Ученые МФТИ связали квантовую передачу энергии с классической работой лазерного поля

Ультракороткие лазерные импульсы — ключевой инструмент для управления веществом на фемто- и аттосекундных масштабах. Они используются для возбуждения квантовых систем, генерации терагерцового излучения и изучения взаимодействия света с веществом. В качестве базовой модели таких систем физики часто применяют квантовый осциллятор, описывающий колебания молекул, кристаллической решетки, плазмонов и электронных центров.

Температура как ключевой фактор

Ранее в большинстве работ рассматривалось фиксированное начальное состояние осциллятора. Однако в реальности система часто находится в тепловом равновесии, то есть заселяет сразу несколько энергетических уровней. «Существующие подходы хорошо работают, когда энергия кванта осциллятора намного больше температуры. Но если температура сравнима или превышает эту энергию, необходимо учитывать, что система заранее распределена по разным уровням», — пояснил профессор МФТИ Валерий Астапенко.

Новый подход, разработанный физтехами, описывает не единичный переход, а распределение вероятности передачи энергии осциллятору, находящемуся в тепловом равновесии. Ученые использовали стандартную модель квантового осциллятора, добавили влияние температуры и получили аналитическое выражение для вероятности передачи. Затем это выражение применили к различным формам ультракоротких импульсов.

Связь с классической физикой

Главный результат работы — установление универсального положения максимума распределения. Наиболее вероятная энергия передачи оказалась равна классической работе, которую лазерное поле совершило бы над классическим аналогом осциллятора. Это связывает квантовое описание взаимодействия света с веществом с более наглядной классической величиной — работой внешнего поля.

Разработанная модель позволяет подбирать оптимальные параметры лазерных импульсов: длительность, амплитуду, форму огибающей и абсолютную фазу. По словам Астапенко, «предложенная модель позволяет решать вопросы, связанные с оптимальной передачей энергии от лазерного импульса различным модам возбуждения вещества, для которых применима модель квантового осциллятора, например молекулам, кристаллам, фотонам, плазмонам и электронам».

Работа опубликована в журнале Applied Physics B. Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №24-49-10004). Ученые планируют продолжить разработку для изучения многоквантовых и многоэлектронных возбуждений под действием лазерных импульсов с заданными параметрами.