מה אני חוקר – 3.5 – יצירה של פוטונים שזורים – SPDC

 בפוסטים האחרונים ניסיתי לשכנע אתכם בשני דברים: 1) יש אפקטים מעניינים שקורים בעולם הפוטונים הבודדים שאי אפשר להסביר בתורה הקלאסית של מקסוול. 2) אפשר לדמיין שזה אפילו יהיה שימושי! נשאלת השאלה: איך נוכל לייצר פוטונים בודדים? חשוב לומר שלייזר שנחליש אותו מאוד מאוד לא יוציא בסופו של דבר פוטון בודד, אלא משהו שנקרא "מצב קוהרנטי", שבגדול יתנהג בדיוק כמו לייזר חזק – רק הרבה יותר חלש. אפשר אפילו ליצור מצב קוהרנטי בו בממוצע יש הרבה פחות מפוטון שלם, אבל עדיין ההתנהגות שלו תהיה קלאסית לחלוטין. אולי יום אחד נכתוב על מצבים קוהרנטיים יותר לעומק, אבל בינתיים נשאל – איך נייצר פוטון בודד?

אחת הדרכים הנפוצות, והדרך המרכזית בה אנו עושים את זה במעבדה של @complex_photonics_lab היא באמצעות תהליך לא ליניארי שנקרא Spontaneous Parametric Down Conversion או בקיצור – SPDC. בתהליך הזה מאירים עם לייזר קלאסי (pump) על גביש בעל תכונות לא-ליניאריות מסוימות, ובערך בסיכוי של 1 למליון אז פוטון אנרגטי אחד של הלייזר (שאצלנו הוא "כחול", באורך גל של 405nm), יתפצל לשני פוטונים פחות אנרגטיים ("אדומים", סביב 810nm). אלו הם אכן פוטונים "בודדים" שבהם מתקיים כל מה שדיברנו בפוסטים הקודמים.

אנרגיה של פוטון שקולה לתדר שלו, ולכן משימור אנרגיה נדרוש שסכום התדרים של הפוטונים ה"אדומים" יהיו שווים לתדר של הפוטון הכחול. בנוסף, משימור תנע נדרוש שאם פוטון אדום אחד עולה "למעלה" בזווית X, אז הפוטון התאום שלו ירד "למטה" בזווית X לכיוון השני (ראו איור למטה). נקבל שזוג הפוטונים האדומים נוצרים בדיוק באותו המקום (כי שניהם נולדו מאותו הפוטון הכחול), והם גם בדיוק אנטי קורלטיביים בתנע = בכיוון שלהם.

במילים אחרות – הם קורלטיביים גם בשדה הקרוב וגם בשדה הרחוק. הקורלציות האלה הם לא סתם קורלציות, אלא למעשה הפוטונים הם שזורים קוונטית. ואפשר אפילו להוכיח את זה! קיים אי שוויון שקשור ליחסי פורייה שאומר שמצבים "רגילים" לא יכולים להיות מאוד קורלטיביים גם בשדה הקרוב וגם בשדה הרחוק (למשל: דלתא במישור הרגיל הוא קבוע במישור פורייה), ומסתבר שהמצבים השזורים של זוג הפוטונים שוברים את אי השוויון הזה!

בפוסט הבא נסביר בפירוט יחסי איך אנחנו מודדים את הקורלציות האלה בשדה הקרוב ובשדה הרחוק, כי זו מדידה מהותית לניסוי שאנחנו כבר ממש מתקרבים לספר עליו!