В качестве дополнения к юбилею возникновения понятия «экситон» дан краткий очерк история и эволюция концепции квазичастиц, начиная с фотоэффекта. Приведены различные определения используемых в настоящее время терминов – от самой «фотоники» до экситонов Френкеля и Ванье – Мотта. Подчеркнуто значение приближения «среднего поля», использующегося в различных областях физики, включая физику твердого тела и плазмы. Приведены примеры квантовых эффектов с участием экситонов, включая Бозе-Эйнштейновскую конденсацию в полупроводниках. Уточнено значение спектроскопии кристаллов для современной фотоники.
В качестве дополнения к юбилею возникновения понятия «экситон» дан краткий очерк история и эволюция концепции квазичастиц, начиная с фотоэффекта. Приведены различные определения используемых в настоящее время терминов – от самой «фотоники» до экситонов Френкеля и Ванье – Мотта. Подчеркнуто значение приближения «среднего поля», использующегося в различных областях физики, включая физику твердого тела и плазмы. Приведены примеры квантовых эффектов с участием экситонов, включая Бозе-Эйнштейновскую конденсацию в полупроводниках. Уточнено значение спектроскопии кристаллов для современной фотоники.
В данном учебном пособии, предназначенном для студентов технических университетов, предложена современная трактовка квантовой механики и ее формальная схема. Из материала полностью исключены традиционные для большинства изданий по этой теме полуклассические (полуквантовые) положения, являвшиеся в свое время переходными. Дан общий алгоритм расчета физических характеристик квантовых систем. Рассмотрен метод Гиббса в статистической физике и его применение для определения физических характеристик различных макроскопических систем. В работе особо подчеркивается роль вероятностных законов, лежащих в основе описания закономерностей микро- и макромира.
Пособие посвящено изучению фундаментальных вопросов квантовой механики и описанию принципиально нового типа вычислений – квантовых вычислений. Представлены фундаментальные постулаты квантовой механики и даны основы квантовых вычислений с применением квантовых симуляторов. Для специалистов в различных областях теоретической и экспериментальной физики, медицинской биофизики, информатики и компьютерного моделирования, аспирантов и студентов вузов естественнонаучных и физико-технических направлений подготовки.
Как правило, в экспериментах по исследованию бозе-эйнштейновской конденсации (БЭК) экситонных поляритонов в микрорезонаторах (МР) и свойств конденсата методами фотолюминесценции (ФЛ) при импульсном возбуждении используется накопление сигнала, то есть, получаемая информация оказывается усредненной по многим импульса излучения МР. При таком способе регистрации теряется информация о стохастических свойствах БЭК, которые могут проявляться при исследовании отдельных импульсов излучения конденсата. В последнее время появилось несколько работ, посвященных этой проблеме. Экспериментально [1,2] и теоретически [3] было показано, что отдельные импульсы излучения бозе-конденсата имеют значительную степень поляризации — как линейной, так и круговой. В то же время, при накоплении сигнала люминесценции от большого числа импульсов, как правило, наблюдается линейная поляризация излучения, направление которой привязано к одной из кристаллографических осей. Посредством измерения корреляционной функции второго порядка )2( g было продемонстрировано изменение на пикосекундных масштабах времени знака диагональной линейной поляризации излучения микростолбика, вытравленного из МР [4]. Также было обнаружено, что пространственное распределение интенсивности излучения БЭК случайным образом изменяется от импульса к импульсу при больших отрицательных расстройках между фотонной и экситонной модами МР [5]. В докладе будут кратко изложены результаты этих работ. В настоящей работе при помощи измерения корреляционной функции второго порядка )2( g для чисел фотонов обнаружены флуктуации времени возникновения БЭК в планарном МР на основе GaAs [6]. Задержка времени возгорания излучения конденсата относительно лазерного импульса изменялась от импульса к импульсу (джиттер). Джиттер максимален (~ 10 пс) вблизи порога конденсации и уменьшается с ростом мощности накачки. Джиттер приводит к увеличению измеряемых значений )2( g на фронте и спаде импульса излучения БЭК, что необходимо учитывать при корреляционных измерениях. При измерениях с накоплением сигнала от большого числа импульсов джиттер приводит к увеличению измеряемой длительности импульса. Теоретический анализ показал, что среднее значение джиттера по порядку величины равно времени нарастания люминесценции БЭК. Также исследована динамика степени спонтанной круговой и линейной поляризации отдельных импульсов излучения МР. Отдельные импульсы излучения МР при превышении порога бозе-конденсации имеют значительную круговую и линейную поляризацию, случайным образом изменяющуюся от импульса к импульсу. Спонтанная поляризация возникает на фронте импульса излучения; круговая поляризация быстро затухает и, как правило, изменяет знак через несколько десятков пикосекунд. Линейная поляризация затухает примерно на 50 пс позже круговой.
Рассматривается проблема трактовки понятия “реальность”, а также её методологическое представление в физике и психологии. Обсуждаются различные подходы к вопросу о существовании “объективной реальности”, независимой от позиции наблюдателя. С точки зрения А. Эйнштейна, единственной задачей науки является определение “того, что есть”, а с точки зрения Н. Бора и В. Гейзенберга, переход от возможного к реальному происходит во время акта наблюдения, и нет независимой от наблюдателя реальности. Более сильное выражение последней позиции заключено в утверждениях Р. Пенроуза и М.Б. Менского об участии сознания в редукции волновой функции. С позиции психологической науки авторы статьи рассматривают данную проблему как переход в описании мира от языка волновых процессов, обладающих “связностью” или “спутанностью” (язык гильбертовых пространств, на котором “говорит” бессознательное), к предметному языку сознания, для которого процессы более адекватно описываются в пространстве-времени с соответствующей метрикой (Евклида, Лобачевского или Римана).
Построена теория эффекта фотонного увлечения двумерного газа дипольных экситонов. Эффект изучен как в нормальной фазе экситонного газа, так и в режиме бозе-эйнштейновского конденсата. Показано, что в нормальной фазе плотность потока экситонов, увлекаемых светом, может иметь резонансное поведение как функция частоты света в случае, если частота фотона близка к энергии перехода между уровнями дискретного спектра экситона. Теория эффекта увлечения экситонного конденсата строится на основе модели Боголюбова для слабонеидеального бозе-газа. Анализ отклика бозе-конденсата на воздействие света показывает, что возможны два типа процессов возбуждения бозе-частиц из конденсата в состояние с ненулевым неправленым значением импульса центра масс. Первый процесс обусловлен прямым поглощением фотона с переходом экситона из конденсата в надконденсатное состояние с ненулевым импульсом (с возбуждением внутренней степени свободы). Такие процессы на энергетической диаграмме практически вертикальны и дают резонансное поведение потока экситонов как функции частоты, аналогично случаю нормальной фазы экситонного газа. Вторые процессы являются непрямыми на энергетической диаграмме и сопровождаются испусканием боголюбовского возбуждения, при переходе индивидуального экситона в надконденсатное состояние. Испускание боголюбовской квазичастицы является прямым требованием законов сохранения: квант колебаний плотности конденсата уносит импульс, необходимый для осуществления непрямого перехода с участием фотона. Таким образом, коллективные возбуждения конденсата играют роль «третьего тела» для непрямых переходов. При этом оба перехода – прямой и непрямой – описываются одним – первым – порядком теории возмущений. Расчет показывает, что непрямые переходы приводят к квантованию (ступенчатому поведению) потока экситонов как функции частоты света, при этом каждая «ступенька» соответствует возбуждению внутренней степени свободы экситона. При частоте света, превосходящей потенциал ионизации индивидуального экситона, в системе индуцируется электрической ток, обусловленный распадом экситона на электрон и дырку. Показано, что по частотному поведению фотоиндуцированного электрического тока возможно детектировать фазовое состояние экситонного газа, в том числе, определять наличие в системе экситонного конденсата.
Приведены теоретические сведения о функциях распределения вероятности и квази-вероятности (функции Вигнера), а также методах их нахождения для различных классических и квантовых задач соответственно. Разработана компьютерная программа, позволяющая моделировать эволюцию функции распределения вероятности и квази-вероятности для различных задач. Продемонстрировано, что вероятностные и квази-вероятностные распределения могут иметь как сходства, так и различия для каждой конкретной задачи.