Многие передовые оптические технологии основаны на нелинейных взаимодействиях, где несколько фотонов взаимодействуют с веществом практически одновременно. Чем выше порядок нелинейности, тем более интенсивный лазерный импульс требуется. Но высокая интенсивность разрушает образцы и оптические компоненты. Обычно проблему решают увеличением пиковой мощности лазера, что ведет к тепловым и структурным повреждениям.

Команда из Восточно-Китайского педагогического университета использовала яркий сжатый вакуум для инициирования туннельной ионизации атомов натрия — квантового эффекта, при котором сильное электромагнитное поле искажает потенциальный барьер атома, позволяя электрону «просочиться» наружу.

Яркий сжатый вакуум отличается от обычного лазерного света тем, что в стандартном лазере фотоны поступают с относительно постоянной скоростью, тогда как в ярком сжатом вакууме они приходят «пачками», создавая мгновенные всплески интенсивности. При этом средняя энергия импульса остается низкой. Это похоже на разницу между моросящим дождем и шквальными порывами ветра: общее количество воды одинаково, но максимальное давление на поверхность — разное.

В эксперименте импульс яркого сжатого вакуума со средней энергией всего 300 наноджоулей дал тот же уровень туннельной ионизации, что и обычный лазерный импульс с эффективной интенсивностью в 20 раз выше. Другими словами, нелинейный эффект оказался в 20 с лишним раз сильнее при той же средней мощности.

Исследователи показали, что силой нелинейного взаимодействия можно управлять, меняя квантово-статистические свойства света (степень сжатия и корреляции), а не увеличивая энергию импульса. Это открывает путь к «квантовому инжинирингу» света: можно будет подбирать статистику фотонов так, чтобы максимизировать нужный нелинейный эффект при минимизации тепловой нагрузки на мишень. Традиционно считалось, что для более сильного нелинейного отклика нужен более мощный лазер, пишет IE.

Исследование отражает новую тенденцию в квантовой оптике: рассматривать квантовые флуктуации не как шум, который нужно подавить, а как функциональный ресурс. Хотя эта методика пока остается в значительной степени экспериментальной, она указывает на будущее сверхбыстрой оптической технологии, когда тщательно структурированные квантовые состояния света станут столь же важными, как и интенсивность лазерного излучения.

Исследователи из США обнаружили парадоксальное явление в оптической физике: в определенных условиях хаотичный лазерный пучок может самоорганизоваться в высокоскоростной, стабильный «луч-карандаш». С его помощью можно получать медицинские снимки намного быстрее и без потери качества.