Феномены, известные как эффект Парселла и лэмбовский сдвиг, были открыты еще в середине прошлого века. Оба они связаны с проявлением так называемых нулевых колебаний — случайных флуктуаций электромагнитного поля, которые всегда присутствуют в вакууме. В результате взаимодействия этих колебаний с квантовой системой (например, атом, молекула или квантовая точка), возбужденная система может самопроизвольно испустить электромагнитное излучение и перейти в стабильное состояние. Этот процесс называется спонтанным излучением, и в 1946 году американский ученый Эдвард Парселл показал, что скорость спонтанного излучения зависит от окружения возбужденной системы. Годом позже его коллеги Уиллис Лэмб и Роберт Резерфорд экспериментально показали, что нулевые колебания к тому же воздействуют на тонкую структуру уровней энергии в водородоподобных атомах. Они влияют на колебания электрона, в результате чего его уровень энергии смещается. За свою работу в 1955 году Лэмб был удостоен Нобелевской премии по физике.
Оба этих феномена широко известны в контексте квантовой электродинамики — обычно к ним обращаются для того, чтобы описать переходы электронов. В своей работе коллектив исследователей из Университета ИТМО, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Австралийского национального университета и компании VPI Development Center показали, что эти эффекты применимы и для фотонов — квантов света. В отличие от электронов они, с одной стороны, не обладают ни зарядом, ни массой покоя, а с другой — не требуют для проявления эффектов низких температур и нанометровой точности.
Ученые рассмотрели поведение света в системе из оптического волновода, вблизи которого находится микрорезонатор. В силу особенностей своей волновой природы, фотоны могут проникать из волновода в микрорезонатор и обратно. В сам волновод также внедрены два отражателя, которые формируют еще один резонатор низкой добротности. Вычисления показали, что в зависимости от расстояния между этими отражателями меняется время жизни фотонов в микрорезонаторе, то есть наблюдается эффект Парселла, но уже для безмассовых частиц. Кроме того, проявляется и лэмбовский сдвиг — с тем отличием, что смещается не уровень энергии электрона, а резонансная частота микрорезонатора.
«Мы смоделировали эффект при помощи фотонного кристалла — это искусственная структура из рукотворных атомов, расстояние между которыми соответствует длине волны излучения. В нем сделали волновод, убрав атомы вдоль одной из линий. Роль атомов в этом кристалле выполняют цилиндры из диэлектрика. В такой структуре возникают запрещенные длины волн, на которых свет не может распространяться никуда, кроме как вдоль дефектов кристалла, то есть вдоль волновода. Уменьшив один из цилиндров рядом с волноводом, мы создали еще один дефект — микрорезонатор, в котором фотон может находиться длительное время. Дополнительно в волноводе мы добавили пару цилиндров-отражателей так, чтобы микрорезонатор оставался между отражателями, формирующими окружение микрорезонатора, — объясняет первый автор статьи, старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО и лаборатории спектроскопии твердого тела ФТИ им. А.Ф. Иоффе Михаил Рыбин. — Мы рассмотрели динамику при изменении расстояния между отражателями и получили увеличение времени жизни фотонных состояний в 25 раз».
По словам ученого, полученные результаты могут быть востребованы для создания различных оптоэлектронных устройств, к примеру, элементов оптической памяти. Работа показывает, что добиться качественного изменения характеристик микрорезонаторов возможно при помощи достаточно простых манипуляций.
«Наверное, вы замечали, что еще десять лет назад компьютеры очень быстро морально устаревали, однако техника, купленная в последние пять лет, и поныне соответствует современным требованиям. Все чаще слышны разговоры о том, что скорость увеличения вычислительной мощности компьютеров подходит к своему пределу. Одна из причин этому заключается в том, что электроны обладают зарядом и массой, из-за чего увеличение рабочей частоты электронных устройств и уменьшение размеров элементов имеет определенные физические ограничения, — комментирует Михаил Рыбин. — Есть альтернативный путь развития — построение новых фотонных устройств, в которых быстрые фотоны должны заменить медленные (из-за наличия массы) электроны. В этом направлении предстоит еще много работы, и наше исследование — очередной шаг в сторону создания фотонных устройств, фотонных интегральных схем, оптического компьютера. Мы показали, что даже без оптимизации параметров системы время жизни света в микрорезонаторе можно изменять в 25 раз, а с учетом оптимизации результаты могут быть совсем другого порядка».
Статья: Mikhail V. Rybin, Sergei F. Mingaleev, Mikhail F. Limonov, Yuri S. Kivshar «Purcell effect and Lamb shift as interference phenomena», Scientific Reports 6, Article number: 20 599. DOI:10.1038/srep20599
