Las interacciones no perturbativas (es decir, interacciones que son demasiado fuertes para ser descritas mediante lo que se llama teoría de la perturbación) entre la luz y la materia han sido objeto de muchos estudios de investigación. Sin embargo, el papel que desempeñan las propiedades cuánticas de la luz en estas interacciones y los fenómenos que surgen de ellas ha permanecido hasta ahora en gran medida inexplorado.

Investigadores del Instituto de Tecnología Technion-Israel presentaron recientemente una nueva teoría que describe la física subyacente a las interacciones no turbulentas impulsadas por la luz cuántica. Su teoría, presentada en física de la naturalezaPodría guiar experimentos futuros que investiguen fenómenos de física de campos fuertes, así como el desarrollo de nueva tecnología cuántica.

Este último artículo fue el resultado de una estrecha colaboración entre tres grupos de investigación diferentes del Technion, dirigidos por los investigadores principales, el Prof. Edo Kamener, el Prof. Oren Cohen y el Prof. Michael Kreuger. Los estudiantes Alexei Gorlach y Matan Even Zur, primeros autores del artículo, dirigieron el estudio con el apoyo y las ideas de Michael Burke y Nick Rivera.

«Este ha sido un importante viaje científico para nosotros», dijeron el profesor Kaminer y Gorlach a Phys.org. “Ya en 2019 empezamos a pensar en la generación de altos armónicos (HHG) y sus propiedades cuánticas. En aquel momento, la luz en todos los experimentos de HHG se explicaba de forma clásica y queríamos saber cuándo la física cuántica empieza a desempeñar un papel allí.

«Francamente, nos preocupaba que muchos fenómenos fundamentales de la física se explicaran mediante una teoría completamente diferente y, por lo tanto, no pudieran vincularse. Por ejemplo, el HHG se basó en una teoría que contradecía la que normalmente se aplica para explicar las emisiones espontáneas, y explicó cada uno de ellos. sobre una base diferente.»

Los HHG son procesos físicos altamente no lineales que implican una fuerte interacción entre la luz y la materia. En concreto, se produce cuando intensos pulsos de luz aplicados sobre el material provocan que se emitan los llamados altos armónicos de un pulso de luz pulsada intensa.

Durante varios años, el profesor Kaminer y su equipo de investigación han intentado idear un marco único basado en la teoría cuántica que tuviera en cuenta colectivamente todos los fenómenos ópticos, incluido el HHG. ellos Primer artículo sobre este tema.publicado en Comunicaciones de la naturaleza En 2020, presenté una versión propuesta de este marco unificado para analizar HHG en el lenguaje de la óptica cuántica.

«Este estudio ha abierto el campo ahora emergente de los HHG cuantitativos», explicaron el profesor Kaminer y Gorlach. Sin embargo, todos los experimentos de HHG fueron impulsados ​​por campos láser clásicos e incluso parecía que nunca podría haber una luz cuántica lo suficientemente intensa como para crear el HHG. Obras de la profesora María Chejova demostró que es posible crear luz cuántica suficientemente intensa en una forma conocida como vacío comprimido brillante. Esto motivó nuestra nueva investigación».

Como parte de su nuevo estudio, el profesor Kaminer, Gorlach y sus colegas crearon un marco completo que describe los procesos de la física de campos fuertes impulsados ​​por la luz cuántica. Para validar teóricamente su marco, lo aplicaron a HHG y predijeron cómo cambiaría este proceso si fuera impulsado por luz cuántica.

«Hemos demostrado que, contrariamente a lo esperado, muchas características importantes, como la intensidad y el espectro, cambian como resultado del uso de una fuente de luz impulsora con diferentes estadísticas de fotones cuánticos», dijeron el profesor Kaminer y Gorlach. «Nuestro artículo también predice escenarios experimentalmente posibles que sólo pueden explicarse por otros medios observando las estadísticas de fotones. Estos próximos experimentos tendrán una influencia e importancia aún mayores para este campo emergente de la óptica cuántica de campo fuerte».

Hasta el momento, el trabajo que ha realizado este equipo de investigadores es puramente teórico. Su artículo proporciona la primera teoría para los procesos no perturbativos impulsados ​​por la luz cuántica, al tiempo que demuestra teóricamente que el estado cuántico de la luz afecta a cantidades mensurables, como el espectro emitido.

«La forma en que funciona nuestra teoría es dividiendo la luz impulsada en una de dos representaciones llamadas distribución generalizada de Glauber o distribución de Hossemi, y luego usando una simulación convencional del campo HHG, la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo (TDSE), para simular las partes discretas de la distribución», dijeron el profesor Kaminer y Gorlach, antes de fusionar las simulaciones para obtener el resultado general».

«Es esta conexión de las herramientas estándar de la comunidad en un esquema de computación cuántica óptica lo que ha hecho que nuestro trabajo sea poderoso y útil, y es aplicable a un estado cuántico arbitrario de luz y a un sistema arbitrario de emisores».

La nueva teoría derivada del profesor Kaminer, Gorlach y sus colegas pronto podría servir de base para estudios en diferentes áreas de la física. De hecho, su artículo prevé llevar la idea más allá de HHG, a una amplia gama de procesos no perturbativos, todos los cuales podrían ser impulsados ​​por fuentes de luz no clásicas.

Esta predicción teórica pronto podrá probarse y validarse en entornos experimentales. Por ejemplo, la teoría del equipo se puede aplicar directamente a la generación de pulsos de attosegundos mediante HHG, un proceso que puede respaldar el trabajo de las técnicas de detección e imágenes cuánticas.

En este sentido, el equipo publicó un artículo teórico reciente en Fotónica de la naturaleza que proponen controlar bobinas de pulsos de attosegundos utilizando la naturaleza cuántica de la luz, por ejemplo, mostrando condiciones prometedoras utilizando una combinación de luz clásica y luz cuántica comprimida.

Además, su teoría se puede aplicar a otros fenómenos basados ​​en la física de campos fuertes, como el efecto Compton, un proceso utilizado para generar pulsos de rayos X.

Recientemente publicamos un artículo de seguimiento sobre esta aplicación en Avances de la ciencia“, que acabó apareciendo antes debido a retrasos en el proceso de revisión por pares”, añaden Kaminer y Gorlach sobre el efecto Compton. «Ahora estamos trabajando en la implementación del experimento discutido teóricamente en nuestro artículo.

«Otro objetivo ambicioso es generalizar la teoría desarrollada mucho más allá de HHG e investigar los efectos cuánticos en diversos materiales impulsados ​​por luz intensa, lo que vincula nuestros nuevos desarrollos en óptica cuántica con las fronteras de la física de la materia condensada».