Teoria da física de campo forte não perturbativa impulsionada pela luz quântica

Interações não perturbativas (ou seja, interações que são fortes demais para serem descritas pela chamada teoria da perturbação) entre luz e matéria têm sido objeto de muitos estudos de pesquisa. No entanto, o papel desempenhado pelas propriedades quânticas da luz nestas interacções e nos fenómenos delas decorrentes permaneceu até agora largamente inexplorado.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia Technion-Israel apresentaram recentemente uma nova teoria que descreve a física subjacente às interações não perturbativas impulsionadas pela luz quântica. Sua teoria, apresentada em Física da naturezaPoderia orientar experimentos futuros que investigassem fenômenos físicos de campo fortes, bem como o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas.

Este último artigo foi o resultado de uma estreita colaboração entre três grupos de pesquisa diferentes do Technion, liderados pelos investigadores principais Professor Ido Kaminer, Professor Oren Cohen e Professor Michael Krüger. Os estudantes Alexei Gorlach e Matan Even-Tzur, primeiros autores do artigo, conduziram o estudo com o apoio e ideias de Michael Burke e Nick Rivera.

“Esta foi uma grande expedição científica para nós”, disseram os professores Kaminer e Gorlach ao Phys.org. “Começamos a pensar na geração de altos harmônicos (HHG) e em suas propriedades quânticas já em 2019. Naquela época, a luz em todos os experimentos de HHG era explicada classicamente e queríamos saber quando a física quântica começaria a desempenhar um papel nisso.

“Francamente, incomodou-nos que tantos fenómenos fundamentais na física fossem explicados por uma teoria completamente diferente e, portanto, não pudessem ser ligados. Por exemplo, o HHG baseava-se numa teoria que contradizia a teoria normalmente aplicada para calcular a emissão espontânea – e explicava cada em uma base diferente.” “

HHG são processos físicos altamente não lineares que envolvem forte interação entre luz e matéria. Especificamente, ocorre quando pulsos de luz intensos aplicados ao material emitem os chamados harmônicos elevados do pulso de luz de condução intensa.

Durante vários anos, o professor Kaminer e a sua equipa de investigação têm tentado conceber uma estrutura única baseada na teoria quântica que explicaria colectivamente todos os fenómenos ópticos, incluindo o HHG. eles O primeiro artigo sobre este temapublicado em Comunicações da Natureza Em 2020, apresentei uma proposta de versão deste framework unificado, para análise de HHG na linguagem da óptica quântica.

“Este estudo contribuiu para abrir o campo agora emergente do HHG quantitativo”, explicaram os professores Kaminer e Gorlach. “No entanto, todos os experimentos de HHG foram conduzidos por campos de laser clássicos. Parecia até que não poderia haver luz quântica intensa o suficiente para criar um HHG. No entanto, Obras da professora Maria Chekhova Ele mostrou que é possível criar luz quântica suficientemente intensa em uma forma conhecida como vácuo compacto brilhante. “Isso motivou nossa nova investigação.”

Como parte de seu novo estudo, o professor Kaminer, Gorlach e seus colegas criaram uma estrutura completa que descreve processos físicos de campo forte impulsionados pela luz quântica. Para validar teoricamente a sua estrutura, aplicaram-na ao HHG e previram como este processo mudaria se fosse impulsionado pela luz quântica.

“Mostramos que, contrariamente às expectativas, muitas características importantes, como intensidade e espectro, mudam como resultado do uso de uma fonte de luz condutora com diferentes estatísticas de fótons quânticos”, disseram os professores Kaminer e Gorlach. “O artigo que escrevemos também prevê cenários experimentalmente possíveis que não podem ser explicados por nenhum outro meio a não ser considerando estatísticas de fótons. Esses próximos experimentos terão impacto e importância ainda maiores para este campo emergente da óptica quântica de campo forte.”

Até agora, o trabalho realizado por esta equipa de investigadores foi considerado puramente teórico. Sua pesquisa fornece a primeira teoria de processos não perturbativos impulsionados pela luz quântica, ao mesmo tempo que demonstra teoricamente que o estado quântico da luz afeta quantidades mensuráveis, como o espectro emitido.

“A maneira como nossa teoria funciona é dividindo a luz motriz em uma de duas representações chamadas distribuição generalizada de Glauber ou distribuição de Haussimi, e então usando a simulação tradicional do campo HHG, a equação de Schrödinger dependente do tempo (TDSE), para simular partes da distribuição”, disseram os professores Kaminer e Gorlach, antes de combinar as simulações para obter o resultado geral.”

“É esta ligação entre as ferramentas padrão da comunidade num esquema de computação quântica óptica que tornou o nosso trabalho tão poderoso e útil – pode ser aplicado a um estado quântico arbitrário de luz e a um sistema arbitrário de emissores.”

A nova teoria derivada do professor Kaminer, Gorlach e seus colegas poderá em breve beneficiar estudos em diversas áreas da física. Na verdade, o seu artigo prevê levar a ideia além do HHG, para uma ampla gama de processos não perturbativos, todos os quais poderiam ser conduzidos por fontes de luz não clássicas.

Esta previsão teórica poderá em breve ser testada e validada em ambientes experimentais. Por exemplo, a teoria da equipe pode ser aplicada diretamente à geração de pulsos de attossegundos via HHG, um processo que pode apoiar o trabalho de detecção quântica e tecnologias de imagem quântica.

A este respeito, a equipe publicou um artigo teórico recente em Fotônica da natureza que propõem o controle de bobinas de pulso de attossegundos usando a natureza quântica da luz, por exemplo, mostrando condições promissoras usando uma combinação de luz clássica e luz quântica comprimida.

Além disso, sua teoria pode ser aplicada a outros fenômenos baseados na física de campos fortes, como o efeito Compton, processo usado para gerar pulsos de raios X.

“Publicamos recentemente um artigo de acompanhamento sobre esta aplicação em Avanço da ciência“O que acabou acontecendo mais cedo devido a atrasos no processo de revisão por pares”, acrescentaram Kaminer e Gorlach sobre o efeito Compton. “Agora estamos trabalhando na implementação do experimento discutido teoricamente em nosso artigo.

“Outro objetivo ambicioso é generalizar a teoria desenvolvida para além do HHG e investigar os efeitos quânticos em vários materiais impulsionados pela luz condensada, o que liga os nossos novos desenvolvimentos na óptica quântica às fronteiras da física da matéria condensada.”