Как свободные электроны изменяют квантовую природу света: физики из МФТИ предсказали рождение новых состояний лазерного излучения

Физики-теоретики Евгений Андрианов и Олег Толстихин из  Московского физико-технического института (МФТИ) и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н.Л. Духова (ВНИИА) предложили новую теорию, объясняющую, как облако свободных электронов, возникающее при ионизации газа под действием мощного лазера, способно глубоко преобразовывать квантовое состояние самого лазерного излучения. Их работа, опубликованная в Physical Review A и отмеченная редакцией как Editors’ Suggestion, предсказывает появление особых — неклассических и негауссовых — состояний света. Такие состояния могут сыграть важную роль в развитии квантовых технологий.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 24-12-00055).

Современная оптика и квантовая физика активно изучают взаимодействие ультракоротких лазерных импульсов с веществом. Именно в этой области возникла аттосекундная наука — направление, удостоенное Нобелевской премии по физике в 2023 году. В таких экспериментах свет не только исследует материю, но и сам становится объектом исследования: выясняется, что даже сверхмощные лазерные поля могут вести себя по-квантовому.
Ранее считалось, что такие поля можно описывать как когерентные состояния — максимально приближённые к классической волне, где квантовые флуктуации практически не влияют на поведение системы. Однако стало известно, что сильные поля способны менять своё квантовое состояние в результате процессов вроде генерации высоких гармоник и надпороговой ионизации. Это стало неожиданностью для научного сообщества: оказалось, что даже при экстремальной интенсивности поле сохраняет тонкую квантовую структуру.

Неучтённый фактор: свободные электроны
Каждое взаимодействие лазера с веществом сопровождается ионизацией — выбиванием электронов из атомов. При этом возникает облако свободных электронов, которое раньше считалось побочным эффектом. Но как именно это электронное облако влияет на проходящее сквозь него лазерное излучение — до сих пор не было ясно.
Андрианов и Толстихин сосредоточились именно на этом вопросе. Они построили аналитически решаемую модель, описывающую взаимодействие одного модового (одночастотного) квантованного лазерного поля с множеством свободных электронов. В её основе — гамильтониан, включающий энергию электронов, поля и их взаимное воздействие.
Особенность модели в том, что она учитывает пространственную протяжённость газовой мишени. Если её размер сравним с длиной волны лазера, то вклад электронов в поведение поля зависит от их положения. Это описывается фазовыми множителями и комплексным параметром η (эта), отражающим когерентность взаимодействия. Другой важный параметр — ξ (кси), связанный с плотностью электронов и их коллективными колебаниями (плазменной частотой).
Для анализа модели использовались преобразования Боголюбова (для описания «сжатия» светового состояния) и оператор смещения (для учета эффекта «сдвига» состояния в фазовом пространстве). В результате лазерное поле, изначально когерентное, превращается в смещённое сжатое когерентное состояние, параметры которого зависят от времени, электронных импульсов и параметров η, ξ и χ (хи — характеризует распределение импульсов электронов).

Квантовые эффекты: субпуассоновская статистика и кольцевая функция Вигнера
Расчёты показали: под действием электронов лазерное поле может перейти в неклассическое состояние, для которого характерна субпуассоновская статистика — ситуация, когда разброс числа фотонов на детекторе оказывается меньше среднего значения. Этот эффект указывает на подавление квантовых флуктуаций и является прямым проявлением квантовости света.
Ещё более выразительное предсказание касается функции Вигнера — квантового аналога распределения вероятностей в фазовом пространстве. Для когерентного состояния она имеет форму гладкого гауссовского пика. Однако под действием электронов эта структура может трансформироваться в кольцеобразную негауссову форму, что указывает на качественно новый тип светового состояния. Эти трансформации особенно чувствительны к параметру η и геометрии мишени.
Результаты исследования показывают: свободные электроны — не просто «фоновый шум», а важный участник квантовых процессов, способный радикально изменить состояние света. Это открытие позволяет по-новому взглянуть на эксперименты с сильными полями и предлагает новые подходы к генерации нужных квантовых состояний.

​
Сжатые состояния важны для квантовых вычислений с непрерывными переменными, а негауссовы — для реализации квантового преимущества. Предложенный механизм даёт возможность создавать такие состояния напрямую, регулируя параметры газа, длину волны, интенсивность и геометрию взаимодействия.

«Мы показали, что свободные электроны — это не просто продукт ионизации, а активный компонент, способный “сжимать” свет и придавать ему необычные квантовые свойства. Это важный шаг к управлению неклассическими состояниями в лазерных полях», — комментирует Евгений Андрианов, старший научный сотрудник и доцент кафедры теоретической физики им. Л. Д. Ландау МФТИ.

Что дальше?
Следующим этапом станет экспериментальная проверка предсказаний: измерения статистики фотонов и реконструкция функции Вигнера после взаимодействия лазера с ионизованным газом. Также важно объединить в одной теории влияние трёх процессов: генерации гармоник, надпороговой ионизации и взаимодействия со свободными электронами.
Будущие исследования могут расширить модель на случай многомодовых полей, твёрдых тел и других сред. Кроме того, открывается перспектива изучения квантовой запутанности между светом и электронным облаком — ещё одного ключевого ресурса квантовых технологий.

Источник: Электронный шепот пробуждает квантовую душу света: физики из МФТИ предсказали рождение экзотических состояний лазерного света — За науку