явлений (пространственно-частотных структур) в резонансных средах с фазовой памятью.
2. С другой - изучение роли интерференционных явлений в закономерностях нелинейных взаимодействий классических и квантовых полей с веществом, в динамике поведения отдельных квантовых систем.
Диссертация состоит из пяти глав, заключения и шести приложений.
В Главе 1 представлен обзор проблем оптической когерентной спектроскопии, использующих переходные явления, формулируется тема исследования, защищаемые положения.
Глава 2 посвящена изучению физических свойств переходных когерентных пространственных инверсионных решеток в условиях многоимпульсного возбуждения. Предсказывается возможность генерации решеток ультра малого пространственного периода за счет проявления эффектов квантовой когерентности в процессе возбуждения. Строится теория спектральных свойств и нелинейных закономерностей в кинетике возбуждения подобных решеток многоимпульсными интенсивными и слабыми классическими полями. Для изучения спектроскопических возможностей в использовании переходных решеток при исследовании межчастичных взаимодействий развивается теория их распада в твердых телах за счет диполь-дипольных взаимодействий. Построение кинетической теории ведется с точки зрения изучения кинетики поведения наблюдаемых в оптическом эксперименте сигналов, возникающих при рассеянии внешнего лазерного поля на БГ-рсшетке. Рассматриваются приложения переходных решеток для решения спектроскопических задач.
В Главе 3 рассматриваются вопросы динамики взаимодействия света с протяженными средами в условиях многоимпульсного возбуждения. Показывается, что в средах возможно формирование своеобразных волновых пакетов спонтанно фазирующейся в среде поляризации. Изучаются
31
пространственно-временные свойства фазирующейся поляризации, общие закономерности излучения ею световых полей, физические механизмы излучения в пространственно неоднородных средах.
Отдельного внимания заслуживает изучение нелинейных закономерностей взаимодействия многоимпульсных световых полей с фазирующейся поляризацией в оптически толстых средах. Общие вопросы нелинейной динамики изучаются на основе развития подхода, основанного на теореме площадей Мак-Колла и Хана. Для процессов излучения сигналов эха доказывается обобщенная теорема площадей Мак-Колла и Хана, которая также применяется к классической задаче формирования двухимпульсного светового эха. Рассмазривается применение теоремы площадей для различных случаев, представляющих интерес. Результаты работы многократно использовались при изучении взаимодействия многоимпульсных полей с протяженными средами (Хасанов, Смирнова 1995).
В Главе 4 развиваются представления о физических закономерностях поведения отдельных атомов при многоимпульсных взаимодействиях со светом. В ней изучаются роль и проявления квантовой интерференции состояний в спектральных и нелинейных закономерностях поведения резонансных частиц. На основе нахождения точных аналитических решений показывается и изучается нерезонансное поглощение атомом поля, необычные спектральные закономерности поглощения фотона системой атомов. Предсказывается возможность генерации одноимпульсного мюонного спинового эха, в том числе в нулевых магнитных полях. Эффект мюонного спинового эха обнаружен экспериментально в совместной работе с коллегами из лаборатории им. Резерфорда ( Великобритания, 1998).
В Главе 5 развитые в первых главах подходы используются для изучения интерференционных явлений, возникающих при взаимодействии слабых квантованных световых полей с макроскопическими квантовыми средами,
32
проявляющими фазовую память. Основное внимание обращается на выявление неклассических закономерностей время-задержанной интерференции, обусловленных квантовой природой фотонов. Детально изучаются свойства время-задержан ной интерференции (SF- решеток) и сигналов ханойского (снегового) эха в двух- и трехуровневых средах при воздействии на среду предельно слабых пучков снега, состоящего из разреженного потока отдельно друг от друга летящих фотонов, а также двухфотонных полей. Предсказывается однофотонное эхо, строится его квантово электродинамическая теория. Рассматриваются проявления парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена-Бома в фотонном эхо, особенности квантовой редукции, неклассические свойства поляризации светового эха, обусловленные квантовыми корреляциями двухфотонных состояний. В настоящее время предпринимаются усилия для постановки предлагаемых выше экспериментов (С.Кроль и др. (Швеция) [3781 V
В Заключении формулируются основные выводы. Основные результаты диссертации отражены в 33 статьях: 174, 194, 195, 196, 200, 225, 226, 253, 254, 274, 275а ( в печати), 276, 278, 279, 283, 285, 288, 294, 295, 303, 312, 313, 314, 315, 317, 318, 319 (послана в печать), 320, 321, 322, 323, 324, 325а, 377 (в печати) и 14 тезисах: 255, 256, 257, 258, 259, 260, 261, 275, 280, 303а) 316, 312а, 325.
Научная новизна работы состоит в том, что полученные результаты можно охарактеризовать как новый значительный шаг в развитии теории время-задержанной интерференции, который дал возможность выявить неизвестную ранее роль нелинейности и квантовой суперпозиции в динамике поведения квантовых сосредоточенных и распределенных систем. Это позволило получить ряд принципиальных результатов, существенно изменивших представление о свойствах известных ранее оптических явлений, свойствах квантовых систем. Среди таких результатов следует отмстить:
33
- доказательство теоремы площадей для эхо-процессов, нахождение аналитического решения в классической задаче о световом эхо Хана в оптически толстой среде.
- предсказание возможности формирования пространственных решеток ультра малого пространственного периода;
- предсказание возможности время-задержанной однофотонной интерференции и однофотонного эха, построение квантово электродинамической теории рассеяния для эхо-процессов, выяснение роли квантовой природы фотона в физических свойствах время-задержанной интерференции;
- выявление механизмов нерезонансного поглощения атома;
- предсказание одноимпульсного мюонного эха, мюонного спинового эха в нулевых магнитных полях; (экспериментально обнаружено в совместной работе с лабораторией им. Резерфорда 1998 г, Анг лия).
В наиболее полном виде основные результаты сформулированы в положениях, выносимых на защиту:
1. Предсказание формирования когерентных волновых пакетов поляризации в резонансных средах, скорость движения которых не ограничивается скоростью света. Найдены отклонения от известного дифракционного закона в излучении света волнами поляризации при сильном отклонении от условия волнового синхронизма. Предсказывается возникновение нового типа эхо-сигналов, возникающих благодаря модуляции фазирующейся поляризации в периодических средах. Предлагается использование его свойств для изучения фазовой релаксации в среде.
2. Доказательство теоремы площадей для излучения сигналов светового эха в оптически толстых средах. На основе применения данной теоремы найдено аналитическое решение для импульсной площади сигнала эха в классической
34
задаче формирования двух-импульсного светового эха в оптически толстой среде.
3. Предсказание возможности формирования в резонансных средах пространственных структур ультра малого периода. Период подобных структур может быть в десятки - сотни раз меньше, чем длина волны формирующего их светового поля. Развита кинетическая теория формирования решеток ультра малого периода, предсказывается универсальный гауссов спектральный профиль решеток в неоднородно уширенных системах, изучено влияние флуктуаций на процесс возбуждения решеток. Предсказываются и изучаются формирование и свойства инверсионных решеток в виде: локализованных пространственных пакетов, решеток с нелинейным пространственным профилем, с возбуждением атомов в областях пространства в виде точек малого размера. Изучены нелинейные и спектральные особенности генерации переходных решеток в режиме аккумуляции и сформулирован критерий перехода от линейного режима аккумуляции их амплитуды к нелинейному.
4. Построение теории распада пространственно-частотных решеток в резонансных средах, обусловленного переносом возбуждения за счет диполь-дкшольного взаимодействия атомов. Получены аналитические решения, описывающие неэксионенциальный харакгер в затухании сигналов дифракции и светового эха, обусловленный распадом пространственно-частотных решеток в неоднородно уширенных средах. Исследованы варианты кинетики спада сигнала эха для изучения микроскопических параметров межчастичных взаимодействий атомов.
5. Теоретическое изучение механизмов нерезонансного возбуждения двухуровневого атома при его взаимодействии с классическими и квантованными полями. Выяснена физическая природа нерезонансного поглощения для различных условий нестационарного взаимодействия и проявления волнового характера движения атома.