研究人员提出了产生由纠缠光子制成的光源的新方法

纠缠是量子物理学中的一种奇怪现象，其中两个粒子无论彼此之间的距离如何，它们本质上都是相互连接的。当一个测量时，另一个测量立即是给定的。普渡大学的研究人员提出了一种新颖的非常规方法来产生由纠缠光子组成的特殊光源。2022年9月6日，他们在《物理评论研究》上发表了他们的发现。

该团队提出了一种在极紫外（XUV）波长下产生纠缠光子的方法，而目前不存在这种光源。他们的工作为如何产生这些纠缠的光子提供了路线图，并用它们来跟踪分子和材料中电子在阿托秒的极短时间尺度上的动力学。

“我们工作中的纠缠光子保证在非常短的阿托秒时间内到达给定的位置，只要它们行进相同的距离，”物理学和天文学助理教授Niranjan Shivaram博士说。“它们到达时间的这种相关性使它们在测量超快事件方面非常有用。一个重要的应用是在阿托秒计量中推动最短时间尺度现象的测量极限。这种纠缠光子的来源也可以用于量子成像和光谱学，其中纠缠光子已被证明可以增强获取信息的能力，但现在在XUV甚至X射线波长下。

该出版物的作者题为“亚稳态原子的双光子衰变引起的阿托秒纠缠光子：阿托秒实验及其他的来源”，均来自普渡大学物理与天文学系，并与普渡量子科学与工程研究所（PQSEI）合作。他们是普渡大学应届毕业生王轶萌博士;西德汉特·潘迪，实验超快光谱学领域博士候选人;克里斯·格林博士，阿尔伯特·奥弗豪瑟物理学和天文学杰出教授;和希瓦拉姆博士。

“普渡大学物理和天文学系拥有强大的原子，分子和光学（AMO）物理计划，汇集了AMO各个子领域的专家，”Shivaram说。“克里斯·格林（Chris Greene）在理论原子物理学方面的专业知识与Niranjan在相对年轻的实验阿托秒科学领域的背景相结合，促成了这个合作项目。虽然许多大学都有AMO课程，但普渡大学的AMO课程具有独特的多样性，因为它拥有AMO科学多个子领域的专家。

每位研究人员在这项正在进行的研究中发挥了重要作用。格林最初提出了使用氦原子发射的光子作为纠缠光子的来源的想法，Shivaram建议应用于阿托秒科学并提出实验方案。然后，Wang和Greene开发了计算氦原子纠缠光子发射的理论框架，而Pandey和Shivaram则估计了纠缠光子的发射/吸收速率，并制定了所提出的阿托秒实验方案的细节。

该出版物标志着希瓦拉姆和格林这项研究的开始。在这份出版物中，作者提出了这个想法，并阐述了实验的理论方面。希瓦拉姆和格林计划继续在实验和进一步的理论思想上进行合作。Shivaram的实验室，超快量子动力学小组，目前正在建造一个装置来实验演示其中一些想法。根据Shivaram的说法，希望阿托秒科学的其他研究人员将开始研究这些想法。许多研究小组的共同努力可以进一步增加这项工作的影响。最终，他们希望将纠缠光子的时间尺度降低到斑肱，10-21秒。

“通常，阿托秒时间尺度上的实验是使用阿托秒激光脉冲作为'频闪'来'成像'电子进行的。这些脉冲的电流限制约为40阿托秒。我们提出的使用纠缠光子的想法可以将其降低到几阿托秒或泽托秒，“Shivaram说。

为了理解时间，人们必须了解电子在决定原子，分子和固体材料的行为中起着基本作用。电子运动的时间尺度通常在飞秒（十亿分之一秒的百万分之一—10-15秒）和阿托秒（十亿分之一秒的十亿分之一，或 10 秒）-18秒）刻度。根据Shivaram的说法，深入了解电子的动力学并跟踪它们在这些超短时间尺度上的运动至关重要。

“超快科学领域的目标是制作这样的电子'电影'，然后利用光来控制这些电子的行为，以设计化学反应，制造具有新性质的材料，制造分子规模的器件等，”他说。“这是光物质相互作用的最基本水平，发现的可能性很多。单个射手座钣是 10-21秒。一千个射手座就是一个射手座。研究人员现在才开始探索匡咝现象，尽管由于缺乏匡咝激光脉冲，它在实验上是遥不可及的。我们在激光脉冲中使用纠缠光子而不是光子的独特方法可以让我们达到斑羮状态。这将需要大量的实验努力，并且很可能在五年的时间尺度上是可能的。

更多信息：Wang Yimeng等，亚稳态原子双光子衰变引起的阿托秒纠缠光子：阿托秒实验及其他的来源，物理评论研究（2022）。DOI： 10.1103/物理研究.4.L032038