Jasna ściśnięta próżnia pełna attosekundowych fluktuacji

Międzynarodowy zespół badawczy, kierowany przez naukowców z Instytutu Technologii Technion w Izraelu, dokonał historycznego kroku w dziedzinie obserwacji kwantowej. Po raz pierwszy udało się w pełni scharakteryzować w trybie pojedynczego strzału (single-shot) strukturę czasową i widmową femtosekundowych impulsów jasnej ściśniętej próżni. Wyniki te otwierają nowe drzwi do badania dynamiki elektronów w skali attosekundowej przy użyciu światła kwantowego.

Jasna ściśnięta próżnia (Bright Squeezed Vacuum) to intensywny stan kwantowy z ogromną liczbą fluktuacji fotonów, które zachodzą w niezwykle krótkim czasie dla nas wręcz niewyobrażalnym. Można by rzec, że próżnia w niezauważalny dla nas sposób kipi. Procesami zachodzącym w reżimie czasowym siegającym attosekund (attosekunda to jedna trylionowa część sekundy) zajmujw sie tzw. ultra szybka nauka (ultrafast science).

Czym jest jasna próżnia ściśnięta BSV?

Jasna próżnia ściśnięta to specyficzny stan kwantowy światła, który charakteryzuje się zerową średnią wartością pola elektrycznego, ale jednocześnie gigantycznymi fluktuacjami liczby fotonów. Pojedynczy impuls BSV może zawierać nawet do 10¹³ fotonów, co sprawia, że jest on wystarczająco intensywny, by wywoływać ekstremalne procesy nieliniowe, zachowując przy tym statystykę nieklasyczną.

Do tej pory charakterystyka takich impulsów opierała się głównie na uśrednianiu wyników z wielu pomiarów (np. poprzez detekcję homodynową), co uniemożliwiało poznanie unikalnej struktury fazowej i czasowej pojedynczych realizacji pola kwantowego.

Interferometria spektralna w skali femtosekundowej

Głównym wyzwaniem badawczym była natura BSV – każda realizacja pola ma zdefiniowany kształt fali, ale fluktuacje sprawiają, że uśrednione pole wynosi zero. Aby obejść to ograniczenie, naukowcy z Technion zastosowali technikę interferometrii spektralnej w trybie pojedynczego strzału.

Wykorzystano źródło femtosekundowych impulsów BSV o długości fali 1040 nm pracujące w pojedynczym modzie przestrzennym. Do interferencji użyto w pełni scharakteryzowanego, koherentnego impulsu lasera klasycznego, który był zsynchronizowany z impulsem kwantowym.

Analizując spektralne prążki interferencyjne, badacze byli w stanie odtworzyć fazę spektralną każdego pojedynczego strzału BSV.

Kluczowe wyniki badania

Dzięki nowatorskiemu podejściu naukowcy dostarczyli precyzyjnych danych na temat natury czasowej światła kwantowego:

• Czas trwania impulsu

Średni czas trwania impulsu BSV wyniósł 27,2 fs (femtosekundy), co jest wartością znacznie krótszą niż czas trwania impulsu pompy użytego do jego generacji.

• Stabilność i zmienność

Wykazano, że opóźnienie grupowe jest spójne między różnymi strzałami, a odchylenie standardowe czasu trwania impulsu wynosi zaledwie 5,5 fs.
Ambiguitat fazowa $\pi$: W interferogramach zaobserwowano charakterystyczną strukturę węzłową, która jest bezpośrednim dowodem na losową niejednoznaczność fazy BSV wynoszącą dokładnie $\pi$ radianów.

Dlaczego to odkrycie jest ważne?

Możliwość odtworzenia charakterystyki impulsu kwantowego w pojedynczym pomiarze ma fundamentalne znaczenie dla fizyki ultraszybkiej. Autorzy publikacji wskazują, że BSV staje się teraz realnym narzędziem do metrologii attosekundowej.

Dzięki ogromnej liczbie fotonów w połączeniu z kwantowymi właściwościami statystycznymi, impulsy te mogą służyć do badania dynamiki elektronów wewnątrz materii w reżimach, które dotychczas były zarezerwowane wyłącznie dla klasycznych laserów o wysokiej mocy. Co więcej, przeniesienie właściwości kwantowych BSV na promieniowanie XUV (skrajny ultrafiolet) w procesie generacji wysokich harmonicznych może doprowadzić do powstania pierwszej w pełni kwantowej spektroskopii attosekundowej.

Praca opublikowana w Optica stanowi kamień milowy w kontroli nad światłem kwantowym. Pokazuje, że nawet najbardziej egzotyczne i fluktuujące stany materii mogą zostać uchwycone i precyzyjnie zmierzone w czasie rzeczywistym, co przybliża nas do ery technologii kwantowych operujących w skalach czasowych krótszych niż jeden cykl optyczny.

Na podstawie: Kern, Y., et al. „Single-shot pulse retrieval of femtosecond bright squeezed vacuum”, Optica 13, 395 (2026).