Введение к работе
— ъ —
Актуальность темы. Одной из важнейший тенденций современной науки и техники является стремление понять свойства все меньших по размеру объектов и научиться использовать эти свойства в научных и практических целях. Одной го основных целей здесь является разработка принципов и методов, позволяющих детально (не статистически) исследовать и модифицировать структуры живого вещества на атомном и молекулярном уровне. С другой стороны, значительный интерес представляют попытки создания мезомасштабных устройств (источники излучения, элементы памяти, электронные ключи и др.), структура которых синтезируется атом за атомом Результаты^ получаемые в этих направлениях взаимозависимы и взаимообусловлены, так что уже можно говорить о возникновении новой науки - науки нанообъектов и нанотехнологий.
Исследования в этих направлениях ведутся весьма активно и в настоящее время уже продемонстрирована возможность создания лазера с одним атомом б резонаторе, мккролазеров с низким уровнем генерации, позиционирование атома с нанометровой точностью с помощью сканирующего микроскопа, получен ряд интересных результатов по микроскопии с нанометровым разрешением и др. В ближайшее время планируется проведение экспериментов но неразрушающему измерению числа фотонов в диэлектрической микросфере и по демонстрации работы логических элементов квантовых компьютеров. Заметим, что в основе всех этих эффектов лежит электромагнитное взаимодействие атома с объектами, размеры которых сравнимы (мезообъекты) или даже существенно меньше длины волны излучения (нанообъекты).
Несмотря на впечатляющие экспериментальные демонстрации, развитие этих направлений сталкивается с рядом фундаментальных проблем. К числу последних следует в первую очередь отнести следующие".
- ^ -
-
Возможно ли с помощью лазерного излучения сфокусировать атомы в нанометровые области?
-
Возможно ли создать для атомов трехмерные оптические ловушки субмикронных размеров?
-
Возможно ли создание микроскопа (наноскопа), способного разрешать
атомы как по положению (с точностью 10 А и лучше), так и по частоте перехода ( с точностью 0.1 эВ и лучшд?
-
Как изменяются ширина линии и частота излучения атома вблизи мезо-и нанообъектов?
-
Как объяснить наблюдаемые спектры (дублетные и триплетные) флюоресценции в системе атом + микрорезонатор?
-
Как влияют нанообъекты на запрещенные в диполыюм приближении переходы?
Решение этих и подобным им проблем является предметом оптики нанообъектов или панооптики.
Оптика нанообъектов является специфичной областью оптики и спектроскопии, так как имеет дело с объектами, размеры которых сравнимы (мезообъекты) или даже меньше характерных длин волн электромагнитного излучения (нанообъекш). Например, характерные размеры иглы сканирующего микроскопа - десятки и даже единицы нанометров. В результате оказывается, что многие оптические явления приобретают здесь черты, не характерные для оптики макроскопических объектов.
Дело заключается в том, что в присутствии мезо- и нанообъектов в пространственной структуре электромагнитного поля важную роль приобретают быстроснадающие ближние поля, взаимодействие атомов с которыми существенно отличается от обычного взаимодействия атомов с распространяющимися (или стоячими) волнами. Синтез атомной оптики и оптики ближнего поля лазерного излучения позволяет в принципе управ-
лять движением атомов с нанометровой точностью, что в принципе позволяет перейти к синтезу устройств атомного масштаба. Главная проблема в этом направлении - найти условия и средства для создания ближних полей нужной структуры, причем ясно, что только материальные тела малых размеров (мезо - и нанообъекты) могут привести к формированию такого рода полей.
Еще более актуально построение теории взаимодействия единичного атома с диэлектрической микросферой, для производства которых уже существуют эффективные технологии. Во-первых, микросферы являются высокодобротными резонаторами в оптической области и даже один фотон может приводить к большим электрическим полям вблизи поверхности микросферы. Во-вторых, атом в области таких больших полей эффективного взаимодействует с ними даже в случае малого числа фотонов. Более того, атом может эффективно взаимодействовать даже с вакуумным полем (вакуумное Раби расщепление). В-третьих, уже предложены и даже реализованы опыты, в основе которых лежит взаимодействие атома и микросферы ( неразрушающие измерения числа фотонов, микролазеры с низким уровнем генерации, логические элементы квантовых компьютеров).
Несмотря на значительный интерес к этой области, до сих пор имеется мало конкретных теоретических результатов, описывающих электромагнитное взаимодействие атомов с мезо- и нанообъектами. Частичному заполнению этого пробела и посвящена диссертация.
Научная новизна. Новизна работ, представленных в диссертации, заключается как в самой постановке исследований по взаимодействия атомов с нанообъектами, так и в получении целого ряда результатов в этой области. Наиболее существенные из них перечислены в разделе "Основные результаты". Подчеркнем новизну лишь следующих основных положений, доказанных в исследованиях:
В ближнее поле в окрестности малого отверстия способно фокусировать нейтральные атомы в нанометровые области;
В скорости квадрупольных переходов вблизи нанообъектов могут сравниваться по порядку величины со скоростями дшюльных переходов, что свидетельствует о необходимости уточнения правил отбора;
в спектр однофотонной флюоресценции атома вблизи мезообьектов может иметь синглетный, дублетный или триплетньш вид. Совокупность проведенных исследований можно рассматривать как новое научное направление в оптике - нанооптику.
Научная и практическая ценность диссертации заключается прежде всего в том, что разработанные подходы и найденные решения являются основой для дальнейших исследований в области нанооптики. Кроме того ряд полученных результатов может найти практическое применение в ближайшем будущем для одноатомных лазеров с низким порогом генерации, для наноскопа со спектральной селективностью, для создания квантовых логических элементов для квантовых компьютеров, в устройствах синтеза электронных наносхем.
Целью настоящей работы является изучение динамики и спектроскопических свойств нейтральных атомов, обусловленных их электромагнитным взаимодействием с мезо- и нанаобъектами. Источником электромагнитных полей оптического диапазона может быть как внешнее устройство (лазер), так и спонтанное излучение возбужденного атома, расположенного вблизи нанообъекта. Основное внимание будет уделено исследованию взаимодействия атомов и фотонов с простыми по геометрической форме объектами типа диэлектрической сферы (без потерь и дисперсии), конической идеально проводящей поверхности и малого отверстия в идеально проводящем экране. Рассмотрение простых объектов позволяет про-
- ? -
двинуть аналитические вычисления достаточно далеко, в результате чего появляется возможность лучше понять физику происходящих процессов.
Основные результаты, выносимые на защиту:
-
Простые аналитические выражения для ближнего поля, образующегося при дифракции на малом по сравнению с длиной волны отверстии.
-
Нахождение 3-х мерных ловушечных конфигураций для нейтральных атомов вблизи малого отверстия.
-
Способ неразрушающей селекции нейтральных атомов градиентной силой, возникающей в олпжнем поле, образующемся при дифракции па малом отверстии.
-
Способ фокусировки нейтральных атомов в область диаметром порядка 1 нм на основе ближнего поля, образующегося при дифракции на малом отверстии.
-
Методика разложения электромагнитных полей дипольного и мультипольного источника по векторным сферическим гармоникам в системе координат с центром, не совпадающим с центром диполя (мультиполя).
-
Анализ сдвига частоты и изменения ширины линии спонтанного излучения атома, помещенного как снаружи, так и внутри диэлектрической микросферы.
-
Анализ сдвига частоты и изменения ширины линии спонтанного излучения атома в присутствии идеально проводящей конической поверхности.
-
Анализ скорости радиационного распада возбужденного атома, расположенного в нанопузырьке с диэлектрическими стенками конечной толщины.
— 8 -
9. Анализ динамики центра масс возбужденного атома с произвольной ориентацией дипольного момента вблизи диэлектрической микросферы.
Ю.Теория сильного взаимодействия двухуровневого атома с континуумом квантованных мод электромагнитного поля, попадающих в контур резонансной моды диэлектрической микросферы (моды шепчущей галереи).
11.Явные выражения для вакуумной частоты Раби, для спектров излученных фотонов при различных режимах возбуждения системы атом + микросфера.
12.Анализ влияния кривизны нанообъектов на вероятности дипольных и мультипольних переходов.
13.Вероятность квадрупольного перехода в атоме, расположенном вблизи наносферы, может увеличиваться на несколько порядков и сравниваться по порядку величины с вероятностями дипольных переходов.
Н.Анализ переноса энергии между двумя атомными диполями, разделенными поверхностью диэлектрической микросферы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, шести
