JETP Letters (Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters)JETP Letters (Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters)Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики0370-274X3034-5766The Russian Academy of Sciences27184110.31857/S0370274X24110144KIJQOKArticlesСтатьиResearch ArticleGeneratsiya i pogloshchenie fotonov dvukhurovnevym atomom v rezhime ul'trasil'noy svyazi s EM polemГенерация и поглощение фотонов двухуровневым атомом в режиме ультрасильной связи с ЭМ полемKozlovskiyA. VКозловскийА. Вkozlovskiyav@lebedev.ruФизический институт РАН им. П.Н.Лебедева151120241209-10VOL 120, NO9-10 (2024)ТОМ 120, №9-10 (2024)75275901122024Copyright ©; 2024, Российская академия наук2024Российская академия наукhttps://journals.rcsi.science/0370-274X/article/view/271841

В рамках квантовой модели Раби теоретически показано, что двухуровневый атом генерирует или поглощает фотоны в условиях ультрасильной связи его с электромагнитным полем. Генерация фотонов возможна, если поле первоначально находится в вакуумном состоянии. Возможным, при определенных начальных состояниях системы атом + поле, также является поглощение фотонов в моде поля в режиме ультрасильной связи атома и поля. Если атом в начальный момент времени находится в нижнем (невозбужденном) состоянии, а поле – в вакуумном состоянии, генерация фотонов присутствует в резонансных условиях ωa ≈ ωf , ωa – частота перехода атома, а ωf - частота поля, или ξ ≡ ωa/ωf ≈ 1, в режиме ультра сильной связи. При отрицательной отстройке ξ ≪ 1, ωa ≪ ωf для динамики среднего числа фотонов hˆnit поля характерны осцилляции Раби с 0 ≤ hˆnit ≤ nmax ≫ 1 в случае ультрасильной связи для значений константы связи атома с полем ˜g ≡ |g|/ωf ∼ 1, при этом населенность возбужденного состояния атома составляет Pe(t) ≈ 0.5. В условиях большой положительной отстройки: ξ ≫ 1 генерация фотонов отсутствует: hˆni ≈ 0, а атом остается в исходном состоянии Pe(t) ≈ 0. Статистика фотонов в режиме генерации близка к хаотической: дисперсия фотонов значительно превышает уровень когерентного состояния поля (т.е. является суперпуассоновской). Поглощение фотонов поля без возбуждения атома присутствует в режиме ультра сильной связи в случае когерентного начального состояния поля (hˆn(t = 0i > 0) для определенных положительных значений отстройки. При этом поле становится субпуассоновским.

Данная работа финансировалась за счет средств бюджета Физического института имени П.Н.Лебедева Российской академии наук. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.P. Forn-Diaz, L. Lamata, E. Rico, J. Kono, and E. Solano, Rev. Mod. Phys. 91(2), 25005 (2019).T. Niemczyk, F. Deppe, H. Huebl, E.P. Menzel, F. Hocke, M. J. Schwarz, J. J. Garcia-Ripoll, D. Zueco, T. H¨ummer, E. Solano, A. Marx, and R. Gross, Nature Phys. 6, 772 (2010).A. Le Boit´e, Advanced Quantum Technologies 3(7), 1900140 (2020).A. F. Kockum, A. Miranowicz, S. DelLiberato, S. Savesta, and F. Nori, Nat. Rev. Phys. 1, 19 (2019).Sh. Fu, Sh. Luo, and Y. Zhang, Quantum Information Processing 20, 88 (2021).J.-sh. Peng and G.-x. Li, Phys. Rev. A 45(5), 3289 (1992).F. Ilya, I. Alexey , V.-H. Le, and A. Ulyanenkov, Nonperturbative Description of Quantum Systems. Lecture Notes in Physics, Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London, Springer International Publishing Switzerland (2015), v. 894, p. 62; Library of Congress Control Number: 2014958312.R. Graham and M. Hohnerbach, Z. Phys. B – Condensed Matter 57, 233 (1984).T. Werlang, A.V. Dodonov, E. I. Duzzioni, and C. J. Villas-Bˆoas, Phys. Rev A 78, 053805 (2008); https://doi.org/10.1103/PhysRevA.78.053805.A.V. Dodonov,J. Phys. Conf. Ser. 161, 012029 (2009); https://doi.org/10.1088/1742-6596/161/1/01202912.F.A. Wolf, M. K, and D. Braak, Phys. Rev. A 85, 053817 (2012).F.A.Wolf, F. Vallone, G. Romero, M. Kollar, E. Solano, and D. Braak, Phys. Rev. A 87, 023835 (2013).P. Meystre, Quantum Optics. Taming the Quantum, Springer (2021), 393 p.Q.-H. Chen, T. Liu, Y.-Y. Zhang, and K.-L. Wang, EPL 96, 14003 (2011); https://doi.org/10.1209/02955075/96/14003.P.D. Nation, J.R. Johansson, M.P. Blencowe, and F. Nori, Rev. Mod. Phys. 84, 1 (2012).H. J. Kimble, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 355, 2327 (1997.)Q. Xie, H. Zhong, M.T. Batchelor, and Ch. Lee, J. Phys. A: Math. Theor. 50, 113001 (2017).A. Crespi, S. Longhi, and R. Osellame, Phys. Rev. Lett. 108, 163601 (2012).N.M. Sundaresan, Y. Liu, D. Sadri, L. J. Szocs, D. L. Underwood, M. Malekakhlagh, H.E. Tureci, and A.A. Houck, Phys. Rev. X 5, 021035 (2015).N.M. Sundaresan, Y. Liu, D. Sadri, L. J. Szocs, D. L. Underwood, M. Malekakhlagh, H.E. Tureci, and A.A. Houck, Phys. Rev. X 5, 021035 (2015).M.R. Wahiddin, R. Belkada, G. S. Mahmoud, and A. Messikh, Eur. Physical J. Plus 136, 650 (2021).M. Lednev , F. J. Garcia-Vidal, and J. Feist, Phys. Rev. Lett. 132, 106902 (2024).C. J. S´anchez Mart´ınez, J. Feist, and F. J. Garcia-Vidal, Nanophotonics 13(14), 2669 (2024).А.В. Козловский, ЖЭТФ 165(5), 618 (2024).J.H. Eberly, N.B. Narozhny, and J. J. Sanchez-Mondragon, Phys. Rev. Lett. 44, 1323 (1980).N.B. Narozhny, J. J. Sanchez-Mondragon, and J.H. Eberly, Phys. Rev. A 23, 236 (1981).H. I. Yoo, J. J. Sanchez-Mondragon, J.H. Eberly, J. Phys. A 14, 1383 (1981).J. Eiselt and H. Risken, Phys. Rev. A 43, 346 (1991).A.V. Kozlovskii, Quantum Electronics 40(3), 223 (2010); https://doi.org/10.1070/QE2010v040n03ABEH014270.