Свет практически одновременно"остановили" сразу две группы, использовавшие схожие методики. Группа Лизы Хау [1] в качестве "рабочей среды" использовала ультрахолодные пары натрия (при температуре около микрокельвина - условия, прямо скажем, достаточно экзотические). Зато в группе Филлипса и Лукина [2] использовались пары рубидия, причем температуры были самые "рабоче-крестьянские" - 70 - 90 С. Мы будем поэтому говорить об экспериментах второй группы.

Импульс света (длина волны - 795 нм) длительностью от 10 до 30 мкс пропускался через пары рубидия (с концентрацией атомов 10¹¹ - 10¹² см^-3), содержащиеся в кювете (длина кюветы - 4 см) при температуре 70 - 90 C (схема эксперимента изображена на рис.1c). В обычных условиях при подобных концентрациях атомов оптическая среда полностью непрозрачна для света с такой длиной волны из-за резонансного поглощения (это очень важный момент - эффект резонансный). Однако существует возможность сделать среду прозрачной, воздействуя на нее электромагнитным излучением (эффект фотоиндуцированной прозрачности). Более мощное "управляющее поле" (свет с правой циркулярной поляризацией) делает возможным распространение в среде на порядок более слабого "сигнального поля" (упоминавшийся выше импульс, свет с левой циркулярной поляризацией), скорость распространения "сигнального импульса" при этом существенно уменьшается. Управляющее и сигнальное поля связывают (рис.1a) через возбужденное состояние пару зеемановских подуровней (зеемановское расщепление вызвано самим электромагнитным полем), отличающихся магнитными квантовыми числами (0 и 2). Таким образом, электромагнитное поле "завязано" со спиновой подсистемой атомов рубидия.

Рис.1. (a) L-конфигурация: пара зеемановских подуровней, отличающиеся магнитными квантовыми числами (0 и 2), "завязана" через возбужденное состояние управляющим c и сигнальным s полями. (b) Эффект очень тонкий: расстояние между зеемановскими подуровнями - десятки килогерц, что демонстрируется уменьшением пропускания - "потерей прозрачноcти"- при приложении малого магнитного поля вследствие выхода из резонансных условий. (с) Схема эксперимента; можно видеть, что кювета (cell) с парами рубидия заэкранирована, чтобы избежать воздействия на систему посторонних магнитных полей.

Необходимо сделать отступление. Групповая скорость распространения электромагнитных волн может быть отлична от c - этот факт вряд ли может кого-то удивить: в среде с показателем преломления n групповая скорость равна c/n. На самом деле n не является константой, показатель преломления зависит от энергии (частоты w ) фотона, поэтому правильнее писать n(w ). Очевидно, возможна ситуация, когда энергия кванта близка или совпадает с какой-либо особенностью энергетического спектра среды (будь-то расстояние между уровнями энергии атома, как в описываемых экспериментах, или возбуждения среды в твердом теле - экситоны, фононы, магноны). В этом случае уже нельзя представлять дело так, будто имеют место отдельно фотоны и отдельно возбуждения среды. В физике твердого тела уже давно известно, что в такой ситуации реализуется смешанное состояние, называемое поляритонным, - отчасти электромагнитное поле (фотоны), отчасти возбуждения среды. Показатель преломления в районе подобной особенности может претерпевать существенные изменения. Схожий резонансный эффект, как уже подчеркивалось, и имел место в эксперименте американских ученых. Примерно за год до успешно осуществленного эксперимента Флейшхауер и Лукин провели теоретические расчеты и показали [3], что при распространении света соответствующей частоты в атомных парах в режиме фотоиндуцированной прозрачности возникает связанное состояние электромагнитного поля и коллективных спиновых возбуждений атомов - "темный поляритон" (число фотонов в сигнальном импульсе должно быть при этом существенно меньше числа атомов в ячейке). Причем групповая скорость распространения сигнального импульса зависит от величины управляющего поля. Поэтому, меняя величину управляющего поля, можно изменять свойства (скорость и относительную долю электромагнитного поля и спиновых возбуждений) "темного поляритона". В частности, адиабатически медленно выключив управляющее поле, можно остановить поляритон.

Рис.2. "Хранение света". Свет с левой циркулярной поляризацией, регистрируемый на выходе из кюветы (жирная линия). Пунктирная линия обозначает управляющее поле. Когда часть импульса (I) уже покинула кювету, управляющее поле выключают и из кюветы ничего не выходит до тех пор, пока управляющее поле не включат вновь. Тогда выходит "замороженная" часть импульса (II). Время везде указано в микросекундах.

Собственно, дальнейшее было делом техники. Групповая скорость света в среде уменьшалась более чем на пять порядков - до 1 км/c (cам по себе такой результат не является рекордным, два года назад Лизе Хау и др. [4] удалось уменьшить групповую скорость света до 17 м/c, т.е. более чем в десять миллионов раз (!)). Пока сигнальный импульс распространялся в кювете, исследователи адиабатически медленно (3 мкс) выключали управляющее поле, "замораживая" часть импульса в кювете (часть успевала выйти из кюветы до выключения управляющего поля). Поляритонное состояние не разрушалось, а полностью переходило в спиновые возбуждения атомов. Т.е. в это время в кювете не оставалось никаких фотонов - ВСЯ энергия электромагнитного поля преобразовывалась в коллективные возбуждения среды. Ключевой момент состоит в том, что это преобразование происходило КОГЕРЕНТНО и было ОБРАТИМЫМ. Именно когерентность и обратимость преобразования и дали повод говорить об "остановке света": фотоны, "возвращенные к жизни" адиабатически медленным включением управляющего поля, были идентичны фотонам, вошедшим в кювету - они "помнили" свое состояние до "остановки" (выходил свет с левой циркулярной поляризацией). Время "хранения света" в парах рубидия (рис.2) лимитируется характерным временем релаксации атомного магнитного момента вследствие столкновения со стенками кюветы. Максимальное достинутое время "удержания света" - 0.5 мс (большая величина по меркам оптики).

Настала пора, наконец, ответить на сакраментальный вопрос - для чего это все нужно? В настоящее время бурно развивается новое направление исследований, связанное с квантовыми вычислениями и, соответственно, "квантовыми вычислителями" - квантовыми компьютерами. Слово "квантовый" означает здесь, что принципиальным является квантовомеханический характер поведения системы. Квантовые компьютеры должны дать гигантский выигрыш в скорости вычислений по сравнению с обычными, классическими компьютерами. Для создания квантовых компьютеров необходимо, чтобы при переносе, записи, хранении и считывании информации не разрушалось квантовое состояние системы (идет "борьба за когерентность"). Фотоны являются наиболее быстрыми и удобными носителями информации, однако проблема состоит в том, чтобы научиться "неразрушающим" образом локализовать и сохранять их. И описанные выше работы дают ключ к решению этой проблемы. Был, кстати, такой вариант экспериментов в группе Лизы Хау - "хранящийся" импульс света высвобождался ... по частям: управляющее поле включалось на небольшой промежуток времени, а затем снова выключалось. Таким образом можно было вывести импульс из кюветы в несколько приемов. По существу происходило неоднократное (и не нарушающее состояние системы) считывание хранящейся информации.

1 C.Lui, Z.Dutton, C.H.Berhoozi, and L.V.Hau. Nature, v.406, 490 (2001). 2 D.F.Phillips, A.Fleischhauer, A.Mair, R.L.Walsworth, and M.D.Lukin. Storage of Light in Atomic Vapor. Phys.Rev.Lett., v.86, 783 (2001). 3. M.Fleischhauer and M.D.Lukin. Phys.Rev.Lett., v.84, 5094 (2000). 4. L.V.Hau, S.E.Harris, Z.Dutton, and C.H.Berhoozi. Nature, v.397, 594 (1999).

Е.Онищенко.