Группа ученых под руководством Ивана Иорша, научного сотрудника Университета ИТМО, предложила использовать гиперболические метаматериалы для управления сложными нелинейными процессами спонтанного излучения фотонов. Разработанный подход поможет в дальнейшем создать мощный источник связанных фотонов для применения в квантовой криптографии и телепортации. О результатах исследования ученые сообщают в журнале Physical Review Letters.

Гиперболические метаматериалы представляют собой искусственные структуры, которые сочетают в себе ряд необычных электромагнитных свойств, как правило, не встречающихся в природе. В последнее время гиперболические метаматериалы пользуются повышенной популярностью у ученых благодаря своей способности сильнейшим образом воздействовать на скорость протекания процессов спонтанного излучения фотонов. Так, если расположить вещество на подложке из гиперболического метаматериала, скорость самопроизвольного испускания фотонов в этом веществе заметно повысится.

До сих пор большинство исследований этого эффекта было сосредоточено на линейных процессах спонтанного излучения, заключающихся, к примеру, либо в простом поглощении фотона атомом, либо в простом испускании фотона атомом. В работе ученые впервые показали, что более сложные нелинейные процессы, такие как рассеяние фотонов на электронах или двухфотонное излучение, видоизменяются еще сильнее вблизи гиперболических метаматериалов.

Свое предположение ученые проиллюстрировали на примере Комптоновского рассеяния, в котором фотон при столкновении с электроном передает ему часть энергии, что приводит к сдвигу в длине волны рассеянного фотона. Из полученных результатов следует, что если этот процесс перенести в среду из гиперболического метаматериала, то сдвиг частоты, а также скорость процесса можно увеличить в тысячи раз.

«Наблюдаемый эффект обусловлен тем, что гиперболические метаматериалы отличаются высокой плотностью фотонных состояний. Именно эта величина определяет, как и с какой скоростью могут потенциально распространяться фотоны при спонтанном излучении. Нам удалось выяснить, что на нелинейные процессы повышенная плотность фотонных состояний влияет значительно больше, чем на линейные, что заметно повышает прикладную ценность эффекта," — прокомментировал Иван Иорш.

В рамках разработанного формализма группа уже занимается исследованием воздействия гиперболических метаматериалов на другой нелинейный процесс — двухфотонное рассеяние (спонтанное параметрическое рассеяние), важное явление в квантовой оптике, при котором рассеянные фотоны образуют запутанные пары. Этот процесс имеет потенциал для создания систем квантовой криптографии и телепортации, однако, его применение затрудняется практическим отсутствием источников такого излучения, поскольку двухфотонное испускание в нормальных условиях — очень маловероятный процесс. С использованием гиперболических метаматериалов эффективность создания запутанных фотонов возрастет многократно, что откроет новые возможности в практическом применении явления квантовой запутанности.

В работе приняли участие исследователи из лаборатории «Метаматериалы» Университета ИТМО, Института им. А.Ф Иоффе, Центра нелинейных физических систем Австралийского национального университета, а также Тель-Авивского университета.

Пресс-служба Университета ИТМО выражает благодарность Ивану Иоршу за помощь в подготовке пресс-релиза.

Пресс-служба Университета ИТМО