Ученые наблюдали отрицательное время во взаимодействиях фотона и атома

В 2022 году физики из Университета Торонто (Канада) обнаружили, что когда фотон, проходящий через облако атомов, возбуждает электрон в одном из атомов, он, по-видимому, проводит в этом атомном возбуждении столько же времени, сколько фотон, проходящий напрямую через облако, вообще не возбуждая атом.

Для того чтобы разобраться в этом феномене, ученые под руководством Эфраима Стейнберга объединились с коллегами из США, Австралии и Индии.

Вместе они разработали экспериментальную платформу, которую описали в статье журнала APL Quantum. Она включает отправку одного фотона в атомное облако, за которым непрерывно наблюдает так называемый «слабый зонд», следящий за наличием атомного возбуждения в любой точке облака. Сигнал слабого зонда позволяет определить, как долго фотон находится в возбужденном атомном состоянии, прежде чем покинуть атом.

После анализа данных исследователи сформулировали предсказание, которое удивило даже их самих: среднее время возбуждения может быть отрицательным. Также они обнаружили, что время возбуждения должно совпадать с так называемым групповым временем задержки, https://physicsworld.com/a/negative-time-observed-in-photon-... Physics World.

Тем не менее, эти два времени важно различать. Отрицательное групповое время задержки можно объяснить относительно интуитивно. Поскольку фронт фотонного импульса покидает атомное облако до того, как в него входит пик импульса, а пик никогда не покидает его, и поскольку большая часть фотонов рассеивается, кажется, будто фотоны покидают среду до того, как они туда попадают.

Однако, созданная учеными платформа измеряет время, которое отправленный фотон проводит в атомном облаке.

Она ничего не говорит о том, возбуждает ли такой фотон атом на своем пути через облако. Хотя обычно предполагается, что любой фотон, возбуждающий атом, случайным образом рассеивается и никогда не достигает детектора, исследователи выяснили, что это неверно.

«Теперь мы утверждаем, что это не так, и пряморассеянные фотоны на самом деле вносят большой вклад в усредненное измерение», - сказал Говард Уайзман, ведущий теоретик команды.

Ради проверки этой гипотезы ученые провели новый эксперимент, в котором два встречных лазерных луча направляются в облако атомов изотопов рубидия, охлажденных до 60–70 микрокельвинов. Первый луч содержит фотоны, которые могут вызывать возбуждение атомов, и может быть как передан, так и рассеян. Второй луч используется для слабых измерений и обнаруживает наличие возбуждения по крошечным сдвигам своей фазы.

После усовершенствования системы исследователи измерили среднее время возбуждения атомов для переданных фотонов в диапазоне от (–0,82 ± 0,31) 0 для наиболее узкополосного импульса до (0,54 ± 0,28) 0 для наиболее широкополосного. Значение 0 — это усредненное время возбуждения, которое всегда положительно и варьируется от 10 до 20 нс в зависимости от различных параметров.

Результат показал, что отрицательное время возбуждения действительно имеет физическую реальность в квантовых измерениях.

Хотя ученые и раньше знали, что в математических расчетах могут появляться отрицательные числа, они, как правило, игнорировали их, полагая, что они не имеют физического значения. «Теперь я вынужден вернуться к этому вопросу и сказать: эти отрицательные числа, по-видимому, имеют больше физического смысла, чем мы им приписывали», — сказал Эфраим Стейнберг, руководитель исследовательской группы.

В дальнейшем он планирует более глубоко исследовать, что в действительности означает «отрицательное время».