Лаборатория квантовых явлений в оптическом и терагерцовом диапазонах

История лаборатории началась еще в 1967 г., когда Давид Николаевич Клышко предсказал квантовый нелинейно-оптический эффект спонтанного параметрического рассеяния (СПР) света. Этот уникальный эффект в дальнейшем определил развитие ярких направлений в современной физике: квантовой оптики, квантовой фотометрии, спектроскопии рассеяния света на фонон-поляритонах. Многие годы деятельность лаборатории под руководством Александра Николаевича Пенина включала в себя исследования во всех этих направлениях. В настоящее время центр исследований сместился из видимого в терагерцовый диапазон частот, ранее скрытый для прямого изучения.

При СПР фотоны излучаются квантово-коррелированными парами - бифотонами. Зарегистрировав один фотон из пары, можно с достоверностью предсказать состояние второго фотона. Этот факт лежит в основе многочисленных квантово-оптических эффектов. Одним из практических применений бифотоники является абсолютная квантовая фотометрия, позволяющая измерять яркость излучения, чувствительность и квантовую эффективность фотодетекторов без  применения внешних эталонных источников или заранее прокалиброванных приемников. Методы абсолютной калибровки энергетических параметров  чрезвычайно востребованы в терагерцовом диапазоне частот, и сейчас наша лаборатория проводит пионерские работы в этой области.

При СПР излучение лазерной накачки рассеивается на вакуумных флуктуациях электромагнитного поля. Такие флуктуации есть на всех частотах, в том числе и там, где вещество совершенно непрозрачно - и именно там в отклике среды зашифрованы основные свойства вещества. Применяя метод спектроскопии СПР можно измерять оптические характеристики кристаллов в далекой инфракрасной области спектра и терагерцовом диапазоне безо всяких источников и приемников этого невидимого света. «Источниками» служат вакуумные флуктуации поля, а «приемником» - обычный фотодетектор, регистрирующий тот из фотонов бифотонной пары, который попадает в видимую область спектра. Этим методом в лаборатории исследуются современные перспективные материалы, в том числе нелинейные фотонные кристаллы, предназначенные для генерации и детектирования терагерцового излучения. Терагерцовый диапазон частот 0.1-10 ТГц (на границе радио- и оптического диапазонов) до последнего времени был мало освоен физиками. Сейчас, по мере продвижения новых физических идей построения терагерцовых устройств, все больше внимания привлекают перспективы развития систем связи и информатики на терагерцовых частотах, “тера-видения” - обнаружения скрытых объектов, томографии и распознавания материалов. Для создания эффективных источников и приемников в этом диапазоне мы предлагаем новые методы преобразования частоты лазерного излучения в нелинейных кристаллах и фотопроводящих структурах. Исследуем схемы импульсной и непрерывной терагерцовой спектроскопии для определения дисперсионных свойств и распознавания состава материалов.

Отдельное место в ряду тем сегодняшних исследований лаборатории  занимают:

  • терагерцовая динамика быстропротекающих процессов переключения состояний и фазовых переходов в сегнетоэлектриках
  • процессы записи информации в фоторефрактивных кристаллах
  • изучение поляронного отклика в диэлектрических кристаллах
  • генерация терагерцового излучения в полупроводниковых эпитаксиальных пленках

В экспериментах задействованы как стандартные, так и оригинальные собственные экспериментальные схемы инфракрасной и терагерцовой спектроскопии, включая импульсные pump-probe методы, частотно-угловую спектроскопию СПР,  терагерцовую спектроскопию во временном пространстве.

Генерация и исследование терагерцовых полей с неклассической статистикой, продвижения идей квантовой оптики и информации в терагерцовый диапазон частот – одно из основных направлений лаборатории в ближайшем будущем. Сейчас мы экспериментально развиваем новый метод детектирования квазинепрерывных  и непрерывных терагерцовых полей, исследуем возможность использования квантовых и тепловых флуктуаций поля терагерцового диапазона для абсолютной калибровки спектральной яркости источников. Большой интерес представляет изучение условий генерации и детектирования оптико-терагерцовых бифотонов - коррелированных пар фотонов совершенно различной частоты, одна из которых находится в видимой области спектра, и другая – на границе радиодиапазона.

Исследования ведутся совместно с ФИ РАН, ИПФ РАН (Нижний Новгород), Московским гехнологическим университетом (МИРЭА), Национальным (NTHU) и центральным (NCU) университетами Тайваня, Институтом сверхвысокочастотной и полупроводниковой электроники (ИСВЧПЭ) и Институтом физики света Общества Макса Планка (Эрланген).