Гамма оптика

16 марта 2014г. в журнале Nature вышла статья "Coherent control of the waveforms of recoilless gamma-photons" (http://dx.doi.org/10.1038/nature13018), среди авторов которой - наши сотрудники Ф.Г. Вагизов и Р.Н. Шахмуратов. Интервью с одним из авторов этой работы помещено на сайте КФУ (http://kpfu.ru/main_page?p_cid=75294&p_sub=7) вместе с популярным изложением предмета статьи и комментариями известных ученых из США и Германии (http://kpfu.ru/main_page?p_cid=75650&p_sub=7)

В работе впервые экспериментально продемонстрирована возможность превращения однофотонного волнового пакета гамма-излучения в последовательность коротких когерентных импульсов (Рис. 1).

Рис. 1

В эксперименте одиночные гамма-фотоны с энергией 14,4 кэВ испускаются в результате распада ядер кобальта 57, внедренных в металлическую матрицу для того, чтобы не было отдачи и спектр излучения оставался узким. Испускаемы однофотонные волновые пакеты имеют форму ступенчатого экспоненциально затухающего импульса (показан красной штрихованной линией на рисунке). Время затухания определяется временем жизни возбужденного 14,4 кэВ состояния ядра, которое равно 141 нс. В работе предложено пропускать это излучение через вибрирующий поглотитель, содержащий ядра железа 57 с одиночной линией резонансного поглощения. В эксперименте механические колебания создавались с помощью пьезопреобразователя, колеблющегося с частотой 10 МГц. В системе координат движущегося поглотителя он видит излучение не с одиночной линией, а спектральную гребенку с периодом равным частоте колебаний. Амплитуды гармоник описываются квадратом функции Бесселя, порядок которой равен номеру гармоники, а аргумент равен индексу модуляции (отношению амплитуды колебания к длине волны излучения). При настройке в резонанс с первой гармоникой и при таком индексе модуляции, при котором эта гармоника имеет глобальный максимум, излучение на выходе из поглотителя превращается в последовательность коротких импульсов (показаны экспериментальными синими точками и сплошной красной линией, полученной из теоретической модели). Суть явления заключается в интерференции падающего и когерентно рассеянного излучения. В один полупериод колебаний интерференция конструктивна и мы имеем почти 2,5 кратное увеличение интенсивности излучения на выходе из поглотителя. В следующий полупериод интерференция деструктивна и интенсивность излучения падает почти до нуля. Возникающие импульсы когерентны, так как они обязаны своим появлением гребенчатой структуре излучения, взаимодействующего с движущимся поглотителем. Предложенный метод формирования импульсов имеет большие перспективы для различных применений в квантовой информатике (для создания временных кубитов, кутритов, и т.д., для создания перепутанных состояний нескольких частиц), а также для целей спектроскопии с коротким временным разрешением.

В работе также продемонстрированы возможности создания волновых пакетов с большим разнообразием форм (Рис. 2).

Рис. 2

Одна из возможностей получения серии коротких импульсов, в которой сняты ограничения, накладываемые временным разрешением имеющейся экспериментальной аппаратуры (электроники и детекторов), показана на Рис. 3. Длительность импульсов существенно меньше полупериода колебаний поглотителя благодаря явлению интерференции. Временное разрешение можно существенно улучшить, используя более современную аппаратуру.

Рис. 3 

Рис. 4 Блок-схема экспериментальной установки

Р.Н. Шахмуратов