Из-за комбинационного рассеяния фотоны могут формировать пары, очень похожие на куперовские пары электронов в сверхпроводниках. Бразильские ученые предсказали и экспериментально исследовали этот эффект для восьми прозрачных сред. Их статья принята к публикации в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Низкотемпературную сверхпроводимость можно объяснить с помощью теории БКШ, в основе которой лежит понятие куперовской пары. Куперовская пара — это два электрона с противоположно направленными спинами и импульсами, связанные через обмен виртуальными фононами (квазичастицами, отвечающими колебаниям решетки) с ионами кристаллической решетки, что позволяет преодолеть кулоновское отталкивание. Подробнее о фононах и образовании куперовских пар можно прочитать в нашем материале «Зоопарк квазичастиц».

Когда свет распространяется в прозрачной среде, он тоже влияет на колебания составляющих ее частиц, но не с помощью фононов, а посредством комбинационного (неупругого) рассеяния. Например, в результате процесса Стокса фотон теряет часть своей энергии, испуская некоторую квазичастицу, и смещается в сторону красного спектра. В результате обратного процесса (анти-Стокса) фотон поглощает такую квазичастицу и смещается в сторону синего спектра. В принципе, эти два процесса могут совместиться, и фотоны обменяются виртуальной квазичастицей, что будет отвечать некоторому эффективному взаимодействию, аналогичному взаимодействию в куперовской паре. Это означает, что в средах с большими энергиями колебаний составляющих их частиц могут возникать фотонные аналоги куперовских пар.

Примеры диаграмм, описывающих процессы Стокса, анти-Стокса, обмен реальной и виртуальной квазичастицей. Andre Saraiva et al

В данной статье физики разработали теоретическую модель явления. Для этого они заново вывели гамильтониан теории БКШ, исходя из того, что взаимодействующие частицы являются бозонами, а не фермионами. Оказалось, что в разработанной ими теории существует энергетический зазор, аналогичный зазору в теории БКШ, и он зависит от интенсивности лазера и энергии виртуальных частиц. Когда энергия виртуальных частиц меньше, чем энергия фотонов, энергия взаимодействия фотонов оказывается меньше нуля, поэтому им выгодно притягиваться и образовывать пару.

Образование фотонных пар можно заметить в эксперименте, поскольку из-за него должно меняться число фотонов, участвующих в процессах Стокса и анти-Стокса. Для этого нужно посмотреть, как скоррелированы числа участвующих в таких процессах фотонов. Согласно теоретическим предсказаниям авторов статьи, при образовании связанных пар фотонов максимум функции корреляции должен смещаться в сторону меньших длин волн, причем эффект будет заметен тем лучше, чем больше пар образуется.

И действительно, для фотонов, распространяющихся в дистиллированной воде, авторы статьи экспериментально обнаружили такой сдвиг. Для зависимости корреляционной функции, полученной ими с помощью лазеров, излучающих с мощностью 20 и 40 милливатт, пик сместился с 3500 сантиметров на 2400 сантиметров. Это смещение как раз отвечает диапазону, в котором колебания молекулы воды возбудить сложнее, то есть в котором пары связанных фотонов образуются проще всего.

Зависимость квадрата корреляционной функции от длины волны рассеянных фотонов. Синим показана теоретическая зависимость, зеленым — зависимость без учета образования пар связанных фотонов, кружками — экспериментальные данные. Andre Saraiva et al

Кроме того, ученые экспериментально проверили предсказанный ими эффект для еще семи прозрачных сред, среди которых были не только жидкости, но и кристаллические тела. Во всех этих средах наблюдались похожие закономерности, но иногда менее ярко выраженные.

Пока не очень понятно, какие практические приложения может иметь открытый авторами статьи эффект. Возможно, предложенным ими способом удастся объяснить эффект погашения дисперсии (dispersion cancellation) или изменение прозрачности некоторых сред при освещении лазером.

Ранее мы писали о том, как ученые получили куперовские пары электронов, не создавая в проводнике сверхпроводимости самой по себе. Также другим физикам удалось увидеть триплетные куперовские пары на границе сверхпроводника и ферромагнетика.

Автор: Дмитрий Трунин