КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 20-72-10057
НазваниеНестационарные и коллективные квантовые эффекты в системах атомов и молекул, сильно взаимодействующих с плазмонными и волоконными структурами
РуководительАндрианов Евгений Сергеевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2023 - 06.2025 |
Конкурс Конкурс 2023 года на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (50).
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-303 - Физика лазеров
Ключевые словасильная связь, открытые квантовые системы, квантовая плазмоника, плазмонные лазеры, волоконные лазеры, нестационарные режимы генерации
Код ГРНТИ29.33.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В последние годы системы с сильной связью света и вещества, а также электронных и колебательных степеней свободы вещества продолжают активно исследоваться. Интерес к таким системам связан с тем, что на их основе можно создавать оптические устройств нового поколения для оптоэлектроники, лазерной физики, сенсорики, квантовой криптографии [Laser Photon. Rev., 13(1), 1800219, 2019]. Например, использование систем, в которых реализуется режим сильной связи между светом и веществом, позволяет подавить скорость фотоокисления молекул [Nano Letters, 22(1), 105, 2021]. В экспериментах по неравновесным конденсатам Бозе-Эйнштейна сильная связь между электронными и колебательными степенями свободы органических молекул позволяет уменьшить порог конденсации и достигнуть её при комнатной температуре [Nature, 597(7877), 493, 2021].
В ряде работ было продемонстрировано достижение режима ультра-сильной связи поля и вещества, когда контр-вращающиеся и диамагнитные слагаемые в гамильтониане взаимодействия света с веществом начинают играть важную роль, в частности, они приводят к модификации собственных состояний системы. Системы с сильной и ультра-сильной связью находят применения при создании однофотонных источников, лазеров и сенсоров [Laser Photon. Rev., 13(1), 1800219, 2019]. Поэтому исследование систем с сильной и ультра-сильной связью становится всё более актуальным, по мере развития практических методов создания таких структур. В рамках проекта планируется продолжить исследование систем с сильной и ультрасильной связью, в частности, лазерных систем, и изучить проявление сильной связи в высших полевых корреляторах.
В последние годы особый интерес вызывает сильная связь колебательных степеней свободы твердых тел и молекул (например, акустических и оптических фононов) с электронными степенями свободы (например, экситонами), а также с электромагнитным полем. Такая связь имеет место, например, в некоторых оптомеханических системах, в которых сильная связь между полем и фононами вблизи особой точки используется для повышения чувствительности лазерных гироскопов [Nature 576(7785), 65, 2019]. В рамках Проекта 2023 предполагается провести всестороннее исследование особых точек и режимов сильной связи колебательных степеней свободы с электронными степенями свободы, а также электромагнитным полем. Также, в рамках проекта предполагается исследовать влияние колебательных степеней свободы на характеристики однофотонного источника на основе некогерентно накачиваемой молекулы в случае сильной связи экситонов и оптических фононов.
Большой интерес к сильной связи поля и вещества в области легированных волоконных лазеров связан с возможностью её использования для реализации нестационарных режимов генерации, которые в последнее время усиленно исследуются ведущими научными группами [Opt. Exp. 31(4), 5882, 2023]. Особый интерес представляет возможность сильного взаимодействия в такой системе, означающее качественную перестройку спектра лазерных мод при изменении параметров лазера, в частности, возникновение особых точек. Будут продолжены экспериментальные исследования, необходимые для более точного определения наблюдаемых закономерностей вблизи условий перехода между режимами стационарной и импульсной генерации. Запланированное в рамках продолжения проекта создание теоретической модели, объясняющей работу эрбиевого лазера, позволит лучше понять механизмы, отвечающие за оба режима работы лазера, и позволит строить более надёжные численные модели.
Таким образом, исследование систем, в которых реализуется режим сильной связи между электромагнитным полем и веществом, а также между электронными и колебательными степенями свободы вещества, представляет активно развивающееся направление в оптике, далекое от своего завершения. В рамках Проекта 2023 планируется продолжить исследование нестационарных и коллективных процессов в таких системах с единых позиций и заложить основы для создания оптических устройств нового поколения на базе таких систем.
Ожидаемые результаты
Системы с сильной связью используются для создания высокочувствительных сенсоров, лазеров без инверсии, одно- и двух- фотонных источников излучения. Источники излучения, созданные на основе систем с сильной связью, могут применяться для задач квантовой криптографии, двухфотонной спектроскопии и т.д. Для таких приложений важными являются квантовые свойства генерируемого излучения. Известно, что сильная связь между модами электромагнитного (ЭМ) поля и атомами влияет на спектр излучения, приводя к расщеплению в спектре. Однако влияние сильной связи на корреляционные функции высоких порядков не было исследовано. В рамках проекта планируется определить условия, при которых сильная связь ЭМ мод и атомов проявляется в поведении корреляционных функций высоких порядков. Планируется, что полученные результаты найдут применения для улучшения характеристик квантовых источников излучения на основе систем с сильной связью. Также планируется исследовать проявления перехода к ультра-сильной связи в поведении корреляционных функций высоких порядков и определить изменения в когерентных свойствах, вызываемые ультра-сильной связью ЭМ мод и атомов.
Поскольку в большинстве систем с особыми точками используется активная среда (для поддержания коэффициента усиления в системе связанных резонаторов или непосредственно как подсистема, сильно взаимодействующая с модой резонатора), то большую роль играют фазовые соотношения между дипольными моментами различных атомов или молекул активной среды. Известно, что разрушение корреляций между поляризациями активных частиц играет большую роль в кубитах, ограничивая возможности по созданию квантовых компьютеров, а также препятствует началу лазерной генерации в низкодобротных резонаторах. Предлагается изучить влияние затухания корреляций в активной среде на свойства систем с особыми точками. Такие системы представляют значительный интерес для создания детекторов и управления свойствами света за счет модуляции фазы.
В последнее время активно исследуются системы с сильной связью между электронными степенями свободы, например экситонами, и колебательными степенями свободы ядер, например оптическими фононами или вибронами. Сила взаимодействия между экситоном и виброном может быть описана фактором Хуанга-Риса, который равен отношению константы взаимодействия Фрёлиха между экситоном и виброном к собственной частоте виброна. Большое значение (~ 10) фактора Хуанга-Риса достигается в органических материалах для высокочастотных мод колебаний. В рамках проекта предполагается исследовать особые точки, которые возникают в системе сильно взаимодействующих экситонов и вибронов, а также их сосуществование с особыми точками, возникающими за счёт взаимодействия электромагнитного поля (например, моды резонатора) и дипольного момента экситона. Данное исследование поможет исследовать возможность увеличения чувствительности сенсоров и оптических гироскопов за счёт сосуществования двух типов особых точек. Также в рамках проекта предполагается исследовать влияние колебательных степеней свободы на характеристики однофотонного источника на основе некогерентно накачиваемой молекулы, что важно для создания условных однофотонных источников на основе квантовых точек и молекул.
Эрбиевые лазеры являются перспективным направлением развития лазерной техники, т.к. обладают необходимыми характеристиками для решения прикладных задач в медицине, связи и создания научной техники. В рамках Проекта 2020, благодаря имеющимся технологическим возможностям удалось с большой точностью измерить характеристики лазерных импульсов, однако этого оказалось недостаточно для однозначной трактовки полученных данных. Обнаруженные закономерности будут уточнены экспериментально и объяснены теоретически в ходе выполнения Проекта 2023. Будет построена теория импульсной генерации в эрбиевом лазере, рассматривающая генерацию импульсов как критическое явление. Отдельной группой задач является изучение лазеров с резонатором сложной формы, требующее расчетов электромагнитных мод резонаторов различной структуры с учетом неоднородности накачки. Будет проведено моделирование как линеаризованной системы (без учета зависимости населенностей квантовых уровней от амплитуды поля), так и расчеты на основе лазерных уравнений, требующих моделирования нелинейных систем большой размерности. Также в рамках Проекта 2023 планируется построить отсутствующую на сегодняшний день теоретическую модель работы эрбиевого лазера, которая будет описывать оба режима работы лазера и будет основываться на управляющем уравнении для матрицы плотности для корректного учёта диссипации в системе. На сегодняшний день, нет модели, которая бы корректно учитывала диссипацию в данной системе.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1) Рассмотрен одномодовый лазер с активной средой, моделируемой двухуровневыми атомами. Для данной системы выведены уравнения, описывающие поведение средних чисел фотонов, инверсии населенности, корреляторов между дипольными моментами атомов, а также между электрическим полем моды и дипольными моментами атомов. С помощью управляющего уравнения для матрицы плотности системы выведены скорости релаксации соответствующих переменных, а также скорость разрушения корреляций между дипольными моментами активных атомов. Для полученной системы уравнений проведён анализ поведения собственных значений и особых точек. Показано, что из трёх собственных значений при достижении порогового значения стационарной инверсии населённости активной среды сталкиваются только два собственных значения. Таким образом, показано, что в системе уравнений на корреляторы в лазере наблюдается особая точка, ниже этой особой точки лазер переходит в режим сильной связи. Исследовано влияние скорости разрушения корреляций между атомными поляризациями на поведение собственных значений. Показано, что, несмотря на изменение собственных векторов и собственных значений системы, особая точка устойчива к разрушению корреляций и сохраняется в широком диапазоне значений скорости затухания корреляций.
(https://opg.optica.org/josab/abstract.cfm?uri=josab-41-4-962)
2) А) В рамках проекта была рассмотрена оптомеханическая система, состоящая из двух оптических мод, взаимодействующих друг с другом через фононную моду. Была найдена зависимость интенсивности второй оптической моды от амплитуды волны накачки при различных скоростях релаксации в модах и частоте волны накачки. Было показано, что в оптомеханической системе может иметь место жесткий режим возбуждения когерентной генерации. В таком режиме интенсивность второй оптической моды скачкообразным образом увеличивается на пороге генерации. Был получен критерий реализации жесткого режима возбуждения в оптомеханической системе, и было получено выражение для величины скачка интенсивности. Было показано, что даже при наличии шума наблюдается резкое изменение интенсивности второй моды на пороге генерации. Было предложено использовать оптомеханическую систему, в которой реализуется жесткий режим возбуждения, для создания сенсора, работающего по методу внутри резонаторной лазерной спектроскопии.
(https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-49-4-782).
Б) Были исследованы стационарные потоки тепла через открытую квантовую систему, состоящую из взаимодействующих двухуровневых систем, каждая из которых взаимодействует со своим резервуаром. Показано, что удельный стационарный поток тепла достигает максимума при некоторой константе взаимодействия между двухуровневыми системами. Показана, что величина константы связи, при которой наблюдается максимум, близка к значению константы связи в особой точке локального подхода. Показано, что, когда спектр системы расщеплён при нулевой константе связи между двухуровневыми системами или, когда особая точка достигается при нулевой константе связи, максимизация удельного потока происходит при ненулевой константе связи. В данных случаях переход в режим сильной связи нельзя определять по переходу через особую точку. Максимизацию удельного стационарного потока тепла можно использовать как альтернативный индикатор этого процесса.
(https://zanauku.mipt.ru/2023/12/20/fiziki-skorrektirovali-kriterij-perehoda-otkrytoj-kvantovoj-sistemy-v-rezhim-silnoj-svyazi/)
В) В рамках проекта было получено в марковском приближении сопряженное уравнение для многовременных корреляторов, которое применимо к корреляторам, упорядоченным по времени произвольным образом. Полученное уравнение может быть использовано для различных подходов к описанию динамики открытых квантовых систем, таких как глобальный подход, который используется для систем в режиме сильной связи, и локальный подход, который используется для систем в режиме слабой связи.
(https://journals.aps.org/pra/accepted/6d07fN12Xb31bd2de4cd49a7520ced6101647dc25)
3) В рамках проекта была исследована термализация поляритонов в сильно-связанных молекулярных системах. Была развита микроскопическая теория, рассматривающая термализацию поляритонов посредством взаимодействия экситонной компоненты поляритонов с низкоэнергетическими молекулярными колебаниями. Эта теория представляет собой простой аналитический метод расчета зависящей от температуры скорости термализации поляритонов, основанный на экспериментально доступных спектральных свойствах молекул в отсутствии резонатора, таких как стоксов сдвиг и зависящую от температуры ширину линии люминесценции, в сочетании с хорошо известными параметрами оптических резонаторов. Полученные результаты демонстрируют качественное согласие с недавними экспериментальными результатами по неравновесной конденсации поляритонов как в основном, так и в возбужденном состояниях и объясняют эффект бутылочного горлышка термализации поляритонов, наблюдаемый при низких температурах.
(https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2023-0800/html)
4) А) Построена модель эрбиевого лазера как открытой квантовой системы. Рассмотрена электромагнитная мода в резонаторе, взаимодействующая с произвольным набором атомов эрбия. Для данной системы составлено управляющее уравнение на матрицу плотности в форме Горини-Косcаковского-Сударшана-Линдблада в локальном подходе, которое учитывает потери энергии в резонаторе, дефазировку электромагнитной моды, потери энергии и дефазировку атомов эрбия. Из составленного управляющего уравнения получены уравнения на заселённость электромагнитной моды, средние заселённости уровней атомов эрбия, потоки энергии между электромагнитной модой и атомами эрбия. Показано, что данные уравнения учитывают вклад спонтанного излучения атомов активной среды, а вклад накачки пропорционален заселённости основных состояний атомов эрбия. Оба этих эффекта, не учитываются в часто используемых феноменологических скоростных уравнениях.
(http://jre.cplire.ru/jre/apr24/6/abstract.html)
Б) Была рассмотрена открытая система, состоящая из произвольного набора квантовых осцилляторов, взаимодействующая с произвольным числом резервуаров. Получена система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая динамику температур резервуаров. Показано, что у данной системы уравнений имеется единственное асимптотически устойчивое равновесное состояние, в котором температуры резервуаров становятся равными. Оценено характерное время выравнивания температур резервуаров. Показано, что его можно минимизировать подбором частот открытой системы для заданных температур резервуаров. Показано, что в данных системах возможна немонотонная динамика температур. Показано, что самый холодный и самый горячий из резервуаров необязательно остаются таковыми на протяжении всего времени выравнивания температур резервуаров.
(https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.109.044144)
5) В рамках проекта были проведены экспериментальные и теоретические исследования сильнолегированных эрбиевых волоконных лазеров с короткими резонаторами. Изучены режимы работы при непрерывной накачке с длиной волны 976 нм. Исследована зависимость режимов и параметров генерации от длины резонатора и мощности накачки, в частности при переключении с импульсного на непрерывный режим. Получены зависимости длительности и частоты импульса для различных длин волн излучения (1539–1557 нм) и длин резонатора, на основе которых экспериментально обнаружена и теоретически подтверждена универсальная зависимость частоты и длительности импульса от мощности генерации для пассивных волоконных эрбиевых лазеров с модуляцией добротности. В частности, при рассмотрении логарифма частоты, длительности и амплитуды импульса от логарифма мощности лазера зависимости приобретают универсальный вид и устанавливают связь между критическими показателями. На основе экспериментальных измерений определены критические показатели импульсной генерации эрбиевых волоконных лазеров, слабо зависящие от параметров резонатора. Кроме того, экспериментально установлены универсальные соотношения относительно критических индексов, позволяющие прогнозировать поведение лазерных систем на основе эрбиевых активных сред.
Публикации
1. А. Мухамедянов, А.А. Зябловский, Е.С. Андрианов Hard excitation mode of system with optomechanical instability Optics Letters, 49, 4, 782-785 (год публикации - 2023)
2. Е.А. Терещенков, И.В. Панюков, М. Миско, В.Ю. Шишков, Е.С. Андрианов, А.В. Заседателев Thermalization rate of polaritons in strongly-coupled molecular systems Nanophotonics, https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0800 (год публикации - 2024)
3. И.В. Вовченко, А.А. Зябловский, А.А. Пухов, Е.С. Андрианов Transient temperature dynamics of reservoirs connected through an open quantum system Physical Review E, 109, 044144 (год публикации - 2024)
4. И.В. Вовченко, Е.С. Андрианов, А.В. Дорофеенко Модель открытой квантовой системы для описания работы эрбиевого лазера Журнал Радиоэлектроники, 4, 1-13 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.4.6
5. И.В. Панюков, В.Ю. Шишков, Е.С. Андрианов Adjoint master equation for multi-time correlators Physical Review A, - (год публикации - 2024)
6. И.С. Пашкевич, И.В. Доронин, А.А. Зябловский, Е.С. Андрианов Influence of the correlations in an active medium on the pump-induced exceptional points and strong coupling Journal of the Optical Society of America B, 41, 4, 962-968 (год публикации - 2024)
7. - Физики скорректировали критерий перехода открытой квантовой системы в режим сильной связи Журнал "За Науку", - (год публикации - )
8. - Физики скорректировали критерий перехода открытой квантовой системы в режим сильной связи Naked Science, - (год публикации - )