Una teoría de física no perturbativa de campos fuertes impulsada por luz cuántica.

5 de septiembre de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Las interacciones no perturbativas (es decir, interacciones demasiado fuertes para ser descritas por la llamada teoría de la perturbación) entre la luz y la materia han sido tema de numerosos 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 han permanecido ampliamente inexplorados.

Investigadores del Technion–Instituto de Tecnología de Israel introdujeron recientemente una nueva teoría que describe la física subyacente a las interacciones no perturbativas impulsadas por la luz cuántica. Su teoría, presentada en Nature Physics, podría guiar futuros experimentos que investiguen fenómenos de física de campo fuerte, así como el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas.

Este reciente artículo fue el resultado de una estrecha colaboración entre tres grupos de investigación diferentes en Technion, dirigidos por los investigadores principales Prof. Ido Kaminer, Prof. Oren Cohen y Prof. Michael Krueger. Los estudiantes Alexey Gorlach y Matan Even Tsur, coautores principales del artículo, lideraron el estudio, con el apoyo e ideas de Michael Birk y Nick Rivera.

'Este fue un viaje científico importante para nosotros', dijeron el Prof. Kaminer y Gorlach a Phys.org. 'Comenzamos a pensar en la generación de armónicos altos (HHG, por sus siglas en inglés) y sus características cuánticas ya en 2019. En ese momento, la luz en todos los experimentos de HHG se explicaba de manera clásica y queríamos descubrir cuándo la física cuántica comienza a desempeñar un papel allí.

'Sinceramente, nos molestaba que varios fenómenos fundamentales en física fueran explicados cada uno por una teoría completamente diferente, por lo tanto, no era posible relacionarlos. Por ejemplo, HHG se basaba en una teoría que contradecía la teoría generalmente aplicada para calcular la emisión espontánea, ambos explicados sobre una base diferente'.

HHG es un proceso físico altamente no lineal que implica una fuerte interacción entre la luz y la materia. Específicamente, ocurre cuando pulsos intensos de luz aplicados a la materia hacen que esta emita los llamados altos armónicos del pulso de luz intensa impulsora.

Durante unos años, el Prof. Kaminer y su grupo de investigación han estado tratando de idear un marco único de teoría cuántica que tenga en cuenta colectivamente todos los fenómenos de la fotónica, incluido HHG. Su primer artículo sobre este tema, publicado en Nature Communications en 2020, presentó una versión propuesta de este marco unificador, analizando HHG en el lenguaje de la óptica cuántica.

'Este estudio contribuyó a abrir el campo ahora en auge de HHG cuántica', explicaron el Prof. Kaminer y Gorlach. 'Sin embargo, todos los experimentos de HHG eran impulsados por campos láser clásicos. Incluso parecía que no podía haber ninguna luz cuántica lo suficientemente intensa como para crear HHG. Sin embargo, los trabajos de la Prof. Maria Chekhova mostraron que es posible crear luz cuántica lo suficientemente intensa en forma de vacío comprimido brillante. Esto motivó nuestra nueva investigación'.

Como parte de su nuevo estudio, el Prof. Kaminer, Gorlach y sus colegas idearon un marco completo que describe los procesos de la física de campo fuerte impulsados por la luz cuántica. Para validar teóricamente su marco, lo aplicaron a HHG, prediciendo cómo cambiaría este proceso si estuviera impulsado por luz cuántica.

'Mostramos que, contrariamente a las expectativas, muchas características importantes como la intensidad y el espectro, cambian como resultado de usar una fuente de luz impulsora con diferentes estadísticas cuánticas de fotones', dijeron el Prof. Kaminer y Gorlach. 'El artículo que escribimos también predice escenarios experimentalmente factibles que no se pueden explicar de ninguna otra manera que no sea teniendo en cuenta las estadísticas de fotones. Estos próximos experimentos serán de aún mayor impacto e importancia para este campo emergente de la óptica cuántica de campo fuerte'.

Hasta ahora, el trabajo realizado por este equipo de investigadores es puramente teórico. Su artículo presenta la primera teoría de procesos no perturbativos impulsados por luz cuántica, al tiempo que demuestra teóricamente que el estado cuántico de la luz afecta a cantidades medibles, como el espectro emitido.

'Nuestra teoría funciona dividiendo la luz impulsora en una de dos representaciones llamadas distribución generalizada de Glauber o distribución de Husimi, y luego utilizando las simulaciones convencionales del campo HHG, la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo (TDSE, por sus siglas en inglés) para simular por separado las partes de la distribución, antes de combinar las simulaciones para obtener el resultado general', dijeron el Prof. Kaminer y 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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