Как хранить рентгеновские фотоны?

Современная фотоника достигла впечатляющих успехов. Учёные давно уже научились работать с отдельными фотонами, делая с ними практически всё, что угодно. Однако все существующие на сегодняшний день технологии работают с излучением видимого и инфракрасного диапазона.

В то же время, было бы интересным научиться манипулировать также и фотонами более высоких энергий — в рентгеновском диапазоне излучения.

Одной из задач на пути создания рентгеновской фотоники является создание механизмов «хранения» рентгеновских квантов — устройств, которые могли бы поглотить фотон, а затем в нужный момент переизлучить точно такой же.

В 1996 году команда исследователей из Гамбургского университета под руководством нашего соотечественника Юрия Швыдько предложила для хранения фотонов использовать ядра железа-57. Для этого ядра помещались в магнитное поле и облучались перпендикулярным полю B пучком поляризованных фотонов с энергией 14,4 кэВ.

Схема, предложенная группой Швыдько. Сверху падают фотоны, H<sub>c</sub> — начальное магнитное поле, H<sub>p</sub> — второе магнитное поле.
Схема, предложенная группой Швыдько. Сверху падают фотоны, Hc — начальное магнитное поле, Hp — второе магнитное поле.

При поглощении фотона ядро переходит в возбуждённое состояние. Магнитное поле расщепляет основное состояние на два, а возбуждённое — на четыре. При этом геометрия эксперимента разрешает переход с каждого из основных состояний только в одно из возбуждённых. Таким образом только два из четырёх возбужденных уровней оказываются заселены, а конечное состояние ядра является суперпозицией этих двух состояний.

Поскольку заселённые возбуждённые состояния обладают различными магнитными свойствами, то вероятность ядра вернуться в основное состояние осциллирует во времени. Если через несколько наносекунд после возбуждения включить второе магнитное поле, перпендикулярное первому, то происходит смешение всех четырёх возбуждённых уровней.

При этом, выбрав момент включения второго поля правильным образом, оказалось, что можно значительно снизить вероятность возврата ядра в основное состояние. Выключение же второго поля приводило к практически мгновенному излучению рентгеновского фотона.

Лаборатория HASYLAB, где и проводились эксперименты 1996 года.
Лаборатория HASYLAB, где и проводились эксперименты 1996 года.

Проблема заключалась в том, что излучённый фотон, хотя и имел ту же энергию, что и поглощённый, но обладал другими квантовыми числами — в частности, поляризацией.

Долгое время обойти эту сложность не удавалось, но недавно в Physical Review Letters появилась статья, в которой предложено решение проблемы путём небольшой модификации схемы.

Начало эксперимента — облучение поляризованным пучком рентгеновских фотонов ядер железа-57, помещённых в перпендикулярное пучку магнитное поле, — предлагается оставить без изменений. При этом было показано, что выбором величины интенсивности излучения и плотности ядер можно обеспечить преимущественное заселение только одного из возбуждённых состояний.

Далее вместо того, чтобы включать второе магнитное поле, предлагается полностью отключить первое. Сделать это надо, однако, в строго определённый момент, где-то через 10 наносекунд после возбуждения. Если момент выключения выбран верно, то ядро останется в состоянии, в котором фотон не может быть излучён обычным путём, и система может находиться в таком состоянии более 100 нс.

(а) Геометрия предлагаемого эксперимента. (б) схематическое изображение этапов взаимодействия: T<sub>0</sub> — момент поглощения фотона, T<sub>off</sub> — момент выключения магнитного поля, T<sub>on</sub> — момент обратного включения поля.
(а) Геометрия предлагаемого эксперимента. (б) схематическое изображение этапов взаимодействия: T0 — момент поглощения фотона, Toff — момент выключения магнитного поля, Ton — момент обратного включения поля.

При этом, обратное включение магнитного поля приводит к излучению фотона с теми же свойствами, что и поглощённый. Ну и как бонус, если включить поле, обратное тому, которое было вначале, то излучённый фотон будет иметь те же свойства, что и поглощённый, за исключением поляризации, которая будет прямо противоположной.

Эти исследования, правда, пока носили чисто теоретический характер, и некоторые специалисты сомневаются, что включение и выключение магнитного поля в реальном эксперименте можно будет сделать достаточно быстрым — а без этого схема работать не будет.

Как бы то ни было, несомненно одно — в деле создания рентгеновской фотоники сделан существенный шаг вперёд.

Кстати, вы знаете, что гамма-оптика уже близко?


Источник: Physics — Storing an X-ray Photon

comments powered by Disqus