Eine Theorie der starken Felder, die durch quantenlichtgesteuerte nichtperturbative Physik angetrieben wird.

5. September 2023 Merkmal

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Nicht-störungs-Theorien (d.h. Wechselwirkungen, die so stark sind, dass sie nicht mit der sogenannten Störungstheorie beschrieben werden können) zwischen Licht und Materie wurden in zahlreichen Forschungsstudien untersucht. Die Rolle der quantenmechanischen Eigenschaften von Licht in diesen Wechselwirkungen und den daraus resultierenden Phänomenen blieb jedoch bisher weitgehend unerforscht.

Forscherinnen und Forscher des Technion–Israel Institute of Technology haben kürzlich eine neue Theorie vorgestellt, die die Physik hinter nicht-störungstheoretischen Wechselwirkungen durch quantenmechanisches Licht beschreibt. Ihre in Nature Physics vorgestellte Theorie könnte künftige Experimente zur Untersuchung von Phänomenen der Starkfeldphysik sowie zur Entwicklung neuer Quantentechnologien leiten.

Diese aktuelle Veröffentlichung war das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen drei verschiedenen Forschungsgruppen am Technion, unter der Leitung der Hauptermittler Prof. Ido Kaminer, Prof. Oren Cohen und Prof. Michael Krueger. Die Studie wurde maßgeblich von Alexey Gorlach und Matan Even Tsur, den ersten Koautoren der Veröffentlichung, vorangetrieben, unterstützt von Michael Birk und Nick Rivera.

"Das war für uns eine große wissenschaftliche Reise", sagten Prof. Kaminer und Gorlach zu Phys.org. "Wir haben bereits 2019 über die Hochharmonische Erzeugung (HHG) und ihre quantenmechanischen Eigenschaften nachgedacht. Damals wurde das Licht in allen HHG-Experimenten klassisch erklärt und wir wollten herausfinden, wann Quantenphysik dort eine Rolle spielt.

"Ehrlich gesagt hat es uns gestört, dass mehrere grundlegende Phänomene in der Physik jeweils durch eine völlig unterschiedliche Theorie erklärt wurden, sodass sie nicht miteinander in Beziehung gebracht werden konnten. Die Hochharmonische Erzeugung basierte zum Beispiel auf einer Theorie, die der für die Berechnung der spontanen Emission üblicherweise angewandten Theorie widersprach - jedes wurde auf einer anderen Grundlage erklärt."

HHG ist ein hochgradig nichtlinearer physikalischer Prozess, der eine starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie beinhaltet. Konkret tritt es auf, wenn intensiven Lichtimpulsen auf Materie angewendet werden und diese sogenannte Hochharmonische des treibenden intensiven Lichtpulses emittiert.

Prof. Kaminer und seine Forschungsgruppe haben seit einigen Jahren versucht, ein einheitliches quantenmechanisches Theorie-Framework zu entwickeln, das alle Phänomene der Photonik, einschließlich der HHG, zusammenfasst. Ihre erste Veröffentlichung zu diesem Thema, die 2020 in Nature Communications veröffentlicht wurde, stellte ein vorgeschlagenes Modell dieses vereinheitlichenden Frameworks vor und analysierte die HHG mit Hilfe der Sprache der Quantenoptik.

"Diese Studie trug zur Erschließung des aufstrebenden Gebiets der quantenmechanischen HHG bei", erklärten Prof. Kaminer und Gorlach. "Dennoch wurden alle HHG-Experimente von klassischen Laserfeldern angetrieben. Es schien sogar so, als gäbe es kein quantenmechanisches Licht, das intensiv genug wäre, um eine HHG zu erzeugen. Arbeiten von Prof. Maria Chekhova zeigten jedoch, dass es möglich ist, intensives Quantenlicht in Form eines hellen gepressten Vakuums zu erzeugen. Dies hat unsere neue Untersuchung motiviert."

Im Rahmen ihrer neuen Studie haben Prof. Kaminer, Gorlach und ihre Kollegen ein umfassendes Framework entwickelt, das physikalische Prozesse im Starkfeld beschreibt, die durch quantenmechanisches Licht angetrieben werden. Um ihr Framework theoretisch zu validieren, wandten sie es auf die HHG an und prognostizierten, wie sich dieser Prozess ändern würde, wenn er durch quantenmechanisches Licht angetrieben wird.

"Wir haben gezeigt, dass viele wichtige Merkmale, wie Intensität und Spektrum, im Gegensatz zu den Erwartungen als Ergebnis der Verwendung einer Lichtquelle mit unterschiedlichen quantenmechanischen Photonenstatistiken verändern", sagten Prof. Kaminer und Gorlach. "Der von uns verfasste Artikel prognostiziert auch experimentell realisierbare Szenarien, die nur durch Berücksichtigung der Photonenstatistiken erklärt werden können. Diese bevorstehenden Experimente werden noch größeren Einfluss und Bedeutung auf diesem aufstrebenden Gebiet der starken quantenoptischen Felder haben."

Bisher handelt es sich bei der Arbeit dieses Forscherteams ausschließlich um theoretische Untersuchungen. Ihre Veröffentlichung stellt die allererste Theorie nicht-störungstheoretischer Prozesse dar, die durch quantenmechanisches Licht angetrieben werden, und zeigt theoretisch, dass der Quantenzustand des Lichts messbare Größen wie das emittierte Spektrum beeinflusst.

"Unsere Theorie funktioniert, indem das treibende Licht in eine von zwei Darstellungen, die sogenannte generalisierte Glauberverteilung oder die Husimi-Verteilung, aufgeteilt wird und dann mithilfe der konventionellen Simulationen des HHG-Feldes, der zeitabhängigen Schrödinger-Gleichung (TDSE), die Teile der Verteilung separat simuliert werden, bevor die Simulationen kombiniert werden, um das Gesamtergebnis abzuleiten", sagten Prof. Kaminer und Gorlach.

'This connection of the standard tools of the community into such a quantum-optical calculation scheme is what made our work powerful and useful—applicable to an arbitrary quantum state of light and an arbitrary system of emitters.'

The new theory derived by Prof. Kaminer, Gorlach and their colleagues could soon inform studies in different areas of physics. In fact, their paper envisions taking the idea beyond HHG, to a wide range of non-perturbative processes, which can all be driven by non-classical light sources.

This theoretical prediction could soon be tested and validated in experimental settings. For instance, the team's theory can be directly applied to the generation of attosecond pulses via HHG, a process that can underpin the functioning of quantum sensing and quantum imaging technologies.

In that regard, the team published a recent theory paper in Nature Photonics that proposed controlling the attosecond pulse profiles using the quantum nature of light, for example showing promising conditions using a mixture of classical light and quantum squeezed light.

In addition, their theory could be applied to other phenomena based on strong-field physics, such as the Compton effect, a process used to generate X-ray pulses.

'We recently published a follow-up paper on this application in Science Advances, which ended up appearing earlier due to delays in the peer-review process,' Kaminer and Gorlach added about the Compton effect. 'We are now working toward performing the experiment theoretically discussed in our paper.

'Another ambitious goal will be to generalize the developed theory beyond HHG, and to investigate quantum effects in various materials driven by intense light, which connects our new developments in quantum optics to the frontiers of condensed matter physics.'

Journal information: Science Advances , Nature Communications , Nature Photonics , Nature Physics

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