Некоторые свойства фотонов.

Ученые из Вашингтонского университета разработали и создали новую сверхбыстродействующую камеру, способную снимать процесс движения импульса лазерного света. Камера, делающая 100 миллиардов кадров в секунду, оказалась способной увидеть процесс рассеяния фотонов на частицах вещества, через которое они двигались

\

*************

Ученые Калифорнийского технологического института разработали самую быструю в мире камеру T-CUB, которая может захватывать 10 триллионов кадров в секунду, что практически позволяет «заморозить время» и увидеть импульсы света, движущиеся в пространстве.

Многие физические и химические процессы ранее не были сняты. Чтобы пронаблюдать за ними, камера должна записывать изображение в реальном времени с очень коротким временным разрешением.

Разработанная учеными камера T-CUB использует технику сжатой сверхбыстрой фотографии (CUB).

CUB – стала хорошей отправной точкой для создания сверхбыстрой камеры, т.к. способна зафиксировать внушительные 100 миллиардов кадров в секунду. Используя вторую камеру, записывающую статичное изображение ученым удалось реконструировать 10 триллионов кадров в секунду.

T-CUB более чем вдвое побила предыдущий рекорд скорости записи, установленный в 2015 году, и равный 4,4 триллионам кадров в секунду.

****************

ФОТОНЫ ИМЕЮТ СТРУКТУРУ.


Спин (от англ. spin — вертеть[-ся], вращение) — собственный момент импульса элементарных частиц, может быть правым или левым.

В 1924 году Паули выдвинул идею о наличии у электрона «двузначной квантовой степени свободы». Тогда Ральф Крониг предположил, что это может быть собственное вращение электрона. Паули, узнав об идее Кронига, заявил, что поверхность электрона должна вращаться со скоростью, намного большей скорости света, иметь бесконечную центробежную силу и бесконечную массу. Крониг с этим согласился и отказался от своей идеи.

В 1925 году Гаудсмит и Уленбек из Лейденского университета в Голландии так же пришли к понятию спина электрона, как вращающегося шарика. Они описали это формулой.
Лоренц, по классическим понятиям сделал расчеты для вращающегося электрона Гаудсмита и Уленбека, и заявил, что электрон должен быть не шариком, вращающимся на каком-то уровне атома, а шаром, по порядку величины, равным атому…

В общем, ни классикам, ни релятивистам спин, как вращение, не понравился.
Консенсус нашли, объявив спин не реальным, а неким виртуальным возможным для частицы вращением, которого как бы и нет.

Поль Дирак заметил, что для свободных частиц-фермионов с полуцелым спином — электронов, протонов, нейтронов характерно то, что их спин непрерывно меняет знак на противоположный и вновь принимает исходное значение. (Для атомов этот феномен не описан, спин атомов сохраняется, но может быть изменен внешним воздействием.)
Дирак вновь высказал имение о реальном вращении частиц, да еще то, что они вращаются по типу ленты Мёбиуса. Понятное дело, на это мнение Дирака особо не обратили внимания. Ведь это не укладывалось ни в какую теорию, переворот вихря ведь как бы возможен только после его остановки и поворота вращения другую сторону.

Оказалось, что вопреки мнениям физиков-теоретиков возможно и вращение частиц и переворот спинов у них.
В 2001 году появилась работа группы исследователей из университетов Каталонии и Аризоны (Gabriel Molina-Terriza, Jaume Recolons, Juan P. Torres, Lluis Torner, and Ewan M. Wright. «Observation of the Dynamical Inversion of the Topological Charge of an Optical Vortex», Physical Review Letters, vol 87, 023902 (Issue 2 — June 2001)). Этим исследователям удалось в подробностях заснять и продемонстрировать картину переворота спина для группы фотонов. Они пропускали фотоны через цилиндрическую линзу. Оказалось, что после того, как пучок света проходит через линзу, круглая сердцевина луча начинает сплющиваться в вытянутый эллипс, пока не вытягивается в тонкую линию. А после того, как вихрь проходит через фокус линзы, эта линия снова превращается в эллипс, однако энергия в нем уже циркулирует в противоположном направлении. Получается, что пучке фотонов каждый фотон вращается не только вокруг оси своего движения, но и вокруг оси перпендикулярной оси движения и определяющей плоскость его поляризации.

************

В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, описан эксперимент команды Дональда Умштедтера (Donald Umstadter) из университета Небраски в Линкольне (США).
Умштедтер и его коллеги решили проверить, что произойдет, если столкнуть один электрон с сотнями или тысячами частиц света, которые «врежутся» в частицу одновременно. Фотон, и электрон являются сверхмалыми частицами, столкновение которых в эксперименте можно наблюдать нечасто.
К примеру, при освещении комнаты лампочкой или в других нормальных условиях контрольный электрон взаимодействует с фотоном заданной энергии в диапазоне видимого света примерно один раз в четыре часа.
Чтобы получить многочисленные столкновения фотонов заданной энергии с электронами, используемыми в эксперименте, ученые использовали сверхмощный лазер Diocles, способный вырабатывать импульсы мощностью в 100 тераватт, чья яркость будет в миллиарды раз выше, чем у поверхности Солнца. После первых экспериментов Умштедтеру и его коллегам пришлось начать использовать пучки разогнанных электронов, так как мощные импульсы лазера в буквальном смысле «сдували» медленные электроны.
Эти опыты показали, что и электроны, и фотоны не точечные объекты, а объекты имеющие некую форму и структуру. Электроны выглядят как «восьмерки» и «петли», а фотоны отражаться от них под разными углами, а их энергия и некоторые другие параметры начинают зависеть от того, насколько ярким был импульс, содержавший их.
Из низкоэнергетических фотонов при этом часто получается высокоэнергетический фотон. Для демонстрации этого эффекта ученые соединили 500 частиц света из инфракрасного диапазона в один рентгеновский фотон.One billion suns: World's brightest laser sparks new behavior in light

 

***************

Принято, что скорость света в вакууме представляет константу, равную 299 792 458 метров в секунду. Исследователи из университета Оттавы обнаружили, что фотоны закрученые при прохождении дифракционной решётки со специальным расположением штрихов, распространяется на 0,1% медленнее. Об этом они сообщили в журнале The Optical Society.

*******************

Об этом же говориться  в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

 

*******************

ФОТОНЫ ДВИЖУТ ЧАСТИЦЫ ВЕЩЕСТВА,

Измерение колебаний нанокристалла

Исследователи из университета Пурду (Purdue University) при помощи луча лазерного света подняли крошечные алмазные наночастицы внутри вакуумной камеры. Эти наночастицы, размер которых составляет порядка 100 нанометров, что сопоставимо с размерами вирусов, представляют собой элемент чрезвычайно чувствительного датчика. И при помощи этого датчика ученым удалось измерить значение вращательных движений этих наночастиц.

Данный эксперимент является как бы наноразмерным повторением эксперимента 1798 года, выполненного британским ученым-физиком Генри Кавендишем (Henry Cavendish), нацеленным на измерение значения гравитационной постоянной. В своем эксперименте Кавендиш закрепил и уравновесил две свинцовые сферы на краях коромысла. Это коромысло было подвешено на длинном и тонком проводе, после чего к свинцовым сферам были подведены жестко закрепленные свинцовые сферы еще большего размера. Сила гравитационного притяжения больших сфер, действующая на малые сферы, заставила коромысло повернуться вокруг оси, скручивая провод. И по величине этого скручивания было вычислено значение гравитационных сил и постоянной.

В новом эксперименте наночастицы, имеющие продолговатую форму и поднятые при помощи луча лазерного света, служили аналогами коромысла эксперимента Кавендиша, а собственно луч лазера выступал в роли провода, на котором было подвешено коромысло. «Изменение ориентации нанокристалла алмаза вызывало изменение поляризации луча лазерного света» — рассказывает Тонгкэнг Ли (Tongcang Li), ученый из университета Пурду,

**************

НАСА, 19 ноября 2011 года был испытан компактный спутник FASTSAT (Fast, Affordable, Science and Technology Satellite). Внутрь его был помещён «наноспутник», куб со стороной 10 см весом до 1,33 кг. Этот аппарат NanoSail-D нёс в своей утробе квадратный кусок полимерного материала площадью около 10 квадратных метров, который играл роль солнечного паруса — устройства, предназначенного для улавливания солнечного света. Поток фотонов действует подобно потоку воздуха на Земле, толкая аппарат в нужном направлении.

После развёртывания 20 января на низкой опорной орбите (650 км) NanoSail-D начал медленно дрейфовать, постепенно снижаясь. Миссия длилась более 240 дней: 17 сентября аппарт погиб. Обработка данных показала, что траектория спуска и в целом поведение аппарата совпали с предварительными расчётами, отмечает ведущий исследователь проекта Дин Элхорн из Центра космических полетов им. Маршалла. Так что будущие спутники вполне могут стать парусниками.

************

Как известно, частицы можно разделить на две большие группы — бозоны и фермионы. Бозоны могут будучи энергетическими копиями друг друга сливаться в некую квантовую жидкость.

Фермионы, к которым относятся, например, электроны, протоны, нейтроны на это неспособны. Действует принцип запрета, сформулированный в 1925 году физиком Вольфгангом Паули: два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Квантовая жидкость

Сверхтекучесть была обнаружена в 1937 году советским физиком и нобелевским лауреатом Петром Капицей. Ученый охладил атомы гелия-4 до нескольких градусов выше абсолютного нуля и наблюдал, как вещество с легкостью перетекло из одного стеклянного контейнера в другой через тонкую трубочку диаметром в 0,5 микрометра.

Чтобы создать сверхтекучее веществоможно охладить множество атомов гелия-4.
Но оказалось, что форму материи с похожими свойствами можно создать при комнатной температуре с помощью фотонов движущих частицаы какой-либо среды.

В ходе такого эксперимента Физики из итальянского исследовательского института CNR NANOTEC использовали сверхтонкую пленку из органических молекул, которую поместили между двух зеркал с очень высокими коэффициентами отражения. Ученые запустили в устройство фотоны, которые «зацеплялись» за молекулы, порождая, по словам самих физиков, гибридную жидкость, состоящую из света и материи. Последняя может свободно течь, не замедляясь при встрече с каким-либо препятствием, поскольку в ней не возникают турбулентные вихри.

Статья опубликована в журнале Nature Physics. Кратко сообщается на сайте Phys.org.

***********

Солнечный свет замедляет вращение внешних слоёв светила, «похищая» часть его момента импульса. Такой вывод сделали исследователи из США и Бразилии после изучения звуковых волн, проходящих сквозь видимую поверхность Солнца – фотосферу. Целью исследователей было определение того, насколько быстро звезда вращается на разных «глубинах».

Научный мир в 80-х годах прошлого века выяснил, что внешняя часть фотосферы вращается медленнее остальной части. Но физики не понимали, почему происходит такое замедление.

Чтобы решить давнюю головоломку, команда учёных под руководством Иана Каннингема (Ian Cunnyngham) и Джеффа Куна (Jeff Kuhn) из Института астрономии при Гавайском университете наблюдала за звуковыми волнами у лимба (края) диска звезды с помощью инструментов «Обсерватории солнечной динамики» НАСА (SDO).

Астрономы сообщили, что нашли, как они считают, причину того, почему внешние слои Солнца вращается медленнее остальных.

Специалисты тщательно обработали изображения, полученные за три с половиной года работы SDO при помощи различных фильтров. Благодаря проделанной работе им удалось по-новому взглянуть на несколько внешних слоёв Солнца. Это, в свою очередь, помогло им выяснить, что наибольшее торможение происходит во внешней 70-километровой зоне, а также рассчитать скорость циркуляции каждого «видимого» слоя. Так, они подтвердили, что внешний слой вращался медленнее остальных примерно на пять процентов скорости.

Отметим, что в верхних 70 километрах фотосферы Солнце начинает становиться «прозрачным», и фотоны могут вырваться в космос в виде солнечного света.

 

Астрономы также использовали результаты предыдущих исследований, показавшие, что межзвёздная космическая пыль замедляется, сталкиваясь с солнечными фотонами, поскольку теряет момент импульса своего движения.

Исследователи создали модель Солнца, в которой фотоны движутся наружу через внутренние слои и в конечном итоге выходят из поверхности в виде света

Эти фотоны проделывают довольно долгое путешествие. Созданные в ходе ядерного синтеза внутри ядра Солнца, частицы сначала входят в плотную зону лучистого переноса, которая составляет две трети радиуса звезды.

Фотоны в этой части звезды отскакивают, сталкиваясь с атомными ядрами, как от многочисленных зеркал и далее, спустя миллионы лет, наконец, достигают наружного конвективного слоя светила. В этой зоне температура уже достаточно низкая, чтобы атомы могли поглощать фотоны. Здесь происходит образование союзов атомов и фотонов и, когда они достигают отметки в 70 километров, атомы охлаждаются настолько, что испускают фотоны в космос.

По той причине, что атомы и фотоны связаны между собой, они обмениваются моментом импульса, но, когда фотоны высвобождаются, они забирают часть момента импульса с собой, заставляя атомы в верхней части фотосферы вращаться медленнее, чем в более глубоких слоях.

Огромное количество таких высвобождений на протяжении 4,5 миллиарда лет жизни Солнца, как считают учёные, и привело к замедлению скорости вращения внешнего слоя светила. Его астрономы и наблюдают сегодня.

Результаты исследования опубликованы в научном издании Physical Review Letters.

**************

Учёные из Шотландии и США Sonja Franke-Arnold, Graham Gibson1, Robert W.Boyd, Miles J.Padgett используя эллиптический профиль лазерного пучка в качестве изображения, показали, что это изображение поворачивается на легко различимый угол при прохождении через крутящийся рубиновый стержень от одного торца его к другому

.http://cs619918.vk.me/v619918132/17d2d/1Mpzd-O8o_M.jpg
Эффект «увязания» фотонов при движении их в плотной среде известен, известно снижение скорости фотонов в такой среде, но особенно этот эффект показателен именно в движущейся среде.
Впервые этот эффект зарегистрирован в 1859-м французским учёным Ипполитом Физо. В своих опытах Физо использовал воду, текущую вдоль путей распространения излучения в интерферометре. Физо показал изменение скорости распространения света в зависимости от скорости движения среды. (Физо полагал, что движущаяся материя увлекает за собой эфир, а вместе с ним и колебания.)
Подробно эффект был рассмотрен Френелем в 1818 году.
Через сто с лишним лет британец Реджинальд Джонс зафиксировал аналогичное явление — поперечное смещение пучка, направленного на край вращающегося стеклянного диска.
Новый вариант опытной схемы позволяет наблюдать уже не смещение пучка, а поворот примитивного изображения на легко различимый угол, измеряемый единицами градусов. Чтобы сделать этот угол максимально большим, авторы использовали рубин сильно снижающий скорость распространения света. Коллимированный лазерный пучок с эллиптическим сечением физики пропускали вдоль оси вращения 100-миллиметрового рубинового стержня, который мог совершать до 30 оборотов в секунду. Лазер работал на длине волны в 532 нм, что соответствует зелёному цвету. После прохождения через стержень сечение пучка приобретало вид одиночной линии, а её положение легко контролировалось с помощью ПЗС-камеры.
Как выяснилось, при вращении стержня с частотой в 30 Гц линия отклоняется от того положения, которое она занимала бы в опыте с неподвижным рубиновым образцом, на 5 градусов. Когда направление вращения изменяли на противоположное, линия отклонялась в другую сторону.

В данном эксперименте явно то, что при прохождении фотонов в среде, в которой атомы связаны между собой, — фотоны оказываются временно связаны не с отдельными атомами этой среды, а со всей средой.
Объяснить «переизлучением» атомами среды попадающих в них фотонов не получится.
Атомы в кристалле расположены плотнее, чем длина волны света и их электронные оболочки при прохождении света не возбуждаются. Да и если бы атомы могли переизлучать фотоны в такой среде, то, учитывая количество атомов и время переизлучения, фотоны через прозрачные для них среды проходили бы с задержкой в миллиарды раз большей, чем в реальности.

Явление «увязания» фотонов при движении их в плотной среде широко распространено и хорошо известно, например, в жаркий день в струйках воздуха передвигаются детали пейзажа. Миражи переносят почти неискаженные изображения за горизонт, иногда на тысячи километров. Описаны миражи из Америки видимые в Африке. Легко подставить световые каналы не меньшие, чем передаваемый мираж. Каналы эти могут изгибаться как угодно, а фотоны в них движутся со своей обычной для воздуха скоростью. Это обычная рефракция. К резкому преломлению света в стекле или воде все привыкли, а плавному изменению траекторий фотонов, как в миражах или в описываемых опытах, почему-то уч0ные так удивляются, что выдумывают разные постулаты и безумные теории. Тот опыт с водой, который был сделан Физо 150 лет назад, тоже нужно было объяснять рефракцией, то есть «увязанием» фотонов в плотной среде, а не теми выкрутасами, которые придумали теоретики, не умеющие видеть реалии природы.
Интересно то, что прохождение фотонов сквозь кристалл демонстрирует то, как проходят фотоны и сквозь единичный атом, чуть-чуть задерживающий их и находящийся короткое время под влиянием их движения. Но массивное воздействие фотонов на среду, большее, чем способно пройти через неё в течение данного времени вызывает явление перехода электронов с последующим когерентным излучением (эффект лазера и мазера) или, если фотоны поступают со всех сторон, то уплотнение среды.

Группа учёных Венского университета технологий сумела замедлить фотоны в оптоволоконных сетях.

 

 

EurekAlert

EurekAlert

В стеклянные волокна изобретатели инжектировали добавки, что позволило замедлить свет до 180 км/час.

**************

Теплопроводность должна квантироваться, поскольку тепловая энергия переносится фононами. Впервые этот эффект экспериментально продемонстрирован в Калифорнийском технологическом институте. Изучался поток тепла между двумя микроскопическими телами, «фононными полостями», соединенными между собой теплопроводящей проволочкой, вдоль диаметра которой укладывается всего 500 атомов. Температура «фотонных полостей» измерялась с помощью сквидов — измерительных приборов, действие которых основано на эффекте Джозефсона в сверхпроводниках. Как и ожидалось, поток тепла вдоль проволочки изменялся дискретными порциями, равными квантовой единице потока тепла. Источник: Nature 27 April 2000

 

**************

U. Leonhardt (Институт имени Вейцмана в Реховоте, Израиль) и его коллеги из Университета имени Сунь Ятсена в Гуанчжоу (Китай) выполнили эксперимент по воздействию на поверхность жидкости световым пучком.  Источник New J. Phys. 17 053035 (2015)
http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/17/5/053035

Было выяснено, что значение имеет ширина луча и глубина сосуда с жидкостью.

Когда исследователи использовали в своём эксперименте узкий сфокусированный луч, — на поверхности воды и минерального масла появлялась выпуклость.

http://www.rqc.ru/upload/iblock/117/117b6bd97042ee5c2884c0fd598fd679.jpg
Широкий пучок дал вогнутость поверхности для воды и для минерального масла.

Теорию под это подвели такую, что яко бы правы оказались одновременно оба теоретика столетней давности Г. Минковский и М. Абрагам, в 1908 году и 1909 году соответственно, предложившие взаимоисключающие теории прогибания и вспучивания поверхности жидкости под влиянием света.

#

Китайские физики, ведущим из которых был Вэйлун Шэ (Weilong She) вместо воды использовали отрезок оптоволокна длиной около 1,5 миллиметров и шириной в 650 нанометров.

Схема экспериментальной установки. Спровоцированные лазерным лучом движения отрезка оптоволокна (показано зеленым) фиксировались камерой. Изображение авторов исследования.

Физики рассчитывали, что вес оптоволокна окажется достаточно мал для того, чтобы движение кончика отрезка, вызванного прохождением луча света, можно было заметить. После начала эксперимента камера фотографировала отрезок оптоволокна с частотой 10 снимков в секунду. Анализ фотографий показал, что свет «заставлял» кончик отрезка отклоняться в направлении, противоположном направлению распространения света. Таким образом ученые решили, что смогли подтвердить правильность теории Абрагама.

Комментарий:

Именно такое двойственное воздействие света на жидкость, как и наблюдается и должно получиться.
Узкий пучок света, накачивая энергией электроны атомов жидкости, заставляет их подняться на более высокие уровни тем самым как бы увеличивая размеры атомов, атомы же в основном остаются на своих местах, и получается вспучивание. Это как бы локальное расширение нагреваемых веществ.  Электроны долго не удерживаются на высоких уровнях, теряют фотоны и вспучивание исчезает. Вещество остывает.
Когда же на жидкость воздействует широкий пучок света, он не только увеличивает атомы, но и сдвигает их по направлению движения фотонов, в результате чего возникает впадина.
Оптоволокно, висящее на подвеске, при прохождении фотонов отклоняется в направлении их движения, а когда поток фотонов прекращается, оптоволокно возвращается в положение равновесия. Просто микрокачели.

 

Ещё о движении материи фотонами см. «Тёмная энергия»,

 

#

 

Свет определенных длин волн (цвета) может быть использован для снабжения энергией и управления движением частиц активных материалов, которые называют термином «программируемая материя». Такие материалы, способные динамически изменять свою форму, структуру и некоторые другие свойства, согласно заложенной в них «программе», в будущем будут широко использоваться в самых различных областях, начиная от медицины, машиностроительной промышленности, заканчивая космическими и военными технологиями.

Ученые из Лундского университета, Швеция, работая с коллегами из университетов Дюссельдорфа, Эдинбурга и Кебриджа, разработали модель активного материала, частицы которого начинают двигаться под управлением света с определенными параметрами. Свет питает эти частицы точно также, как и некоторые микроорганизмы, частицы материала начинают двигаться, спонтанно формируя структуры наподобие насосов, которые позволяют переместить еще большее количество других подобных частиц. Изменяя форму луча падающего света, его интенсивность и длину волны, можно управлять направлением и скоростью перемещения частиц программируемой материи.

http://www.dailytechinfo.org/np/8025-svet-dvizhuschaya-sila-programmiruemoy-materii-novogo-tipa.html

 

 

*******************

ФОТОНЫ ОДНОЙ ЭНЕРГИИ В ВЕЩЕСТВЕ МОГУТ ИМЕТЬ РАЗНУЮ СКОРОСТЬ,

Физики «затормозили» свет

Фото: © Fotolia/ AbstractUniverse
Ученые из МГУ и Японии научились почти мгновенно менять поляризацию света и снижать его скорость в десять раз, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Applied.
«Мы работаем совместно с профессором Иноуэ давно, и за эти пятнадцать лет узнали об этих удивительных наноструктурах много нового. «, — рассказывает Татьяна Долгова из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
Долгова и ее коллеги по МГУ и физики из Технологического университета Тойохаши (Япония) добились подобного эффекта благодаря так называемым магнитофотонным кристаллам – особым структурам, которые особым образом взаимодействуют со светом, меняя его поляризацию, скорость движения и ряд других параметров.
Идея создания такого кристалла, представляющего собой набор из оптических резонаторов, особым образом «замедляющих» движение света через кристалл, была впервые предложена в 1998 году японским физиком Мицутеру Иноуэ (Mitsuteru Inoue), одним из авторов статьи. Подобное «замедление» света, как объясняет Долгова, необходимо для создания голографической световой памяти, трехмерных экранов, а также сенсоров магнитного поля.
Эти кристаллы и связанные с ними феномены долгое время оставались предметом теоретических выкладок до тех пор, пока Долгова, Иноуэ и их коллеги не осознали, что таких эффектов можно добиться, используя не обычные оптические резонаторы, а эффект, открытый еще в 19 веке британским физиком Майклом Фарадеем.
Он обнаружил, наблюдая за светом, через особую призму, пропускающую только лучи одной поляризации, что свет исчезал или тускнел, если лучи лампы проходили через магнит. Говоря языком физики, Фарадей установил, что плоскость поляризации света поворачивается при прохождении через намагниченное вещество.
Используя этот эффект, физики из МГУ и Японии добились того, что плоскость поляризации «медленного» света поворачивается так быстро, что изменения можно заметить даже при сверхкоротких импульсах лазера длиной в 200 фемтосекунд. (фемтосекунда — это одна миллионная часть наносекунды).
Как признают ученые, пока этот эффект нельзя использовать для создания суперкомпьютеров из-за его малой силы, однако эти ограничения не являются принципиальными. Таким образом, российские физики показали, что сверхбыстрая модуляция света в магнитофотонных кристаллах возможна и имеет более чем хорошие перспективы.
*********
ФОТОНЫ БЫВАЮТ ЛЕВЫЕ И ПРАВЫЕ

Внешний вид массива столбиков из диоксида титана — основного компонента металинзы. Синим и зеленым выделены «строки», ответственные за фокусирование света с правой и левой круговой поляризацией

M. Khorasaninejad et al. / Nano Lett., 2016

Физики из Университета Гарварда разработали линзу из метаматериалов, способную различать и фокусировать в разных точках фотоны правые и левые. Авторы продемонстрировали, что с ее помощью можно наблюдать и различать оптически активные вещества. Исследование опубликовано в журналеNano Letters, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Линза состоит из специальным образом структурированного метаматериала. Оптические свойства этого класса материалов определяются в первую очередь не тем, из какого вещества он состоит, а его периодической структурой. Для создания линзы использовались массивы наноразмерных столбиков из диоксида титана, развернутых друг к другу под определенными углами. По словам авторов, можно выделить два типа «строчек» из этих столбиков, чередующихся между собой. Строчки одного типа вносят изменения в ход лучей света с правой круговой поляризацией, строчки другого типа — с левой. Диаметр линзы составляет три миллиметра, а толщина не превышает ста микрон.

Проходя через линзу свет разбивается на две группы лучей («правых» и «левых»), которые фокусируются в разных точках фокальной плоскости: изображение словно двоится. Разница между двумя получившимися изображениями указывает на то, что в свете, пришедшем на линзу, была преимущественная поляризация одного из типов.

 

*******************

 

Полуцелый полный угловой момент фотона

1 июня 2016

Сотрудники Тринити-колледжа (Дублин, Ирландия) K.E. Ballantine, J.F. Donegan и P.R. Eastham выполнили эксперимент, в котором продемонстрировано, что полный угловой момент фотона (комбинация спинового и орбитального угловых моментов) в некоторых случаях может принимать полуцелые значения в единицах постоянной Планка h/(2π). Это объясняется тем, что при уменьшении размерности системы может меняться характер квантования электромагнитного поля. Ранее похожий эффект наблюдался применительно к электронам в квазидвумерных системах. В описываемом эксперименте исследовались фотоны в луче света, в котором вектор поляризации был ограничен плоскостью поперечного сечения луча. Над лучом производились определенные преобразования фазы и поляризации с помощью двухосных кристаллов и призм. Луч пропускался через интерферометр Маха – Цендера для выделения состояний с определёнными угловыми моментами, и фотоны на выходе регистрировались фотодиодом. Наличие фотонов с полуцелыми угловыми моментами установлено по характерному спектру дробного шума в токе фотодиода, который с хорошей точностью соответствовал теоретически предсказанному. Источник: Science Advances 2 e1501748 (2016)

***********************

Рассеяние света облачком холодного газа

8 июня 2016

S. Jennewein (Университет Пари-Саклэ, Франция) и др. исследовали в своем эксперименте рассеяние света облачком холодного атомарного газа с размером порядка длины волны света вблизи резонансного перехода в атомах. Изучалась интерференция исходного луча с рассеянным светом. Обнаружено, что характеристики рассеяния плохо описываются существующими простыми теоретическими моделями, и для лучшего согласия требуется учитывать дополнительные эффекты, такие как влияние света на диполь-дипольное взаимодействие атомов. Источник: Phys. Rev. Lett. 116 233601 (2016)

Проще говоря, ориентация фотона в таком рассеянии коррелирует с ориентацией атомов рассеивающего вещества.

************

ФОТОНЫ СВЯЗАВШИСЬ С ЧАСТИЦАМИ ВЕЩЕСТВА ИЗМЕНЯЮТ СВОЙСТВА ЭТИХ ЧАСТИЦ.

Принципиальное изменение свойств частиц вещества несущими их фотонами показывает изучение стабильных частиц сравнивая действия на вещество частицами вещества и их античастицами. Вот, например, фотография следа позитрона, та, за которую Андерсон получил нобелевскую премию. След позитрона на фотографии получился потому, что в камере Вильсона позитрон ионизировал атомы, с которыми СТАЛКИВАЛСЯ. Но ведь позитрон, чтобы ионизировать атом, должен сталкиваться с электронами, причем с сотнями тысяч электронов, равных себе по массе, выбивая их из атома. Изучая фотографии треков позитронов, видим, что, ионизируя атомы сам позитрон при этом ничуть не отклоняется от траектории, определяемой только магнитным полем, и НЕ АННИГИЛИРУЕТ с любым из выбиваемых электронов, ведь треки электронов и позитронов при их возникновении из гамма-кванта одинаковые по длине и симметричны по форме. Есть фотографии, где позитрон проходит сквозь свинцовую пластинку, снижая при этом энергию, но, не отклоняясь от своего пути, и НЕ АННИГИЛИРУЕТ.

Аннигиляция возникает только после того, как позитрон потеряет большую часть энергии движения. То есть, надо полагать, что позитрон, соединенный с фотоном большой энергии несущим его, и позитрон, соединенный с фотоном небольшой энергии, это очень РАЗНЫЕ по своим свойствам частицы, ИМЕННО ПОЭТОМУ быстрый позитрон не может аннигилировать с медленным электроном. Аналогию можно найти в разнице свойств быстрых и медленных нейтронов.
http://bse.sci-lib.com/a_pictures/16/02/236341604.jpg

***********

ОБРАТНЫЙ КОМПТОН-ЭФФЕКТ.

Фотон может приобрести дополнительную энергию, то есть сдвинуться в более фиолетовую часть спектра, если, например, электрон, на котором рассеивается этот фотон, является ультрарелятивистским. В этом взаимодействии электрон теряет энергию, а фотону она добавляется. Это называется обратным комптон-эффектом. На практике такой процесс рассеяния используется для получения моноэнергетических пучков γ-квантов высокой энергии. С этой целью поток фотонов от лазера рассеивают на большие углы на пучке ускоренных электронов высокой энергии, выведенных из ускорителя. Такой источник γ-квантов высокой энергии и плотности называется Laser-Electron-Gamma-Source (LEGS).
Но вообще-то ультрарелятивистские электроны для повышения энергии фотонов вовсе не обязательны. Профессор Томас Зентграф (Thomas Zentgraf), доктор Гуиксин Ли (Guixin Li) и профессор Шуэнг Занг (Shuang Zhang) из Бирмингемского университета (University of Birmingham) показали экспериментальным путем изменение энергии фотонов проходящих через вращающуюся прозрачную среду.

Вращательный эффект Доплера

«Из-за малой длины волны света, нелинейные изменения от эффекта очень трудно зарегистрировать даже при помощи высокочувствительного лабораторного оборудования» рассказывает Томас Зентграф, — «Малое влияние эффекта происходит из-за огромной разницы скорости вращения объекта и скорости распространения света. Изменения длины волны света, прошедшей сквозь вращающийся объект, находятся в диапазоне нескольких триллионных долей от длины волны. И даже в лаборатории зарегистрировать такие изменения крайне и крайне тяжело».
Для измерения смещения длины волны света ученые использовали явление интерференции.

********************

 


Группа ученых из Харбинского технологического института (Harbin Institute of Technology) создала новый тип наночастиц. Эти наночастицы преобразовывают падающий на них инфракрасный свет в синий и ультрафиолетовый свет, и делают они это с рекордно высоким уровнем эффективности.
Внутри новых наночастиц энергетическое преобразование достигается путем передачи энергии фотовозбуждения внешнего слоя, поглощающего инфракрасное излучение, к внутренней полой сфере из неодима. Внутри этой полой сферы находится сплав иттербия и тулия, атомы которых совершают обратное преобразование энергии в фотоны видимого света.
«Новые многослойные наночастицы демонстрируют в 100 раз большую эффективность преобразования света, нежели другие наночастицы или другие методы, созданные ранее» — рассказывает Джоссана Дамаско (Jossana Damasco), одна из исследователей, — «Кроме этого, новые наночастицы можно производить достаточно простым и дешевым способом».

Наночастицы под электронным микроскопом
Исследователи полагают, что разработанные ими наночастицы могут найти применение в области преобразования солнечной энергии в электрическую, в устройствах отображения информации, в системах безопасности и во многих других областях.

 

*************

Недорогой наноматериал, с помощью которого можно превратить в ультрафиолет свет инфракрасного лазера, разработан физиками санкт-петербургского университета ИТМО. Создав ультратонкую наноплёнку из кремния, покрытую огромным количеством неровностей, поглощающими импульсы лазера на определённой длине волны, Антон Цыпкин с коллегами выяснили, что материал переизлучает их в форме ультрафиолетовых вспышек.

 

*********************

Молекула, превращающая тепловое излучение в свет

МОСКВА, 9 июн – РИА Новости. Немецкие ученые открыли необычное вещество, которое способно поглощать инфракрасное излучение и тепло и превращать его в обычный белый свет, идентичный по спектру и другим характеристикам галогеновым лампам, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Стефани Денен (Stefanie Dehnen) из Марбургского университета (Германия) и ее коллегисоздали вещество, способное превращать тепловое излучение в обычный свет, изучая различные молекулы, обладающие нелинейными оптическими свойствами. Подобные вещества, как объясняют ученые, могут менять длину волны и другие свойства излучения благодаря тому, как их электроны взаимодействуют друг с другом и с фотонами видимого света, инфракрасного излучения, рентгена и других видов электромагнитных волн.

Необычное соединение открытое Денен и ее коллегами, представляет собой «пирамиду» из атомов олова, окруженную «решеткой» из атомов серы. Эта структура нестабильна по своей природе, поэтому ученым пришлось окружить ее «лесом» из органических молекул, соединенных хвостами с «пирамидой» из серы и олова.

Каждый компонент играет свою роль в генерации света –  электроны в «хвостах» органики поглощают энергию ИК-излучения, а олово и сера излучают ее в виде волн видимого света.

**************

 

Два зелёных фотона превращаются в один – голубой

Ученые из Института микроструктурных технологий (IMT) Технологического института Карлсруэ (KIT) первыми продемонстрировали, как на внутренних гиперпереходах структуры, состоящей из выращенных эпитаксиально двух органометаллических слоев SURMOF (SURface-mounted Metal-Organic Framework), происходит преобразование двух фотонов в один, но более высокой частоты.

«Этот процесс превращает зелёный свет в голубой, имеющий более короткую длину волны и несущий больше энергии. Это очень важно для приложений фотоэлектроники», — заявил профессор Брюс Ричард (Bryce Richards), директор IMT. Результаты работы представлены в Advanced Materials.

Описываемый в статье процесс базируется на так называемой триплет-триплетной аннигиляции. В него вовлечены две молекулы: одна поглощает фотоны и создаёт возбужденные триплетные состояния, другая перехватывает их и аннигилирует с испусканием более высокоэнергетичного фотона.

«Проблема заключалась в том, чтобы сделать этот процесс возможно более эффективным», — комментирует доктор Иан Ховард (Ian Howard).

Для этого авторы специально подобрали слои поглощающих и излучающих молекул так чтобы получить, одновременно, низкий порог преобразования и высокую эффективность излучения света.

Гетеропереходы SURMOF-SURMOF имеют много потенциальных приложений в оптоэлектронике, в том числе в светодиодами и солнечных батареях. Так, сегодняшние солнечные элементы имеют ограничение по минимальной энергии фотонов, которые они способны поглощать. Использование преобразования с повышением частоты позволяет снизить такой порог, а следовательно увеличить эффективность фотоэлектрических систем.

NanoNewsNet

****

Кометы и малые планеты излучают фотоны в рентгеновском диапазоне!

Оказывается жидкий метан поглощая любые фотоны суммирует их и излучает в рентгеновском диапазоне!

 

 

 

Похожие статьи

6 Комментарии

  1. Pingback: Импульс фотона — Вокруг Света

  2. Сергей Сергеев (Автор записи)

    Time-resolved scattering of a single photon by a single atom
    Victor Leong, Mathias Alexander Seidler, Matthias Steiner, Alessandro Cerè & Christian Kurtsiefer
    Nature Communications volume 7, Article number: 13716 (2016)
    doi:10.1038/ncomms13716
    Download Citation
    Atom opticsQuantum opticsSingle photons and quantum effects
    Received:
    07 June 2016
    Accepted:
    25 October 2016
    Published:
    29 November 2016
    Abstract
    Scattering of light by matter has been studied extensively in the past. Yet, the most fundamental process, the scattering of a single photon by a single atom, is largely unexplored. One prominent prediction of quantum optics is the deterministic absorption of a travelling photon by a single atom, provided the photon waveform matches spatially and temporally the time-reversed version of a spontaneously emitted photon. Here we experimentally address this prediction and investigate the influence of the photon’s temporal profile on the scattering dynamics using a single trapped atom and heralded single photons. In a time-resolved measurement of atomic excitation we find a 56(11)% increase of the peak excitation by photons with an exponentially rising profile compared with a decaying one. However, the overall scattering probability remains unchanged within the experimental uncertainties. Our results demonstrate that envelope tailoring of single photons enables precise control of the photon–atom interaction.

    Introduction
    The efficient excitation of atoms by light is a prerequisite for many proposed quantum information protocols. Strong light-matter interaction by using either large ensembles of atoms1,2 or single atoms inside cavities3,4,5 has received much attention in the past. More recently, significant light-matter interaction has also been observed between single quantum systems and weak coherent fields in free space6,7,8,9,10,11. The time-reversal symmetry of Schroedinger’s and Maxwell’s equations suggests that the conditions for perfect absorption of an incident single photon by a single atom in free space can be found from the reversed process, the spontaneous emission of a photon from an atom prepared in an excited state12,13,14,15,16,17,18,19,20. There, the excited state population decays exponentially with a time constant given by the radiative lifetime τ0 of the excited state, and an outward-moving photon with the same temporal decay profile emerges in a spatial field mode corresponding to the atomic dipole transition21. Therefore, for efficient atomic excitation the incident photon should have an exponentially rising temporal envelope with a matching time constant τ0 and propagate in the atomic dipole mode towards the position of the atom22.

    For a more quantitative description of the scattering process we follow ref. 15, which assumes a stationary two-level atom interacting with a propagating single photon in the Weisskopf-Wigner approximation. The photon-atom interaction strength depends on the spatial overlap Λ ∈ [0,1] of the atomic dipole mode with the propagating mode of the photon, where Λ=1 corresponds to complete spatial mode overlap. We consider scattering of exponentially decaying and rising photons described by the probability amplitude ξ(t)

    and

    where Θ(t) is the Heaviside step function and τp is the coherence time of the photon. Integrating the equations of motion in ref. 15 leads to analytic expressions for the time-dependent population Pe(t) in the excited state of the atom for both photon shapes:

    and

    In this work, we measure the atomic excited state population dynamics by scattering single photons with identical power spectrum, but different temporal envelopes. While the overall scattering probability only depends on the power spectrum, the dynamics depends on the temporal envelope of the incident photon. In particular, an exponentially rising envelope leads to a higher instantaneous excited state population than an exponentially decaying envelope.

    Results
    Experimental setup
    In our experiment (Fig. 1), we focus single probe photons onto a single atom, and infer the atomic excited state population Pe(t) from photons arriving at the forward and backward detectors Df and Db (refs 23, 24, 25). We obtain Pe(t) directly from the atomic fluorescence measured at the backward detector Db with the detection probability per unit time Rb(t),

    Figure 1: Single photon scattering by a two-level atom in free space.
    Figure 1
    The time evolution of the atomic excited state population is inferred by measuring photons in the forward or backward direction. Df and Db: forward and backward detectors, |g〉 and |e〉: ground and excited levels of the atom.

    where ηb is the collection efficiency. However, the detection rate in such an experiment is relatively small and therefore susceptible to detector noise. Alternatively, Pe(t) can be determined from the detection rate at the forward detector Df with a better signal-to-noise ratio. The probability per unit time of detecting a photon in the forward direction at time t is given by Rf,0(t)=|ξ(t)|2 without an atom, and by with an atom present. The atom alters the rate of transmitted photons via absorption and re-emission towards the forward detector Df. Therefore, any change δ(t) of the forward detection rate is directly related to a change of the atomic population,


    The excited state population Pe(t) is then obtained by integrating a rate equation,


    where the last term describes spontaneous emission into modes that do not overlap with the excitation mode.

    A schematic of the experimental setup is shown in Fig. 2. A single 87Rb atom is trapped at the joint focus of an aspheric lens pair (AL; numerical aperture 0.55) with a far-off-resonant optical dipole trap (980 nm)8. After molasses cooling, the trapped atom is optically pumped into the 5 S1/2, F=2, mF=−2 state. Probe photons are prepared by heralding on one photon of a time-correlated photon pair generated via four-wave-mixing (FWM) in a cloud of cold 87Rb atoms26,27. The relevant energy levels are depicted in Fig. 2b: two pump beams with wavelengths 795 and 762 nm excite the atoms from 5S1/2, F=2 to 5D3/2, F=3, and a subsequent ensemble-enhanced cascade decay gives rise to the time ordering necessary for obtaining exponential time envelopes20,28,29. Dichroic mirrors, interference filters and coupling into single mode fibres select photon pairs of wavelengths 776 nm (herald) and 780 nm (probe). Adjusting the atomic density of the atomic ensemble27, we set the coherence time τp=13.3(1) ns of the generated photons, corresponding to a spectral overlap with the atomic linewidth of ∼90% (ref. 30).

    Figure 2: Experimental setup and level schemes.
    Figure 2
    (a) (Top left) Four-wave mixing part, providing heralded single photons: pump 1 (795 nm) and pump 2 (762 nm) are overlapped in a copropagating geometry inside the cold cloud of 87Rb atoms in a magneto-optical trap (MOT), generating pairs of herald (776 nm) and probe (780 nm) photons. The detection of a photon at Dh heralds a probe photon. (Top right) Tuning the resonance of a bandwidth-matched cavity with respect to the heralding photon frequency controls the temporal envelope. (Bottom) Single atom part: A 87Rb atom is trapped at the focus of a confocal aspheric lens pair (AL; numerical aperture 0.55) with a far-off-resonant optical dipole trap (980 nm). The probe photons are guided to the single atom part by a single mode fibre and focused onto the atom by the first AL. Avalanche photodetectors Df and Db detect photons collected in forward and backward directions. An acousto-optic modulator (AOM) shifts the probe photon frequency to compensate for the shift of the atomic resonance frequency caused by the bias magnetic field and the dipole trap. λ/2, λ/4, half- and quarter-wave plates; Dh, Df, Db, avalanche photodetectors (APDs); DM, dichroic mirror; F, interference filter; PDH lock, Pound–Drever–Hall frequency lock electronics; P, polarizer; (P)BS, (polarizing) beam splitter. (b) Relevant level scheme of the four-wave mixing process in a cloud of 87Rb atoms. (c) Relevant level scheme of the single 87Rb atom in the dipole trap. The probe photons are resonant with the closed transition |g〉=5 S1/2, F=2, mF=−2 to |e〉=5 P3/2, F=3, mF=−3.

    To control the temporal envelope of the probe photon, the heralding mode is coupled to a bandwidth-matched, asymmetric Fabry-Perot cavity. The cavity reflects the herald photons with a dispersive phase shift depending on the cavity resonance frequency. Tuning the cavity on resonance or far-off resonance (70 MHz) with respect to the centre frequency of the herald photon results in exponentially rising or decaying probe photons20. The FWM source alternates between a laser cooling interval of 140 μs, and a photon pair generation interval of 10 μs, during which we register on average 0.054 heralding events on avalanche photodetector Dh. The probe photons are guided to the single atom by a single mode fibre. The spatial excitation mode is then defined by the collimation lens at the output of the fibre and the high numerical aperture AL. From the experimental geometry, we expect a spatial mode overlap of Λ≈0.03 with the atomic dipole mode18. The excitation mode is then collimated by a second aspheric lens, again coupled into a single-mode fibre, and sent to the forward detector Df. A fraction of the photons scattered by the atom is collected in the backward direction, and similarly fibre-coupled and guided to detector Db.

    Time-resolved transmission of single photons
    To investigate the dynamics of the scattering process, we record photoevent detection times at the forward detector Df with respect to heralding events at Dh. When no atom is trapped, we obtain the reference histograms Gf,0(ti) for exponentially decaying and rising probe photons, with time bins ti of width Δt (Fig. 3, black circles). The observed histograms resemble closely the ideal asymmetric exponential envelopes, described by equations (1) and (2). The total probability of a coincidence event within a time interval of 114 ns (≈8 τp) is ηf=3.70(1) × 10−3. When an atom is trapped, we record histograms Gf(ti) (Fig. 3, red diamonds). The two histograms Gf(ti) are very similar to the respective reference histograms Gf,0(ti). To reveal the scattering dynamics, we obtain the photon detection probabilities per unit time at the forward detector Rf(ti)=Gf(ti)/(ηfΔt) with and without atom to use equations (6) and (7) to reconstruct the excited state population Pe(ti). Figure 4 shows the difference δ(ti)=Rf,0(ti)−Rf(ti) for both photon envelopes, with mostly positive values. A positive value of δ(ti) corresponds to net absorption, that is, a reduction of the number of detected photons during the time bin ti due to the interaction with the atom. For a photon with a decaying envelope, the absorption is close to zero at ti=0, and reaches a maximum at ti≈15 ns, followed by a slow decay. In strong contrast, the absorption for photons with a rising envelope follows the exponential envelope of the photon, with a maximum absorption rate twice as high as that for photons with a decaying envelope.

    Figure 3: Time-resolved transmission of single photons.
    Figure 3
    Coincidence histograms between heralding detector Dh and forward detector Df for exponentially decaying (a) and rising (b) probe photons, with a coherence time τp=13.3 (1) ns obtained from a fit to equations (1) and (2). Black circles: Gf,0, reference data taken without the trapped atom. Red diamonds: Gf, data taken with the atom present. The time bin size is Δt=2 ns. Total measurement time is 1,500 h. Error bars indicate one standard deviation due to propagated Poissonian counting statistics and are smaller than the symbol size. We offset all detection times by 879 ns to account for delays introduced by electrical and optical lines.


    Figure 4: Time-resolved changes in single-photon transmission rates.
    Figure 4
    Changes in the forward detection rates δ(ti)=Rf,0(ti)−Rf(ti) induced by the interaction with the atom for exponentially decaying (a) and rising (b) probe photons. The time bin size is 2 ns. Solid lines: analytical solution of equation (6) using equations (1)–(3), , for τp=13.3 ns, Λ=0.033. Error bars represent 1 s.d., assuming Poissonian statistics for Rf,0(ti) and Rf(ti).

    We obtain analytical solutions for the expected differences in transmission δ(t) from equation (6) assuming the ideal photon envelopes equations (1)–(3), , . The magnitude and the dynamics of the observed scattering are well reproduced for τp=13.3 ns and Λ=0.033 (Fig. 4, solid lines). The observed peak absorption for the exponentially decaying photon is slightly higher than expected. We attribute this discrepancy to the imperfect photon envelopes that differ slightly from the ideal asymmetric exponential.

    The interaction with the atom reduces the overall transmission into the forward detection path for both photon shapes. To quantify this behaviour, we calculate the extinction by summing over the interval −14 ns≤ti≤100 ns for exponentially decaying photons, and −100 ns≤ti≤14 ns for exponentially rising photons, capturing almost the entire photon. We obtain similar extinction values and for decaying and rising photons, respectively. The theoretical value of the extinction does not depend on whether the photon envelope is exponentially decaying or rising:

    For our parameters, τp=13.3 ns, Λ=0.033, this expression leads to , which is close to our experimental results.

    Time-resolved atomic excitation probability
    The excitation probability Pe(ti) (Fig. 5, red circles) of the atom is obtained from the differences in the forward detection rates δ(ti) and by numerically integrating equation (7). The exponentially decaying photon induces a longer lasting but lower atomic excitation compared with the rising photon. We find good agreement with the analytical solutions given in equations (3) and (4) (Fig. 5, solid line). We do not observe perfect excitation of the atom from exponentially rising probe photons because of the small spatial mode overlap Λ. However, the peak excited state population for the exponentially rising Pe,max,↑=2.77(12)% is 56(11)% larger than for the decaying one Pe,max,↓=1.78(9)%. The increase in the peak excitation Pe,↑,max/Pe,↓,max=78% predicted by equations (3) and (4) for τp=13.3 ns, Λ=0.033 is also in fair agreement with our findings.

    Figure 5: Time-resolved atomic excited state population Pe.
    Figure 5
    (a) Exponentially decaying and (b) exponentially rising probe photons. Red open circles, time bin size 2 ns: Pe(ti) obtained from forward detection rates integrating equation (7). Error bars represent 1 s.d. of the distributions obtained by a Monte–Carlo method and assuming Poissonian statistics for the detection rates. Green filled diamonds, time bin size 5 ns: Pe(ti) obtained from the backward detection rates using equation (5). Error bars show 1 s.d. assuming Poissonian statistics for the detection rates. Solid lines: Pe(t) from equations (3) and (4) using τp=13.3 ns, Λ=0.033.

    The excited state population can also be directly determined from the atomic fluorescence, equation (5). To convert the coincidence histograms Gb(ti) between the heralding detector Dh and backward detector Db into the excited state population Pe(ti) we have to account for the finite collection and detection efficiencies in the forward and backward path. For the backward path we independently measure the collection efficiency ηb=0.0126(5) and the detector quantum efficiency ηq=0.56(1). Figure 5 (green filled diamonds) shows the inferred excited state population with a time bin width of 5 ns, where is the heralding efficiency in the forward path, corrected for the collection and detection efficiencies. Again, we find a qualitatively different transient atomic excitation for both photon shapes, in agreement with the theoretical model, but with worse detection statistics compared with the excited state reconstruction using the changes in the forward detection rates. The peak excitation probability and the signal rate can be improved by a larger spatial mode overlap Λ, which is currently limited by the numerical aperture of the focusing lens31. Other focusing geometries like parabolic mirrors can theoretically achieve complete mode matching Λ=1 (ref. 11).

    Discussion
    In summary, we have accurately measured the atomic excited state population during photon scattering and have demonstrated that the power spectrum of the incident photon is not enough to fully characterize the interaction. The exponentially rising and decaying photons have an identical Lorentzian power spectrum with a full-width-half-maximum , but the transient atomic excitation differs. We have shown that the scattering dynamics depends on the envelope of the photon, in particular that an atom is indeed more efficiently excited by a photon with an exponentially rising temporal envelope compared with an exponentially decaying one. However, when integrated over a long time interval Δt≫τ0, τp both photon shapes are equally likely to be scattered as shown by our measurement of the extinction The advantage of exciting single atoms with exponentially rising photons is a larger peak excitation probability within a narrower time interval. Such a synchronization can be beneficial to quantum networks.

    Our experimental results also contribute to a longstanding discussion about differences between heralded and ‘true’ single photons32,33,34,35. The atomic excitation dynamics caused by heralded single photons matches well the one expected from ‘true’ single photon states in our theoretical model, and therefore support a realistic interpretation of photons prepared in a heralding process.

    Methods
    Heralded single-photon generation
    The two pump fields have orthogonal linear polarizations. The 795 nm pump laser is red-detuned by −30 MHz from the 5 S1/2, F=2 to 5 P1/2, F=2 transition to avoid incoherent scattering. The frequency of the 762 nm pump laser is set such that the two-photon transition from 5 S1/2, F=2 to 5 D3/2, F=3 is driven with a blue-detuning of 4 MHz. We can vary the coherence time τp of the generated photons by changing the optical density of the atomic ensemble. We choose τp=13.3 ns as a trade-off between matching the excited state lifetime of τ0=26.2 ns and having a high photon pair generation rate. Longer coherence times can be achieved at lower optical densities, but at the cost of lower photon pair generation rates.

    The probe photons are guided to the single atom setup by a 230 m long optical fibre. An acousto-optic modulator (AOM) compensates for the 72 MHz shift of the atomic resonance frequency caused by the bias magnetic field (7 Gauss applied along the optical axis) and the dipole trap. The AOM also serves as an optical switch between the two parts of the experimental setup; once a herald photon is detected, the AOM is turned on for 600 ns. The optical and electrical delays are set such that the probe photon passes the AOM within this time interval. Before reaching the atom, the polarization of the probe photons is set to circular σ− by a polarizing beam splitter and a quarter-wave plate.

    The Fabry–Pérot cavity used to control the temporal envelope has a length of 125 mm and a finesse of 103(5), resulting in a decay time τc=13.6(5) ns. The reflectance of the in-coupling mirror and the second mirror are 0.943 and 0.9995 respectively. We use an auxiliary 780 nm laser to stabilize the cavity length using the Pound–Drever–Hall technique.

    Data acquisition and analysis
    Figure 3 shows the coincidence histograms without additional processing. For the quantitative analysis (Figs 4 and 5) we subtract the accidental coincidence rate from the histograms. The accidental coincidence rate is caused by background events in the photodetectors, and determined from the histograms by averaging the detected coincidences rate over 300 ns outside the interval used to analyse the scattering dynamics.

    The total acquisition time for the experiment was 1,500 h, during which the average photon coherence time was τp=13.3(1) ns and the heralding efficiency was ηf=3.70(1) × 10−3. We check for slow drifts in τp and ηf by analysing the histogram Gf,0 every 60 min for τp and 20 min for ηf. The distribution of τp is nearly Gaussian with a s.d. of 0.9 ns, most likely caused by slow drifts of the laser powers and the atomic density; the distribution of ηf has a full-width-half-maximum of 6 × 10−4. We alternated between the decaying and rising photon profiles every 20 min to ensure that the recorded coincidence histograms are not systematically biased by slow drifts in τp and ηf.

    Temporal photon envelope
    The coincidence histograms recorded without atom (Fig. 3 black circles) differ slightly from the ideal asymmetric exponential functions described in equations (1) and (2).

    These deviations are well explained by the model we use to describe the effect of the cavity20. For the exponentially decaying photons, the main deviation is a small rising tail, caused by the finite cavity detuning of 70 MHz. For the exponentially rising photons, we observe a small decaying tail due to the bandwidth mismatch between cavity and photon, and cavity losses.

    Data availability
    The data that support the findings of this study are available from the corresponding author upon reasonable request.

    ********
    Сущность статьи. Ученые облучали атомы рубидия и инфракрасными фотонами разной энергии. Выявили, что чем меньше энергия фотона тем больше еероятность его поглощения. Фотону не поглощаемому на прохождение атома рубидия потребовалось 13 наносекунд из чего экспериментаторы решили, что фотон «имеет длину 4 метра». Конечно, реально, 13 наносекунд это время задержки этого фотона на атоме рубидия в течение которого фотон движет этот атом.

  3. Pingback: О размерах протона. — Вокруг Света

  4. Pingback: Фотоны против лжефизиков — Вокруг Света

  5. Pingback: Бесконечного движения по инерции в природе не существует. — Вокруг Света

  6. Pingback: О часах навигационной системы GPS показывающих ложность релятивизма. — Вокруг Света

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *