لقد أظهر الفيزيائيون العلاقة بين نقل الطاقة الكمومية والتشغيل الكلاسيكي لمجال الليزر

تُستخدم نبضات الليزر فائقة القصر للتحكم فائق السرعة في المادة، وإثارة الأنظمة الكمومية، وتوليد إشعاع تيراهيرتز، ودراسة تفاعلات المادة الضوئية على مقياس الفيمتو والأتوثانية. غالبًا ما يستخدم الفيزيائيون المذبذب الكمومي كنموذج لمثل هذه الأنظمة الكمومية. هذا نموذج لنظام، عندما يتأرجح، يمتص الطاقة في الكميات. إنه مناسب للوصف الرياضي للنظام ومناسب لمجموعة واسعة من الأشياء الحقيقية: من اهتزازات الجزيئات والشبكات إلى المراكز الإلكترونية وحالات المادة القريبة من موضع التوازن. في السابق، في الدراسات التي أجريت على إثارة مذبذب الكم، كان العلماء يعتبرون في أغلب الأحيان حالة أولية ثابتة. ومع ذلك، في ظل الظروف الفيزيائية الحقيقية، غالبًا ما يكون المذبذب في حالة توازن حراري، أي أنه يمكن توزيعه على العديد من مستويات الطاقة الأولية. وهذه الحالة هي الأقرب إلى المواد الحقيقية والأنظمة الجزيئية، حيث تؤثر درجة الحرارة على حالات الطاقة التي تم ملؤها بالفعل قبل وصول نبض الليزر. “تعمل الأساليب الحالية بشكل جيد عندما تكون طاقة المذبذب الكمي أعلى بكثير من درجة الحرارة. ولكن إذا كانت درجة الحرارة قابلة للمقارنة مع هذه الطاقة أو تتجاوزها، فيجب أن يؤخذ في الاعتبار أن النظام موزع مسبقًا على مستويات طاقة مختلفة. وهذه هي بالضبط خصوصية نهجنا – مع الأخذ في الاعتبار التوزيع الحراري للمذبذب الكمي على الحالات الثابتة باستخدام تعبير تحليلي بسيط نسبيًا لاحتمالية العملية”، أوضح فاليري أستابينكو، الأستاذ في قسم العلوم والتكنولوجيا. الفيزياء وتكنولوجيا النانو في MIPT. ولحل هذه المشكلة، طور علماء الفيزياء منهجًا تحليليًا بسيطًا. وهو لا يصف انتقالًا واحدًا للمذبذب الكمي بين حالتين، بل يصف توزيع احتمالية نقل الطاقة إلى مذبذب في حالة توازن حراري. وللقيام بذلك، استخدم العلماء النموذج المعروف للمذبذب الكمي، وأضافوا إليه تأثير درجة الحرارة، وحصلوا على تعبير لاحتمال نقل الطاقة. ثم قاموا بتطبيق التعبير الناتج على أشكال مختلفة من نبضات الليزر فائقة القصر. هذه هي النتيجة الرئيسية للدراسة: قام العلماء ببناء نموذج تحليلي لنقل الطاقة من نبضة ليزر فائقة القصر إلى مذبذب كمي في حالة توازن حراري. يتيح لنا هذا النموذج وصف احتمالية نقل الطاقة كدالة للطاقة المنقولة نفسها ودرجة الحرارة ومعلمات نبض الليزر. تم نشر العمل في مجلة الفيزياء التطبيقية ب. وقد تم دعم البحث من قبل مؤسسة العلوم الروسية (المنحة رقم 24-49-10004). لا يُظهر النهج الجديد ما إذا كان النظام سيكون متحمسًا فحسب، بل يُظهر أيضًا احتمال حصوله على هذه الطاقة أو تلك. وهذا مهم بشكل خاص للمهام التي يكون فيها من الضروري ليس فقط التأثير على المادة بالليزر، ولكن أيضًا التحكم في نقل الطاقة بأكبر قدر ممكن من الدقة. يسمح لنا النموذج المطور بالنظر ليس في الحالة الأولية الثابتة للمذبذب، بل في الحالة المحددة بواسطة التوزيع الحراري. ويجب أن يؤخذ هذا في الاعتبار لأنه في النظام الفيزيائي الحقيقي، نادرًا ما تكون الجسيمات في نفس حالة الطاقة تمامًا. درجة الحرارة “توزع” النظام إلى عدة مستويات، وبدون أخذ هذا التأثير في الاعتبار، يظل وصف نقل الطاقة غير مكتمل. بناءً على نتائج العمل، حدد العلماء الموقع العالمي للحد الأقصى للتوزيع: طاقة النقل الأكثر احتمالاً تساوي العمل الكلاسيكي: العمل الذي سيؤديه مجال الليزر على التناظرية الكلاسيكية لهذا المذبذب. وهذا يجعل من الممكن ربط الوصف الكمي لتفاعل الضوء مع المادة بكمية كلاسيكية أكثر بصرية – عمل مجال خارجي. يتيح النموذج الجديد استخدام الصيغ التي تم الحصول عليها لأنواع مختلفة من نبضات الليزر وتحديد مدتها وسعاتها المثلى – أي تلك المعلمات التي من المرجح أن يتم فيها نقل الطاقة. يمكن أن يكون مفيدًا للتحكم في حالات اهتزاز الجزيئات، وإثارة أوضاع معينة في البلورات، ودراسة البلازمونات، وتطوير مخططات لتوليد إشعاع تيراهيرتز. وبمعنى أكثر عمومية، يساعد النهج المقترح على فهم كيفية اختيار نبضة ليزر بحيث يتم نقل الطاقة إلى نوع معين من الإثارة للمادة. “يسمح لنا النموذج المقترح بحل المشكلات المتعلقة بالنقل الأمثل للطاقة من نبضة الليزر إلى أنماط مختلفة من إثارة المادة التي ينطبق عليها نموذج المذبذب الكمي، على سبيل المثال، الجزيئات والبلورات والفوتونات والبلازمونات إلى الإلكترونات”، كما يشير فاليري أستابينكو. ويعتقد العلماء أن النهج المقترح يمكن اختباره تجريبيا. تتيح تقنيات الليزر الحديثة ضبط معلمات النبض بشكل أكثر دقة: السعة والمدة وشكل الغلاف والمرحلة المطلقة. لذلك، يمكن أن تصبح النظرية أساسًا للتجارب التي ستختبر بالضبط كيف يؤثر شكل النبضة ومدتها على نقل الطاقة إلى الأنظمة الكمومية. في المستقبل، يخطط الباحثون لتطوير هذا الاتجاه ودراسة الإثارات متعددة الكم والإلكترونات للمجال والمادة تحت تأثير نبضات الليزر مع معلمات محددة، بما في ذلك النبضات فائقة القصر وشبه أحادية اللون.