МАТЕРИАЛЫ XIII МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ "Мёссбауэровская спектроскопия и ее применения" (Суздаль, октябрь 2014 г.)
Председатель Оргкомитета XIII Международной конференции "Мёссбауэровская спектроскопия и ее применения" академик А.С. Сигов Сопредседатель Оргкомитета — член-корреспондент Г.С. Бурханов
Материалы XIII Международной конференции "Мёссбауэровская спектроскопия и ее применения" под общей редакцией д-ра физ.-мат. наук С.К. Годовикова
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 8, с. 1070-1073
УДК 535.3
КОГЕРЕНТНЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ МЁССБАУЭРОВСКИМИ ФОТОНАМИ © 2015 г. Ф. Г. Вагизов1, Р. Н. Шахмуратов1 2, Р. Н. Нурмехамитов1, О. А. Кочаровская3
E-mail: shakhmuratov@mail.ru
Сравниваются два метода формирования коротких импульсов из однофотонного волнового пакета. Первый метод, известный как гамма-эхо, основан на быстром смещении резонансного поглотителя на полдлины волны излучения в момент его прохождения через поглотитель. Второй основан на пропускании излучения через колеблющийся поглотитель. Обсуждаются преимущества и недостатки обоих методов.
DOI: 10.7868/S0367676515080323
В последние 10 лет были предложены и разработаны методы записи квантовой информации во временной форме однофотонных волновых пакетов, которые позволили создавать так называемые time-bin qubits [1—4]. В этих методах однофотон-ный волновой пакет тем или иным способом структурируется во времени с помощью разбиения на страты (time bins), которые содержат излучение или нет. В первых экспериментах расщепление фотона на страты (time bins) осуществлялось с помощью несбалансированного интерферометра, оптические пути которого имеют разную длину [1—3]. На его выходе однофотонный импульс превращался в два импульса с задержкой, которая определяется разницей длин путей в интерферометре. Между тем, если однофотонное излучение имеет узкий спектр, то для разбиения его на импульсы, разнесенные во времени, требуется использование интерферометров с довольно большими путями. Это существенно увеличивает размеры приборов для управления одиночными фотонами. Целью работы является развитие новых методов управления фотонами с помощью элементов, имеющих достаточно малые размеры.
Недавно нами были предложены методы управления формой однофотонного волнового пакета, которые основаны на использовании оптически плотных резонансных поглотителей. Среди них можно отметить метод замедления групповой скорости распространения однофотонного волнового пакета в образцах, имеющих дублет в спектре поглощения [5]. После прохождения через такие по-
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение профессионального образования Казанский (Приволжский) федеральный университет.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завой-ского Казанского научного центра Российской академии наук.
3 Техасский A&M университет.
глотители однофотонное излучение расщепляется на быструю и медленную компоненты. Нам удалось уменьшить групповую скорость распространения медленной компоненты почти в полмиллиона раз. При этом физические толщины наших образцов не превышали 30 микрон. Мы развили метод формирования однофотонных импульсов, предложенный финской группой исследователей в 90-х годах [6, 7], на случай нерезонансного возбуждения оптически плотной среды [8]. В этом методе поглотитель быстро смещается в направлении распространения излучения на полдлины волны. Благодаря конструктивной интерференции падающего и когерентно рассеянного излучения рождается импульс. Мы исследовали возможности управления однофотонным излучением в слоистых средах, в которых только отдельные слои быстро смещаются на полдлины волны [9].
Между тем физически невозможно мгновенно смещать даже очень тонкий поглотитель, например фольгу нержавеющей стали толщиной всего 30 микрон на расстояние порядка пол-ангстрема. Это обусловлено не только инерционными свойствами системы поглотитель—пьезопреобразо-ватель, механически жестко связанными друг с другом. Важную роль также играет электроника, создающая ступеньку напряжения на пьезопре-образователе. Ее крутизна определяет время, за которое поглотитель смещается на полдлины волны гамма-излучения. Поскольку крутизна ступеньки напряжения зависит от емкости, индуктивности и активного сопротивления цепи, можно ее оценить достаточно просто. В наших экспериментах общая длительность ступеньки от ее начала до 90% максимального значения напряжения составляла примерно 20 нс, хотя параметры цепи давали нам скорость роста напряжения, обратно пропорциональную 8 нс. Это обусловлено экспоненциальным характером роста напряжения в цепи.
КОГЕРЕНТНЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ МЁССБАУЭРОВСКИМИ ФОТОНАМИ
1071
Недавно мы предложили и исследовали новый метод разбиения однофотонного волнового пакета на импульсы. В этом методе нет необходимости создавать крутые ступеньки напряжения на обкладках пьезопреобразователя. Достаточно использовать осциллирующее напряжение, которое вынуждает колебаться поглотитель как единое целое вдоль направления распространения излучения [10]. Импульсы появляются с периодом механических колебаний поглотителя, поэтому можно легко управлять скважностью импульсов, изменяя частоту колебаний. Импульсы разделены "темными окнами", в которых интенсивность излучения минимальна. Длительность импульсов от одного минимума до другого примерно равна половине периода колебаний. Разбиение пакета вызвано тем, что в системе координат колеблющегося поглотителя спектр излучения превращается в частотную гребенку с периодом равным частоте колебаний.
Если выбрать значение индекса модуляции р = = 2я8г/Х равным 1.8 (здесь 8г — амплитуда смещений и X — длина волны излучения) и настроить первую гармонику частотной гребенки в резонанс с поглотителем, то на его выходе возникает периодическая последовательность импульсов. Их появление обязано интерференции падающего излучения (частотной гребенки) и когерентно рассеянной резонансной компоненты излучения. Интенсивность импульсов в среднем в 2 раза превышает интенсивность падающего излучения. Между тем метод измерения приводит к ушире-нию импульсов во времени и уменьшению их пиковой интенсивности. Эта особенность обусловлена тем, что фотоны, которые мы наблюдаем, рождаются в случайные моменты времени. Нам приходится отбирать только те фотоны, которые родились тогда, когда колебания поглотителя имели определенную фазу. Чтобы провести эксперименты за разумный промежуток времени, нам пришлось увеличить окно значений фазы колебаний, в котором мы собираем данные. Это приводит к искусственным флуктуациям фазы колебаний, которые вызывают уширение импульсов. Таким образом, как в гамма-эхо, так и в модуляционных экспериментах существуют экспериментальные ограничения.
На рис. 1 приведено сравнение импульсов, полученных в экспериментах с быстрым смещением поглотителя (а) [11] и с колеблющимся поглотителем (б) [10]. Оба эксперимента проводились с фольгой нержавеющей стали толщиной 25 мкм. В качестве источника использован 57Со : Rh. Ядра радиоактивного кобальта, распадаясь, испускают последовательно два кванта с энергиями 122 и 14.4 кэВ соответственно. Регистрация первого гамма-кванта дает нам информацию о времени формирования возбужденного состояния 57Ге 14.4 кэВ в источнике. Затем регистрируется гам-
Время, нс
Рис. 1. а — экспериментальная зависимость условной вероятности регистрации фотона 14.4 кэВ после регистрации фотона 122 кэВ от времени задержки между фотоотсчетами в случае ступенчатого смещения поглотителя (показана точками); экспериментальные точки соединены сплошной линией; вертикальная шкала — число событий N в произвольных единицах; время подачи ступеньки напряжения составляет примерно 150 нс; б — экспериментальная зависимость условной вероятности регистрации фотона 14.4 кэВ от времени, прошедшего после регистрации фотона 122 кэВ, при колебаниях поглотителя с частотой 10.2 МГц (показана точками); первая гармоника частотной гребенки настроена в резонанс с поглотителем; сплошная толстая линия — теоретическое предсказание; штриховой линией показана огибающая однофотонного волнового пакета, падающего на поглотитель.
ма-квант с энергией 14.4 кэВ. Мы пропускали его через резонансный поглотитель, который содержит ядра 57Ге. В качестве поглотителя использована фольга нержавеющей стали, которая имела естественное содержание 57Ге (~2%). Ее оптическая толщина Т (произведение коэффициента резонансного поглощения и физической толщины) была равна 5.2.
На рис. 1а показаны результаты эксперимента со ступенькой напряжения. Она подавалась в оптимальный момент времени для нашего образца. Амплитуда и длительность импульса гамма-эха существенно зависят от крутизны ступеньки на-
1072
ВАГИЗОВ и др.
N(t)/No 1.2
0 1.2
50 100 150 200 250 300 350 400
5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
нс
Рис. 2. Зависимость вероятности детектирования фотона от времени на выходе из резонансного поглотителя. Толстые сплошные лини показывают случай, когда поглотитель колеблется с частотой 3.33 МГц (а) и 10 МГц (б). Индекс модуляции равен 1.8 в обоих случаях. Штриховой линией показан случай, когда поглотитель смещается на полдлины волны один или несколько раз (подробности см. в тексте). Тонкой сплошной линией показана огибающая однофотон-ного волнового пакета, падающего на поглотитель.
пряжения. Примерная оценка длительности ступеньки равнялась 20 нс (см. [11]).
На рис. 1б показаны результаты экспериментов, когда фольга подвергалась механическим колебаниям вдоль направления распространения гамма-излучения с частотой О = 10.2 МГц. Амплитуда колебаний подбиралась такой, чтобы индекс модуляции р был равен 1.8, что соответствует максимальной интенсивности первой гармоники частотной гребенки, с которой поглотитель взаимодействует резонансным образом.
В данной работе мы хотим сравнить импульсы, которые можно создавать на выходе из одного и того же поглотителя с помощью ступеньки на-
пряжения и с помощью осциллирующего напряжения при оптимальных условиях. Для этого мы воспользуемся аналитическими выражениями
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.